西门子6ES7216-2AD23-0XB8产品规格

西门子6ES7216-2AD23-0XB8产品规格

　一、 项目简介

　　贵州六盘水市焦化公司年产焦炭180万吨，其焦炉煤气以前除部分送回焦炉燃烧供生产用外，多余的焦炉煤气自燃排放到大气中。既浪费了能源，又污染了环境，不符合国家节能减排的环保政策。该公司决定采用焦炉煤气发电技术，将自燃排放的焦炉煤气用来发电，发电的电能一部分用于工厂自用电，一部分并网外送电。该焦炉煤气电站采用2台75吨燃汽锅炉建设12000kw的电厂。

　　该焦炉煤气电站位于六盘水市二塘境内，电站装机总容量12000kW。其外送电的主接线为一机一变单元接线。电站10kV出线为两回线均接至二塘变, 站内10kV高压侧设单母线。电站同时受市电网调度。电站内主要设备有：两套焦炉煤气锅炉燃烧系统、一套汽轮机发电机组、一台主变压器、一台厂用变压器等。

　　武汉亿科华技术有限公司于2005年承接该电站计算机与自动化控制系统的设计、项目集成、编程与调试。为投资省，建设周期短，同时实现电站无人值守的高自动化程度。该电站采用自动化集成度高的计算机系统控制。

　　二、 控制系统构成

　　1. 焦炉煤气电站计算机系统构成

　　焦炉煤气电站计算机控制系统主要设置有：锅炉燃烧系统、汽轮机发电系统以及继电保护系统。这三个系统共设一个站级主控计算机系统，站级主控计算机系统设置一个工程师站和两个操作员站。工程师站允许电站工程技术人员对系统程序的编制、修改和编译工作以及数据库管理;操作员站允许电站操作人员对电站生产过程的操作控制、流程监控、事故记录、日志管理等工作。其自动化控制系统采用Siemens公司的一套S7-400PLC，主CPU采用S7-414 模块。同时设有一套GPS系统负责校准系统时钟。站级主控计算机选用DELL公司DimensionTM 4600n计算机，其配置为Inbbb P4 2.8G CPU/512M/80G/19吋LCD。站级主控计算机系统HMI软件选用SIEMENS公司的WinCC。其配置图如下：

　　2. 焦炉煤气电站自动化系统构成

　　依据焦炉煤气电站控制系统要求，同时由于该厂其他系统PLC采用S7-400的CPU,为保持CPU模块备件的一致性，其自动化系统设置一套Siemens公司的S7-400系列PLC，采用PLC本地-远程站方式实现全电站自动化控制。PLC本地-远程站设有1个本地站、6个远程I/O站。PLC本地站采用S7-414CPU,PLC远程站采用ET200 I/O站。PLC本地-远程站之间采用Siemens公司的工业级现场总线Profibus-DP通讯，PLC本地站与上位机之间采用Ethernet网络通讯。

　　6个PLC远程站中有4个核心I/O站分别是：2个焦炉煤气锅炉燃烧系统PLC远程I/O站、1个汽轮机发电系统PLC远程I/O站和1个继电保护系统PLC远程I/O站。剩余2个I/O站是净化水PLC远程I/O站以及除氧器PLC远程I/O站。

　　PLC本地站接受操作员站发布的操作控制命令对全电站生产过程进行控制，同时将生产流程的信息通过ethernet网络传输给站级主控计算机系统。

　　锅炉燃烧系统PLC远程I/O站负责控制锅炉燃烧系统及其油水风辅助系统。它接受PLC本地站的控制命令，并通过输出模块控制调节阀等现场设备。同时该远程I/O站采集锅炉燃烧系统中生产过程的各种开关量、模拟量信号，并通过Profibus-DP通讯传输给PLC本地站。

　　汽轮机发电系统PLC远程I/O站负责控制汽轮机发电系统及其开关站与油水风辅助系统。它接受PLC本地站的控制命令，并通过输出模块控制调节阀等现场设备。同时该远程I/O站采集汽轮机发电系统中生产过程的各种开关量、模拟量信号，并通过Profibus-DP通讯传输给PLC本地站。

　　继电保护系统PLC远程I/O站负责控制发电机组、变压器、线路等保护。该远程I/O站中有控制这些保护的专用智能保护装置，这些智能保护装置采集主线路中保护用的CT及PT信号。各种保护功能依据这些CT及PT信号进行保护控制，并由其对应的智能保护装置独自实现保护功能。一旦保护动作，将断路器断开;同时发出报警、故障等信号给该远程I/O站。该远程I/O站将这些信号通过Profibus-DP通讯传输给PLC本地站。另外这些智能保护装置还通过主线路中测量用的CT及PT信号，将电流、电压等模拟量信号通过通讯规约转换器与站级主控计算机通讯，存储在数据库中。

　　依据PLC本地-远程站的控制要求，设计siemens硬件配置有：

　　序号 设备名称 型号 数量

　　1 主站电源模块 6ES7 407-0KA01-0AA0 1

　　2 CPU模块 6ES7 414-3XJ00-0AB0 1

　　3 存储器卡 6ES7 952-1KL00-0AA0 1

　　4 以太网模块 6GK7 443-1EX02-0XE0 1

　　5 主站机架 6ES7 400-1JA01-0AA0 1

　　6 子站电源模块 6EP1336-1SH01 6

　　7 子站通信模块 6ES7 153-1AA03-0XB0 6

　　8 DI数字量模块 6ES7 321-1BL00-0AA0 12

　　9 DO数字量模块 6ES7 322-1BH01-0AA0 8

　　10 AI热电偶模块 6ES7 331-7SF00-0AB0 8

　　11 AI模拟量模块 6ES7 331-7KF02-0AB0 8

　　12 AO模拟量模块 6ES7 332-5HD01-0AB0 4

　　13 子站机架 6ES7 390-1AE80-0AA0 6

　　上述siemens硬件成套组屏3面柜，同时电站还有直流系统组屏3面柜，励磁系统组屏2面柜，继电保护系统组屏2面柜，高压系统组屏11面柜，引风机变频控制等低压系统组屏13面柜，以及若干现场操作箱等。

三、 控制系统功能

　　焦炉煤气电站计算机控制系统能实时、准确、有效地完成对电站被控对象的安全监视和生产运行。为tigao电站监控和运行管理的自动化水平，确保电站安全可靠运行，改善运行维护人员的工作条件，实现电站无人值班，tigao电站的经济效益。其完成了如下控制功能：

　　1. 数据采集和处理

　　计算机控制系统定时采集锅炉燃烧系统、汽轮机发电系统以及继电保护系统中各种模拟量、脉冲量和开关量，并对采集的数据进行越限检查、复限检查和状态检查，记录并保存检查结果。

　　2. 运行监视和事件报警

　　计算机控制系统监视信号有：锅炉燃烧系统中主要工艺参数如煤气liuliang、空气liuliang、炉膛压力、汽包液位、蒸汽liuliang、蒸汽温度、蒸汽压力、残氧含量等，以及汽轮机发电系统中主要机电设备运行参数如电流、电压、功率等。

　　另外监视电站各生产过程中设备状态、对越限和状态事件的报警以及事故顺序记录。

　　3. 继电保护系统功能

　　继电保护功能由该PLC远程I/O站完成全站主变及线路的保护功能。采用许继公司全微机式的继电保护系统。汽轮机组部分的保护采用GCHF系列微机保护;主变、10KV线路保护装置则分别采用GCHF-BZ11和GCHF-311C保护装置。

　　4. 焦炉煤气电站主要控制功能

　　焦炉煤气锅炉燃烧系统包括：煤气和空气输送、混合、燃烧、烟气排放;锅炉补水输汽;锅炉和燃气热交换;其它一些辅助设备。

　　焦炉煤气锅炉燃烧系统的主要控制有：煤气支管liuliang调节、空气总管压力调节、空气支管liuliang调节、煤气支管liuliang调节、空燃比调节、煤气放散调节、炉膛压力调节、除氧器液位控制、除氧器压力控制、给水泵给水liuliang控制、汽包液位控制、汽包压力控制、蒸汽温度控制、汽包紧急放水和紧急放汽控制、过热蒸汽减温控制、给水泵启停控制、循环水泵启停控制、凝结水泵启停控制、射水泵控制启停控制等。

　　汽轮机发电系统包括：一台汽轮发电机组、一台主变压器、一台厂用变压器、两回10kV出线、10kV断路器和隔离开关、400V厂用配电系统、220V直流系统及油水风等辅助设备。

　　汽轮机发电系统的主要控制有：机组开/停机操作、机组同期、机组发电、机组有功、无功调节、断路器分/合操作、线路送电/停电、机组辅助设备启/停控制、工况或运行方式转换操作。

　　5. 汽包液位调节控制

　　在上述电站各项控制功能中，维持汽包液位稳定在汽水循环中具有重要意义。其汽包液位的调节控制是电站众多控制之中难点与重点，本文着重介绍。汽包液位示意图如下：

　　
图：汽包液位流程图

　　汽包液位控制是为了维持汽包液位在一定范围内变化、保持给水量变化波动较小。汽包液位过高，影响汽水分离器正常工作，造成出口蒸汽中水份过多、蒸汽带盐份，使过热器管壁和汽轮机叶片结垢，严重时导致蒸汽带水，造成过热器管道和汽机冲击，同时会使主汽温度急剧变化，直接影响机组安全性和经济性。汽包液位过低，可能使锅炉循环水工况破坏，造成水冷壁供水不足而爆管。

　　汽包液位调节控制必须采用三冲量调节。汽包液位调节原理图如下：

　　
图：汽包液位调节原理图

　　汽包液位设定值和汽包液位测量值相比较后经PID1运算后输出一值，该值和给水liuliang以及蒸汽liuliang换算后的值相比较，再经PID2调节后，控制给水调节阀门开度。其数学模型表示如下：

　　级PID1输出值Y1为：

　　Y1= Kp1×(X1-X2) + Ki1×∫(X1-X2)dt + Kd1×[d(X1-X2)/dt]

　　式中Y1：级PID1输出值;

　　X1：汽包水位设定值;

　　X2：汽包水位测量值;

　　Kp1：PID1的比例系数;

　　Ki1：PID1的积分系数;

　　Kd1：PID1的微分系数;

　　级PID1的输出值作为第二级PID2的输入值。

　　第二级PID2的输出值Y2为：

　　Y2= Kp2×[Y1+ f2(x4)-f1(x3)]+Ki2×∫[Y1+ f2(x4)-f1(x3)]dt+Kd2×{d[Y1+ f2(x4)-f1(x3)]/dt}

　　式中Y2：第二级PID2输出值;

X3：给水liuliang值;

　　f1(x) ：给水liuliang对应不同压力下的函数值;由工程数据表查验。

　　X4：蒸汽liuliang值;

　　f2(x) ：蒸汽liuliang对应不同压力下的函数值;由工程数据表查验。

　　Kp2：PID2的比例系数;

　　Ki2：PID2的积分系数;

　　Kd2：PID2的微分系数;

　　利用siemens公司step7软件中的PID功能块FB41，两个FB41PID功能块串联使用很好的实现了汽包液位的三冲量调节。其FB41结构图如下：

　　
图：PID功能块FB41示意图

　　为了维护汽包液位稳定，在控制工艺中采取了一些方法：

　　液位测量：汽包液位测量采用两个差压变送器，当两个差压变送器都正常时，取两者平均值作为测量液位，当其中一个变送器故障时，测量值自动无间隙地切换到另一支变送器。减少了因测量故障而引起自动调节失败。

　　三冲量调节：三冲量调节能克服负荷、给水liuliang等扰动而造成汽包液位较大波动。

　　对测量值的补偿：使用差压变送器测量液位时，用出口蒸汽的温度和压力补偿、水的温度和压力补偿对液位进行矫正，使测量值更接近实际值。

　　通过以上三种方法的实施，有效地tigao了汽包液位控制的稳定可靠性与精度，克服了“虚假水位”现象，满足生产实际的要求。

　　四、 项目运行

　　焦炉煤气电站自2006年1月投产运行以来，运行稳定高效，当年就收回了投资成本。深受焦化公司满意。既消除了煤气自燃排放的环境污染，又很好地发挥了能源的效能，促进了电站的经济效益。焦炉煤气发电技术符合当前我国节能减排的环保政策，特别是我国西部部分地区在发展经济与环境保护相矛盾的地方，值得大力推广该技术。

　　五、 应用体会

　　自焦炉煤气电站计算机控制系统承接以来，通过该系统方案的设计、设备成套、Wincc软件编程、STEP7软件编程与调试，以及现场调试投产。收获颇多，获益良多。

　　1. 本次电站计算机控制系统组网结构清晰，网络组态快捷易行;S7-400PLC本地站与上位机ethernet通讯运行，以及其与ET200远程I/O站Profibus-DP通讯运行均稳定良好。

　　2. 采用wincc软件组态编程易于实现电站各功能画面，S7-400本地站与ET200远程I/O站控制功能区域界定明晰，很好的实现了焦炉煤气电站计算机控制系统各项功能，完全满足了电站生产发电的需求。

　　3. 采用STEP7软件结构化程序模块化设计，程序功能清晰，简洁易读，方便了调试与维护。特别是利用其2个PID模块FB41串联连接很容易实现了汽包液位调节控制。

　　4. 自投产以来，该系统运行稳定可靠，维护简捷;自动化程度高，操作简单方便。使投资方很快捷的收回了投资成本，并继续为投资方创造更高的投资效益。

　系统介绍

　　炭素成型生产是炭素配料、混捏后的又一生产重要环节。成型就是将混捏好的糊料用加压设备压制成所需要的形状和尺寸以及具有较高密度的半成品(生坯)。我公司炭素厂使用振动成型方法，主要生产炼铝用预焙阳极和高炉用的炭块等。

　　振动成型主要设备有振动台、模具和重锤，将盛装热糊料的模具放在振动台上，然后把重锤压在糊料表面上开动振动台，使糊料受到振幅小而频率高的强迫振动，在强烈的振动下糊料颗粒间的及糊料与模具壁间的摩擦力减小，颗粒移动并合理分布，得到具有规定形状的高密度的产品。压好的半成品经冷却、检查后堆放。

　　我公司炭素厂原使用的振动成型机是人工手动调节，炭块的重量、高度波动范围大，对产品的产量和质量有较大的影响。为此必须根据人工操作积累的经验设计一种具有较高智能、高可靠度的自动控制系统，来tigao炭素振动成型生产的产能和合格率，延长电气设备的运转周期，缩短故障检修时间，降低生产成本和岗位操作工的劳动强度。

　　2　系统组成

　　PLC是采用微处理器技术的新型工业控制装置，是一种使用可编程序存储器来存储设备所需专用程序的电气设备。它具有将逻辑运算顺序操作，限时，计时以及算术运算，数据通讯等功能，通过数字量或模拟量的输入/输出模板去控制各种设备或过程。其硬件结构如图1所示。

　　它采用了大规模的集成电路，故特别适应于高温、潮湿、电磁干扰、机械振动大的比较恶劣的工业现场环境。输入/输出接口组件的模块化，系统设计时根据被控对象的要求，选择必要的功能模块组成控制系统，大大tigao了工程效率和系统的可靠性。

　　在该控制系统中选用日本三菱公司的PLCMITSUBISHI A1S小型系列作为下位机。它具有成本低、功能强的特点。上位机选择惠普P III微机，配以美国Inbbblution FIX软件，ORMON公司的继电器、行程开关，德国威德米勒隔离器、变送器，安川变频器等组成自动控制系统。系统总貌图如图2所示。

3　系统功能

　　3.1　该系统的上位机系统功能如下：

　　1.实时反映工艺流程，形象再现生产过程(系统主画面图见图3);

　　2.图表显示生产数据，方便操作工了解生产状况;

　　3.及时产生报警信息并予以打印，帮助操作工查找分析故障原因;

　　4.以曲线形式在线生产数据，方便查找历史数据，分析生产趋势;

　　5.以报表打印形式反映生产状况;

　　6.帮助操作工实现电机连锁开、停，并反映电机启动停车的有关信息;

　　7.给定控制工艺参数。

　　3.2　该系统的下位机功能如下：

　　1.数据采集：通过PLC AlS68AD转换模板对冷却水温度、糊料温度、糊料计量称、油箱油温、油箱油压、炭块高度、变频器电流进行模拟采集，并转换成FIX认可的数据格式(系统主要测点如下图4)。

　　2.电机连锁控制，以简单易行的PLC取代以往繁琐复杂、故障率高的电气连锁控制，并实现操作工远程开、停电机的功能。主要I/0点安排如下：

　　I/O Name 　　　　　　　 Comment Remark

　　X80 CAR-EAST　　　　　　 称量车回到位

　　X81 CAR-WEST　　　　　　 称量车送料到位

　　X82 CAR-CLOSED　　　　　 称量车门闭到位

　　X83 CLAMP-L CLOSED　　　 左模夹紧到位

　　X84 CLAMP-R.CLOSED　　　 右模夹紧到位

　　X85 CLAMP-L.OPENED　　　 左模夹放松到位

　　X86 CLMP.R.OPENED　　　　右模夹放松到位

　　X87 HAMMER-HIGH　　　　　重锤上升到位

　　X88 HAMMER-LOW　　　　　 重锤下降到位

　　X89 MOLD-HIGH　　　　　　模具上升到位

　　X8A MOLD-LOW　　　　　　 模具下降到位

　　X8B PUSH-OUT　　　　　　 推进器推出到位

　　X8C PUSH-IN　　　　　　　推进器返回到位

　　X8D SAFE-L.OPENED 　 左安全爪开到位

　　X8E SAFE-R.OPENED 　 右安全爪开到位

　　X90 SAFE-L.CLOSED 　 左安全爪闭到位

　　X91 SAFE-R.CLOSED 　 右安全爪闭到位

　　X92 CLASP-OPENED 　 抱闸开到位

　　X93 CLASP-CLOSED 　 抱闸闭到位

　　X94 PUSH-ENABLE 　 后辅机允许推出

　　X95 CAR-OVERLOAD 　 称量车电机过载

　　X96 QUIVER-OVERLOAD 　 振动电机过载

　　X97 BP.RUNNING 　 变频运行

　　X98 BP.ALARM 　　　　　　变频报警

　　X99 SYS.AUTO 　　　　　　系统手自动切换

　　X9A OIL-LOW 　　　　　　 低油压

　　X9B BP.GIVE-M 　　　　　 点动补料

　　X9C GIVE-SAFE 　　　　　 布料安全

　　YA1 CLAMP-CLOSE 　 模具加紧

　　YAl CLAMP-OPEN 　 模具放松

　　YA2 HAMMER-DOWN 　 重锤下降

　　YA3 HAMMER-UP 　　　　　 重锤上升

　　YA4 MOLD-UP 　　　　　　 模具上升

　　YA5 MOLD-DOWN 　　　　　 模具下降

　　YA6 PUSH-GO 　　　　　　 推进器推出

　　YA7 OIL-GUSH　　　　　　 喷油

　　YA8 DOOR-OPEN 　　　　　 开车门

　　YA9 BP.FWD　　　　　　　 变频下料

　　YAA BP.RESET　　　　　　 变频复位

　　YB0 CAR-GO　　　　　　　 程量车送料

　　YBl CAR-BACK　　　　　　 程量车返回

　　YB2 QUIVER-START　　　　 振动开始

　　YB3 CLASP-OPEN　　　　　 开抱闸

　　YB6 TRANS.RUN 　　　　　 板式机运行

　　3.3　通过变频器控制圆盘螺旋下料机的电机转速来控制炭块的重量。

　　三菱A2ASCPFSI系列I/0点数量能达到1024点，程序语言使用梯形图或指令字语言，程序容量可达到64K步，并具有自诊断功能。

4　控制过程的实现

　　控制过程有4个操作程序：1、下料;2、装料;3、振动挤压、脱模;4、炭块推出、冷却输送。贯穿于振动成型过程中的主要问题是正确掌握温度、压力、振动频率、振动时间、推出速度。

　　4.1下料

　　经过混捏好的糊料，一般温度在130℃-140℃左右，从圆盘螺旋下料机顶部加料口加入，经分料器的上部锥体分布在圆盘上。在下料前，首先检查判断糊料斗称量车是否在圆盘螺旋下料机的下方等待接料，然后控制变频器输出驱动圆盘螺旋下料机电机的螺旋转速，对糊料斗称量车下料，下料过程由快到慢以满足炭块的重量。糊料斗车连同行走铁轨装有TOLEDO衡器公司生产的称重装置用于计量炭块的重量。炭块的重量可根据产品的类型、要求由上位机给定。

　　4.2装料

　　装料前PLC首先检查判断模具到位、模具安全爪夹紧到位、重锤上升到位、重锤安全爪夹紧到位等信号，然后打开糊料斗称量车的抱闸驱动小车送料，行走到模具口上方时停止行走关抱闸，然后糊料斗称量车底开门把称好的糊料放入模具中。

　　4.3振动挤压、脱模

　　1、振动挤压：此时PLC检查判断糊料斗称量车存在返回到位信号，然后重锤安全爪松开并到位，重锤下降并到位，开始驱动2台振动电机带动偏心振子转动，不平衡质量回转引起惯性力迫使振动台振动。又由于2个振动器转动方向相反、同步，使它们的惯性合力水平方向为零，只有在垂直方向产生激动力。振动台上的模具和装在模具内的糊料都处于强烈的振动状态。虽然振幅不大(一般在1~2mm)，但振动频率很高(40~50HZ)，它们的运动速度很快，振动周期在0.02秒左右，将产生大的加速度，这个加速度大大超过重力加速度，是它的几十倍至几百倍，因此糊料颗粒质量大小不同，获得的惯性力也不同，颗粒界面间产生应力，而这个应力超过糊料的内聚力，便产生相对位移。同时，在强烈的振动下，糊料颗粒间的内摩擦力及糊料与模具壁之间的外摩擦力也急剧下降，糊料便具有重液体的液体性质，跳跃着的糊料迅速充填到模具的各个角落，较小的颗粒充填到大颗粒间的空隙中去，从而得到具有规定形状的高密度程度的产品。

　　2、振动时间：是从重锤落到糊料面到完成振动所需的时间。振动时间短，则糊料密度低，既孔隙度大。铝电解用预熔阳极炭块振动时间为1~2分钟。振动时间可根据产品在现场整定。

　　3、脱模：输出信号驱动重锤上升并到位，重锤安全爪夹紧并到位;模具安全爪松开并到位，驱动模具上升且到位。

　　4.4炭块推出、冷却输送

　　1、炭块推出：驱动推出器从振动台推出炭块，在推出过程中对产品的高度进行检测。测高仪选用西安适盛测试设备公司的激光测高仪表，用来测试产品的质量。

　　2、冷却输送：被推出的产品马上在凉水中冷却，防止产品冷却的弯曲和变形。冷却时间应根据季节、产品直径大小、冷却水的温度TE103，现场整定。冷却完成后，驱动板式输送机输送炭块到炭块堆场，检查合格后堆放。

　　5、结束语

　　本系统已投入运行，软件设计完善，功能齐全，运行效果稳定可靠，性能良好。自动控制的实现，大大降低了操作工的工作强度，tigao了工作效率，达到了节能降耗的目的。该系统是PLC在实际生产中的成功应用，可为业内同行借鉴