西门子6ES7216-2AD23-0XB8诚信交易

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1、引言

触摸屏是一种新型可编程控制终端，是新一代高科技人机界面产品，适用于现场控制，可靠性高，编程简单，使用维护方便。在工艺参数较多又需要人机交互时使用触摸屏，可使整个生产的自动化控制的功能得到大大的加强。

PLC有着运算速度高、指令丰富、功能强大、可靠性高、使用方便、编程灵活、抗干扰能力强等特点。近几年，随着科学技术的不断进步，各行业对其生产设备和系统的自动化程度要求越来越高，采用现代自动化控制技术对减轻劳动强度、优化生产工艺、提高劳动生产率和降低生产成本起着很重要的作用。触摸屏结合PLC在闭环控制的变频节能系统中的应用是一种自动控制的趋势。

触摸屏和PLC在闭环控制的变频节能系统中的使用，可以让操作者在触摸屏中直接设定目标值（压力及温度等），通过PLC与实际值（传感器的测量值）进行比较运算，直接向变频节能系统发出运算指令（模拟信号），调节变频器的输出频率。并可实时监控到被控系统实际值的大小及变频器内的多个参数，实现报警、记录等功能。一般PLC结合触摸屏的闭环调节的变频节能系统如下图所示。

图1 触摸屏结合PLC控制的变频节能系统示意图

2、闭环控制的变频节能系统用途

闭环控制的变频节能系统用途很广，各种场合的变频节能系统的拖动方式及控制方式各有不同，具体应用时应根据实际情况选择设计。下面列举一些：

·中央空调节能：冷冻泵、冷却泵、主机、却塔风机、风机盘管等。
·恒压供水：水厂一、二级泵，供水管网增压泵、大厦供水水泵等
·锅炉：引风机、送风机、给水泵等，变频节能系统的控制调节预处理信号由锅炉自动控制系统、DCS或多冲量控制系统给出。
·汽轮机：循环泵、凝结泵等，其控制调节预处理信号由汽轮机自动控制系统及DCS给出。
·纯水处理系统：软化水泵、增压泵等。
·洁净室：增压风机、FFUqunkong等等。

3、整个闭环控制的变频节能系统的组成设备及其作用

(1) PLC选用SIEMENS公司的S7-200系列：由CPU224XP、DIDO模块、AIAO模块组成。PLC作为控制单元，是整个系统的控制核心。其主要的作用要体现以下几方面：

① 完成对系统各种数据的采集以及数字量与模拟量的相互转换。
② 完成对整个系统的逻辑控制及PID调节的运算。
③ 向触摸屏提供所采集及处理的数据，并执行触摸屏发出的各种指令。
④ 将PID运算的数据结果转换成模拟信号，作为调节变频器的输出频率的控制信号。
⑤ 通过通信电缆及USS4协议完成对变频器内部参数读写及控制。

(2) 触摸屏采用SIEMENS公司MP370： 其主要作用如下

① 可实时显示设备和系统的运行状态。
② 通过触摸向PLC发出指令和数据,再通过PLC完成对系统或设备的控制。
③ 可做成多幅多种监控画面，替代了传统的电气操作盘及显示记录仪表等，且功能更加强大。

(3) 变频器：采用SIEMENS公司440系列，通过USS4协议可由触摸屏通过PLC设置其内部的部分参数，根据PLC发送过来的数据（模拟量）值调节水泵或风机的转速，并将其内部运行参数反馈到PLC。

(4) 压力、温度等传感器：将被控制系统（水系统或风系统）的实际参数值转变成电信号上传至PLC。

(5) 电气元件：给PLC、触摸屏、变频器及传感器等供电，完成各种操作及驱动等。

4、触摸屏画面设计

触摸屏画面由ProTool等专用软件进行设计，然后先通过编程电脑调试，合格后再下载到触摸屏。触摸屏画面总数应在其存储空间允许的范围内，各画面之间尽量做到可相互及强制切换。

（1）主画面的设计

一般的，可用欢迎画面或被控系统的主系统画面作为主画面，该画面可进入到各分画面。各分画面均能一步返回主画面。若是将被控主系统画面作为主画面，则应在画面中显示被控系统的一些住要参数，以便在此画面上对整个被控系统有大致的了结。

（2）控制画面的设计

该种画面主要用来控制被控设备的启停及显示变频器内部的参数，也可将变频器参数的设定做在其中。该种画面的数量在触摸屏画面中占的多，其具体画面数量由实际被控设备决定。

（3）参数设置页面的设计

该画面主要是对变频器的内部参数进行设定，同时还应显示参数设定完成的情况，实际制做时还应考虑加密的问题。

（4）实时趋势页面的设计

该画面住要是以曲线记录的形式来显示被控值、变频器的主要工作参数（如输出频率）等的实时状态。

（5）信息记录页面的设计

该画面主要是记录可能出现的设备损坏、过载、数值超范围和系统急停等故障。另外该画面还可记录各设备启停操作，作为凭证。

（6）节能画面的设计

该画面主要是记录和显示变频器的累积用电数及实时节电状态，以便向用户展示变频节能的好处，也可用来与其它的节电测量作比较。

5、PLC程序设计

PLC程序由S7-200专用编程软件进行设计，然后通过编程电脑下载到PLC进行联机调试，合格后即可使用。PLC在编程前应先对各功能程序段的地址进行规划，以免重复使用同一地址，造成误动。

（1）逻辑功能的设计

这部分程序主要是完成各变频器、水泵（或风机）的启动停止、联动、联锁及自动投切等等功能，一般在离线状态下就能完成软件逻辑功能的测试。

（2）PID功能的设计

通过S7-200中的PID向导可完成PID调节程序，具体应用时需根据实际被控设备及采样设备决定其配置。

（3）采样程序的设计

采样元件使用标准配置时，应注意采样AD转换后的具体数据是否与PID及显示等程序配套，实际制做时还应考虑采样是多路且相关联的情况。

（4）PLC与变频器通信程序的设计

SIEMENS S7-200PLC与SIEMENS 430等变频器的通信一般使用USS4协议程序来完成，该程序的主要目的是监控变频器的实时运行状态。

（5）其它辅助程序的设计

PLC程序在实际编程过程中，需考虑对一些程序进行修补，尽量减少程序漏洞，反复推敲，不断的总结完善。

结束语

在闭环控制的变频节能系统中采用触摸屏可以使用户简单直观监控整个中央空调变频节能系统及与其相关联的设备和系统，提高了整个被控系统以及企业的自动化程度和硬件档次。随着微电脑技术的不断发展，触摸屏本身的成本也在不断的降低，再与PLC在系统中使用，实现了整个被控系统自动化程度的质的飞跃，这必将使触摸屏与PLC被更多的应用在未来的各种生产系统中，并成为自动化控制发展的一个亮点。

实现手段不仅落后，维护工作量大，而且还经常出现原因不明的意外停车，防喘振控制系统运行也不理想。因无SOE功能（顺序事件记录）无法查明误动作原因，为装置生产运行造成许多隐患。现在公司采用美国GE-Fanuc的90-30双机热备型PLC来实现空压机的防喘振功能和机组联锁保护，使用日本Digital公司的GP-470触摸屏来实现监视和操作功能，不仅操作直观方便、停车原因明确，也使空压机的防喘振系统设计更加完善，机组运行更加平稳。

空压机工艺简介

抚顺乙烯空分装置采用法国空气液化公司的专利，该装置以空气为原料，经过过滤、压缩、净化、精馏、蒸发等工序，后分离出产品氧气和产品氮气。吸入的原料空气经过滤后除去灰尘和杂质，过滤后的空气由空气压缩机K601进行压缩，加压后送往下游净化岗位。空压机K601系离心式压缩机，由电机带动，分两级压缩，两级分置于电机两侧即K601A和K601B。空压机K601设计流量为31500 Nm3/h，功率为3200kw，转速为1450rpm，由法国苏尔寿（SULZER）公司制造。

喘振现象的产生

压缩机在工作过程中，当入叶轮的气体流量小于机组该工况下的小流量（即喘振流量）限时，管网气体会倒流至压缩机，当压缩机的出口压力大于管网压力时，压缩机又开始排出气体，气流会在系统中产生周期性的振荡，具体体现在机组连同它的外围管道一起会作周期性大幅度的振动，这种现象工程上称之为喘振。

喘振是离心式压缩机的固有特性，当发生喘振时需采取措施降低出口压力或增大入口流量，尽量降低喘振时间。为了确保压缩机稳定可靠地工作，防止用量波动发生喘振，该装置设计了防喘振放空阀，当下游工艺设备空气用量减少或压缩机出现喘振时，可由放空阀减量放空来平衡。

防喘振方案的实施

离心机防喘振控制常采用以下两种方法：

定极限流量法：就是使压缩机的流量始终保持大于某一定值流量，从而避免进入喘振区运行。此法通常用于恒速运行的离心机且一般流量调节器的给定值应大于额定喘振点流量的7%～10%，此法优点是控制简单，缺点是当机组变速运行且处于低负荷情况时，防喘振控制投用过早，造成能耗加大。

变极限流量法：在变速运行的压缩机中，随着不同工况（压缩比、出口压力或转速），极限喘振流量是个变数。变极限流量法是采用随动防喘振流量控制系统在压缩机的不同工况下沿喘振曲线（实际上是沿防喘振操作曲线）自动改变防喘振流量调节器的给定值，使防喘振调节器沿喘振曲线右侧安全控制线（防喘振操作线）工作，这样既安全又节能。

本装置防喘振控制采用变极限流量法，变极限流量系统喘振曲线的数学模型可以从离心机流量－压力特性曲线、气体动力学方程及压缩机入口流量计算公式导出，此喘振曲线在h（入口流量仪表的差压）－P2/P1（压缩机的压缩比）坐标上是一条直线参见图1中M1 -M2罩毕

h/P1=V×P2/P1+K

式中：h—气压机入口流量差压变送器量程的百分数；
P1—气压机入口压力（绝）变送器量程的百分数；
P2－压机出口压力（绝）变送器量程的百分数；
V—常数,直线M1 -M2盏男甭剩
k—常数，直线B的截距。

变极限流量法防喘振操作线绘制确定（图1中B线）方法为根据压缩机制造厂提供的如图2气体压缩机特性曲线上的M1,M2点（喘振限曲线上的任意两个临界工况点）数据折算成与流量差压变送器及压力变送器的刻度值相对应的h（或h/P1）和P2（或P2/P1）的相对值（%），在图1的坐标上确定对应于M1,M2的M1’和M2’点，连接M1’和M2’就可画出压缩机的喘振限直线A。然后再作A线的平行线B。A,B线的间距△Q为流量刻度7%～10%。对应的△h按具体机组设计数据计算

△h%＝△Q%×（2 Q%+△Q%）

式中：△h%－A,B线的间距，取差压变送器量程的百分数；
△Q%—节器给定值与喘振点之间的间距，一般取喘振点流量值的7%～10%；
Q%—振点的流量差压变送器的相对百分数；

图1中A线就是压缩机的理论喘振限直线；B线就是压缩机的随动防喘振安全操作线。

如果压缩机的特性曲线换算到图1上不是一条直线A，而是一条不规则的曲线时，可沿此曲线绘制近似的平行线作为安全操作线B来使用。

图1：离心式气体压缩机喘振限直线及随动防喘振控制操作线示意图

图2：多级离心式气体压缩机流量压力特性曲线

防喘振控制系统描述

系统结构

本系统采用GE Fanuc 90-30 PLC 作数据采集和控制，为了保证系统的可靠性，控制部分采用双机热备结构，电源、CPU、通讯模块和通讯总线、以太网通讯模块等都是冗余的，通过GBC网络通讯模块与双机热备软件共同起作用，从而实现双机热备功能，保证系统的高可靠性。

数据采集部分配置两层10槽机架，层为带CPU的10槽I/O机架，另一层为隶属于层机架的10槽I/O扩展机架，两层机架之间通过扩展电缆进行连接和通讯。双机热备部分与数据采集部分利用Genius Bus Controller （GBC）网络通讯模块通过Genius双总线进行数据的通讯与传输。

现场的各类模拟信号、电磁阀阀位回讯和报警接点信号、PLC输出到现场电磁阀的起停信号等均通过端子排与PLC I/O模块相连，实现数据的采集和控制。

上位机监控系统硬件选用日本Digital公司的GP-470触摸屏，操作系统为bbbbbbS NT 4.0，运行的监控软件为基于bbbbbbS NT 的Cimplicity Server版（700点）。这台监控站即可以作为工程师站用来组态各类画面，又便于操作人员进行操作和监视。同时它又是一台服务器，本系统的全部数据均存储在此服务器的硬盘中，在此基础上，可以进行进一步的数据处理和存取操作。上位机（通过网卡）和PLC（通过以太网通讯模块）之间使用通用的标准10M以太网进行通讯连接。

系统的优化

为了使PLC能够快速执行PID算法，并实时刷新计算输出，选用PLC 90-30中的模块CPU351来完成。利用PLC功能强大的编程软件LogicMaster提供的梯形图功能，根据变极限流量防喘振控制方案来实现防喘振算法和相关联锁逻辑功能。

此次改造在软件中增加联锁停车事故信号的捕获功能，使压缩机停车原因具体、明确，便于事故分析。为了便于现场操作和维护，将PLC硬件和工艺操作用的触摸屏均安装在防爆控制柜上，将防爆控制柜安装在压缩机附近的现场操作室里。

防喘振控制系统的特点

PLC系统选用美国通用电气公司（GE_Fanuc）的90-30系列控制系统，性能优良，。

PLC系统具有双机热备功能，实现PLC主机冗余、电源冗余、通讯模块和通讯总线冗余，主机、从机可无扰动切换，模块在线可更换，增加了系统的可靠性。

上位机与PLC之间通过10Mb/S的高速以太网ETHERNET实现数据的采集和传输，保证数据传输的高速、可靠。

系统具有强大的通讯功能，支持多种通讯总线协议，具有开放的网络结构，可与其它厂家的PLC和DCS进行通讯。

系统具有容错能力和强大的自诊断功能。

PLC的微处理器选用高性能的INbbb处理器，系统运行速度高，能快速执行PID算法，并实时刷新计算输出。

PLC具有功能强大的梯形图编程软件LogicMaster，可实现防喘振算法和相关联锁逻辑功能。

具有实时和历史数据处理功能，联锁停车事故信号的捕获功能。

可显示操作状态及流程图画面、调速画面、机组喘振控制画面、实时趋势画面、历史趋势画面、报警历史画面等。

本装置的防喘振控制系统自投用后，运行效果很好，压缩机没有再发生喘振现象，机组运行平稳，达到了设计要求，取得显著的经济效益。