6ES7241-1AA22-0XA0参数选型

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一、锅炉系统概述：
　　锅炉的电气控制系统包括锅炉本体、鼓风系统、引风系统、进煤系统、输煤系统、除尘器系统、省煤器系统。结构框图如下：

二、系统结构：
　　控制系统以Haiwell（海为）PLC为核心元件，上位机由组太王6.50软件、视频监视卡组成
　　采用MT506L触摸屏、VFD-B/F系列变频器，利用Haiwell（海为）PLC的主机自带的RS485通讯端口控制5台变频器，完成鼓风机、引风机、进煤系统、输煤系统、水泵系统的控制，利用PLC的PORT1完成与MT506L的通讯，由于Haiwell（海为）PLC具有强大的通讯功能，可以非常方便的扩展通讯端口，利用扩展端口完成与上位机的通讯。

　　电气自动控制系统包括如下部分：
　　1） 异常情况报警：高限报警、高高限报警、低限报警、低低限报警、锅炉超负荷报警、锅炉超压报警、变频器通讯质量报警、电动机接地、电动机缺相报警、电动机超载、变频温度过高报警等
　　2）过程参数测量： 沸上温度、沸下温度、沸中温度、燃尽室温度、旋风室温度、出气温度测量、进水温度测量、上水压力测量、上水liuliang测量、上汽包压力测量、上汽包液位测量、炉膛负压测量、引风负压测量、鼓风压力测量、蒸汽liuliang测量等
　　3）自动控制系统：
　　上汽包液位控制、鼓风压力控制、引风负压控制等
　　4）电气系统
　　鼓风机、引风机、进煤系统、输煤系统、水泵系统、除尘器控制系统
三、电气控制系统的特点：
　　由于系统采用了Haiwell（海为）PLC，具有编程简单、硬件系统稳定可靠、通讯功能强大，非常轻松地完成了PLC与变频器、人机屏、和上位机的通讯控制。

1 引言
　　近年我国不少矿山企业为了实现高效、节能、环保等各方面日益增长的要求，积极进行设备的更新改造。某金矿在碎矿生产环节引进了Nordberg HP圆锥破碎机，以进一步优化生产指标和tigao效率。但是该矿原先采用的碎矿生产控制系统是以人工操作为主的常规继电器控制方式，自动化水平低，对生产过程的各种信息缺乏有效的监控手段，不能及时响应各种情况，加上电气设备老化，故障率高，维护频繁，严重制约了新装备生产效率的发挥。因此，需要对原有控制系统一并进行改造。可编程控制器（PLC）作为一种先进的工业自动控制装置，具有功能强大、编程灵活、调试使用方便，且等众多优点，特别是它适应各种工业环境的能力和高可靠性，使它得到广泛的应用。因此在本改造项目中，决定采用PLC来改造并扩展原有控制系统的功能，并且运用组态软件，设计生动直观、功能丰富的监控流程画面，实现生产过程信息的集中显示和处理。
2 工艺与控制要求
　　某金矿碎矿工艺为三段一闭路流程：原矿首先从原矿仓通过重型板式给矿机送入鄂式破碎机进行粗碎，然后由1# 皮带给入标准圆锥破碎机进行中碎，再经2# 皮带给入振动筛，筛上产品经3# 皮带返回短头圆锥破碎机进行细碎，细碎产品汇入2# 皮带，与振动筛构成闭路;筛下合格产品由4# 皮带送至粉矿仓。在控制上主要是对破碎、筛分及输送设备的起/停控制、联锁控制及保护，以及对设备运行状态和关键参数的监测记录，包括：①重板给矿机、鄂式破碎机、2台圆锥破碎机、振动筛及4台皮带设备的电机起停控制、电机过载（热继电器状态）的监测及自动联锁;②2个圆锥破碎机稀油站、自动除铁装置、及3台除尘风机起停控制和工作状态监测;③粉矿仓超声波料位计的信号监测;④控制室与现场各车间联络的声光警示信号。
　　本次改造还增加了以下项目：⑤鄂式破碎机、2台圆锥破碎机和轴瓦温度监测;⑥2台圆锥破碎机的电机工作负荷电流监测，以实现恒定负荷控制;⑦1#和3#皮带安装电子皮带秤和变频器，以实现给矿量控制;⑧控制室原有集中操作台和设备就地开关保留，和PLC控制系统通过转换开关进行工作方式切换。
3 系统硬件配置
　　根据前述控制要求，在充分考虑了系统的可靠性、稳定性、通用性基础上，确定本监控系统采用集中式的控制结构，分为3级：过程监控站、PLC控制器和现场电气驱动和信号检测。PLC控制器选用西门子SIMATIC S7-300，该型PLC技术成熟可靠，应用广泛，具有功能强、速度快、模块化等特点，具体配置为：CPU314，带有MPI接口，配64k EPROM存储卡做程序掉电保护;16通道DI模块SM321，5个;16通道DO模块SM322，3个;8通道AI模块SM331，2个;4通道AO模块SM332，1个;考虑系统的总点数和今后扩展的需要，配置了1个扩展机架，主机架和扩展机架之间通过通信模块IM360和IM361通信。监控站采用研华工控机，运行澳大利亚的CitectSCADA过程监控组态软件。S7-300和监控站计算机的通信采用MPI接口，在上位机中安装CP5613通讯卡，通过MPI电缆进行连接。
4 PLC控制功能设计
　　PLC程序是实现整个系统功能的核心，设计内容较多，下面主要介绍生产设备的起停联锁逻辑控制和破碎机恒定负荷控制。
　　4.1设备起停联锁逻辑控制
　　碎矿设备控制具有以下特点：逆流程起动，即先起动4 # 皮带机，后起动重板给矿机;顺流程停机，即先停重板给矿机，后停4 # 皮带机，并根据皮带速度、长度加以延时间隔，以免发生堆料的现象。为保护设备及人员安全，还需要满足较为复杂的联锁关系：①当皮带机、振动筛、圆锥破碎机、颚式破碎机中任一设备发生非正常停车或严重故障时，立即停止上游设备的运行，下游设备保持原工作状态不变;当重板给矿机、除尘器和除铁装置等辅助设备发生故障跳闸时，只向主控室发出故障信号，而不中断系统的运行;②重要设备如圆锥破碎机等受到监测的轴瓦温度、电机负荷电流和稀油站工作参数信号也参与联锁，在信号超限时自动停机，以防止设备受损;③根据皮带机系统的故障性质，进行紧急停机、顺序停机或发出声光报警;④在监控站画面上及操作台都设有“紧急停止”按钮，当出现重大险情和故障时，操作“紧急停止”按钮能立即停止全线设备。
　　系统从安全可靠、灵活高效的原则出发，设置3种控制方式：①计算机控制方式，正常生产时使用，操作员在监控站画面实现设备联动或单动;②操作台控制，是保留系统原来的操作方式，作为监控站失效时的备用;③就地控制，可以用机旁电气开关实现设备的起/停，满足设备检修、试车、紧急事故处理的需要;在PLC柜上设有转换开关和转换预置按钮，可在3种控制方式间进行任意转换。
　　通过对上述控制功能和PLC各个输入输出信号的仔细分析，确定出单台设备的控制逻辑，利用西门子STEP7编程软件编写出梯形图（LAD）程序，见图1。其中，K为控制设备起/停的PLC输出信号，Y为启动逻辑信号，T为停止逻辑信号，由以下信号按一定逻辑关系产生：L ，与该设备有联锁关系的其他设备运行状态;S1，上台设备启动后延时触发信号;S2，转换开关处于计算机控制方式;S3，监控画面单动/联动方式选择按钮，“1”为联动，“0”为单动;S4，监控画面单动按钮;S5，控制方式预转换按钮;S6，转换开关状态，为“1”表示处于就地控制;S7，设备正在运行状态，是中间继电器信号;B1，联动停止信号，由上台设备停止后触发产生;B2，监控画面停止按钮;D1，预转换过程结束信号，“1”表示转换结束，由定时器延时触发;B3，监控画面紧急停止按钮;B4，操作台紧急停止按钮;S8，与该设备存在联锁关系的其他设备运行状态;S9，该设备PLC控制输出状态，为“1”表示PLC控制线路接通。

图1 单台设备起/停控制梯形图
　　4.2 破碎机恒定负荷控制
　　Nordberg HP 圆锥破碎机是本次项目改造中的关键设备，为使其稳定在佳工作负荷状态，达到大处理能力，采用恒定功率控制方式，以主传动电机的功率（电流）作为被控参数，通过变频调速，动态调整给矿皮带给矿量的大小。经实验分析发现，若仅以电机功率作为被控参数构成单回路控制系统，由于给矿皮带的传输需要一定的时间，即存在纯滞后，当给矿量扰动发生后，将导致调节作用大大滞后，且易发生振荡，系统动态品质难以保证。为了克服系统的纯滞后，决定采用串级控制：在给矿皮带上安装电子皮带秤，以给矿量为副参数，主传动电机的功率为主参数构成串级控制系统，见图2。

图2 圆锥破碎机恒定负荷控制方框图
　　由图可见，当粒度、硬度、黏度等因素发生变化引起给矿量扰动发生时，给矿串级控制系统多了一个副回路，不等扰动影响到负荷功率，副回路立刻进行调节，从而具有较强的抗扰动能力，tigao了系统的动态特性和主参数的控制质量。
5 监控站人机界面设计
　　监控软件采用澳大利亚的CitectSCADA组态软件。CitectSCADA采用开放式结构，支持多种型号的PLC和I/O设备，只要在组态时设置PLC类型和通信参数，并在监控画面的控件属性中设置正确的PLC位地址或字地址，监控软件就能建立起与PLC内部地址的连接和通信。我们利用它强大的图形组态技术和丰富的用户函数，设计了以下功能：①流程监控画面（见图3），通过动态、变色、闪烁、数字、棒图及曲线的方式实时监视各电气设备、工艺参数的工况，操作人员点击画面按钮可以实现全线设备单动起/停、联动起/停、紧急停车、现场询问等控制功能;②生产数据统计，对设备的起/停时间，班运转时间、起/停次数累计等信息自动记录并显示，对于合理安排生产和设备检修具有重要意义;③自动报表，将生产统计数据按生产班次定时打印;同时，在监控画面设计了报表打印按钮，可以在任何需要的时候进行打印;④在线操作指导，采用bbbbbbs超级链接文本帮助的形式，向操作人员提供了方便、快捷的查找关于生产工艺操作、软件使用方法和设备维护等信息;⑤报警功能，在每幅画面上都有报警标志，设备故障、工艺参数异常都会触发相应的报警，每个报警都有详细的说明和原因解释，并有完善的报警确认、报警屏蔽和报警历史记录;⑥权限安全设置，通过设置工程师和操作员2级权限，明确了生产操作和管理职责，防止了误操作，有效的增强了系统的安全性、可靠性。
6 运行效果
　　目前本控制系统已成功投入使用，取得了良好的效果：①生产效率显著tigao。破碎机恒定负荷控制后，挤满给矿率由人工操作的60 %左右tigao到90 %以上，主机运行负荷功率由人工操作的170 kW（主机电流28 A）左右，稳定tigao到200 kW（主机电流33 A） 以上，处理能力得到充分发挥，台时处理量tigao15 %，综合电耗降低了13%;②设备得到有效保护。破碎机负荷电流和轴温信号受到监控，一旦超限会及时报警和联锁制动，从而解决了因为堵料造成电机超载、皮带烧毁以及爆轴的问题;③系统故障率明显下降，维护工作大大减少，设备稳定运转得到充分保障;④减少了人员编制，仅需要2人就完成相当以前5人的工作。
7 结语
　　本文作者创新点：采用S7-300 PLC和CitectSCADA过程监控组态软件，对金矿碎矿生产控制系统进行了设备改造，实现了生产设备操作的自动控制、联锁保护、数据集中显示和处理等较为全面的功能。从实际运行的效果来看，该系统设计合理，稳定可靠，显著tigao了生产效率。

　　PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。PLC具有通用性强、维护方便、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点，已在工业自动化领域得到了广泛的应用。特别是在电机控制上，PLC集成了专用的控制指令集，这可大大缩短编程者对程序的开发时间，tigao调试的效率。
　　位置伺服系统，一般是以足够的位置控制精度（定位精度）、位置跟踪精度（位置跟踪误差）和足够快的跟踪速度作为它的主要控制目标。系统运行时要求能以一定的精度随时跟踪指令的变化，因而系统中伺服电动机的运行速度常常是不断变化的。故伺服系统在跟踪性能方面的要求一般要比普通调速系统高且严格得多，并且不会出现象步进电机在高速状态下旋转运动时出现“脱步”等现象，其在位置控制方面具有相当高的精度而且在高速旋转运动时具有与低速运动状态下相同的转矩，即可以实现恒转矩运行。伺服电机的以上一些特性可以很好地满足本系统的设计需要。
　　密封垫圈在石油管道、液气压系统等诸多领域内有着广泛的用途，是一种密封性极其优良的产品。主要原材料包括钢带和石墨等，因为其良好的密封性，所以在全球的需求量非常庞大，企业为tigao其生产效率，要求采用自动生产设备。
　　该生产系统现大都采用的是手工操作的方式，在生产过程中，时刻需要人工干预产品的生产过程，通过测量来确定产品是否符合工艺要求。比如，时刻需要用游标卡尺来测量产品的外径来保证产品的质量;整个焊接过程完全由人工操作，自动化程度低，产品的生产效率低下，已无法满足日益增强的竞争需要，所以tigao效率迫在眉睫。
1 系统组成
　　根据生产工艺的要求和对实际系统的测量，预估电机带动模芯运行所需的力矩和运行速度，综合不同规格下的各种要求，选取了PLC作为控制系统，驱动伺服电机和焊机，采用文本显示器设置相应参数。
　　1.1 硬件部分
　　本系统电气硬件控制电路的设计，主要包括保护电路、电源变换电路、伺服电机驱动部分电路、伺服电机供电电路和控制电路。对于伺服电机的控制采用PLC作为主控制器，主要控制线有4根：伺服使能信号线、指令脉冲输出信号线、伺服电机旋转方向控制线和伺服电机故障信号输出线。前3根信号线的引出主要是对伺服电机的位置运动进行控制，通过相应设置和程序设计来达到要求的精度。故障输出信号线主要是对电机的不正常运行进行保护，比如电机的过流、过压运行等。通过适当的程序来对故障信号进行处理，保证伺服系统运行的安全性和可靠性。除此之外，还安装了急停按钮对特别紧急事件进行处理，以保证系统的安全性。
　　电气主电路主要由空气开关、熔断器（保险丝）、电源指示灯、接触器、电源开关按钮、急停开关按钮等组成。功能是保证220V电源供电的安全性与可靠性，同时，熔断器等可以对后续电路过流等情况起到一定的保护作用。220V交流电源电压经过转换变成24V直流电源电压驱动电磁阀工作，控制气缸的动作与释放。PLC开关量输人中有2个光电开关量的输入，主要为钢带和石墨缺料时的信号输入，通过PLC程序来控制伺服电机和各机械部件在上述状态时的运动。
　　1.2 软件部分
　　软件设计主要对输入的开关量等信息进行分析、处理、综合后输出控制信号来对伺服电机和执行部件（主要为焊机）进行可靠的运动控制。满足系统控制精度的要求。
　　在实际生产过程中，由于石墨带的刚度不够，在绕制过程中容易发生断裂等问题。因此在实际程序设计中要求伺服电机在启动和制动过程均要有加减速时间以防止电机产生速度突变，造成石墨带的断裂和危及操作人员的安全。根据系统要求，将系统运行状态中的某些参数通过通信模块显示于文本屏上，达到实时监控的目的。其中参数主要为产品工艺的要求参数，比如焊点数、材料绕制的圈数等参数的实时显示。文本显示器除了显示功能外，还集成了参数设置的功能，主要是对生产的产品规格型号的选择和绕制圈数的设定。通过规格型号的选择来确定焊机动作与释放时间的分配和伺服电机转速的设定，使两者达到合理的配合，大限度地tigao产品的生产效率。通过对产品绕制圈数的设定可以实时控制产品的合格率并可以随时按生产要求来选择生产产品的规格。打破了手工操作下，能生产的产品比较单一的缺点（规格少），tigao了设备的利用效率。
2 系统问题及解决方案
　　2.1 伺服电机定位问题
　　本次系统设计中主要存在的问题是模芯的jingque定位。当一个产品制作完成后，怎样才能使模芯在高速回归原点时与压轮压下的位置的偏差不超过1mm。考虑到伺服电机的高精度定位功能，设计中采用了记录全程脉冲数的方法。这种方法充分利用了伺服电机的高精度定位功能，实现高效率的jingque定位。在整个系统设计中，将PLC的Y0口作为伺服电机脉冲的输出端，因此利用PLC指令集中的特殊功能存储器D8140，D8141来记录PLC发给伺服电机的脉冲数并将其累加。通过运算求出不到一圈的脉冲数，再用一圈的脉冲数减掉上面的运算结果。将此结果的脉冲数再通过PLC的Y0口发给伺服电机来控制其回归原点。如果仅用以上方法即使回归了原点但其仍无法满足1mm的精度要求，需要对伺服驱动器参数设置中的21号参数（零偏差幅度）进行相应计算设定。因为伺服驱动器出产时21号参数一般是400脉冲，当要求定位的精度很高时，这个默认的参数是不适合的。可以通过式（1）进行计算来确定需要的参数值。
　　 （1）
　　其中：132072为电机旋转一周所需的脉冲数，为固定值，单位为脉冲/周;S为每转一周的移动量，单位为m;J为系统所要求的精度，单位为m;P为零偏差幅度，单位为脉冲。
　　对于本系统，模芯采用小尺寸，S=0.580 9m，J=0.001m，可求得P=226脉冲;（实际电机旋转一周需要的脉冲可以通过调节驱动器的电子齿轮比参数得到）考虑到系统的转速比接近1：10，所以P可以取20脉冲。综合考虑各种规格之后可以取小值P=1脉冲。
　　在软件设计中还应要使用特殊辅助继电器M8145，其功能是停止Y0口的脉冲发送（立即停止）。采用程序驱动M8145可以防止伺服电机在发送脉冲时的过脉冲现象，tigao定位的精度。
　　2.2 焊机的时间控制问题
　　对焊机的开始放电时间的jingque控制直接关系到产品的质量。对于密封垫圈其要求在轮启动焊接的时候能够达到在电机带动模芯旋转一圈的过程中，按顺序先5—l0mm焊接3个点，然后再以40—50mm的距离焊接剩下的点。在这个过程中要保持电机有一定的转速，大概20r/min，还要保持焊点的均匀、美观和一定的强度。在设计中将电焊机的时间控制模式改为“1”（外部时间控制），又鉴于PLC的扫描方式不同于一般的单片机芯片，所以要考虑程序的扫描周期。在以上转速下利用公式（2）算得可以启动电焊机工作的时间：
　　S=V×T （2）
　　式中：S为焊接距离;V为电机运动速度;T为电焊机可以工作的时间范围。
　　算得时间T，加上扫描时间就是焊机要动作的时间范围，对其进行启动和释放时间合理分配。该系统中电焊机启动时需要l0ms的高电平维持时间（实际设定），才能进入稳定的放电状态，而且焊机的响应时间存在不稳定性，所以设定电焊机启动时高电平维持时间为20ms，电焊机可以很好地进行工作，达到控制的需要，保证焊点的质量。
3 结论
　　经过现场安装与调试，本系统其性能比传统的手工操作系统优良。而且体积小，结构也简单，为日后的维护和功能扩展奠定了良好的基础，精度能够达到要求，大大tigao了效率，操作也更加简单方便。对操作人员来说，也更加安全可靠。