西门子模块6ES7216-2BD23-0XB8选型说明

西门子模块6ES7216-2BD23-0XB8选型说明

　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。

一 前言

水制备系统包括纯化水处理(二级反渗透)和注射水制备系统。随着科学技术的发展，人们对水质(包括医用水和饮用水)的要求也越来越高。因此，近几年净水及制水设备的更新和改造的步伐发展非常快，为了得到合格的纯化水，对水处理设备的自动化要求也越来越高。本文介绍一种以软PLC为主站，以S7-200系列的PLC为从站的全自动水制备控制系统，这是西门子WinAC和Profibus现场总线在纯化水处理和制备领域中的应用实例。

二 系统简介

1. 控制对象
该水制备系统由两部分组成：反渗透纯水系统和注射水制备系统。

反渗透纯水系统包括一级反渗透、二级反渗透。主要控制对象有原水阀、原水泵、砂滤后水控温阀、一级RO进水阀、一级高压泵、一级RO冲洗阀、一级PW回流/出水阀、二级高压泵、二级RO冲洗阀、二级PW回流/出水阀、纯水泵、药洗泵、计量泵等。输入监控点有2个电导率(水质监测)、2个liuliang、1个pH值、3个水箱液位、2个温度点以及故障信号等。

注射水制备系统包括1个蒸馏水机、2个PID调节回路。主要控制对象有原料水进口阀、注射水出口阀、纯蒸汽出口阀、注射水泵、原料水泵、冷却水泵、回收冷凝水泵、蒸汽调节阀和冷却水调节阀等。输入监控点有1个电导率(水质监测)、1个liuliang、3个水箱液位、8个温度点以及故障信号等。

2.控制流程
系统分5个控制回路：(1)原水控制回路：自来水通过原水阀进入原水箱，原水阀的开/关由原水箱的高低液位来控制；(2)一级纯化水控制回路：原水箱的水通过原水泵进入砂滤、碳滤和精滤，再由一级高压泵送入一级RO装置，经过一级RO处理过的纯化水检验合格进入中间水箱，不合格则回到原水箱；(3)二级纯化水控制回路：中间水箱的水通过二级高压泵送入二级RO装置，经过二级RO处理过的纯化水经检验合格后进入纯水箱，不合格则回到中间水箱；(4)纯化水使用点控制回路：纯水箱中的纯化水通过纯水泵送到各使用点和原料水箱，根据各使用点的用水量和原料水箱的液位控制纯水泵；(5)注射用水控制回路：原料水箱中的纯化水通过原料水泵送入蒸馏水机，生成注射用水，经电导仪检验，合格的进入注射用水水箱，不合格的则流到回收水箱。

三 控制系统的构成

1. 系统配置框图
控制系统由一台工控机配CP5613通信卡和WinAC软PLC为主站，以S7-200 系列的PLC为从站。该系统的配置框图如图1所示。

2. 系统配置特点
根据这种水制备系统的技术要求，现场实时控制采用S7-200系列PLC——CPU226和CPU224，再加扩展模块EM222、EM231和EM232，通过EM277从站模块，作为从站上挂到Profibus-DP现场总线。这样的配置成本较低，从站可以不依赖于主站独立运行。上位机监控采用WinAC软PLC作主站，用微软的Visual Basic(VB)或西门子的ProTool/Pro软件开发监控画面，这符合水制备系统的实时控制和动态监视要求，实现过程也比较容易，因为主从PLC之间的通信接口可通过WinAC实现，而无须费力去开发。

四 控制系统的功能与自动化的实现

1. 系统功能

运行方式：自动运行和手动操作。用户界面：系统提供友好的用户界面和方便的操作按钮。实时监控：动态显示水箱的液位、泵阀的开关状态、模拟水流、水质、温度、pH值、液位、瞬时liuliang和积算liuliang等，并根据液位、liuliang和水质的情况自动控制泵阀的开关、liuliang的大小和出口回流等。报警功能：系统有自动报警功能，并能记录故障的时间、原因等信息。打印输出：系统能定时或实时打印出故障信息、水箱液位、liuliang、水质、温度等信息。保存数据：系统具有保存数据和与其他应用程序交换数据的功能。在线帮助：系统提供完备的在线帮助信息，操作员遇到问题时能及时得到帮助和指导。

2. WinLC组态及编程

用STEP编程软件组态软PLC主站和EM277从站的配置，并对主机编程。该程序主要是处理主站的应用程序(用户界面)与实时控制的从站PLC之间的数据信息交换、报警事件的处理、两个从站之间的运行协调和一些运行参数的存储等，WinLC主机配置组态如图2所示。

a. 上位机应用程序

用Visual Basic语言或ProTool/Pro组态软件设计友好的用户界面和监控画面，通过WinLC主机，向Profibus-DP上的EM277从站(S7-200系列PLC)发送命令，同时读取从站PLC监测到的设备运行状态、模拟量采样数据和报警信息等。根据这些实时数据，系统在屏幕上动态显示整个水制备装置的运行情况，包括水流方向、水箱液位、电导率、pH值、liuliang、温度和泵阀的开/关状态等。一旦发现故障报警信息，系统即显示明显的警示画面，通过WinLC主机向各从站PLC发出停机命令，保存并记录故障发生的时间、方位和原因等原始数据。上述程序还可以根据用户要求保存所需要的历史数据，定时、实时(如故障信息)或按操作键打印所需的数据和信息，如电导率、pH值、liuliang、温度和有无故障发生等。用ProTool/Pro设计的水制备系统的用户监控画面如图3所示。

b. 从站PLC程序

用STEP7 Micro/WIN软件设计从站PLC(S7-200系列)程序。该主程序由自动运行程序、手动操作程序、状态及故障检测程序、初始化子程序、模拟量处理子程序、总线数据交换子程序和PID回路调节中断程序等组成。由于采用Profibus-DP总线结构，因此从站PLC程序无须考虑与主站的通信问题，只需在已指定的输入/输出缓冲区中交换数据即可。同时，该从站PLC还可以脱离主站而单独运行。

c. 系统的可扩展性

通过OPC，系统可以与其他应用程序连接，也可以实现数据共享。从站数量可以扩展，从站PLC的模块亦可以根据要求扩展，甚至还可以扩展一些新的功能，如利用从站PLC上的编程口(按自由口通信协议)接打印机、变频器或其他智能仪表等。

五 结束语
该系统是根据纯化水处理的特点，利用WinAC可替代硬件作为主站这一特性，并使用S7-200系列的PLC作为从站。这种设计方便地解决了上位机应用程序在Profibus现场总线上的通信问题，从站也可以单独运行。该系统设计合理、技术先进、可靠性高、硬件成本低，便于推广和应用。