6ES7253-1AA22-0XA0参数选型

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1  引言

改革开放以来，经过二十多年对进口硫化机的消化吸收，我国硫化机制造取得了长足的进步。尤其是近年通过与世界轮胎巨头如法国米其林公司、日本的普利司通公司等橡胶工业巨头的商贸交流，虽然国产硫化机在精度、可靠性、稳定性等方面开始进入世界先进水平之列，但是国产硫化机稳定性和可靠性及精度等方面仍有差距。硫化机厂家正在不断追踪国内外控制领域的新技术，不懈努力提高硫化机的可靠性、稳定性及自动化程度。控制系统是轮胎硫化机的重要组成部份。外温控制采用pid闭环调节系统，触摸屏工控电脑取代机械式三针记录仪，提高了控制精度，减少了维护费用。plc监控已成为国产硫化机自动化系统的发展趋势。

2  工艺监控系统分析

2.1 硫化机控制对象

(1) 温度控制。控温分为高温控制和低温控制，高温分为两组，主要控制上下两块模板的加热，作用于模具中的原料，将其溶解。低温控制为一组，主要控制冷水机的制冷，再由水泵将冷水抽到冷却板上，待原料模具从加热层取出后，放入冷却层冷却定型。

(2) 油压控制。油压分为预压和加压，预压就是让原材料在成型前预先受热一定的时间，使其软化，压力较小。加压是在预压的基础上加大压力，使原材料成型。

(3) 机械辅助控制。机械部分主要是辅助油压系统的动作，主要是实现对阀门控制，从而达到对油路及油压的辅助控制。

2.2 硫化机控制过程

(1) 制冷过程。闭合制冷电源开关后压缩机延时3分钟启动(保护压缩机不频繁启动)，达到指定温度时压缩机停止。同时，水泵开始向冷却板循环抽水。

(2) 压力控制过程。闭合电源开关后，油泵电机开始运转，机器处于待机状态。如果没有任何上升或者下降的动作，为避免油泵电机在长时间运行，20分钟后油泵电机自动停止运转。任何时候按上升或者下降按钮，油泵电机重新开始运转。

(3) 计时控制过程。在计时器的电源开关闭合的状态下，计时器分段计时，段默认为预压时间，一段时间到达后，计时器自动转到第二段计时状态，同时将压力调整到加压压力设定值，二段时间到达后，计时器停止计时，同时下降电磁阀导通。当油缸降到底时，触发位置开关，油站恢复待机状态，计时器复位，下次动作是自动计时。

图1  xh-406平板硫化机监控界面

(4) 测试过程。如图1所示，监控界面的左边是对温度和压力设定与显示，右边上半部分是开关点输出的显示，下半部分是控制区域。打开电源开关，机台得电后测试过程如下：

● 设定好温度，打开温控开关按钮，包括上模加热、下模加热以及制冷开始加热或制冷按钮。

● 温度到达后，打开油压控制开关按钮，油泵电机运转，机器处于待机状态。

● 设定好预压的压力及时间，加压的压力及时间。将模具放入加热模板内，按上升键同时打开计时器开关按钮，机台自动完成预压、加压及下降的动作。

● 将模具从加热模板内取出再放到冷却板内，重复以上动作。油缸再次下降后，取出模具。测试结束。

3  hollias监控系统设计

监控系统要实现功能主要是：

(1) 温度、压力以及控制参数的设置；

(2) 状态和数据显示；

(3) 对xh-406硫化机的控制；

(4) 历史曲线及报表输出。

本系统采用主、从站方式，通过modbus标准协议实现该监控系统的通讯功能，其中主站选用组态软件来实现。考虑到控制系统的安全性和抗干扰性要求，结合plc的特点，该系统控制部分采用plc控制。从站选用国产hollias lm系列小型plc(lm3106 cpu)解决方案，控制示意图如图1所示。从输入/输出点要求考虑，本系统配置为lm3106 cpu 14点输入，10点输出，4通道模拟量输入1通道模拟输出模块lm3330，4通道热电偶输入模块lm3311。

4  程序设计

4.1 主站程序设计

mcgs组态软件，负责系统的在线监控、操作、控制、调试、维护。完成数据显示、数据分析和操作员操作三类功能，细分为以下几个方面：

(1) 参数设定、实时数据的收集处理和显示及命令控制界面，如图2所示。由本地监控站收集和处理来自各现场控制站的实时数据，形成上层人机界面的实时数据库。

图2  xh-406硫化机控制示意图

(2) 为保证监控系统的安全性，对于某些特殊的控制参数只能是负责人或工程师才能通过密码确认的情况下进入设定。如图3所示。

图3  xh-406平板硫化机参数设置界面

(3) 报表输出。完成数据的采集、处理；并以报表的形式输出采集到的数据。

(4) 历史数据管理和趋势查看。完成历史数据的收集处理；在趋势画面上显示点值的历史变化曲线或实时变化曲线，可以设置趋势组，每一副趋势画面可显示多条曲线，同时可以查看曲线上每一采样时刻的具体值。

4.2 温度控制

硫化温度选用基于pid算法的pwm(脉宽调制)输出控制。pwm是以脉冲的方式来控制被控对象，pwm通过改变(固体开关)周期和占空比这两个参数来实现对被控对象的(电加热)控制。如图4 所示，本控制系统中的被控对象是(电)加热器，要控制好温度精度，也就是对加热器的加热时间的控制，结合加热效率和温控精度两方面考虑，采用了pid与pwm相结合的控制方法加热，保证温控精度基本控制在±0.5℃以内。满足了控温精度在±1℃内的要求。

图4  pid与pwm相结合控制图

在过程控制中，按偏差的比例(p)、积分(i)和微分(d)进行运算的pid算法是应用为广泛的一种自动控制算法。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；pid调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活(pi、pd)。

(1)

式中

kp   —— 比例系数

ti   —— 积分系数

td   —— 微分系数

u    —— pid运算输出

比例p对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小；p偏大，振荡次数加多，调节时间加长；p太大时，系统会趋于不稳定；p太小，又会使系统的动作缓慢。积分i控制对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，i小(积分作用强)会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。微分控制d对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，d偏大时，超调量较大，调节时间较短；d偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；只有d合适，才能使超调量较小，减短调节时间。

5  结束语

本监控系统发挥plc可靠性好、抗干扰性强、逻辑性强等优点，采用了标准modbus通讯协议进行通讯，使上、下位机实现通讯简单可靠，实现了对硫化机的一体化监控，结合了pid与pwm的控制方法，实现高精度温度控制，平衡了对外界温度响应速度与温控精度的，同时达到了节约能源，控制温度准确可靠等效果。

1 引言
　　目前，我国对大型锅炉的给水与蒸汽质量指标要求十分严格，因而需要对炉水品质连续监控。测量pH值大多采用传统的PID控制算法.但在反应过程中，因其中和点附近的高增益使得难以调整传统PID控制器参数。因此只能采用很小的比例增益，否则系统不稳定，而比例增益过小，又将使系统的动态特性变坏。对于锅炉给水加药测控装置，已经实现了加药系统的自动化，但无自动配药设备，仍需根据汽水实验室的化验结果人工配药，这样不仅工作强度大，而且所加的氨、联胺均属有剧毒易挥发物质，会给操作者造成严重危害，并导致环境污染。为此，提出变增益三区段非线性PID和积分模糊控制（IFC）算法的两种新型pH值控制法。通过对带有时滞的pH值中和过程进行数字仿真，结果表明，这两种控制算法均具有鲁棒性强，响应速度快和控制精度高的特点，尤其是IFC算法能克服pH值中和过程中的较大时滞。通过在某电厂的实际应用，已实现了锅炉给水配药、加药系统的全自动控制。
2 pH值控制方法的研究
　　2.1 常规PID控制
　　PID控制是按偏差的比例（P—Proportional）、积分（I—Integral）和微分（D—Derivative）线性组合的控制方式。图1为常规的PID控制系统。其中，r为参考输入信号;PID为控制器;P为被控对象模型;d为干扰量;e（k）为系统误差;u（k）为控制量;pH（k）为被控过程输出量。由图可见，常规PID控制中的比例作用实际上是一种线性放大或缩小作用，很难适应酸碱中和过程中被控对象非线性的特点。
　　


　　2.2 变增益三区段非线性PID控制
　　将pH值变化按拐点分为：一个高增益区和两个增益系数不同的低增益区。高增益区控制器采用较低增益;低增益区控制器采用不同的高增益，以满足系统期望的性能指标。此外为防止积分饱和，采用带死区和输出限幅的PID控制算法。
　　2. 3 模糊控制
　　模糊控制算法概括为：根据本次采样得到的系统输出值，计算出输入变量;将输入变量的jingque量变为模糊量;根据输入变量（模糊量）及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量（模糊量）;由上述得到的控制量（模糊量）计算jingque的控制量。
3 电厂锅炉给水加药控制系统
　　某发电厂共有4台300 MW的发电机组，分为两个单元，一单元为1#、2#机组，二单元为3#和4#机组。每个单元加药计量泵包括锅炉补给水（生水经各种水处理方式净化后.用于补充火力发电厂的汽水损失）和炉水两种用水。现以二单元为例，加药系统采用两用一备共3台加药计量泵，即3#和4#机组各用l台加药计量泵，当其中l台出现故障时切换到备用泵。在该系统中通过检测pH值来控制炉水中磷酸盐的加入量，pH值要求控制在914～9.78，当其中1台机组的pH值低于9.4时，启动相应机组的加药泵。此时，磷酸盐加药箱内的磷酸盐溶液经过管道（管道上的阀门都为手动阀，正常时为打开状态）被泵入相应机组的除氧器出水管加药点。若3#机组的加药计量泵出现故障，则打开备用泵与其相连管道上的阀门，备用泵接替3#机组的加药计量泵，为3#机组的炉水加药;4#机组亦然。由于炉水中加入了适当的磷酸盐及氢氧化钠，可提高炉水的缓冲性能，并有利于维持炉水pH值的稳定性，从而防止锅炉水冷壁的结垢和腐蚀。
　　该系统将炉水水样经过减温减压装置引入磷酸表及pH表探头进行测量，经过模拟量转换，再经控制系统PID运算后控制变频器输出，控制加药泵转速，从而实时控制炉水的加药量，使炉水的磷酸根浓度与pH较好地保持在合格的范围内。图2给出其控制流程图。该控制分为调节器、执行器、被控对象及变送器4部分。其中，调节器由S7-200 PLC和相应控制软件组成;执行器由变频器、电机和计量泵组成;被控对象为炉水;变送器采用分析仪表，即pH表。

　　3.1 控制流程
　　图3给出3#机组的炉水加药控制系统。该系统从在线分析仪表（磷酸根表、pH表）中提取4～20mA信号，根据运行工艺参数和确定的数学模型进行窗口式PID复合运算，中间结果送变频器，控制加药泵加药量以实现加药的自动闭环调节。

　　3.2 控制系统组成
　　该控制系统选用上位机软件WinCC+西门子PLC的组合方案。PLC系统通过PorfiBus总线方式与上位机WinCC连接。如图4所示。其中上位监控部分由工业计算机（WinCC）来完成。监控工作人员可通过CRT实时监控系统的运行状况.设定或修改系统的运行参数，同时通过CRT远程软件控制系统运行。上位工控机进行数据处理和管理，并与MIS系统等联网。上位机可对控制器进行组态，组态范围包括控制器的网络地址和时间、选择控制算法、设定算法参数、设定控制量的设定点、选择算法中输入量及输出量的通道等。下位控制部分由安装在现场的一套可编程控制器（PLC）来完成。它是自动加药控制系统的核心，用于采集相应的水质数据。由于化学加药系统具有纯滞后性质，会导致控制作用不及时，引起系统产生超调或振荡，而利用计算机可方便实现滞后补偿。采用改进的数字PID控制算法和模糊控制算法，使控制器利用输出控制信号调节现场的交流变频器，进而控制电机的转速，以调节加药泵。电气部分的控制方式设计为远程和本地两种，以实现手动/半自动/自动三种功能，后两种功能由上位机切换。

4 IFC算法的滤波处理应用
　　控制系统中.滤波程序的基本原理是在周期内连续采样5个数值，并求出其平均值采集当前值，并求出采集值与平均值的差值△=Xi一X;若|△|>0.2，则舍弃Xi，取X=0.2作为按实际情况设定的信号波动范围值;若|△|≤0.2，则Xl出栈，X2替换X1，X3替换X2，X4替换X3，依次递推。用当前采样的X6替换X5，然后用这5个新数值再求X，进行比较，如此循环执行该程序即可实现滤波功能。图5为采用滤波程序后，放大了的pH值趋势，由此可见，滤波效果良好。图6给出控制操作界面图。

5 结语
　　实践证明.基于PLC的化学自动加药控制系统可灵活满足各类化学加药系统的在线监控。该系统投运以来，运行稳定、可靠、锅炉及辅机设备能全面实现自动调节，达到了预期效果，解决了以往手动控制难保证水质指标稳定的问题，减轻了运行人员的工作强度，得到yizhihaoping。