西门子模块6ES7223-1BL22-0XA8规格说明

西门子模块6ES7223-1BL22-0XA8规格说明

1 引言
可编程序控制器，简称PLC，是在计算机技术、控制技术、通信技术日新月异发展基础上诞生的新产品，以其结构小巧、运行速度快、灵活性强、可靠性高、抗干扰能力强、开发周期短等优点在工业控制领域内应用十分广泛。PLC与上位机通信组成的自动控制系统已成为工控界的一种通用模式。
本文将介绍PLC在我国广电行业中的应用。广播发射台在播音过程中，发射机需要倒换播音天线，靠摇柄或简单的电动装置实现开关的切换，不仅效率低、消耗人力，而且容易产生错误操作。基于PLC控制的天线自动切换系统，可根据切换指令自动倒换天线，tigao了效率，减少了人为失误，实现了“有人留守，无人值班” 的切换自动化，开创了我国广播发射台全自动切换开关的历史。
2 天线开关自动切换系统功能及优越性
本自动控制系统可根据运行图自动进行开关切换；也可根据需要，随时按任务要求变更天线交换方案，即临时播音；同时可监测发射机的高压状态、开关状态和天线的使用情况。本系统具有良好的联锁保护功能，确保发射机有高压通过开关时不能交换。自动控制系统还具有备用的手动交换功能，在自动系统均故障的情况下，可以利用手动操作系统进行切换。手动操作也可供检修和维护自动控制系统时使用。如有必要，可进行双机（PLC）热备份，假如正在运行的系统故障，可自动切换到备用系统。
计算机自动控制的人机交互界面，具有运行图添加、修改、下载功能；添加临时播音功能；查看和打印操作日志功能；时间校正功能；用户管理等功能界面。
本自动控制系统具有实时性、交互性，操作方法简单，便于管理。真正实现了天线开关的自动切换；无需值班员操作，避免了人为操作导致的失误。系统采用PLC 控制，即使脱离上位机监控界面，仍可按照PLC预先存储的程序执行控制任务，因此，系统具有高可靠性、安全性；双电源供电系统，使运行更加安全可靠。
3 自动控制系统的实现
（1）自动控制系统下位机采用OMRON公司CXP系列的PLC进行控制和采样；上位机采用VB编写人机交互界面，并利用RS-422实现上下位机之间的串行通讯，实现人机对话、操作及显示。其中，手动操作系统采用波段选择开关，在控制柜面板上对相应的交换开关进行手动选择，通过继电器控制交换开关动作。
（2）交换开关电机供电执行系统采用可靠的交流接触器由上述自动或手动控制系统进行控制，提供交换开关电机的电源。
4 系统示意图（图1所示）

4.1 硬件电路控制原理图（控制三个1*3开关）
4.2 PLC输入模块、输出模块点数的分配
5 自动控制电路的原理
本原理图控制三个户外1*3开关，每个开关可向左向、主向和右向三个方向的天线网络切换。我们结合电路原理图，以控制开关K1为例，参看图2（a），当控制柜上的波段开关SWITCH打到自动档时，给PLC一个DC+24V的自动操作的证实信号，同时AUTO继电器线包得电。AUTO的常开结点5，9闭合。K1I、K1II、K1III分别代表1*3开关K1到达左向、主向和右向的三个方向的微动开关。它们的常闭触点c，a到位时断开。
假如，目前三个开关同时处于左向位置，要求它们转到主向位置，PLC给出向主向转动的信号，参看图3，PLC输出模块的1点输出低电平，自动转向主向的线包AM得电，图2（a）中AM1的常开触点5，9闭合，K1在没到达主向时，主向的微动开关K1II的常闭触点c，a一直处于闭合状态，那么，图2（a）中，控制K1开关电机得电的KM1继电器线包得电，图2（b）中KM1的常开触点6，10和7，11闭合。同时，PLC的输出模块的4点输出低电平，电机电源信号继电器线包KPC得电，其触点5，9闭合，AC220V空开CB1闭合，触点1，2和3，4闭合。此时交流接触器KMO线包得电，其常开触点 T1，L1和T2，L2闭合，KMO的常开触点T3，L3起自保作用。延时断开时间继电器D1开始计时（根据要求设定为3分钟）。开关1的电机M1得电（电机电源为交流220V，单向转动），开始转动，在规定的3分钟内，转到主向位置后，从K1主向的微动开关取到位信号送给到位继电器线包K1M，K1M 的常闭触点6，10闭合，送给PLC的输入模块1点一个K1主向到位的状态信号。同时，开关1上的微动开关的常闭触点c，a断开，继电器KM1线包失电，触点6，10和7，11断开，电机失电，停止转动。同理，可向主向、右向转。开关K2，和开关K3的转动原理类似K1。
实际的控制信号将由PLC根据运行图由程序判断得出，这样就实现了开关按时间顺序进行自动切换的功能。

6 PLC梯形图程序流程（见图4）

7 实际应用结果与分析
（1）在初的理论方案设计中，考虑到本套控制系统的控制机构和执行机构相距较远（约2公里），设计使用AC220V的控制信号，但实际应用时，在 40*1.5电缆各芯线中产生很强的感应电压，而且越到芯线感应电压越大，后经过实验论证、改进，用DC24V控制信号（本原理图中已表示出），到达执行机构衰减不大，达到控制电压要求。
（2）此套控制系统的硬件电源部分在于以往开始的几套天线控制系统中，是利用分立元器件变压整流的方式得到DC24V的控制电源，但经过在几套控制系统的应用中发现，整流桥容易烧毁，变压器和电容也会出现问题，给检修和调试带来很dama烦，所以，直接利用开关电源由输入机柜的外电得到DC+24V的电源供控制和显示之用，经实际使用验证开关电源体积小，功耗小，效率高，可靠安全。
（3）系统已经用于云南某广播发射台，机房中有两部功率为600kW中波发射机，发射频率范围约535~1605KHz，系统的控制机柜也安放在机房中，运行一年半以来没、有因高频干扰出现误动作方面的问题。由于天气炎热，潮湿等原因曾更换过显示器一台，但显示界面故障不会影响PLC中程序的执行，再次体现了此套系统得可靠性。
（4）此套控制系统的应用，避免了机房工作人员在远离机房到2公里外的天线场地手摇开关的工作；按时间顺序切换发射方向，做到了准确无误，未出现因开关控制系统故障停播的情况，大大tigao了工作效率，节省了人力、物力。
事实证明，用PLC采集数据和执行控制任务与用其它方式相比，抗干扰性强，性能稳定，操作方便，控制可靠，达到了较高的自动化水平。特别是，近年来，新型 PLC的数据存储区容量不断增大，采集与存储的数据量可以很大，加之PLC本身的一系列优点，使得PLC在广电自动化系统中的应用越来越广泛。
8 天线开关自动切换系统的发展方向
随着我国广电发射机房自动化进一步发展，只在台内进行开关状态监控已经不能满足广电业自动化、系统化、网络化的要求，为了更好地实现广电局对各广播发射台内部信息的共享，做出及时的调度与决策，需要通过与网络技术相结合，以高效、可靠的方式实现广电局内部数据利用的大化，使总局能够对发射过程进行实时监控，并且对所发生的意外情况及时进行处理。通过网路对发射台进行监测，可实现智能监测发射信号，tigao监测的准确性、可靠性，有效地预防非法信号的干扰，保证安全播出，减少发射台停播和劣播情况，确保安全优质播出。因此实现对开关自动控制系统远程监控成为目前发展的必然趋势，今后将完善系统的远程监控部分的内容。
此外，发射机自动化系统日益完善，天线开关的自动控制系统需要与之建立实时的数据联系，那么，如何将开关的自动控制系统和发射机的自动控制系统结合起来，形成嵌入式控制系统，将给远程监控带来极大的方便，将两套系统结合，也将成为今后广播发射台自动控制系统发展的主要方向。
9 结束语
本文介绍了PLC开关切换系统自动控制的主要部分。此套系统根据运行图按时间顺序自动执行开关切换，高效、准确，给广播发射台的工作提供了很大方便。该自动控制系统投入实际运行使用以来，抗干扰性强，性能稳定，操作方便，控制可靠，达到了较高的自动化水平。
PLC由于具有程序设计简单，改变程序灵活，通用性好，控制可靠，能在恶劣的环境中长期工作，节约能源等特点，已成为工业自动化领域中发展速度极快的通用控制装置，在未来的发展中，必将起到越来越重要的作用。

1  引言
    锅炉是发电厂及其它工业企业中普遍的动力设备之一，它的功能是把燃料中的贮能，通过燃烧转化成热能，以蒸汽或热水的形式输向各种设备。目前，国内大多数工业锅炉都是人工控制的，或简单的仪表单回路调节系统，燃料浪费很大。工业锅炉作为一个设备总体，有许多被控制量与控制量，扰动因数也很多，许多参数之间明显地存在着复杂的耦合关系。对于工业锅炉这个复杂的系统，由于其内部能量转换机理过于复杂，采用常规的方式进行控制，难以达到理想的控制效果，因此，必须采用智能控制方式控制，才能获得佳控制效果。

2  系统的组成
    系统运行的示意图如图1所示。

图1     系统运行示意图

    由图1可知，燃料和空气按一定比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，经负荷设备调节阀供给负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，后经引风机送往烟囱排入大气。

    锅炉是个较复杂的调节对象，为保证提供合格的蒸汽以适应负荷的需要，生产过程各主要工艺参数必须加以严格控制。主要调节项目有;负荷、锅炉给水、燃烧量、减温水、送风等。主要输出量是:汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气等。这些输入量与输出量之间是互相制约的，例如，蒸汽负荷变化时，必然会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度的变化;燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、空气量和炉膛负压等。对于这样复杂的对象，工程处理上作了一些简化，将锅炉控制系统划分为若干个调节系统。主要的调节系统有:
(1) 汽包水位调节系统 
    被调量是汽包水位，调节量是给水liuliang，它主要考虑汽包内部物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在工艺允许范围内。

(2) 过热蒸汽温度调节系统 
    维持过热器出口温度在允许范围之内，并保证管壁温度不超过允许工作温度。

(3) 燃烧调节系统 
    使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要;使燃料量与空气量之间保持一定比例，以保证经济燃烧;使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压稳定。    
  
    这里将讨论锅炉汽包水位调节系统、燃烧调节系统及蒸汽温度调节系统。
   
2.1  系统的检测信号及锅炉的控制任务
    锅炉设备的检测信号包括:蒸汽liuliang、汽包水位、汽包蒸汽压力、加水量、炉膛负压、鼓风量、烟气含氧量、当已知检测信号的情况下，锅炉的控制任务是:在用户蒸汽机需要的情况下，PLC控制加水阀、输煤量、鼓风量与引风量，使保持锅炉汽包水位稳定，蒸汽压力稳定，炉膛负压稳定，烟气稳定，使燃料能量充分地燃烧，以取得大的热效率。

2.2锅炉的主要控制流程
(1) 锅炉水位控制流程
    水位自动控制的主信号为水位差压变送器输出的信号。前馈信号可以取水压力的变化，以补偿给水母管的压力波动;取蒸汽liuliang的变化，以补偿负荷的波动。其控制框图如图2所示。

图2     锅炉水位控制系统

(2) 蒸汽温度控制系统
    为控制过热蒸汽的出口温度，设有表面式或喷水式减温器。增加进入减温器的水量即降低主蒸汽温度。

    该回路的主要信号是主蒸汽温度。前馈信号可以取减温器前的蒸汽温度，还可以取给水liuliang。对表面式减温器，主蒸汽温度的变化和经过减温器的给水量有关，因而与水位控制有耦合作用，即水位波动而调节给水阀时会影响到主蒸汽温度。因主蒸汽温度变化而调节减压阀也影响到水位。为此，设有分配阀。

    由此可知，给水阀、减压阀的分配控制是耦合的，要采取解耦措施才可以使水位和蒸汽温度能控制在允许的偏差范围内。

    蒸汽温度的控制流程图见图3所示。

图3     蒸汽温度的控制框图

(3) 锅炉燃烧过程控制
    对抛煤机倒转链条炉来说，燃烧自动控制包括控制主蒸汽压力和佳的燃烧工况。通常根据主蒸汽压力的变化控制给煤量并控制炉排转速来控制煤在炉膛中的燃烧时间，当给煤量变化时，要相应地改变一次风和二次风，使不完全燃烧损失和排烟损失之和为小，即锅炉燃烧效率为高。氧化镐可用来测量烟气中含氧量。可由含氧量来判断燃烧工况是否处于佳状态。另一种方法为根据该炉实际燃烧的情况，找出煤量和风量在不同负荷下的关系曲线，把它存在计算机中，按这一经验曲线进行燃烧自动控制，当煤种或运行工况有较大变化时，可重新设置这一曲线。另外可按智能控制和专家控制的方法自动寻找佳的燃烧工况。

    锅炉燃烧过程控制的流程图见图4。 

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图4    锅炉燃烧过程控制系统

    该系统根据主蒸汽压力来控制给煤量，并取蒸汽和汽鼓压力的变化为前馈量。PLC输出到给煤机的信号作为炉排转速的控制信号，并作为一次风的前馈信号。

一次风的控制算法有三种:
?一种是按氧量仪进行控制;
?威另一种按风煤比的关系曲线进行控制;
?第三种为按智能控制算法进行自寻优控制。
PLC输出给一次风执行器的信号也作为二次是按风的控制信号及引风控制的前馈信号。引风门的控制可使炉膛负压控制在微负压状态，既不使炉膛内的烟灰喷出炉外，又不使大量冷空气漏入炉内，影响锅炉效率。

3  PLC控制系统结构
3.1  PLC控制系统的组成
    PLC控制的结构如图5所示。控制设备选用德国SI-EMENS公司的PLC系列可编程序控制器。系统配有一台上位机和一台下位机。通过数据通讯网络，彼此相连。下位机的CPU模板采用PLC SIMATIC S7可编程控制器，上位机采用台湾研华公司的工业控制机IPC。

图5     PLC控制系统的结构图

    系统配置的软件有S7-400编程软件和SIMATIC WinCC全面开放的新一代人机界面监控软件。STEP 7-400用于PLC的编程、调试和生成各种程序文档，SIMATIC WinCC用于实现人机接口功能。

    锅炉控制系统由锅炉本体，一次仪表、微机、手/自动切换操作器、执行机构及阀、滑差电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力，liuliang，氧量，转速等热工参数转换成电压、电流或电阻值输入PLC。手/自动切换操作部分:手动时由操作人员手动控制，用操作器控制滑差电机及阀等，自动时由PLC发出控制信号经执行部分进行自动操作。PLC对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制，以保证锅炉正常可靠地运行。

    除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行PLC系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及常规报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，这是必不可少的，以免锅炉发生重大事故。

3.2   燃烧过程的模式识别与智能控制
    燃烧过程的模式识别与智能控制结构图如图6所示:

图6    燃烧过程智能控制结构图

   这里给定量为给煤量、送风量、引风量等;被控量为蒸汽温度、蒸汽压力、烟气含氧量、炉膛压力蒸汽liuliang等。

 本系统设计了一个专家控制器。
(1) 专家控制器的基础是知识库
    专家控制器由经验数据库和学习与适应装置组成。图6所示的为工业锅炉燃烧专家控制器的结构框图。图6中知识库用于存入有关工业锅炉燃烧过程控制的专家知识，包括有经验的锅炉操作人员和控制工程师手动操作调整的综合经验与判断能力。其中经验数据库主要存储经验和事实数据，学习与适应装置的功能是根据在线运行获取的信息补充或修改知识库的内容，对锅炉热效率进行自学习寻优。锅炉专家控制器在某一工况下，可以通过改变鼓风量，搜索到锅炉燃烧热效率的高点，按此时的佳风煤比设定鼓风量、抛煤机转速和炉排转速并把这些数据补充到知识库中，从而可以实现锅炉的节能经济运行并改善系统的动态特性。

(2) 建立知识库
    建立知识库的主要工作是如何表达已获取的知识。专家控制器的知识库用产生式规则建立，其中每条规则都可以独立地增删修改，使知识库的内容便于更新。控制规则集是被控过程的各种控制模式和经验的归纳和总结，当规则条数不多，搜索空间很小时，推理机构可以采用向前推理方法，逐次判断各规则的条件，满足则执行，否则继续搜索。

(3) 特征识别与信息处理
    这部分的作用是实现对信息的提取加工，为控制决策和学习适应提供依据。它包括抽取动态过程的特征信息、识别系统的特征状态，并对特征信息作必要的加工。在锅炉专家控制器中，通过主蒸汽liuliang和压力的测量值及计算一段时间内的累加值，就可以判断蒸汽负荷的增减，通过炉膛温度的测量值及增量和累加值，就可以判断锅炉的燃烧状况，从而为下一步控制决策提供依据。   
利用上述方法，在负荷波动较大时搜索高炉温。在负荷平稳时搜索佳风煤比以获得高的锅炉效率。此外还可采用分层递阶智能控制算法。

4  结束语
    经过对武钢能源总厂工业锅炉控制系统的反复调试与不断改进，生产过程的自动控制得以实现，生产效率明显tigao，节能效果十分显著，取得了良好的经济效益和社会效益，受到了生产厂的。该系统的设计思路及设计技巧对其它相似过程的控制也具有一定的借鉴作用。
实践证明，锅炉这种具有大惯性、纯滞后、非线性的多变量系统，各变量间相互耦合，干扰因素多，数学模型不易建立，某些参数难以检测，燃料发热值及压力频繁波动情况下，用常规方法不能进行有效控制，应用智能控制及模式识别技术，能够收到满意的控制效果。