西门子模块6ES7223-1BM22-0XA8规格说明

西门子模块6ES7223-1BM22-0XA8规格说明

1  引言

    为使工科学生在校期间就受到良好的工程实践锻炼，建设具有实际工程环境的实验室和实训基地一直是自动化实验室建设的重要目标。过程控制是指对连续性工业生产过程中有关物理量(温度、压力、liuliang及液位四个参数)的自动调节控制。电热锅炉控制系统实验装置是根据自动化及相关教学的特点，基于过程控制基础上集PLC技术、网络技术和计算机监控为一体的先进的实验装置，采用了多种常用控制方法及理论，除包含常见的PID算法及改进算法外，还增加了模糊控制、人工神经网络控制等国内外先进的控制策略。

2  电加热锅炉控制系统网络结构

    电加热锅炉控制系统实验装置采用两层网络拓扑结构，上层采用工业以太网，用于监控计算机与PLC主站之间的通讯。底层为PROFIBUS现场总线，连接PLC主站DPM1和PLC从站DPS1，其中主站控制电热锅炉控制系统实验装置，从站控制其它过程控制系统实验装置。其网络拓扑结构如图1所示:

图1  电热锅炉控制系统网络结构

2.1  系统功能及软件平台
整个控制系统包括监控级和现场级，监控级由4台PC机作为上位机，通过以太网相连。上位机利用WinCC V5.1编写实验监控应用程序。监控应用程序实现对实验装置的状态监视、数据采集与处理、控制算法的设定计算和优化、实验数据历史趋势曲线显示和实验数据实时显示功能。PLC的控制程序由上位机利用STEP7 V5.1软件编写，并通过以太网对PLC进行硬件组态、通讯组态、程序下载、在线诊断PLC硬件状态、控制PLC的运行状态和I/O通道的状态等。下位机PLC完成所有与控制系统相关的逻辑控制、模拟量的采集及处理、常规PID控制、模糊控制、神经网络控制等实时控制任务。
2.2  PLC的硬件配置
PLC主站选用西门子公司的400系列PLC CPU 412-2DP，它带有一个PROFIBUS-DP和一个MPI接口。由于CPU-412具有强大的处理和运算能力，整个系统(包括主站和从站)只采用一块CPU模块，主站还带有四个信号处理模块(DI 16 、DO 16、AI 16和AO 8)和一个通讯模块CP443-1(用于上位机WinCC站和SIMATIC S7 PLC主站通过工业以太网进行通讯)。从站选用PROFIBUS-DP分布式I/O ET-200M IM 153，带两个信号处理模块(DI 16/DO 16 和 AI 4/AO 2)，PROFIBUS-DP 用于SIMATIC PLC主站与PLC从站之间的通讯。锅炉控制参数和状态模拟量(例如液位、liuliang、压力、温度等)及开关量(例如继电器、接触器、指示灯等)通过PLC的模拟量和数字量输入输出模块分别连接到PLC主站DPM1和从站DPS1，再通过以太网和监控级交换信息。

3  电热锅炉控制系统实验装置

电热锅炉控制系统实验装置模拟日常生活中的热水锅炉控制系统，将变频器调速技术、计算机和智能控制技术相结合，完成生活中热水锅炉对进水、出水、电加热装置通断时间比的自动控制，使锅炉的进水liuliang、出水liuliang、水温、水位保持在佳状态。实现热水锅炉系统安全、可靠、稳定运行和达到节能降耗的目的。电热锅炉实验装置主要由微型电热锅炉、固态继电器电加热装置(DGT)、变频器(MMV)及相关的检测装置、变送器和执行机构等过程控制仪表组成。
3.1  过程控制实验     
电热锅炉控制系统是一个复杂的多输入多输出(MIMO)的系统。执行机构有:变频器、电动阀、电磁阀和固态继电器电加热装置;被控对象有:进/出水liuliang、进/出水压力、锅炉液位和锅炉水温。所以在此基础上可以设计liuliang系统控制实验、压力系统控制实验、液位系统控制实验、温度系统控制实验等过程控制实验。其实验原理框图如图2所示，被控对象输出记为y，变送器检测得到输出的4～20mA的电流反馈信号yf，由PLC的AI模块经A/D转换成数字信号，输入PLC，再与从上位机键盘输入的设定值yr比较，得到偏差信号e，PLC根据偏差信号e，执行控制器算法程序，计算出控制量，经AO模块D/A转换成4～20mA的电流控制信号u，控制广义对象的输出y，使其跟踪设定值yr

图2  过程控制实验原理框图

3.2  耦合控制实验
电热锅炉与一般的锅炉系统一样，只是其结构相对简单，电能取代了风煤作为燃料，但是仍然存在liuliang、液位、温度以及压力的耦合作用。与其它多输入多输出(MIMO)系统一样，一个输入信号的变化会使多个输出量发生变化，每个输出也不只受一个输入的影响。而工业过程控制则要求系统能够安全稳定运行，有较好调节能力，能以较小的误差跟踪设定值的变化，并使误差为零。解耦控制一直是过程控制中的一个难点，为了达到高质量的控制性能，必须进行解耦设计，构成解耦控制系统。电加热热水锅炉系统的解耦控制原理框图如图3所示，其中yr1和y1分别对应电热锅炉的温度给定值和输出值;yr2和y2分别对应电热锅炉液位的给定值和输出值。控制器C1、C2的控制算法可以选择常规PID、神经网络PID、模糊自适应PID等先进算法。

图3  对角矩阵解耦控制系统的原理框图

3.3  智能控制算法实验
在PID控制中，一个关键的问题就是PID参数的整定，且一旦整定计算好后，在整个控制过程中都是固定不变的。而锅炉系统具有很大的延时，并且参数实时变化，难以建立jingque的数学模型，常规的PID是难以实现准确的控制。解决这些问题的方法是采用比PID更为有效的智能控制技术—模糊控制方法和神经网络控制方法。
模糊控制算法具有阶跃响应速度快、jingque度较高、对参数变化不敏感以及整定更为容易等特点。应用模糊
集合理论建立PID参数与偏差量e、偏差变化量ec间的二元函数关系: 。显然能根据不同的e和ec在线调整PID的三个参数，使系统尽可能获得佳性能。其控制原理框图如图4所示:

图4  模糊PID控制原理框图

人工神经网络具有自学习特性，用神经网络修正PID控制器的参数，并将其应用于压力、liuliang、液位、温度以及解耦控制系统，通过自学习算法，在线(或离线)调整网络权值，实现PID控制器参数自整定，tigao控制精度及控制器的适应性，取得满意的控制效果。其控制原理框图如图5所示。

图5  神经网络PID控制原理框图

4  BP神经网络PID控制算法及实现

基于BP神经网络PID控制由两部分组成:常规PID控制算法和基于BP神经网络的多变量学习算法。
4.1  常规PID控制算法
采用增量式数字PID控制的算法为:


式中， u(k)为当前时刻的控制量;
  u(k-1)为上一时刻的控制量;
分别为比例、积分、微分系数;
  e(k)为给定量和当前时刻的检测量的偏差;
  e(k-1)为给定量和上一时刻的检测量的偏差;
  e(k-2)为给定量和两个时刻前的检测量的偏差。
4.2  神经网络多变量学习算法
BP神经网络多变量学习算法由前向传播算法和反向传播算法两部分组成。设BP神经网络是一个3层BP网络，输入层节点为3个，分别为输入设定值、偏差信号e和偏差变化量ec;Q个隐含层节点;输出层节点为3个，分别为PID控制器的三个可调参数。
(1) 前向传播算法
神经网络输入层的输入为:

式中，为隐含层加权系数，上角标1、2、3分别表示输入层、隐含层和输出层，f(x)取正负对称的Sigmoid函数。
神经网络输出层的输入输出为:

式中，为输出层加权系数，由于不能为负，所以g(x)取非负的Sigmoid函数。
(2) 反向传播算法
多输入多输出神经网络PID控制器是一种无教师信号的自学习控制，需要引入性能指标函数:

依速下降法修正网络的加权系数，并附加一加速收敛全局极小的惯性项，则有:

式中，η为学习速率;α为惯性系数。

由于未知，则近似用符号函数取代，由此带来计算不jingque的影响可以通过调整学习速率η来补偿。
由式(1)和式(4)，可求得:

由上述分析可得网络输出层权值的学习算法为:

同理可得网络隐含层权值得学习算法为:

5  结束语 

本实验装置已用于自动化的实验教学，运行状况良好。通过这套实验装置可使学生对计算机网络控制系统结构有一个直观、深刻的认识。并使学生了解生产过程中的参数检测与控制，以及多种先进的控制策略和算法。该系统结构模式不仅可以用于实验教学，也可以应用于复杂的工业生产过程控制中，完成对压力、liuliang、液位和温度等过程参数的实时监测与控制。

一、 系统概述：
　　本系统主要是针对煤粉蒸汽或热水锅炉的控制。具有锅炉水位自动控制、燃烧经济性自动控制、炉膛负压自动控制、炉压波动补偿点火系统、蒸汽超压、缺水保护等自动联锁保护功能。
　　本系统的控制方式分集控自动/集控手动/就地，三种方式可转换。锅炉正常运行生产时，使用集控自动方式，设备按工艺要求的顺序和流程由中央控制台自动控制、联锁保护；集控手动时，可在中央控制台操作各设备，有互锁和联动关系；就地时，在现场操作可启停设备，闭锁集控，保护现场操作人员的安全。
　　

　　
　　二、系统的实现：
　　①、初始化
　　首先检测各电气设备已通电，并且有动作；然后依次检测锅炉水位是否低于下限，蒸汽压力是否超限，煤粉罐料位是否低于下限，中间料仓是否低于下限，如上述条件有任意一条为“是”均不能。
　　

　　②、点火
　　首先关闭一、二次风电动调节阀，然后依次启动引风机、二次风机、全开二次风阀门，如任意动作未执行，则停炉并报警；如设备运行正常，则延时吹扫1分钟，然后调节二次风电动阀至设定位置，启动点huoqiang，此时监测火焰是否建立，延时30秒，启动一次风机，调节一次风阀门至设定位置，启动搅拌器，启动给料螺旋并调节至设定转速，此时监测火焰是否建立，如火焰建立，则油与煤粉混燃10分钟后关闭点huoqiang，火焰检测器继续监测火焰是否建立，如上述任意条件为“否”或任意动作未执行，则执行停炉控制程序。
　　

　　③、运行
　　 实时监测蒸汽压力，如超过设定压力，则执行停炉控制程序；如未超出设定压力，则执行经济燃烧控制程序。
　　

　　④、停炉
　　 首先检测点huoqiang是否关闭，然后依次停止搅拌器、供料螺旋、一次风机；将二次风阀门调至全开位置，延时吹扫1分钟后；检测炉膛温度直至低于设定温度后停止引风机、停二次风机，关闭一、二次风阀门。
　　

　　锅炉紧急或异常停车：
　　

　　2、锅筒水位自动控制
　　根据本系统锅炉容量，采用单冲量控制方式。
　　

　　3、燃烧经济性自动控制
　　根据5分钟内对烟气中氧气含量检测的平均值，改变送风量的大小，进而达到调节锅炉经济、高效燃烧的目的。
　　

　　燃烧经济性自动控制条件：
　　①、在一定的采样周期内，实际含氧量浓度变化率大于或小于工艺设定的含氧量目标值时，差值经PID运算后控制二次风阀执行器，执行器调整二次送风量，并在一定的时间内保持，以满足燃烧的经济性。
　　②、在一定的采样周期内，实际含氧浓度变化率在工艺含氧量目标值范围内时，系统不做运算，二次送风量保持原状态。
　　4、炉膛负压自动控制
　　 考虑到燃烧过程的波动性，控制系统应设有死区不响应功能。但是当炉压持续出现波动时，起动给油泵，同时点火器动作并延时，当炉压趋于稳定，关闭点火器同时停给油泵。启动给油泵、点火器点火并在给定的延迟时间内炉压还不能趋于稳定状态，则停止锅炉的运行。
　　

　　5、中间粉仓料位自动控制
　　 根据粉仓重量控制煤粉罐旋转阀的启停，当中间粉仓重量到达下限时，启动旋转阀；当中间粉仓重量到达上限时，停止旋转阀。
　　

　　6、煤粉锅炉系统连锁保护
　　①、水位保护
　　锅炉水位报警共设定水位高、水位超高、水位低、水位极低等4种水位报警信号。
　　锅炉水位保护共社水位超高、水位极低等两种保护。当水位超高或极低时停止锅炉运行。
　　②、蒸汽压力超高保护。当蒸汽压力超过设定的压力保护值时停止锅炉运行。
　　③、锅炉炉膛熄火保护。即锅炉在正常的运行状态下的非正常的熄火保护。
　　④、紧急停车保护。在现场设备调试及设备试运行期间，如果设备出现故障而设置的手动紧急保护功能
　　
　　三、控制系统硬件配置：
　　根据工艺要求及操作使用方便，本系统将配置：低压电气柜一台和操作箱一台。
　　（1） 主要的低压电气元件选用富士。
　　（2） 数据集中采集及控制采用日立EH-150系列。
　　（3） 变频器采用日立L300P系列。
　　（4） 集中监控采用工控机。
　　（5） 温度传感器选用符合IEC的热电阻和热电偶。
　　（6） 锅筒水位采用配备就地式水位表和高精度的压差变送器。
　　（7） 蒸汽压力采用蓝宝石高温压力传感器。
　　（8） 蒸汽liuliang和给水liuliang采用一体化带温补的涡街liuliang计。
　　
　　四、 上位机控制系统：
　　

　　
　　五、 结束语：
　　 该高效煤粉锅炉控制系统可靠性高、自动化程度高、使用方便、操作简单、功能丰富、控制灵活，满足用户的控制要求，运行正常稳定。