西门子6ES7223-1BL22-0XA8物优价廉

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1 前言

　　铝电解模糊控制系统是在大量长期工业实践应用基础上，结合控制技术与计算机技术的发展，吸收国内外同类产品先进技术，总结生产、应用中的经验，研制成功的新型铝电解模糊控制系统。该系统采用分布式控制方式。主机(上位机)采用Pentium系列或以上工控机，应用软件在NT系统下开发，设计的语音报警、报表管理、系统监控等软件程序，能实时显示电解槽工作电压，电解系列电流，槽电阻等曲线，自动统计班报、日报、周报、月报、效应等，并可随时打印；自动语音广播电解槽效应，电压异常等工作状况，实时监控系统工作状态。铝电解模糊控制机(下位机即槽控机)，以RX3i PLC作为微控制器，实时采集槽电压，电解系列电流，输出各种控制动作；实时显示电解槽各种状态，槽控机控制状态，具有显示信息量大、清晰、易操作等优点。槽控机在主控制部分，设置光电隔保护，有效防止外界信号对控制核心的影响,tigao工作可靠性。槽控机设计硬件电路简洁，维护更加容易。槽控机的工作状态，可由主机授权，有利于电解生产的操作管理。铝电解模糊控制系统具有在线故障自检功能，运行中出现的故障在上位机、槽控机均能提醒，显示，使维护人员能尽快检测故障，迅速维修[1] 。

1.硬件系统组成

1.1 布式控制硬件结构框图

　　该控制系统采用DDC（直接数字控制）、SCC（过程监控）两级分布式控制方案，原理图见图1.1。每台槽控箱控制1台电解槽，同时每台槽控箱都有独立的PLC作为主控制器，负责对系列电流、槽电压和各种开关量输入信号的采集，数据解析，模糊推理，判断槽中氧化铝浓度，并通过调节下料时间间隔以及极距，达到电解槽内物料平衡和热量平衡。

　　过程监控级通过RS-422通信总线与槽控箱中的PLC通信，从中获取相关信息，通过对信息的加工、处理，实现槽况诊断，从而实现对DDC级的参数修改、优化，同时也为人工操作和维护决策提供可靠的依据。

　　多区域的SCC均可连接起来，构成一局域网，在原有二级基础上扩展一级MIS（管理信息系统）级，并实现与全厂计算机网络的联网，便于领导决策[2][3] 。

2 槽控机工作原理

　　槽控机分为逻辑部分和低压电器部分上下箱体，该机CPU采用GE Fanuc RX3i PLC，通讯板采用CAN工业现场通讯总线智能通讯板，每台槽控机通过低压电器部分的输出驱动电解 槽上的电磁阀、电机、效应灯、效应铃完成相应控制动作，电解槽与PLC之间连接图如图2.1。槽控机控制软件用Turbo C2.0语言开发，代码分离、实时多任务运行方式，运行速度快、响应即时，同时具有数据掉电保护和“看门狗”功能，PLC的I/O简图如图2.2。

主要控制模块及功能的开发：

* 数据采集

* 自动打壳下料控制主要完成定时加料过程(打壳—下料—冲料/反吹)

* 槽电阻波动控制

* 氧化铝浓度模糊控制

* 阳极效应预报和效应控制

* 阳极效应报警和熄灭阳极效应一旦发生，槽控机即发声光报警，并进人熄灭阳极效应的过程。

* 出铝控制过程

图 2.2 I/O 简图

3 组态软件的设计

　　组态软件Monitor and Control Generated System(M0GS)是一套基于bbbbbbs平台，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。它提供了从数据采集到数据处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和开发平台[4] 。

　　利用PLC和组态软件这两种技术平台进行开发研究 ，能跟踪当代技术发展的潮流，应用目前先进的微电子技术，能使电力供电的每一项典型装置，在新的技术支持下得以实现。并为电力系统其他装置的更新换代，创造出新的领域。MCGS是一项新的技术手段。普通工程人员经过短时间的培训就能正确掌握，快速完成所需的工程项目。使其能集中精力解决工程本身的问题，而不需要太多了解计算机系统复杂的软、硬件问题，降低了开发难度。

① 工作界面设计

　　组态(Configuration)的意思就是模块任意组合，其界面由电气运行主接线图、报表数据、运行曲线、报警系统、安全机制5大部分组成。

A 电气运行主接线图。将各电气设备按主接线方式通过动画的形式仿真模拟出来，其中包括了时实的电流、电压、有功功率、无功功率电气量的显示。

B 数据报表。数据是系统运行状态的体现，通过组态软件作出实时数据报表和历史数据报表，给运行人员提供分析和提示系统运行情况的数据。

C 运行曲线。根据系统运行的情况，通过组态软件作出实时运行曲线和历史运行曲线。让运行人员清晰地看到系统运行发展趋势。

D 运行操作界面还设置了保护报警系统，一旦运行系统保护动作，报警系统发出显示信号和音响信号。

E 安全机制。通过组态软件作出的安全机制控制了各种级别人员操作权、控制权和访问权。

② 组态与PLC通讯

　　组态软件提供了大量的工控领域常用设备驱动程序的接口，首先进入设备窗口，设定串口通讯父设备，再选定PLC种类。调出设备属性窗口，设置PLC与监控系统的时实数据连接通道。就可使界面与PLC设备进行数据交换。不需要了解计算机和I/O设备的详细结构，编写单独的接口程序，因此降低了系统设计的难度，简化了系统设计过程。

4 结束语

　　基于PLC的槽控机设计极大地tigao了铝电解自动控制的水平，尤其是GE Fanuc的RX3i PAC在槽控机中的使用，因其CPU运行速度快，存储容量大的特点，根据效应的自动决策和管理，减少了因人工干预带来的盲目性，tigao了控制精度和准确性。

4、  设定运行频率：

　　根据富士变频器说明书，设定运行频率命令ASCII为： SON 0 2 ENQ W S 0 5 SP  4位频率数据 ETX 2位校验和，转换成ASCII（16进制）为01 30 32 05 57 53 30 35 20 00 00 00 00 03 00 00，共16字节，该命令返回16字节。

　　4位频率数据和2位校验和因为会根据设定不同频率而变化，需要在程序中组祯运算。

　　命令串放在初始寄存器值表“频率设定命令”中（V1050-V1065，见下图），采用COMM.LB指令只发送低字节方式发送数据。

　　5、  读取当前运行频率：

　　根据富士变频器说明书，读取当前运行频率命令ASCII为： SON 0 2 ENQ R M 0 9 SP 0 0 0 0 ETX 5 2，转换成ASCII（16进制）为01 30 32 05 52 4D 30 39 20 30 30 30 30 03 35 32，共16字节，该命令返回16字节。

　　命令串放在初始寄存器值表“频率读取命令”中（V1070-V1085，见下图），采用COMM.LB指令只发送低字节方式发送数据。

一． 引言
供水设备技术更新日益发展，随着相关电气设备的技术进步而不断完善。随着富士新一代小型PLC-SPB的上市，在变频供水技术改造上得到进一步发展，实现了控制功能更强，价格更低的改进型控制柜。
二． 系统介绍
该系统为一拖三型式，计有30点PLC壹台，2.2KW变频器壹台,水泵三台,相关低压电器一批,由于其主要核心器件全部选用富士电机优质工控产品,也可称为富士恒压变频供水控制柜.

三． 功能介绍
此种变频柜是一种低成本一拖三控制方式，其过程为1号泵调速运行至满负荷时仍达在到设定压力，PLC将当前运行泵转换为工频，再软启动2号泵，开始调速直达设定压力值，如仍不能满足要求则将2号泵也转为工频运行，3号泵软启动后投入调速运行，以达到设定压力值，减泵时按3号、2号、1号泵顺序执行。如此循环往复，实现闭环调节控制恒压供水。即可节省能源，又可做到经济耐用，可实现无间断供水或自动定时供水，设备运行合理，可靠性高，配置灵活，操作维护简单。
四． 系统工作原理
该系统工作流程为：运传压力表将供水管网内的动态压力信号直接输入到变频器的模拟量输入端子，作为变频闭环PID控制的反馈量，变频调速器的给定信号由控制端子X1-X4给定，由于变频供水对频率精度要求不高，4个端子可组成16级频率给定变化。X1—X4由PLC的四个输出点来控制组合，同时PLC的输出点可控制工频/变频的切换。其重要一点是利用变频器的FMP端子，输出与频率成比例的脉冲串，再输入到SPB-PLC的高速计数端子，计算出变频器的实际输出频率，经过PLC运算比较，实现各台泵的自然切换，真正达到恒压供水的目的。在消防运行时，按下消防按纽，执行相应PLC程序，所有水泵逐台切入工频运行，以保证消防用水压力。
五． 设备选型
1． 变频器：选用日本原装富士电机FVR2.2E11S-4JE型变频器。该型号低噪声、转矩大、体积小、功能强，自带PID功能，可在各种场合使用，是小功率高性能变频器的。
2． 可编程序控制器：选用富士电机新推出SPB系列小型PLC：NWOP30R-31（16入/14出），该机特点如下：
一． 体积小巧、功能强大、处理速度快、品种齐全（20、30、40、60点主机，16、32点扩展）；
二． 直接带扩展，无须另接电源，大可达124点；
三． 带有自举螺钉端子，接线方便，不掉螺钉；
四． 备有各种外接单元，如模拟量（4入，2出，3入/1出型），RS-232C、RS-485通讯单元、AS-I总线单元；
五． 高速计数可达100KHZ
六． 软件功能强大：
（1） 具有各种32位运算指令；
（2） 40点、60点带内部时钟；
（3） 具有浮点运算功能，及相应三角函数运算功能；
（4） 具有PWM等脉冲控制功能；
（5） 具有多段斜坡保持控制功能；
（6） 具有矩阵、PID、数字开关读入等功能；

3． 低压电器：
（1） 空气开关：富士电机EA33B/15A。
（2） 接触器：富士电机SC-E03额定电流12A。
热继电器：富士电机TK-E02/9-13A带断相保护。
六． 结束语
该变频恒压供水控制柜可广泛应用于城乡各种类型自来水供水系统，高层建筑供水，生活用水及消防供水工业生产工况闭环用水的恒压控制。

　一、 工艺过程简介

　　由配料岗位生产的料液放入储罐中待用，料液必要的理化指标经检验合格后即可投入生产。干燥介质（空气）在换热器中经热风炉烟道气加热至所需温度后，由塔顶经布风板进入干燥塔内。具有一定温度及浓度的料液由计量泵加压后经塔项孔板喷出，在干燥塔内上部空间形成具有一定分布密度的料幕区。料粒与热空气自上而下，顺流进行热量及水份交换，大部分干物料由塔底泄出，部分细粉料随空气由引风机从塔底出风抽入旋风除尘器中，定期由旋风下料器排出。（图1所示）

　　二、 系统规模

　　系统规模为：模入AI：26点，模出AO：10点，开入DI：28点，开出DO：14点，
　　共计：78点

　　三、 控制系统选型：

　　由于该工程为计算机改造项目，没有条件将系统（特别是计算机部分）安置在一个环境相对较好的控制室中，只能与原来的仪表盘一起放在现场操作室内。环境相当恶劣，粉尘严重，且特别易吸潮，强腐蚀性；整个操作平台上有严重的震动；另因现场测温元件及信号线沿用已有的，这些信号线与大型风机等的动力线混敷设，无任何抗干扰措施。针对以上情况并考虑能够尽量节能挖潜，所以我们选用了以下设备作为控制系统的软硬件平台：


　　1 计算机及外设（操作站）： 15”高分辩率彩显/研华媒体工控机/500VA UPS供电

　　完成工艺过程监视、数据表显示、控制回路设定、趋势曲线图、报警显示记录、报表打印及系统自诊断等。


　　2、控制系统（控制站）： 选用美国OPTO 22公司SNAP 现场分布式I/O控制系统

　　该系统具有以下特点：各硬件组成结构紧溱，欧式PIN接插件可靠性强于金手指型，优质铝合金外壳封型较好，因此特别适宜于安装在环境恶劣的工作场所，与上位机通信灵活，一根电缆进控制室即可，节约了大量的电线，且系统软硬件环境的开放性使得其扩展及网络化集成工作非常容易实现。另外其现场I/O模块采用4000VDC光电隔离，具有及强的抗电磁干扰能力，各通道分别设置看门狗，且质量终身保用；控制器可双机热备，RAM/EEPROM方式仍你选择，完成控制策略的执行及分发，并负责与主机的通信；单元控制器，协调本单元内各模块、通道的工作，完成单元内的工程单位转换、非线性处理、PID运算、报警处理、滤波、开方等基本操作，并与控制器进行实时数据交换，向控制器发出中断请求等。该系统采用多级CPU并行处理模式，可靠性高，运算速度快，非常适用于实时测控领域。


　　3 控制软件：

　　OPTO 22公司的FACTORYFLOOR工控软件，完成控制应用程序的组态、调试、实时人机界面、通信控制以及实现工厂级管控一体化等。与其它组态软件比较，其完全开放的系统模式及第三方产品（只要是用Microsoft VB/VC++开发的应用程序）的良好兼容性，为用户提供了友好的二次开发环境。


　　4 现场仪表及执行器：

　　　　1） 37KW引风机、11KW送风机及炉膛鼓风机，采用西门子公司ECO系列变频器控制；

　　　　2） 日本生产的大气露点仪，用于监视环境湿度的变化；

　　　　3） 密度式料液浓度计；

　　　　4） 笛型管配套电容式差压变送器，对热风量进行监测；

　　　　5） 电容式差式变送器测负压，监视换热器及干燥塔的工作状态；

　　　　6） 利用铠装热电阻快速准确测量料液温度；

　　　　7） 气动薄膜调节蝶阀，对经过换热器的热载体部分旁路，进行塔顶温度修正；


　　四、 控制关键：

　　1 开关量部分：

　　　　1） 根据人工指令，并结合高位槽料位情况以及料液温度控制料泵的运行；

　　　　2） 根据人工指令、热风温度及热风量的大小以及运行中隔膜泵的压力变化，控制隔膜泵的运行。

　　　　3） 根据炉膛温度与其设定值的偏差，进行送煤机的时间比例（TPO）控制；

　　　　4） 按热风炉操作规程进行排渣提醒，并在规定时间内无人工排渣过程时，进行强制定时排渣；

　　　　5） 高位槽、低位槽及水沫除尘料位报警；

　　　　6） 对人工停车指令进行确认，按规程中的指标要求完成整个工艺过程（含热风炉、换热器）自动停车的全部顺序控制；


　　2、模拟量（工艺参数）部分：

　　干燥过程工艺参数监控的终目的是为了保证产品水分、不溶物及有效成分含量等理化指标符合产品质量标准要求，但就目前国内而言，还无法实现对以上工艺指标的连续在线检测，但在工艺设备正常的情况下，只要把影响干燥过程热量平衡及物料平衡的操作参数进行平稳控制，并根据一些不可控因素（大气湿度、温度、料液温度、浓度）的变化，适当修正操作参数，仍然可使产品的质量指标较小的波动，从而获得较好的控制效果。

　　另外，从控制的角度来看此具体干燥工艺，是一个典型的多输入/多输出系统（MIMO），其中某些耦合关系还存在较复杂的非线性特征；由于隔膜泵结构所限，无法对其打料进行自动liuliang控制，也就是说，在系统处于全自动运行状态时，料液liuliang在任何情况下都有相对稳定（除非设备管道故障），这就限制了所采取的调节手段只能在热风系统进行（比如：风量、进塔/出塔温度、进塔出塔负压等），无论是热风系统本身还是环境、原料属性（温度、liuliang、压力及浓度等）引起的干燥状态的改变，都只能由热风参数的变化来得到修正。如前述，由于热风炉固有的热惯性及其对进塔热风温度有严重的纯滞后影响，这就很难保证干燥状态在任何情况下（工艺设备管道故障除外）都能得到较好的稳定。因此若采用常规PID算法实现参数的自调几乎是不可能的。

　　针对以上情况，在系统具体实现上，我们在各个相对独立的控制环节分别采取了以下措施：

　　1） 热风炉炉温自动控制；

　　首先计算塔顶温度与其设定值的偏差Et1及塔底温度与其设定值的偏差Et2的加权和，并将其作为炉温设定值（初值由人工给定）的修正增量对炉温设定值进行在线实时修正。
对炉温的具体控制，同步采取了两种手段：

　　一是根据炉温的偏差对送煤机进行时间比例（TPO）控制；同时也利用炉温偏差对热风炉送风机进行增量型PI控制。其目的在于尽量减小热风炉热惯性的影响并大可能地保证煤的完全燃烧。增设烟道气负压及换热器出口温在线检测，对换热器及炉尾引风机运行状况进行监视。


　　2） 干燥状态自动控制系统：

　　即是指利用热风量、炉温及干燥引风机对干燥过程的各工艺参数进行自动控制，工艺参数包括热风是量、热风温度、进塔/出塔空气负压、出塔斯社尾气温度等。如前所述，在运行过程中，需根据一些不可控因素的变化对工艺参数的设定值作相应调整。

　　具体实施时，利用矩阵分析方法对某些工艺参数进行多重解耦控制，从而达到尽量减小控制回路间串扰的目的，见下框图（图3）；

　　附：解耦前工艺参数影响关系：


　　如图所示，对于象大气温度、湿度以及料液温度、浓度这样渐变的，但又不可忽视的不可控干扰，利用来实时在线修正工艺参数设定值，但系统具有前馈校正的特性，从而改善由于热风系统存在大的纯滞后特性而对控制品质造成的不良影响。


　　3） 所有PID环节都采用增量型算法，即：

　　U（K）=A*E（K）-B*E（K-1）+C*E（K-2）

　　　　A=Kc（1+T0/T1+Td/To）
　　　　B=Kc(1+2*Td/To)
　　　　C=Kc(Td/To)

　　　　　　　 E(k)=Qr(k)-Q(K)

　　式中：

　　　　U(K——为第K次采样周期时系统的控制作用；
　　　　E(K)——为第K次采样周期的偏差；
　　　　Qr(K)——为第K次采样周期的给定值；
　　　　Q(K)——为第K次采样的实测参数值；
　　　　Kc——比例环节主导时间常数；
　　　　T0——受控环节主导时间常数；
　　　　T1/Td——分别主积分/微分时间


　　五 系统实际运行情况：

　　1 工艺参数的控制质量指标：

　　　　1） 炉温的稳定度为：一般情况下，偏差<=2.5℃，设定值大幅度调整时，其大超调不超过10℃；

　　　　2） 负压的调整精度为：偏差<=50Pa.

　　　　3） 进/出塔气体温度的稳定度为：偏差<=±0.5℃;

　　　　4） 在大气湿度不变的前提下，风量的波动<=5%;

　　　　5） 投入自动时不需要象常规PID那样要求有严格的前提条件；工艺设备不正常（主要指隔膜泵压力不稳）时，系统自动切入手动操作模式。


　　2 各项经济技术指标考核结果：

　　本系统自去2000年9九月份投运后，各项指标均达到合同要求。在能耗（煤、电）基本不变的前提下，单产量度增加了18%以上，由原来的313Kg/h（合同规定）增加到370Kg/h以上；产品水分波动范围由原来的7.5%-12%缩小到0.5%以内，不溶物含量也由原来的0.3%-0.55%减小到0.2%以内，从而使铬含量的稳定度大大tigao。另外在生产过程中，由于原料量（隔膜泵开度）保持不变，系统处于均衡生产状态下，从而减小了故障停车时间，原来几乎每个班要撤换或清洗一次孔板，同时由于滴料等原因造成的结块现象严重，几乎每出2桶粉料就有1桶块料。投入本系统后，只要隔膜泵不出故障（比如卡弹），可作到24小时甚至更长时间的不间断生产，每个班所出的块料不到1桶（原来为7-8桶）。

　　热风炉处于微负压运行状态，且炉温也平衡下来，不再出现以前那种忽高忽低、波动范围达20-30℃的情况，而且炉膛送风机一般不会工作在大负荷下，因此热风炉及其辅设的故障率也大大地降低了。

　　在去年上半年我们到该厂考察期间，经常遇到热风炉故障（比如：正压燃烧或温度过高造成炉墙开裂，水冷管爆裂等，以及送煤机、鼓风机及炉尾引风机烧毁等）。自投入本系统至元旦节前，由于热风炉故障引起的停车共计2次，其中 一次为煤斗tisheng装置机械故障所致。而且还未出现过烧毁电机、炉墙开裂这样较严重的事故。