西门子模块6ES7223-1HF22-0XA8保内产品

西门子模块6ES7223-1HF22-0XA8保内产品

1 引言
随着现代科学技术的飞速发展，不仅对生产过程自动化，也对生产管理提出了更高的要求。通过计算机网络技术把自动控制与计算机管理系统结合起来，集管理和过程控制为一体是当今工业自动控制发展的趋势。复杂的过程控制系统，常采用两级网络拓扑结构，底层用现场总线以便控制装置尽可能靠近被控生产过程现场，上层采用工业以太网，监控级相对集中于主控室内，从而实现对生产过程的集中管理和分散控制。这样构成的控制系统具有实时性好、可靠性高、抗干扰能力强等优点，比传统DCS系统更经济，更可靠。为了适应这一形式的发展要求，提高实验教学质量，使工科学生在校期间就能受到良好的工程实践锻炼，因此开发了基于工业以太网及现场总线的过程控制系统实验装置。
2 系统配置及网络结构
实验装置控制系统由上位机监控系统和下位机PLC控制系统两部分构成。整个网络采用两层网络拓扑结构，上层为工业以太网，用于上位机PC之间以及上位机和下位机PLC之间的通讯，底层为PROFIBUS-DP现场总线，用于下位机PLC主站(DPM1)和四个从站(DPS1-DPS4)之间的通讯，其中，PLC主站和从站控制液位、压力和温度流量等过程控制实验装置。系统用 SIMATIC STEP 7软件进行网络组态、硬件组态以及PLC控制程序的编写，并用组态软件SIMATIC WinCC实现了上位机与PLC的动态连结。整个系统组成如图1所示:

图1 过程控制系统实验装置结构图

2.1 现场部分
现场部分是所需控制的液位、温度流量和压力实验装置，变送器将采样数据转换成 4～20mA的电流信号，直接接入SM334模块(模拟量输入/输出模块)，经模/数转换变成0～27648的数字量。开关量的输入输出接入SM323模块(数字量输入／输出模块)。
2.2 控制单元
控制单元采用西门子PLC,S7-300系列PLC功能强大，采用模块化设计，有中央处理单元(CPU)、各种信号模块(SM)、通信模块(CP)、功能模块(FM)、电源模块(PS)、接口模块(IM)等，有多种规格的CPU可供选择。通过CPU上集成有PROFIBUS-DP接口、 MPI接口或通信模块可以连接 AS-I接口、PROFIBUS总线和工业以太网系统。
本系统主站采用西门子S7-300系列PLC，其CPU为315-2DP。它执行指令时间短，扫描1000条指令不需10ms，足以满足控制的时间要求。主站还带2个信号处理模块(DI 16/DO 16、AI 4/AO 2)和一个通讯模块CP343-1(用于上位机和PLC之间通过工业以太网进行通讯)。从站选用PROFIBUS-DP分布式I/O ET 200M，带2个信号处理模块(DI 16/DO 16和AI 4/AO 2)，从站没有中央处理器单元，各从站之间经IM153接口模块通过DP总线进行连接。组态之后，添加的分布式I/O与PLC站中的本地I/O具有统一的编址。
2.3 上位机
上位机为四台工控机，主机界面设计采用西门子的WinCC组态软件，保证了与工控机的完全兼容。软件集成了组态、脚本语言、OPC等先进技术，提供了bbbbbbs操作系统环境下使用各种通用软件的功能。该软件具有适用于工业生产过程的图形显示、控制和报警画面、实时和历史趋势曲线、归档以及报表打印等功能模块。另外WinCC还有对SIMATIC PLC进行系统诊断的选项，给硬件的维护提供了方便。
系统应用程序的开发和运行软件为STEP7 V5.2，它是适用于S7-300/400 PLC系列的编程、组态标准软件包。通过STEP 7 V5.2用户可以完成以下任务:
(1) 网络组态，设置连接和接口;
(2) 组态硬件;
(3) 编写和调试用户程序。
3 网络系统原理
PROFIBUS-DP是一种国际性、开放式的现场总线标准，主要用在工业过程控制领域。参照ISO/OSI参考模型，PROFIBUS-DP中没有第3层到第7层，直接数据链路映像(DDLM)提供易于进入第2层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能。它是专为工业控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计，用于分布式控制系统的高速数据传输,其模块可取代价格昂贵的24V或4～20mA并行信号线。中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通讯，多数数据交换过程是周期的, 主站周期地读取从站的输入信息并向从站发送输出信息。除周期性用户数据外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信，以进行配置、诊断和报警处。
SIMATIC工业以太网是基于的网络，专为工业应用而优化设计，支持ISO和TCP/IP协议，通过它可快速地建立PLC与PC/PG之间的通讯。产品的开发遵循分布式的“开放式控制结构”，使其具有网络组态简便(即插即用)、通信可靠、网络故障恢复时间短(小于0.3秒)等优点。由于采取全双工共担负荷方式工作，适用于对性能要求高的工业网络，通过切换技术能够可以实现非常庞大的网络结构。
4 网络系统组态
组态之前先要建立一个项目(如Project1)，在项目中插入SIMATIC 300站。
4.1 硬件组态
在HW Config中为 SIMATIC 300站组态硬件，包括机架、电源(槽1)、CPU(槽2)、通信模块(槽4)和输入输出模块。设置集成在CPU上的DP主站接口的参数，并建立要连接到DP主站接口的PROFIBUS网络。
4.2 DP从站组态
以ET 200M站连入DP主站为例。先从硬件中选择接口模块IM153-l，连入DP主站接口的PROFIBUS网络，如图2所示，并设置此DP从站的PROFIBUS地址。地址要和IM153模块上的地址选择开关设定的地址相一致。
ET 200M从站配置有2个信号模块，从ET 200M的DI/DO中找到相应型号模块并加入从站的相应槽中，如图3所示。在使用硬件目录时要确认你是在正确的文件夹中,例如，为ET 200M选择模块应在ET 200M文件夹中查找。添加的分布式I/O与PLC主站中的本地I/O具有统一的编址，因此在程序中可以像访问本地I/O一样方便地访问分布式I/O，在编程时完全不必考虑一个I/O地址在物理上是通过何种方式连接的。

图2 ET200M从站与DP主站的组态

图3 ET20M从站的信号模块组态

4.3 端口设置
(1) PG/PC接口是PG/PC和PLC之间进行通讯的接口，要实现PG/PC和PLC设备之间的通讯连接，必须正确的设置该接口。在控制面板中打开“ Set PG/PC Interface”，选中“S7 OnLine( STEP7)”，再选择网卡类型。然后进入 STEP 7的硬件组态 HWConfig中设置通讯模块的MAC地址，地址为CP343-1标签上给出的物理地址，其格式是一个12位的16进制数 (如:08-00-06-00-44-AE)。另外还需给 PLC分配唯一的IP地址(如:192.168.0. 130 ) 及子网掩码(如:255.255.255.0 )。
(2) 设置PROFIBUS网络:利用图形组态工具NetPro设置括PROFIBUS总线的传输速率、高站地址、总线行规、总线参数等。
系统组态完成后，应下载到PLC，并调试使硬件之间连通。
4.4 程序的编写和调试
STEP 7是用于S7-300/400创建控制程序的标准软件，编程语言主要有:梯形图、语句表和功能块图。
通常用户程序由组织块(OB)、功能块(FB)。
功能(FC)和数据块(DB)构成。OB1为主程序循环块，是必需的。根据控制程序的复杂程度，对简单程序可将所有的程序放入OB1中进行线性编程，如果程序比较复杂应进行结构化编程，将程序用不
同的逻辑块加以结构化，通过OB1调用这些逻辑块。
对一个实际的过程控制，按照所采用的控制策略编写用户程序，模拟调试后下载到PLC，与实际系统联调，完成相应的控制功能。
5 WinCC监控通讯组态
WinCC提供SIMATIC S7 Protocol suite. CHN驱动程序，此驱动程序支持多种类型的网络协议，通过它的通道单元可以与各种SIMATIC S7-300/400 PLC进行通讯，具体选择通道单元的类型要看WinCC与自动化系统的连接类型。本系统选择工业以太网通道单元，工业以太网是工业环境中有效的一种子网，它适用与管理层和现场层通讯。
首先添加SIMATIC S7 Protocol suite．CHN 驱动程序，然后在“SIMATIC S7 Protocol Sute”下选择“Industrial Ethemet” 通道单元，打开“连接属性”输入连接名称，在连接参数中输入所要连接的PLC的通讯模块CP343-1的MAC地址， PLC中CPU所在的机架号和插槽号。此处的插槽号应是CPU所在的插槽号，不是通讯模块所在的插槽号。
然后，用户根据具体的过程控制任务，在新建的连接下建立变量，把变量和PLC中所要连接的地址对应起来，与PLC建立连接。后利用WinCC完成各种显示画面和数据的组态。
6 结束语
本文所建立的现场总线控制网络，通过接入标准以太网，还可以实现远程监控。
该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、网络技术为一体的先进的实验装置，采用了多种常用控制算法和理论，除包含常见的PID算法外，还增加了模糊控制、人工神经网络控制等先进的控制策略。

1 引言
电杆成型离心机多采用三相并励式整流子电动机具有启动电流小、启动转矩大并能调速的特点。但整流子电动机结构复杂、换向困难、维修成本高，调试繁琐，空载电流曲线图调试不好时，会在换向器表面形成较大火花，影响电动机正常运行，缩短电动机运行寿命。
通过对某电杆厂现场的调研，我们发现以下问题:整流子电动机经过多年的运行，整流子磨损严重，平均无故障连续运行时间缩短，几乎每月都需对整流子和炭刷进行研磨和更换，绕组因整定调试不好也易烧坏，绕组烧坏大修成本和新购一台37kW鼠笼感应电动机相近;电杆成型操作流程与标准工艺流程存在一定差距，不同规格的电杆离心成型时，离心速度变换、离心成型的时间是靠操作者手工调动整流子电动机的变速机构完成，这样人为因素太高，给产品质量留下很大隐患，操作也存在很大的不安全因素。基于以上原因和厂家的要求，我们对混凝土电杆的配料、搅拌、电杆离心成型电气控制系统进行重新设计，本文主要阐述基于PLC电杆成型离心机自动调速系统取代原整流子电动机的控制系统的设计。
2 混凝土电杆成型工艺
当电动机带动钢模旋转产生的离心力等于或稍大于混凝土的自重力时，混凝土克服重力的影响，远离旋转中心产生沉降，并分布于杆模四周而不塌落，当速度继续升高时，离心力使混凝土混合物中的各种材料颗粒沿离心力的方向挤向杆壁四周，达到均匀密实成型。电杆离心成型的工艺步骤分为三步:低速阶段(分布阶段)2～3min，使混凝土分布钢模内壁四周而不塌落;中速阶段0.5～1min，防止离心过程混凝土结构受到破坏，是从低速到高速中间的一个短时过渡阶段;高速阶段(密实阶段)6～15min，将混凝土沿离心力方向挤向内模壁四周，达到均匀密实成型，并排除多余水分。各阶段运行速度图如图1所示。

图1 离心机运行速度图

各阶段的运行速度和运行时间视不同规格和型号的电杆而有所不同。转速太高、太低都不好，太低使混凝土不能克服自重而塌落，太高一开始便会使混凝土挤向模壁四周而失去流动性，不能均匀分布成型。例如在密实阶段，转速太低，混凝土不够密实，转速太高则加剧分层，影响其强度和密实度，甚至损坏设备造成事故。因此，应严格控制各阶段转速，才能保证成型质量。按照工艺标准，分布阶段转速应为:

密实阶段转速为:

中速阶段的转速为:

式中r为电杆的平均半径，r1、r2为电杆内、外半径，p为离心压力，取p=0.3~0.7，理论计算的值需结合具体设备技术条件加以修正、整定。
3 自动调速控制系统的设计
针对原控制系统的弊端和生产工艺的分析，采用普通三相感应电动机取代整流子电动机，电动机的调速采用变频调速方案，多种规格的电杆以及它们不同阶段的离心速度、运行时间采用PLC控制变频器的自动调速控制方案。
3.1 交流电动机的选型
原整流子电动机的型号为JZS，功率40kW，为恒转矩变功率调速方式，速度从160～1400r/min变化，相应的功率从13.5～40kW变化。按整流子电动机负载运行实测电流以及离心机负载大静态阻转矩T、离心机的高旋转速度n、传动装置的效率η，由式  计算，所需交流感应电动机的功率小于并接近37kW，故选用Y225S-4，37kW(额定电流69.9A，额定电压380V，额定转速1480r/min，功率因数0.87)三相交流感应电动机取代原整流子电动机。
3.2 变频器的选择
按变频器的基本选用规则:变频器的容量大于负载所需的输出，变频器的容量不低于电动机的容量，变频器的电流大于电动机的电流，并经变频器容量选用公式

验算(Pl为负载功率，PN为电动机额定功率)，可选用37kW的变频器。考虑到改进设计方案的可行性、调速系统的稳定性及性价比，采用西门子MM440，37kW，额定电流为75A的通用变频器。该变频器采用高性能矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，可以控制电动机从静止到平滑起动期间提供200％3秒钟的过载能力，是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器[1]。
3.3 变频器控制及参数设置
变频器的控制采用模拟输入控制方式，为检测离心机运转情况设置点动检测按钮。离心机运转速度较高，是大惯性负载，在停车时为防止因惯性而产生的回馈制动使泵升电压过高的现象，加入制动电阻，限制回馈电流，并且将斜坡下降时间设定长一些。外接制动电阻的阻值和功率可按公式:

选取，式中Ud为变频器直流侧电压，IN为变频器的额定电流。本次设计采用西门子与37kW电动机配套的制动电阻4BD22-2EAO，1.5Ω，2.2kW。
参数P1300设置为无速度反馈的矢量控制方式，在这种方式下，用固有的滑差补偿对电动机的速度进行控制，可以得到大的转矩、改善瞬态响应特性、具有优良的速度稳定性，而且在低频时可以提高电动机的转矩。参数设置时应合理使用调试参数过滤器P0010和参数过滤器P0004，设置电机参数、端口功能参数，完成变频器参数设置。
3.4 PLC自动控制系统
混凝土电杆的配料、搅拌、离心成型三个环节采用一台PLC集中控制，根据输入和输出所需的点数、控制性能要求，选用西门子S7-200(CPU224)小型PLC外加数字量输入模块(EM221)和模拟输出模块(EM232)组成核心控制单元。
S7-200(CPU224)小型PLC有14个输入点，10个输出点，可带7个扩展模块，运行速度快、功能强，适用于要求较高的中小型控制系统。[3]EM232模拟量输出模块有两个模拟量输出通道，每个通道模拟量的输出方式有电压信号、电流信号，本次设计采用电压输出方式。模拟量输出模块输出的模拟电压0～10V，对应的电压输出数据字格式为0～32000，可对应变频器输出电源的频率为0～50Hz、电动机的转速为0～1480r/min。
由PLC控制变频调速控制系统原理图如图2所示。运行开关合上使接触器KM闭合，接通变频器电源，变频器若发生故障KA线圈得电，KA常闭触点断开使接触器KM线圈失电，切断变频器电源并由KA触点接通报警信号电路。停止按钮为事故紧急停车按钮。按下起动按钮，Q0.0闭合，接通变频器使能端(Din1)。Q0.0闭合后，PLC根据所编运行程序，由EM232输出相应的模拟量电压信号控制变频器，变频器控制电动机在不同转速下运行，同时变频器给出运行指示。点动按钮控制Q0.1，作为离心机检测调整。

图2 PLC控制变频调速系统电气原理图
标准混凝土电杆的规格有12m、10m、9m、8m、7m、6m等规格，不同规格的电杆内外半径不同，按照工艺质量标准，它们在离心成型过程各阶段的速度、运行时间是不同的。在编程之初，先按工艺标准将所需各段的转速按照它们的比例关系换算为对应的数据字形式，在编程和程序初始化运行时将其输入到变量存储器VW中。程序采用主程序和子程序分段形式，理论计算的速度在运行调试时根据实测值转速值加以修正。PLC控制离心机程序流程图如图3所示。

4 结束语
将PLC与变频器结合用于整流子电机拖动的离心机改造，改造后的机组经运行表明:提高了机组运行平稳性，

图3 PLC控制离心机程序流程图

增加了工作可靠性，减轻了操作者劳动强度、提高了操作安全性;尤其是将多种规格电杆离心速度参数输入PLC程序中，使电杆成型工艺标准得以实施，避免了原手动调速的不安全性和随机性，提高了产品质量;以整流子电动机在佳运行曲线时的电流和采用变频调速时额定电流相比，可节电12%;由于将电杆的配料、搅拌、离心成型均采用一台PLC自动控制，自动化程度大幅提高，岗位定员额可减少1～2人。本次技改总投资5万元，但给企业产生的效益数倍与此。

 随着电厂单元机组规模的日趋大型化，对自动化水平的要求也越来越高。火力发电厂凝汽器胶球清洗控制系统的投运，可使热力系统安全、经济运行。
　　以F1－60MR可编程序控制器为核心组成的电厂胶球清洗PLC控制系统，改善了以往分离元件控制系统安全、可靠性差的弱点，在现场实施中体现了以下优点：首先是运算器、控制器、存储器三大部件被简化，输入、输出组件功能强。采用了多种专用接口，以适应各种工业用途的控制对象。本控制系统使用了功能表图、继电器逻辑、符号语言、专用语句等进行程序控制，编程直观、易于掌握。可编程控制器以编程软连接的方式，代替了大量的硬连接电器，从而简化了电路结构，更具有在线修改功能。F1－60MR有36个输入点、24个输出点，可进一步扩充，多可扩至120点。
　　其次，可编程序控制器的一个优点是可靠性高。工业生产一般要求控制设备具有很强的抗干扰能力，能在恶劣环境下可靠地工作。F1－60MR在硬件上采用了模块式结构，有利于查找故障并及时修复。此外还采用了隔离、屏蔽等防干扰措施，有较强的自诊断功能，可检测出计算机的CPU、存储器异常及程序错误等。

1　胶球清洗工作原理及现场要求

　　电厂凝汽器水侧换热面上污垢的积聚，不仅恶化了真空，降低了汽轮机的热效率，而且会引起铜管腐蚀、泄漏，严重时会威胁汽轮机的安全运行。寻求有效的方法防止凝汽器管侧换热面积聚污垢和在已结垢的情况下寻求理想的清洗方法，就成了各国动力工作者的一个课题。
　　电厂凝汽器胶球清洗的PLC控制系统可在机组运行过程中不需改变负荷的情况下进行工作，而且有能耗小、效果好、设备简单、操作方便等优点。
　　电厂凝汽器胶球清洗系统如图1所示。密度与水相近的海绵胶球（用天然橡胶或合成树脂制成）装入球室后，启动胶球泵可以将胶球用比循环水压力高的水流送入凝汽器水室。胶球直径虽比铜管内径大1～2mm，但因是多孔柔软的弹性体，很容易被水流带入铜管，并被压缩成卵形。胶球在行进过程中抹去管壁上的污垢，流出管壁时，依靠自身的弹力弹掉表面的污垢，并随循环水流入收球室，然后被胶球泵重新送入凝汽器。

现场既要求保证除垢效果，又要保证收球率，使其不低于90％。

2　控制系统软、硬件设计及调试

　　电厂凝汽器胶球清洗的PLC控制，其工作状态可分为反洗态、清洗态、收球态及故障。控制系统出现故障（主要是执行机构）应立即采取必要的保护措施同时故障指示灯亮，待运行人员进行必要的维护后，消除设备故障，重新投入运行。
　　根据电厂运行需要，本设计具有手动、手控和程控三种方式。手控是对热力系统进行由反洗（或清洗）状态开始“反洗→清洗→一次收球→暂停→二次收球→反洗”的程序控制过程，启动手控只进行一次循环，后回到反洗状态。而根据现场情况可选择程控运行方式，启动按钮后控制系统进行周而复始的循环。手动方式主要用于调试维修阶段。各种运行方式的相互切换都可以在反洗或清洗状态下进行。反洗、清洗及收球时间可根据运行人员要求通过编程器设定。
　　系统在程控或手控运行方式且处于清洗过程时，若出现收球网前后差压越限，系统自动转入收球状态，进行反洗，这样可以清除附在收球网上的污物，保护收球网。
　　控制框图如图2所示。图中位置反馈信号到达时间是根据设备动作时间确定的，具体根据执行机构结合现场情况进行设定，如开关网计时器设定为90s。

收球率作为衡量电厂凝汽器胶球清洗PLC控制的一项重要指标，是设计时必须考虑的问题。导致收球率低的原因主要有：①循环水中杂物多，这可以通过改善一、二次滤网来解决；②设备缺陷，如胶球经过的地方有死角、盲孔、串缝和回流区、铜管伸出管板过多或管壁有局部压痕，收球网设计不当等，这些在选购安装时应充分考虑；③清洗阀、出口阀、胶球泵的关停次序对收球率也有影响，顺序、时间应结合实际情况进行选定。这样才能达到良好的效果。
　　胶球清洗和反洗时间根据现场要求通常为几十min甚至几h，F1－60MR的定时器T大计时时间为999s，大约是16.5min。这样满足不了现场要求。本控制系统采用了计数器C与定时器T联合计时的方法，计时范围为999×999s，解决了计时时间问题（见图3）。另外，F1－60MR的定时器可以重复使用，只要正确送入K值即可。

　硬件上，可编程控制器的9路输入用作执行机构的位置反馈信号，16路输入作为手动控制信号及试灯、系统复位、差压报警、手程控选择等。输出4路作为运行状态指示，另外10路是位置指示，剩下10路是指令输出。
　　收球网位置反馈比较特殊，反馈信号间断送出，使状态容易混乱，所以在此加了一个定时器T554。
3　结论
　　可编程序控制器F1－60MR在电厂胶球清洗系统中的运行，效果好，充分显示出其功能较强、构造简单、可靠性高等特点。系统运行情况良好，状态正常，达到了预期目的。
　　在运行过程中发现，现场对电厂凝汽器胶球清洗的PLC控制的投运是定时定次的，也就是根据热力系统结垢程度定时定次数启动。这样在今后设计中就可以把手控、程控合二为一。设定一个循环次数就可满足要求。