西门子模块6ES7214-1AD23-0XB8详细解读
西门子模块6ES7214-1AD23-0XB8详细解读
1 前言
连续准确地对回转窑和分解炉进行喂煤，是降低煤耗，提高熟料质量，保证设备安全和连续稳定运转的关键因素。因此，喂煤计量控制装置必须具有稳定、准确、动作迅速等特性。
原来我公司采用由德国KHD成套设备公司提供的冲击式固体流量计,由于该流量计容易受到外界的干扰，计量波动大，引起喂煤量的波动, 影响了窑的工况。喂煤装置分隔轮是由直流电机拖动，直流电机的换向器和电刷的故障率较高，维护量很大。公司经过调研论证，决定进行技术改造，将其替换成2套由合肥水泥设计院生产的科氏力秤煤粉定量给料系统。该秤依据科里奥利原理设计，实现对窑尾分解炉和窑头喂煤的计量及控制。
2 科里奥利原理
质量微粒m在以角速度ω转动的系统中除受到离心力FZ和摩擦力FR外，还受到垂直于其运动方向的惯性力FC的作用，通过测量这个力，可测得质量m，这就是科里奥利原理，如图1所示。
图1 科里奥利原理示意
测量原理的实现需要一个以恒定速度转动的旋转测量圆盘(测轮)，其基本结构如图1所示。由电机拖动的测轮被叶片分成数个导流槽，散状物料由测轮中心上方进入测轮，经过锥形的转向装置后，形成散料流，进入导向叶片之间的导流槽中，并被以恒定角速度ω旋转着的导向叶片虏获，物料因离心力FZ的作用而向测轮外边缘运动，直至离开测轮被抛出。通过对物料所受科里奥利力FC的测量可得到物料的流量，工程中是通过测量FC对测轮的反作用力矩而测得物料流量的，这个力矩由测轮的驱动电机来补偿(离心力FZ和摩擦力FR都不能在测轮径向上产生力矩)。其计算式为：M=mωR2
式中：M──测轮所受力矩，N·m；
m──物料流量，t/h；
ω──测轮角速度，1/s；
R──测轮半径，m。
图2 测轮的基本结构示意
3 科氏力煤粉秤组成及工艺流程：
科氏称中的主要设备有由煤粉称重仓、水平回转式稳流给料机（以下简称给料机）、科里奥利质量流量计（以下简称流量计）、螺旋输送泵、回转空压机等组成。
主要工艺流程是：从煤磨制备出来的煤粉进入煤粉仓,对煤粉进行称重计量，要求达到一个合理料位，保证下煤稳定。煤粉仓底部与给料机连接，给料机按水平方向旋转，煤粉就由给料机喂入流量计，在流量计中经过前文所述的处理后，进入螺旋输送泵，与回转空压机中的压缩风混合后，一起到达窑头及分解炉(如图3所示)。流量计仅作为计量设备，而给料机作为预给料设备。
图3 煤粉喂料系统工艺流程简图
4 科氏力喂煤计量控制系统自控部分简介
2套设备控制部分的原理相同，主要由1台西门子的S7-200 PLC（扩展了1个模拟量输入模块EM231和1个模拟量输出模块EM232）。1台西门子的触摸屏TP170A，2台ABB变频器，还有称重传感器,力距传感器，速度传感器等组成。如图4所示，图中M1为给料机，M2为流量计。
图4 科氏力控制系统示意图
PLC的型号为CPU222，属于小型PLC, 但其指令功能非常丰富，能完成各种复杂控制功能。它具有8输入/6输出，共14个数字量I/O点。控制程序采用STEP-7 Micro/Win32 V4.0 SP3编程软件开发。
触摸屏作为人机对话窗口，用于修改系统的工作参数，监控系统的工作过程。它防护等级高（IP65）,可用于恶劣的工作环境。触摸屏的使用省去了复杂的控制面板和仪表显示 。TP170A通过Protool/Pro cs V6.0为其组态。以通讯的方式读取PLC内部相应寄存器上的数据、状态及工作参数。
本控制方案中主要作用是从现场启动设备，整定内部参数，显示瞬时流量、累计流量，输入参数的设定，上下限报警值的设定，流量实时趋势曲线，在调试变频器时，也可以通过趋势来观察效果。TP170A与CPU222通过9针电缆进行通讯。
当所有设备处于正常工作状态，测得的仓重信号经过变送器处理后，送入DCS和EM231。流量计下端带有力矩传感器及速度传感器，测得扭矩与转速信号经过变送器，由EM231模块输入至PLC，计算出实际流量，并且与设定值进行比较，经过PID调节后，通过EM232，控制变频器的频率从而改变给料机转速，实现流量控制。
窑头喂煤大流量13t/h，窑尾喂煤大流量15t/h。两套喂煤的给料机及流量计所配电机功率相同分别是：5.5kW和1.1kW。
5 变频器的选择：
每套科氏力秤喂煤系统配有2台变频器,一台拖动流量计中的测轮旋转，另一台控制给料机。变频器要根据工艺环节的具体要求选择性价比相对较高的产品。后确定4台变频器都使用ABB公司的Comp-AC变频器。为确保现场的快速调试，Comp-AC变频器预置了多种应用宏。宏是一组事先预先定义参数集，应用宏将使用过程中所需设定的参数数量降至少。选择一个宏，所有参数和控制方式即自行改变。典型的应用宏包括：工厂应用宏，ABB标准宏，交变应用宏， PID应用宏，手动自动应用宏等。这些应用宏为用户提供了方便的使用性能。
3.1 流量计变频器
两台流量计的原理相同，为了保证计量精度，要求测轮启动后能够稳定恒速运转。厂家依照电机和传动比计算出频率应设定在45Hz，两台流量计的转速相同,采用的变频器也相同是 ACS 400系列。
3．2窑尾给料机变频器
当回转窑因故障停机时，分解炉要立刻停止喂煤。工艺上没有其他特殊的要求，选择具有V/F控制方式的变频器即可，我们也选用了ACS400系列。
3．3窑头给料机变频器
当回转窑因故障停机时，窑头要少量喂煤，用于窑的保温，喂煤量只有大流量的1／8左右，为了保证在如此低流量状态下喂煤的jingque性，选用的是具有矢量控制功能的变频器，型号是ACS550 系列。ACS550是新推出的智能性变频器，具有三种控制方式，即标量V/F控制、无传感器矢量控制、转矩控制，所以该款变频器不仅能够适合于简单的电机运转，也可以同时满足普通负载和重载工作。
6 变频器的安装调试：
每套系统均带有1个控制柜，为了减少变频器对传感器的干扰，除了控制信号（包括模拟信号和数字信号）需要使用屏蔽电缆，变频器到电机的强电线也必须采用屏蔽电缆。
为防止煤粉易结露、起拱后，导致不下料情况的发生。给料机设计成能够正反向转动。用一个拨动开关控制它的转动方向。将系统电源过开关后，接入到DI2,得电正转，失电反转。
应用不同的宏，手册里有相对应的接线方式。基本可以按图接线。
做好变频器参数的设置及调试工作是设备正常运转的一个根本保障措施。现场中出现的许多问题往往是参数的设置问题而与设备本身无关，由此可见，合理正确设置参数很重要。
参数的定义过程：
1） 起动数据。是将电动机的主要参数输入到变频器，包括电机的额定电压、额定电流、功率、转速等。
2） 输入输出端子的定义。根据设计好的接线图用参数的方式定义数字量的输入输出和模拟量的输入输出。
3） 其他参数的定义，上述两项定义好后，变频器就可以使用了。为了更好的发挥变频器的功能，还要定义一些其他参数。
表1 调试后修改的参数表
表1 变频器参数表
窑头、窑尾给料机变频器型号不同，但参数基本一致，只是窑头的ACS550中起动数据组中多了一个参数电机控制模式9904，设置值为1，含义为无传感器矢量控制模式。
7 使用效果
自去年3月份科氏力称喂煤系统投入使用后，因其抗外界干扰能力强，计量精度高，通过触摸屏观察到的长期、短期趋势都比较稳定。对窑内热工制度的有利。变频调速和交流电机的应用使日常维护的工作量大大减少，因此造成的停机时间很少。这次技改项目非常成功。
一、 前言
特种车辆是针对非常规车辆的统称，包括军事、医用、环保、建筑、起重等不同的分类。
因特种车辆大多需要有动作机构，这些动作的控制大多采用 PLC 来完成。因特种车辆工作环境差，通常需要这种专用 PLC 能够完成抗高低温、防水、防尘、防盐、冲击、振动等常规 PLC 无法胜任的工作。为此，德维森公司针对特种车辆开发了专用可编程控制器 V80-U。
二、 特种车辆专用 PLC V80-U 特点
V80-U 的性能指标如下：
V80-U 系统结构与 V80 标准系统结构一致，技术指标和软件性能也与标准系统一致。V80-U 采用模块化结构，由一个本体单元和多个扩展单元构成，如下图所示。
V80-U 是在宽温系列的基础上改进而来，符合国军标 GJB150、GJB151A/152A，实现了高低温运行、储存、抗振、抗冲击、抗电磁干抗等方面的全面提升。
2.1 性能改进
1、温度范围
对 V80 标准型设计进行相应的改进，首先是结构材料的更换，包括 PCB 板材、塑料、开关、端子全部更换成军用级材料，保证在极端恶劣的环境下可靠的工作；然后是电子元器
件采更换为军用级的电子元件，包括电容、光耦、继电器在内的一些比较敏感的器件；后是所有内部的接插件，为适应军标宽范围的应用将全部选用镀金的接插件，部分更是改成直接焊接，以减少冲击和温度变化造成的接触不良等。
2、抗冲击、抗振动
为了能达到军标的要求，我们在各层电路板上灌封了防火导热抗振硅胶。
3、防水防尘
目前为达到防水防尘的目的，V80-U 采用将 PLC 内置于防水防尘的电控箱内的方式，并且在 V80-U 模块内加灌硅胶。
4、抗电磁干抗
目前 V80-U 在抗快速脉冲群方面可以抵抗 5KHZ、10KHZ、100KHZ 的快速脉冲群达3000V 之高，其它的如静电、浪涌等方面也达到 IEC61131-2 的标准。
5、宽电源范围
直流输入范围可达 DC18"36V，交流输入范围可达 AC85"265V。
2.2 灌封用电子硅胶特点
设计：该产品专门根据电子，电器及其他应用需求设计开发，品质恒定。优良电气特性：该产品是理想的电气及电子产品的绝缘密封材料，即使用於温度及湿度常有变化的场所也能 保有稳定的电气特性。
耐热、耐寒特性：该产品使用温度范围广泛，适用於-50℃"250℃。连续使用时从-40℃～180℃，也能保持稳定性能
耐候性：该产品具有优越抗紫外线、臭氧、水分、盐雾、霉菌等特性，既使在户外使用三十年也几乎不变质。
抗震性：具有弹性机能，吸收振动及激震，保护电气及电子零件、玻璃等易脆物质。
化学性能稳定：和一般有机橡胶比较，抗化学物质及油剂特性特别优越。同时，有些产品绝不腐蚀金属
灌封：除去低分子量有机矽产品，为电子，电器及一般工业设计的硅胶产品，获得UL、MIL等多种国际认证。
2.3 通信接口与协议
三个通信接口其中一个 RS232、一个 RS485 和一个 CAN 接口，前面两个接口均可以支持编程和 ModBus 从协议，RS485 还支持Modbus 主协议，可以支持联网通信，CAN 接口用户层协议采用ModBus 的数据链路层。
通信接口的选择：
1、数字量 IO 通信：数字量 IO 的输出一般是继电器或晶体管输出，会存在抖动和时延的问题，造成误判和误动。同时，数字量 IO 的输入也是经过光耦进入 CPU 的，同样存在抖动和时延的问题。一般大家为了增强数字量 IO 口的抗干扰能力会在输入输出上加上下拉电阻，可以起到一定作用的，但无法从根本上解决，还会造成光耦的提前老化，从而使产品寿命减短。一般该通信方式的通信速度不应超过 10Hz，因为 PLC 的标准 IO 口的滤波时间是 10mS，再加上双方之间的错位与时延应为 30mS 以上，其通信距离应控制在 10m 以内。
2、RS232 通信：因为 RS232 是电平通信方式，因此无法抗共模干扰，一般要求 RS232
线不要超过 10 米，通信速率一般在 19200 以下才能在现场环境可靠通信。RS232 不适合作长时间高可靠要求的通信。
3、RS485 通信：RS485 是差分通信方式，可以有效的抗共模干扰，RS485 是许多种现场总线的物理层，包括 ModBus、ProfiBus 等。RS485 的通信速率为 1200 至 12M 之间，通信距离为 1000m 以内，与通信速率相关，如果波特率为 1.2M 则通信距离要在 300m 以内。
4、CAN 通信：CAN 是为汽车内部控制开发的现场总线，目前在其它工控现场也得到了广泛的应用。优点是速度快，可靠性高，但缺点是单帧的通信流量比较低，无效字符占的比例较多。
三、 结论
V80-U 是专门针对特种车辆开发了专用 PLC，具备以下性能优势：
1、 宽温范围
运行环境温度为-40℃ ～ 80℃。
2、 抗冲击振动
模块内灌封了防火导热抗振硅胶。
3、 防水防尘
PLC 内置于防水防尘的电控箱因此，V80-U 能够完全满足特种车辆对抗高低温、防水、防尘、防盐、冲击、振动等常规 PLC 无法胜任的工作的特殊要求。
1 引言
传统的鼠笼式异步电动机起、制动控制方式一般有四种，即定子回路串电阻起动，Y/△起动，自耦变压器起动和延边三角形起动;制动方式有三种，反接制动，能耗制动和电容制动，其中任何一种起，、制动控制方式的实现通常由继电器-接触器控制系统来完成。下面就以定子回路串电阻降压起动和反接制动为例，分析由继电器-接触器实现的鼠笼式异步电动机的起、制动控制。
如图1所示，此控制电路含三个接触器和一个中间继电器线圈，12个触点。起动时，KM2、KM3线圈均处于断开状态，按下起动按钮SB1，KM1线圈通电并自锁，电动机串电阻减压起动。当电动机转速上升到某一定值时(此值为速度继电器KS1的整定值，可调节，如调至100r/min时动作)，速度继电器KS1的常开触点闭和，中间继电器KA通电并自锁，KA的常开触点接通接触器线圈KM3，KM3的主触点在主电路中短接定子电阻R，电动机转速上升至给定值时投入稳定运行。
制动时，按下停机按钮SB2，KM1线圈断电，其主触点断开三相电源;控制电路中常开触点断开，KM3失电，限流电阻串入;常闭触点闭合，接通反接制动接触器KM2，对调两相电源相序，电动机处于反接制动状态。当转速下降至某一定值时(比如100r/min),KS1常开触点断开KA，继而断开KM2，电动机失电，迅速停机。
这种传统的继电器接触器控制方式控制逻辑清晰，采用机电合一的组合方式便于普通机类或电类技术人员维修，但由于使用的电气元件体积大、触点多、故障率大，因此，运行的可靠性较低。随着PLC技术的发展，使用PLC进行电机的运行控制已成为必然趋势。
2 采用PLC实现鼠笼式异步电动器起、制动控制
可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，自60年代末，美国首先研制和使用可编程控制器以后，特别是日本和联邦德国也相继开发了各自的PLC(programmable logic controller)，因此，与传统的继电器接触器控制系统相比较，笔者认为采用PLC实现鼠笼式异步电动机起制动控制是明智的选择。下面就是笔者设计的采用PLC实现的鼠笼式异步电动机起制动控制电路的接线图、梯形图和指令程序，如图2和图3所示。
PLC控制逻辑与传统的继电器接触器控制系统基本一致，其工作过程如下:
起动时，按下起动按钮SB1,X400常开触点闭合，Y430线圈接通并自锁，KM1线圈接通，主触头吸合，电动机串入限流电阻R开始起动，同时Y430的两对常开触点闭合，当电动机转速上升到某一定值时，KS1的常开触点闭合，X402常开触点闭合，M100线圈接通并自锁，M100的一对常开触点接通Y432的线圈，KM3线圈有电主触头吸合，短接起动电阻，电机转速上升至给定值时投入稳定运行。
制动时，按下停机按钮SB2，X401常开触点断开Y430线圈，使KM1失电释放，而Y430的常闭触点接通Y431线圈，制动用的接触器KM2线圈通电，对调两相电源的相序，电动机处于反接制动状态。与此同时，Y430的常开触点断开Y432的线圈，KM3失电释放，串入电阻R限制制动电流。当电动机转速迅速下降至某一定值时，KS1常开触点断开，X402常开触点断开M100的线圈，M100的常开触点断开Y431线圈，KM2失电释放，电动机很快停下来。过载时，热继电器FR常开触点闭合，X403的两对常闭触点断开Y430和M110的线圈，从而使KM1或KM2失电释放，起到过载保护作用。
上述控制过程指令程序如下:
3 PLC与继电器接触器控制系统的比较
通过对鼠笼式异步电动机起制动的传统控制方法和PLC控制方法的比较，从某种意义上看，PLC控制是从继电器接触器控制发展而来的。两者既有相似性又有很多不同处。
3.1 二种方案的不同点
(1)PLC内部大部分采用“软”逻辑
继电器接触器控制全部用硬器件、硬触点和“硬”线连接，为全硬件控制;PLC内部大部分采用“软”电器、“软”接点和“软”线连接，为软件控制;
(2) PLC控制系统结构紧凑
继电器接触器控制系统使用电器多，体积大且故障率大;PLC控制系统结构紧凑，使用电器少，体积小;
(3) PLC内部全为“软接点”动作快
电器接触器控制全为机械式触点，动作慢，弧光放电严重;PLC内部全为“软接点”动作快;
(4) PLC控制功能改变极其方便
继电器接触器控制功能改变，需拆线接线乃至更换元器件，比较麻烦;PLC控制功能改变，一般只需修改程序便可，极其方便;
(5) PLC控制系统制造周期短
PLC控制系统由于结构简单紧凑，基本为软件控制，因此设计、施工与调试比继电器接触器控制系统周期短。
此外，由于PLC技术是计算机控制的基础上发展而来，因此，它的软硬件设置上有着传统的继电器接触器控制无法比拟的优势，工作可靠性极高。
3.2 PLC方案的设计要点
(1) 设置滤波
在PLC中一般都在输入输出接口处设置π形滤波器，它不仅可滤除来自外界的高频干扰，而且还可减少内部模块之间信号的相互干扰;
(2) 设有隔离
在PLC系统中CPU和各I/O回路(主要指数字口)几乎都设有光耦合器作隔离，以防止干扰或可能损坏CPU等;
(3) 设置屏蔽
屏蔽有两类:一类是对变压器采取磁场和电场的双重屏蔽，这时要用既导磁又导电的材料作为屏蔽层;另一类是对CPU和编程器等模块仅作电磁场的屏蔽，此时可用导电的金属材料作屏蔽层;
(4) 采用模块式结构
PLC通常采用积木式结构，这便于用户检修和更换模板，同时在各模板上都设有故障检测电路，并用相应的指示器标志它的状态，使用户能迅速确定故障的位置;
(5) 设有联锁功能
PLC中个各输出通道之间设有联锁功能。以防止各被控对象之间误动作可能造成的事故;
(6) 设置环境检测和诊断电路
这部分电路负责对PLC的运行环境(例如电网电压、工作温度、环境的湿度等)进行检测，同时也完成对PLC中各模块工作状态的监测。这部分电路往往是与软件相配合工作的，以实现故障自动诊断和预报;
(7) 设置Watchdog电路
PLC中的这种电路是专门监视PLC运行进程是否按预定的顺序进行，如果PLC中发生故障或用户程序区受损，则因CPU不能按预定顺序(预定时间间隔)工作而报警;
(8) PLC的输入、输出控制简单
PLC是以扫描方式进行工作的，即PLC对信号的输入、数据的处理和控制信号的输出，分别在一个扫描周期内的不同时间间隔里，以批处理方式进行，这不仅使用户编程简单、不易出错，而且也使PLC的工作不易受到外界干扰的影响;同时PLC所处理的数据比较稳定，从而减少了处理中的错误;另外，PLC的输入、输出的控制较简单，不容易产生由于时序不合适而造成的问题。
4 结束语
由于PLC在设计制造时充分考虑到工业控制的现场环境问题，并采取了多层次、多种有效措施来提高工作可靠性，因此，采用PLC实现电机控制，特别是对工作环境条件较恶劣的工矿企业应该是一项明智之举。
