6ES7221-1EF22-0XA0选型说明

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一 系统介绍：
确保合格的供气品质，满足稳定的气源压力，自动调节供气liuliang等是空压站自动控制的基本任务。空压机设备自带的单片机控制器已经能很好的控制单台空压机，但不具备对空压系统的整体调控能力。在空压系统中，相对单台空压机的调整，系统的整体联控具有更重要的意义。
联控系统主要的功能是可以实现空压机机组（包括每台空压机的后处理设备）的联锁控制，能根据总管压力和空压机的运行状态智能地加卸载对应的空压机等以保证管网的供气稳定。
联控有两种模式：时间顺序模式、固定顺序模式。两者的联控原理是一致的。只是时间顺序模式中各台空压机每隔一个轮换时间就按顺序时间判断一次，具体工作模式参考《顺序控制与通讯协议手册》，而固定模式的启动顺序是保持不变的。
空压机联控系统图：

工控机选用研华工控机，监控软件为组态王。对现场各类数据及系统设定参数进行实时显示，为系统报警和远程数据监控提供一个数据信息交互平台；对机组各类运行控制要求进行命令触发，为介入系统实时改变系统运行状态提供一个控制命令操作平台。
1#EC20PLC和2#EC20 PLC分别为两个空压机站的控制中心完成组态与单片机的数据交换和存储以及工控机各类控制信号处理。主要的自动控制任务都由PLC自行完成，组态只能选择具体的机组运行方式，以及特定状态下对单台机组的单一运行方式改变。各台空压机的信号通过RS485总线连接至PLC；
由于空压机自带的单片机控制器提供了RS485通讯接口，所有的数据采集和控制功能都通过通讯接口来实现，在原有的控制系统基础上，增加2台PLC，改进和增加控制软件即可实现空压系统的整体控制与连网监控。
二 设备工艺
PLC控制部分是系统的核心部分：而供气压力是系统各种运行状态改变与保持的唯一指标。简言之：压力小于供气压力要求下限就要更多的供气机组运行以增加供气量，压力大于供气压力要求上限就要把当前运行供气机组减少以减少供气量。而处于上下限之间的压力值时就保持当前机组的运行状态不变。
就单台空压机而言，其可以自行进行供气量大小的调节。当一台机器运行时，它的供气量是一个从零到大气量之间浮动的值而不是一个额定输出的定值。所以在整个供气方案中我们用改变运行机组台数的方法来改变对管网的供气。每台机组有加载、满载、卸载、和停机四种状态。加载到满载之间，供气量的值是0到大值的过程；卸载是停止供气的状态但机组仍在运行；而停机是机组不供气也不运行。
一个正常的供气流程如下：

把确定在网机组数与机组中间运行状态结合起来就构成了控制思路的基本环节。即通过压力报警确定机组数目需要增加或减少，如果已经在中间状态了加载、满载、卸载任意一个，就按增气或减气的方向移动中间状态直到运行到边界状态；当到达边界状态时按增气或减气的方向移动到下一台。当然如要稳定下来必须是在中间状态，边界状态是不能稳定的。
三 控制程序
空压机联控系统主要是PLC与单片机交换数据并确定每台空压机的运行方式。
程序的编写主体上分两大部分：读数据部分和写数据部分，流程图如下，

（一）读取单片机的信息
根据空压机控制器内单片机的相关Modbus通讯协议，编写通讯“读信息指令”的数据帧，以PLC中的Modbus通讯指令发给控制器内的单片机，单片机响应后返回相应的数据帧。通过返回帧的相应字符串判断与控制器相连的空压机的各种故障状态工作状态以及空压机的各种压力温度数据，并将返回的各类数据存放在相应的数据寄存器。
在该子程序的开始部分，执行站地址加1的操作，即每进入读数据子程序就会读取上次读过的程序的下一台；靠站地址的不断变化我们实现了读取数据通讯的轮询操作。

Modbus指令只需要一次上升沿作为发送使能，周期sm124没有开合的状态变化即没有上升沿，所以周期过后靠sm1的常闭上升沿作为Modbus指令的发送使能。每次发送的同时靠发送使能的上升沿把sm135、sm136清位。sm135、sm136与通讯程序没有任何直接关系，只是贯穿程序所必须的标志位。
（二）向单片机中写入相关信息
整个写信息部分分下面三块：
a.逻辑判断运算部分
供气压力是系统各种运行状态改变与保持的唯一指标。压力小于供气压力要求下限就要更多的供气机组运行以增加供气量，压力大于供气压力要求上限就要把当前运行供气机组减少以减少供气量。而处于上下限之间的压力值时就保持当前机组的运行状态不变。
按照工艺控制逻辑来构成逻辑判断运算部分，并且机组按照先开后停的原则顺序启动（1、2、3←→3、2、1）。
为保证数据的正确性，需要判断读信息子程序的站地址与写信息程序将执行控制操作的站地址是否一致，然后需要判断相应的故障信息寄存器是否为0，为0证明无故障或轻故障，不为0则不向该站发任何控制指令并马上对下一台操作。
由于我们对故障进行了分类，所以可以根据不同类别的故障进行不同的控制操作：
1类故障不读不写（相应的故障信息寄存器为1）
2类故障只读不写（相应的故障信息寄存器为2）
没有故障纪录（相应的故障信息寄存器默认值为0）
对故障分类的控制策略是很有价值的，在以后的控制过程根据故障类别或者可以作为运行态的类别，进行有所区分的控制。不管是通讯控制方式还是数字I/O控制方式，相信都可以在某种程度上采用这类简便有效的方法。
b.数据帧结构部分
在这个部分里主要是发送数据帧的整体架构。
c.Modbus通讯指令发送部分
指令发送部分和读数据子程序类似，就不再多介绍了。
客户还要求机组顺序可以任意打乱，但是顺序号关联着整个控制流程又不能搭乱所以只能把机器号放到依照固定顺序排列的机器号寄存器里面去，打乱这些机器号寄存器里面存放着的机器号的顺序来实现机组顺序的任意性。主程序中加入了判断机组信息的部分，还是判断故障信息寄存器内的值，先根据这些值判断出有多少台机组在网，然后根据故障信息寄存器内的值判断哪台机组退网，退网的机组编号放在网内后一台机组机器号寄存器的后面机器号寄存器里面。进网的时候只需改写故障信息寄存器，相应的在网机组台数可自行判断出来。这样进网退网的顺序就变成了先退先进。
四 总结
空压机系统联控可以根据实际需要自动开机或加载空压机以保持系统压力。有效保持了系统内空气压力稳定。调整了整体的负载平衡，减少了排气放空，节约了更多的能源，tigao了监控系统的全面有效性，真正实现了无人自动化操作。

　造纸在我国已经有二千多年的历史，它广泛应用于人们的日常生活中，晨鸣纸业集团为我国大的造纸集团，其中山东晨鸣纸业集团齐河板纸有限责任公司的碱回收装置采用我公司的SmartPro控制系统，该装置日产235T，是目前国内大的碱回收装置，它包括蒸发、静电除尘、燃烧、制漂、苛化六个工段。

　　该控制系统共有8个操作员站，四个控制器，IO测点数量达到750点，控制监测回路达到540个，控制调节回路38套，其中重要的控制调节回路是燃烧工段的上汽包液位。蒸发工段两台操作员站，一台控制柜，一台扩展柜；燃烧工段两台操作员站、一台控制柜；

　　苛化工段两台操作员站，一台扩展柜；

　　静电除尘一台工程师站；

　　制漂一台操作员站；

　　各控制室之间距离远采用光纤连接，网络、电源、主控器、计算机采用冗余配置，系统通讯采用以太网、Profibus-DP协议。

　　在蒸发工段浓缩黑液，使黑液达到可以燃烧的浓度,送到燃烧工段，在燃烧工段燃烧掉浓黑液中的可燃物质，浓黑液中的不可燃物质等变为燃烧后的红色熔融物，这些熔融物被清水溶解后称为绿液，绿液被送往苛化工段，在苛化工段把绿液与石灰进行反应，使对蒸煮不起作用的碳酸钠转变成氢氧化钠。反应分离出了清液，即蒸煮用的白液，反应后生成的沉淀叫白泥。用澄清或过滤的办法将其分离，经洗涤去残碱后再利用。在该装置中重要的设备为燃烧炉，附属设备有除氧器、燃油管路、黑液喷枪、风及烟气设备，燃烧炉运行的好坏，直接影响到碱回收整套装置的运行。

下图为蒸发工段部分工艺流程图

　　燃烧工段：在燃烧工段燃烧掉浓黑液中的可燃物质如木素，浓黑液中的不可燃物质如Na2CO3等变为燃烧后的灰渣，这些灰渣被清水溶解，这种溶解液被称为绿液，绿液被送往苛化工段。

　　苛化工段：黑液燃烧后的熔融物溶于水或稀白液中，形成黄绿色溶液，称作绿液，其主要成分是碳酸钠。苛化就是把绿液与石灰进行反应，使对蒸煮不起作用的碳酸钠转变成氢氧化钠。反应分离出了清夜（主要成分是氢氧化钠）即蒸煮用的白液，反应后生成的沉淀叫白泥（主要成分有碳酸钙）。用澄清或过滤的办法将其分离，经洗涤去残碱后再利用，或回收石灰石或综合利用。

　　控制方式有三个温度调节为绿液加热器、热水槽、苛化器单回路调节，其余主要为电机、泵的启停控制。保证白液的质量和苛化生产的连续性，对进入消化器的绿液liuliang、石灰liuliang严格控制。

　　整套碱回收系统共有泵、电机等开关控制设备64台，对于这些泵可以由现场启停，也可以由操作员在计算机上来启停。每个电机有一个DI信号，是电机的运行状态信号；有两个DO信号，是电机的启停控制信号；有一个AI信号，经过电流变换器后转变成4—20mA,在DCS上显示电机的运行电流信号。

　　应用该控制系统后可以将碱回收各部分作为一个整体对象来进行控制，按工艺流程的自动化过程由DCS系统协调完成，达到系统的平衡，保证工艺设备安全、可靠、高效运行和启停；实现整个装置控制系统的测点信息、实时数据、历史数据和系统资源的共享，在任一装置的计算机上可以观察整个装置的运行情况；tigao工艺设备运行的技术经济效益，tigao自动化投入率，tigao可靠性，减少误操作，降低事故率；操作方便，有声音报警，可查看操作记录，工艺运行曲线，生成实时和历史报表。

　　该控制系统在碱回收上的实现对造纸行业有广泛的示范效应，tigao我国造纸行业的自动化水平

一、项目背景
      神华天津煤炭码头坐落于天津滨海新区，于2006年8月开始重载运行，码头建设之初便秉承了“节能环保”的理念，投入大量资金用于环保设施的建设。压舱水回收系统作为公司环保设施的一部分，肩负着回收来港船舶压舱水并为洒水系统提供水源的任务。压舱水回收系统拓展了洒水系统淡水来源的渠道，降低了用水成本，从而tigao了环保设备—洒水系统的使用率，所以具备了节能和环保的双重功能，对于码头运营意义重大。
       压舱水tisheng泵房作为压舱水回收系统的重要组成部分，其作用是将压舱水池回收的船舶压舱水再次tisheng至东辅建区泵房的4个滗水池，实现船舶压舱水的回收再利用。泵房共设4台潜水泵，6个电动阀，2台清水搅拌机和1套液位检测装置，前期施工基本完成就地自动回收压舱水的功能。tisheng泵房位于堆场东北侧室外布置，操作时受天气情况影响较大且距离值班人员较远，在回收压舱水的过程中，需要专人到现场操作和监视设备的运行情况，影响了压舱水回收效率，给生产和设备使用、检修带来了诸多不便。压舱水tisheng泵房现场照片如图1所示。
 

图1：压舱水tisheng泵房现场照片

二、远程控制系统的设计与实现
      为了改变压舱水tisheng泵房现场操作这种落后的生产模式，tigao压舱水回收效率，决定对压舱水tisheng泵房控制系统进行改造。通过建立压舱水tisheng泵房控制系统与东辅建区泵房控制系统的ControlNet网络通讯和软件程序的编制，实现tisheng泵房4台潜水泵，6个电动阀，2台清水搅拌机的远程监视和控制，并在上位机画面中反应出5个浮球液位计动作及压舱水池水位的变化情况，并提供实时的报警信息，这样tigao了生产作业的自动化水平，极大的tisheng了压舱水回收效率，方便了设备的使用和维护。
1.原有控制系统情况
      压舱水tisheng泵房控制系统为CompactLogix System，主机1769－L32C，东辅建区泵房控制系统为ControlLogix System，主机为1756-L55。CompactLogix系统作为Logix集成控制平台的重要组成部分，采用与ControlLogix一脉相承的Logix多功能控制引擎。CompactLogix系统为中小型应用系统提供高效的控制解决方案，可以取代现在普遍应用的传统PLC和多回路控制器，并通过网络集成伺服控制，实现真正意义上的一体化中小型控制系统。ControlLogix系统在简单易于使用的环境下，实现了卓越的性能，支持过程密集型的应用和快速运动控制应用。ControlLogix系统多种处理器、多种通讯模块和I/O可以混合使用，不受限制，不需要处理器执行I/O的桥接和路由，随着系统的增大，可用网络把控制分布到另外的机架。ControlLogix系统优点包括，适合顺序、过程、传动和运动控制的模块化、高性能控制平台，不加限制地混合多个处理器、网络和I/O，通用的编程环境和Logix控制引擎，连接到NetLinx开放式网络结构，I/O模块种类繁多[1]。
2.改造后远程控制系统的结构
     根据压舱水tisheng泵房及东辅建区泵房两套控制系统的特点，经充分论证，决定采用ControlNet网络，建立压舱水tisheng泵房控制系统与东辅建区泵房控制系统的控制网通讯，通过软件程序的编制，实现压舱水tisheng泵房远程控制。
      ControlNet 网络是面向关键应用地高度稳定、高度确定、安全的I/O网络，是开放、技术先进的控制网络，满足实时性、高吞吐量应用的要求。ControlNet 网络采用 在工业通讯领域广为证实的通用工业协议CIP（Common Industrial Protocol, 原控制和信息协议）， 融合了I/O控制和对等通讯的网络功能，并为这两种网络功能提供高速、高性能的网络通讯。ControlNet网络的特色为，开放现场总线IEC61158和欧洲标准EN50170，在同一链路上完整实现网络浏览、程序上载/下载、诊断、控制器间的互锁，I/O控制等全部网络通讯要求，并且不会影响对时间要求较高的I/O数据通讯。灵活的通讯选择 (同轴电缆、光缆、光纤环网)，介质冗余，支持本质安全（intrinsically-safe）高速的数据吞吐能力（5Mbps恒定网络速率），优异的 I/O 传送和控制器间互锁性能。单个网络大支持99个站点，节点间没有小距离限制。可选通用介质、柔性介质，多种防护方式，满足阻燃型、地埋型、架空型、铠装型、防腐型安装要求。从网络上任何节点都可以访问到控制器和整个网络，方便进行编程（需通过密码检验）和系统故障排查。支持I/O数据和对等数据的多路发送（Multicast），tisheng网络效率。可组态、性能预知、可保证的、可重复的离散和模拟I/O数据网络刷新性能（支持RPI设定）。生产者/消费者（Producer / Consumer）网络服务支持您在同一链路上完整实现设备组态（configure）、实时控制（control）、信息采集（collect）等全部网络功能。支持对FF基金会现场总线的集成。
       由于压舱水tisheng泵房PLC柜与东辅建区泵房的PLC柜之间的敷线距离超过1.5公里，为保证较高的通讯质量，系统采用光纤通讯，因此在压舱水tisheng泵房PLC柜和东辅建区泵房的PLC柜中各增加了一套光电转换装置，由1756-RPA光纤中继适配器和1756-RPFM光纤中继模块组成。两系统之间连接示意图如图2所示：
  

图2：系统连接示意图
3.控制网络的设置
      原压舱水tisheng泵房控制系统为CompactLogix，东辅建区泵房控制系统为ControlLogix 。无论是适合OEM控制的CompactLogix，还是集离散、过程、运动、传动控制于一身的ControlLogix，均是具有新一代控制理念的Logix控制平台。所有的Logix将基于统一的Logix控制引擎, 并使用统一的组态软件，同时整个Logix集中体现NETLINX的理念，可以在Logix平台上实现各种控制应用，并可为电子化制造提供现场控制层的可靠基础。由于CompactLogix、ControlLogix同属于Logix控制平台，故采用RSLogix 5000软件对远程控制网络进行了配置。
      RSLogix 5000用于Logix产品家族的编程，是纯32位的，极具灵活性和易用型的PLC编程工具软件，拥有具易用性的操作界面，可以大大的节省培训和开发的时间。软件除了编程以外，还提供了超强的诊断功能和可靠的通讯[1]。
      在控制网络的设置中利用了RSLogix 5000软件将压舱水tisheng泵房CompactLogix系统CPU的FirmWare版本号13刷新到与东辅建区泵房ControlLogix系统CPU的FirmWare版本号15一致，并将将工程文件转换到15版，确保了双方能够通讯。
      通过RSLogix 5000对压舱水tisheng泵房控制系统工程文件中I/O系统进行组态，在I/O Configuration中设置1769-L32C的ControlNet Port，在其下的ControlNet网络中添加东辅建区泵房ControlLogix系统通讯模块，对CNB/E模块版本号进行相应设置，并配置好远程东辅建区泵房ControlLogix系统CPU版本信息。同理，对东辅建区泵房ControlLogix系统进行组态，终完成远程控制ContorlNet网络的配置。
4.远程控制系统的软件设计
4.1 PLC程序的设计
       压舱水tisheng泵房的PLC程序利用RSLogix 5000编程软件进行了逻辑编辑，实现了检测控制系统之间通信、对浮球信号进行防抖动处理，阀、泵、搅拌机的故障判断，一号泵与二号泵选择切换，阀的开启和关闭，泵、搅拌机的启和停，上位机命令的复位等逻辑控制功能。
4.2 上位机程序的设计
        压舱水tisheng泵房的上位机程序设计采用了RSView32软件。RSView32是基于bbbbbbS软件程序，用于创建和运行数据采集，监视及控制的应用程序。RSView32是为在Microsoft bbbbbbs2000，bbbbbb NT及bbbbbbs9x环境下使用而设计的。它的工具可供建立所有人机界面的外观,包括实时动画图形显示,趋势及警报汇总．RSView32容易与Rockwell Software，Microsoft及其它第三者产品相结合，从而大限度地发挥ActiveX，VBA，OLE，ODBC，OPC及DDE技术的功能。
       通过上位机程序的开发操作界面，使操作者对泵、阀、搅拌机、设备的远程就地、设备的手动自动、指示灯和警铃的状态显示以及水池液位的实时显示一幕了然，对泵、阀、搅拌机等设备的手动、自动控制等操作简单易行。在此基础上，还实现了一些如报警、故障复位、警铃启停、清洗程序手动控制、液位显示及趋势图功能、浮球状态显示等辅助功能。上位机操作画面如图3所示：
 

图3：上位机操作画面
5.远程控制系统的设计实践中的经验总结
      由于ControlNet网络的运行状态对远程控制系统的使用尤为重要，所以在PLC程序中增加了通讯检测的逻辑程序段，在对控制程序中“生产者”、“消费者”标签的建立的基础上通过逻辑程序的编辑实现了对PLC系统的心跳和模块的状态字的监控，进而完成ControlNet网络的运行状态的检测，程序段如图4所示：
 
 

图4：通讯检测的逻辑程序段

三、结语
       ControlNet网络在压舱水tisheng泵房远程控制系统的应用一年多来系统稳定，达到了降低操作人员劳动强度，tigao使用效率，方便设备的使用监护等目的。控制系统结构的网络化体现了控制技术的深刻变革，符合了计算机网络技术的发展的时代背景，是当前控制技术发展与创新的方向与主要潮流。