6ES7231-7PC22-0XA0实体经营
6ES7231-7PC22-0XA0实体经营
| 1、引言 燃烧控制系统是电厂锅炉的主控系统，主要包括燃料控制系统、风量控制系统、炉膛压力控制系统。目前大部分电厂的锅炉燃烧控制系统仍然采用PID控制。燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制组成串级控制系统，其中燃烧率控制由燃料量控制、送风量控制、引风量控制构成，各个子控制系统分别通过不同的测量、控制手段来保证经济燃烧和安全燃烧。如图1所示。 2、控制方案 锅炉燃烧自动控制系统的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应外界对锅炉输出的蒸汽负荷的要求，同时还要保证锅炉安全经济运行。一台锅炉的燃料量、送风量和引风量三者的控制任务是不可分开的，可以用三个控制器控制这三个控制变量，但彼此之间应互相协调，才能可靠工作。对给定出水温度的情况，则需要调节鼓风量与给煤量的比例，使锅炉运行在佳燃烧状态。同时应使炉膛内存在一定的负压，以维持锅炉热效率、避免炉膛过热向外喷火，保证了人员的安全和环境卫生。 2.1 控制系统总体框架设计 燃烧过程自动控制系统的方案，与锅炉设备的类型、运行方式及控制要求有关，对不同的情况与要求，控制系统的设计方案不一样。将单元机组燃烧过程被控对象看作是一个多变量系统，设计控制系统时，充分考虑工程实际问题，既保证符合运行人员的操作习惯，又要大限度的实施燃烧优化控制。控制系统的总体框架如图2所示。 P为机组负荷热量信号为D+dPbdt。控制系统包括：滑压运行主汽压力设定值计算模块（由热力系统实验获得数据，再拟合成可用DCS折线功能块实现的曲线）、负荷—送风量模糊计算模块、主蒸汽压力控制系统和送、引风控制系统等。主蒸汽压力控制系统采用常规串级PID控制结构。 2.2 燃料量控制系统 当外界对锅炉蒸汽负荷的要求变化时，必须相应的改变锅炉燃烧的燃料量。燃料量控制是锅炉控制中基本也是主要的一个系统。因为给煤量的多少既影响主汽压力，也影响送、引风量的控制，还影响到汽包中蒸汽蒸发量及汽温等参数，所以燃料量控制对锅炉运行有重大影响。燃料控制可用图3简单表示。 其中：NB为锅炉负荷要求；B为燃料量；F(x)为执行机构。 设置燃料量控制子系统的目的之一就是利用它来消除燃料侧内部的自发扰动，改善系统的调节品质。另外，由于大型机组容量大，各部分之间联系密切，相互影响不可忽略。特别是燃料品种的变化、投入的燃料供给装置的台数不同等因素都会给控制系统带来影响。燃料量控制子系统的设置也为解决这些问题提供了手段。 2.3 送风量控制系统 为了实现经济燃烧，当燃料量改变时，必须相应的改变送风量，使送风量与燃料量相适应。燃料量与送风量的关系见图4。 燃烧过程的经济与否可以通过剩余空气系数是否合适来衡量，过剩空气系数通常用烟气的含氧量来间接表示。实现经济燃烧基本的方法是使风量与燃料量成一定的比例。 送风量控制子系统的任务就是使锅炉的送风量与燃料量相协调，可以达到锅炉的高热效率，保证机组的经济性，但由于锅炉的热效率不能直接测量，故通常通过一些间接的方法来达到目的。如图5所示，以实测的燃料量B作为送风量调节器的给定值，使送风量V和燃料量B成一定的比例。 在稳态时，系统可保证燃料量和送风量间满足
选择 2.4 引风量控制系统 为了保持炉膛压力在要求的范围内，引风量必须与送风量相适应。炉膛压力的高低也关系着锅炉的安全和经济运行。炉膛压力过低会使大量的冷风漏入炉膛，将会增大引风机的负荷和排烟损失，炉膛压力太低甚至会引起内爆；反之炉膛压力高且高出大气压力的时候，会使火焰和烟气冒出，不仅影响环境卫生，甚至可能影响设备和人生安全。引风量控制子系统的任务是保证一定的炉膛负压力，且炉膛负压必须控制在允许范围内，一般在-20Pa左右。 控制炉膛负压的手段是调节引风机的引风量，其主要的外部扰动是送风量。作为调节对象，炉膛烟道的惯性很小，无论在内扰和外扰下，都近似一个比例环节。一般采用单回路调节系统并加以前馈的方法进行控制，如图6所示。 图中 在锅炉燃烧过程中，用常规仪表进行控制，存在滞后、间歇调节、烟气中氧含量超过给定值、低负荷和烟气温度过低等问题。采用PLC对锅炉进行控制时，由于它的运算速度快、精度高、准确可靠，可适应复杂的、难于处理的控制系统。因而，可以解决以上由常规仪表控制难以解决的问题。所选择的PLC系统要求具有较强的兼容性，可用小的投资使系统建成及运转；其次，当设计的自动化系统要有所改变时，不需要重新编程，对输入、输出系统不需要再重新接线，不须重新培训人员，就可使PLC系统升级；后，系统性能较高。硬件结构图如图7所示。 根据系统的要求，选取西门子PLCS7-200 CPU226 作为控制核心，同时还扩展了2个EM231模拟量输入模块和1个CP243-1以太网模块。CPU226的IO点数是2416，这样完全可以满足系统的要求。同时，选用了EM231模块，它是AD转换模块，具有4个模拟量输入，12位AD，其采样速度25μs，温度传感器、压力传感器、流量传感器以及含氧检测传感器的输出信号经过调理和放大处理后，成为0～5V的标准信号，EM231模块自动完成AD转换。 S7-200的PPI接口的物理特性为RS-485，可在PPI、MPI和自由通讯口方式下工作。为实现PLC与上位机的通讯提供了多种选择。 为实现人机对话功能，如系统状态以及变量图形显示、参数修改等，还扩展了一块Eview500系列的触摸显示屏，操作控制简单、方便，可用于设置系统参数， 显示锅炉温度等。还有一个以太网模块CP243-1，其作用是可以让S7-200直接连入以太网，通过以太网进行远距离交换数据，与其他的S7-200进行数据传输，通信基于TCPIP，安装方便、简单。 4、系统软件设计 控制程序采用STEP7-MicroWin软件以梯形图方式编写，其软件框图如图8所示。 S7-200PLC给出了一条PID指令，这样省去了复杂的PID算法编程过程，大大方便了用户的使用。使用PID指令有以下要点和经验： （1）比例系数和积分时间常数的确定。应根据经验值和反复调试确定。 5、结束语 单元机组燃烧过程控制系统在某火电厂发电机组锅炉协调控制系统中投入使用。实际运行情况表明：由于引入负荷模糊前馈，使得锅炉燃烧控制系统作为协调控制的子系统，跟随机组负荷变化的能力显著提高，风煤比能够在静态和动态过程中保持一致；送、引风控制系统在逻辑控制系统的配合下运行的平稳性和安全性提高，炉膛负压波动减小，满足了运行的要求；在机组负荷不变时，锅炉燃烧稳定，各被调参数动态偏差显著减少，实现了锅炉的优化燃烧；采用非线性PID调节方式，解决了引风挡板的晃动问题。 采用西门子的PLC控制，不仅简化了系统，提高了设备的可靠性和稳定性，同时也大幅地提高了燃烧能的热效率。通过操作面板修改系统参数可以满足不同的工况要求，机组的各种信息，如工作状态、故障情况等可以声光报警及文字形式表示出来，主要控制参数(温度值)的实时变化情况以趋势图的形式记录显示， 方便了设备的操作和维护，该系统通用性好、扩展性强，直观易操作。 |
使送风量略大于B完全燃烧所需要的理论空气量。这个系统的优点是实现简单，可以消除来自负荷侧和燃料侧的各种扰动。
为炉膛负压给定值，S为实测的炉膛负压，Q为引风量，V为送风量。由于炉膛负压实际上决定于送风量和引风量的平衡，故利用送风量作为前馈信号，以改善系统的调节性能。另外，由于调节对象相当于一个比例环节，被调量反应过于灵敏，为了防止小幅度偏差引起引风机挡板的频繁动作，可设置调节器的比例带自动修正环节，使得在小偏差时增大调节器的比例带。对于负压S的测量信号，也需进行低通滤波，以抑制测量值的剧烈波动。
1、 引言
在网络的各个层上，随着自动化和控制工程师需要与网络打交道的机会越来越多，联网的愿望和需要也正在逐渐高涨。而且，在监控和数据采集应用中，大多数工程师已将以太网协议应用于数据采集与监视控制系统（SCADA）和工厂的诊断、测试及维护。如何简便地实现与PLC的交互已经成为众多厂商新的竞争战场。由此产生了人机界面及各种组态软件产品，这些产品的出现简化了对PLC的控制、操作，使PLC的应用更加方便。但也有其共同的缺点，价格普遍偏高和可二次开发性较差。VB作为“原始”的编程语言，兼具了上述两方面的优势。本文结合一个简单的案例来粗略讨论如何通过VB实现PC机与PLC的以太网通信问题。
2、以太网通信的基本概念
2.1以太网的标准
以太网是一种局域网。早期标准为IEEE 802.3，数据链路层使用CSMA/CD，10Mb/s速度物理层有：
(1)10 Base 5粗同轴电缆，RG-8，一段长为500m。
(2)10 Base 2细同轴电缆，RG-58，一段长为185m。
(3)10 Base T双绞线，UTP或STP，一段长为100m。
2.2工业以太网与商用以太网的区别
什么是工业以太网？技术上，它与IEEE802.3兼容，故从逻辑上可把商用网和工业网看成是一个以太网，而用户可根据现场情况，灵活装配自己的网络部件。但从工业环境的恶劣和抗干扰的要求，设计者希望采用市场上可找到的以太网芯片和媒介，兼顾考虑下述工业现场的特殊要求：首先要考虑高温、潮湿、振动。二是对工业抗电磁干扰和抗辐射有一定要求，如满足EN50081-2、EN50082-2标准，而办公室级别的产品未经这些工业标准测试，表1列出了一些常用工业标准。为改善抗干扰性和降低辐射，工业以太网产品多使用多层线路板或双面电路板，且外壳采用金属如铸铝屏蔽干扰。三是电源要求，因集线器、交换机、收发器多为有源部件，而现场电源的品质又较差，故常采用双路直流电或交流电为其供电，另外考虑方便安装，工业以太网产品多数使用DIN导轨或面板安装。四是通信介质选择，在办公室环境下多数配线使用UTP，而在工业环境下推荐用户使用STP(带屏蔽双绞线)和光纤。
2.3 使用TCP/IP协议的原因及其概述
主要的一个原因在于它能使用在多种物理网络技术上，包括局域网和广域网技术。TCP/IP协议的成功，很大程度上取决于它能适应几乎所有底层通信技术。20世纪80年代初，先在X.25上运行TCP/IP协议；而后又在一个拨号语音网络(如电话系统)上使用TCP/IP协议，又有TCP/IP在令牌环网上运行成功；后又实现了TCP/IP远程分组无线网点与其他Internet网点间TCP/IP通信。所以TCP/IP协议极其灵活，具备连接不同网络的能力。另外，使用TCP/IP也简化了OSI模型，因为它省略了表示层和会话层。如果现在把以太网的物理层和数据链路层加到OSI模型，就构成了基于以太网的TCP/IP网，如图1所示。用以太网实现TCP/IP也是经济的一种方式。
IP是Internet基本的协议。IP是面向报文的协议，它独立处理每个报文包，每个报文包必须含有完整的寻址信息。IP报文包的格式如图2所示。
图2 IP报文包的格式
IP地址的类型共有4种(如图3所示)：A类用于处理超大型网络，多16387064个主机(1～126)；B类网络多可有64516个主机(网络地址的段为128～191)；C类用于小型网络，多可有254个主机(网络地址的段为192～223)；D类用于多点播送，用于多目的信息的传输。全零(“0.0.0.0”)地址对应于当前主机，全1地址(“255.255.255.255”)是当前子网的广播地址。
TCP是基于传输层的协议，协议文件可从RFC793得到，使用广泛，面向连接的可靠协议。它能把报文分解为数段，在目的站再重新装配这些段，支持重新发送未被收到的段，提供两台设备间的全双工连接，允许它们高效地交换大量数据。TCP使用滑动窗口协议来高效使用网络。由于TCP很少干预底层投递系统的工作，它适应各种投递系统，且提供流量控制，能使各种不同速率的系统进行通信。报文段是TCP所使用的基本传输单元，用于传输数据或控制信息。
3、MODBUS数据帧格式
在TCP/IP以太网上传输，支持Ethernet II和802.3两种帧格式。图3所示，Modbus TCP数据帧包含报文头、功能代码和数据3部分。
4、 MODBUS功能代码
4.1 3种类型
(1)公共功能代码(如表2所示)：已定义好的功能码，保证其唯一性，由Modbus.org认可。
(2)用户自定义功能代码有两组，分别为65～72和100～110，无需认可，但不保证代码使用的唯一性。如变为公共代码，需交RFC认可。
(3)保留的功能代码，由某些公司使用在某些传统设备的代码，不可作为公共用途。
表2 Modbus常用公共代码功能
4.2功能代码划分：按应用深浅，可分为3个类别。
（1）类别0，对于客户机/服务器小的可用子集：读多个保持寄存器(fc.3)；写多个保持寄存器(fc.16)。
（2）类别1，可实现基本互易操作的常用代码：读线圈(fc.1)；读开关量输入(fc.2)；读输入寄存器(fc.4)；写线圈(fc.5)；写单一寄存器(fc.6)。
（3）类别2，用于人机界面、监控系统的例行操作和数据传送功能：
（4）强制多个线圈(fc.15)；读通用寄存器(fc.20)；写通用寄存器(fc.21)；屏蔽写寄存器(fc.22)；读写寄存器(fc.23)。
5、VB的基本概念
VB（Visual Basic）是面向对象的程序设计语言，用它来开发bbbbbbs操作系统下的应用程序，它提供了很多接口成员，对象、属性、事件、方法就是4个重要的接口，VB提供了许多常用的控件。
5.1卷标控件
卷标控件如图4（a）所示，该控件专用于显示文字、数字用，显示如图4(b)所示。
5.2 按钮控件
按钮控件如图5（a）所示，该控件使用率很高，提供一个供系统用户操作用的按钮，如图5（b）所示。
6、基于Winsock控件的TCP/IP以太网通信
要完成VB与PLC等设备的以太网通信要用到Winsock控件，在此有必要对该控件作较详细的说明。Winsock是一个ActiveX控件，需要要手动添加许多项目，其步骤如下：
（1）选择菜单的【工程】。
（2）选择【部件】。
（3）在弹出的对话框中做如图6的选择。
图6 对话框界面
（4）如图7所示，在部件选项卡就会出现Winsock控件
7、Winsock控件的基本属性
此控件对于用户在运行时不可见，提供了一个简单的途径访问TCP及UDP网络服务而无需了解底层细节，使用时你只需设置属性、在恰当的时候调用它提供的方法即可。
主要属性有：
BytesReceived：返回当前缓冲区中的字节数量，我们可以使用 GetData 方法以接收数据。只读且设计时不可用。
LocalHostName：返回本机名字符串，设计时不可用。
LocalIP：返回以(xxx.xxx.xxx.xxx)格式表达的IP地址串。设计时不可用，运行时只读。
LocalPort ：本机使用接收端口可读写，设计时可用，Long型。对于客户，如果无需指定端口，则用端口0发送数据。在此情况下，控件将随机选择一个端口。在一个连接确定后，为TCP的端口。对于服务器，指用于监听的端口。如设置为0，则用随机数。在调用Listen 方法后，该属性自动包含用到的端口。端口0总是用于在两计算机间建立动态连接。客户希望通过端口0获得一个随机端口以”回调”连接服务器。
Protocol ：套接字类型，为TCP或UDP二者之一，缺省为TCP类型。设置为sckTCPProtocol表示TCP协议sckUDPProtocol表示UDP协议。在此属性被重置之前需用Close方法关闭之。
RemoteHost：发送或接收数据的主机，你可提供主机名如：FTP://ftp.microsoft.com，或一IP地址串，例如“100.0.1.1”。
RemoteHostIP：远程主机的IP地址。对于客户程序，在连接确定后使用Connect方法，此属性包含远程主机的IP名串。对于服务器程序， 在引入连接需求后(Connection Request 事件)，此属性包含IP串。当使用UDP套接字，在Data Arrival事件发生后，此属性为发送UDP数据的机器IP地址串。
RemotePort：连接套接字端口值。例如通常HTTP应用使用80端口，FTP则使用21。
