西门子6ES7221-1EF22-0XA0诚信交易

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、引言

蒸汽锅炉的过程控制系统包括汽包水位控制系统和燃烧过程控制系统，两系统在锅炉运行过程中互相耦合，所以控制起来非常困难。在此，我们暂不考虑系统间的耦合，只是对蒸汽锅炉的给水系统进行变频改造。

某有2台20T燃煤蒸汽锅炉，如图1所示。这2台锅炉通过1个给水母管分别给各自汽包供水，用汽量小的季节，2台锅炉只运行1台，当用汽量较大时，则必须2台锅炉同时运行。由于给水泵额定功率为37kw，一般情况下，1台锅炉运行时，只开1台给水泵裕量仍较大，而2台锅炉同时运行且用汽量较大时，只开1台给水泵无法满足需要，而开2台给水泵后，相对单台锅炉运行时，裕量更大。由于2台锅炉分别由2套DCS系统控制各自的电动阀门调节各自汽包的给水量，运行中，阀门开度较小造成给水母管压力较大，不仅浪费了大量的电能，较高的水压还对管道、水泵叶轮和阀门造成损害

图1 给水原理图

2、变频改造方案

基于系统运行现状，本着既能节能降耗，又能控制简便、安全且投资较少的原则，我们设计了1套1台变频器拖动3台电机的方案。具体如图2所示

图2 控制原理图

在本方案中，充分利用了锅炉层有的DCS控制系统，同时增加了变频器、可编程序控制器（PLC）和控制信号转换装置。

（1） 硬件控制系统

a） 西门子MM430变频器

MM430变频器是西门子公司新研制生产的一种适用于各种变速驱动场合的高性能变频器（调试简单、配置灵活），它具有新的IGBT技术和高质量控制系统，完善的保护功能和较强的过载能力以及较宽的工作环境温度，安装接线方便，两路可编程的隔离数字输入、输出接口以及模拟输入、输出接口等优点，使其配置灵活多样，控制简单方便，易于操作维护。

b） 西门子S7-200型PLC

西门子S7-200型PLC可靠性高、抗干扰能力强，可直接安装于工业现场而稳定可靠的工作。适应性强，应用灵活。

（2） 当1台锅炉运行时

由于只开1台给水泵，就足够锅炉汽包所需用水量，故此时，系统只对运行锅炉的汽包水位进行恒液位控制即可。

将切换开关置于相应位置，通过锅炉原有DCS控制系统中的手动操作器将控制该锅炉汽包进水量的电动阀完全打开后，再通过控制信号转换装置切断该控制信号，使原有控制回路断开，电动阀保持全开状态，同时，将该锅炉汽包液位信号切入PLC，让PLC将该锅炉汽包液位信号进行PID运算处理后，再由控制信号转换装置，将PLC输出的4～20mA模拟信号传递给变频器，从而控制变频器的输出转速。

在本控制过程中，关键的是过程参数PID （P:比例系数I:积分系数、D:微分系数）的整定。由于工业锅炉运行过程中，用汽量的多小和蒸汽压力的大小，决定了给水流量的大小和给水压力的大小。为了保证系统的相对稳定运行，不出现大的波动，对生产造成，在调试过程中，应多次反复调整PID参数，直至出现佳控制过程。

（3） 当两台锅炉同进运行时

由于2台锅炉分别由两套DCS系统控制，在运行过程，虽然蒸汽并网后压力相同，但由于燃烧过程中存在不确定性，两台锅炉汽包各自的液位就必然存在差异。因此，单台锅炉运行中所用的恒液位控制方案在此就不再适合。通过给水原理图（图1）我们不难发现，要对2台锅炉汽包的液位分别控制，理想的方案是将1个给水母管向2台锅炉给水的现状彻底改变，将给水系统分开，使每个锅炉都有自己独立的给水系统，再在此基础上加装变频控制，由1台变频器单独控制1台锅炉的给水。但此方案不仅改动较大，投资较高，且要停产改造，显然是行不通的。为了能在不改变原有系统现状的前提下，更好的利用变频装置，节能降耗，减小系统运行，维护费用，提高原有系统的自动化程度，我们针对该企业2台锅炉的运行特点，设计了一套专用于2台（或2台以上）锅炉同时运行时的控制方案，即:蒸汽压力和母管给水压力的恒压差控制方案。

当2台锅炉同时运行时，由于外供蒸汽并管，故蒸汽压力相同，又由于2锅炉由同一母管给水，故给水压力也相同。但由于蒸汽用量的变化不定和锅炉燃烧情况的不同，蒸汽压力是时刻变化的。这样，为了能保证给锅炉汽包供上水，就必须要求给水的压力始终高于蒸汽压力，由图2我们看到，由PLC采集蒸汽压力和母管给水压力，通过处理、比较后，得到二者的差值，再将此差值通过PID运算处理，输出4～20mA的模拟信号给控制信号转换装置。再由该装置将信号传输给变频器，从而控制变频器的运行速度。这样虽然可以保证给水母管压力始终高于锅炉蒸汽压力（压力差的大小可以通过PLC在一定范围内任意调节），但锅炉各自汽包的液位却无法再通过调节变频器的转速去控制。在此，我们充分利用了原有给水控制装置，即汽包各自的进水电动阀门。仍由锅炉原有DCS控制系统采集各自汽包的液位，蒸汽压力，给水压力和给水流量等信号，去相应的调整进水电动阀的开度，从而控制各汽泡液位和进水流量。

此方案由于存在阀门的调节，所以上不能大限度的节能降耗，但实际中，由于减小了给水母管与蒸汽压力之间的压力差，使电动阀门的开度由原来的平均10%左右开大到75%左右，系统回水阀门关闭，仍大大节约了能源。且本方案充分考虑了系统运行的安全性，一旦变频器故障，系统可立即自动由变频运行状态切换至原有工频运行状态，完全恢复改造前的运行状态，保证锅炉正常运行。变频故障解除后，仍可方便的手动切换为变频状态，使变频器方便的投入运行，且不锅炉的运行。

3、PLC

PLC是本系统的核心控制器件，它不仅辨识、处理各种运行状态，进行系统间的逻辑运算和联锁保护，还对输入的多个模拟信号进行处理、运算后，输出标准的模拟信号控制变频器的运行速度。主程序结构较复杂，其中，对液位信号进行PID运算的子程序，原理图和程序框图如图3、图4所示。

图3 PID原理图

图4 程序流程框图

4、注意事项

（1） 由于变频器产生高次谐波，会对通讯产生干扰，同时由于PLC采集模拟信号，要进行A/D和D/A转换处理，在此过程中，容易受到变频器高次谐波的影响而失真。因此，必须将变频器零地分接且加装液波装置，对PLC用隔离变压器供电，好将PLC安装于距离变频器较远的位置上。

（2） 本系统所需液位、压力等模拟信号均采至锅炉原有控制系统，为了不影响原控制系统的安全性与完整性，应将原有模拟信号通过隔离分路端子分路后采用。

（3） 锅炉给水是锅炉运行过程中至关重要的环节之一，其运行的稳定性与可靠性直接关系到整个锅炉系统乃至整个生产运行的稳定与安全。因此，一旦变频器出现故障而停车后，系统可自动切换至原有工频控制系统而不影响生产，这一联锁措施至关重要。

5、结束语

（1） 变频调速是电气传动系统工程，而变频器只是其中的一部分，变频器容量、类型的选择，电气保护回路和控制回路的设计关系到变频调速系统应用的可靠性、安全性和性。

（2） 变频调速系统是基于微、电力电子、机、自动控制和电机等技术上而来的，有其先进性，但也有其不足和缺点，如电磁干扰，高次谐波的寄生电容，以及低速运行时的电机温升等。

（3） 变频调速技术以其节能、环保、方便、工作效率高等优点，在企业中得到广泛应用。若将其再与计算机技术有机的结合起来，实现资源共享，统一管理，则会进一步节能降耗，提高产品质量和生产稳定性。

、概述

本文以某钢铁厂150t转炉为背景，其自动化系统的配置使用了Schneider自动化的Quantum PLC。项目由三部分组成：转炉本体、氧枪和原料，对应三套PLC控制系统。系统模拟量约2000点，数字量点约3000点，调节回路18个。

二、主要工艺图

三、系统控制内容及功能要求

1、氧枪部分

（1）氧枪控制：检测降枪条件，控制吹炼过程中一系列连锁动作。
（2）氧枪定位控制：采用增量型编码器，自动判断出吹炼位置。
（3）变频器控制：氧枪水泵、汽包给水泵、设备水泵等重要设备全部由变频器控制。
（4）溅渣护炉：转炉的顶底复吹自动控制。采用顶吹中压氮气，将炉内剩余残渣吹至转炉炉壁上。
（5）倾动控制：对转炉进行前倾、后倾操作，保护氧枪。

2、原料部分

控制炼钢所需散装料和合金料的备料及下料。散装料和合金料通过料仓、给料器、称量料斗、溜槽、皮带机及下料溜槽进行控制及连锁，完成定量散装料和合金料的加入工作。

3、仪控部分

主要包括汽包液位及调节、除氧器水位及调节、顶吹氧气流量调节、底吹模式及流量调节、二文液压控制以及温度、压力、流量等基础数据的采集处理。

4、转炉一次除尘引风机

主要完成对风机转速控制、煤气回收各阀门控制、仪表参数的采集处理。

四、重点及难点

（1）氧枪定位采用增量型编码器，通过1756-HSC高速计数模板采集编码器的脉冲信号，经CPU运算处理成工程量位移信号。
（2）利用参数文件，实现了调用同一个画面，控制不同料仓的功能。
（3）在吹炼期和非吹炼期，风机采用高低速控制，两种速度转换时采用步进式调节。
（4）在出钢或出渣的同时可手动升降氧枪，启动刮渣器，进行刮渣。
（5）各系统间数据通讯采用环形快速以太网，在网络介质遭到破坏时，能够保证网络继续稳定运行，同时生成报警，通知维护人员对进行处理。

五、系统组成

六、解决方案

以下是氧枪PLC硬件配置

七、操作站的主要工作

1、大数据量高速数据处理。模拟量约2000点，开关量约3000点。
2、长期历史趋势查询功能。可保存上百点的历史趋势一个月。
3、调节控制功能实现。控制调节回路18个。
4、逼真的生产工艺流程再现。工艺流程画面120余幅。
5、事件报警处理。记录时间一个月，报警条目600条。
6、快速、良好的动态响应能力。通过人机交互实现快速生产设备控制。

一、 概述

干燥是化工、农产品加工、染整以及许多工业部门的一个关键性的生产单元，是一门多学科跨行业的加工技术。干燥也是一个耗能较多的加工环节，如何在生产过程中控制节能也是关键。国家”十一五期间节能减排全民动员”的号召，为了响应国家号召全民节能以及减少企业的运营成本，减少干燥加热时多余的能量浪费势在必行。随着我国国民经济的发展，干燥技术也在不断发展与提高。

此文介绍了可编程控制器在干燥机上的应用。采用KINCO-K3型PLC对整个干燥机运行系统进行控制，可实现较高的自动化程度，并完成智能控制、状态显示和故障报警等任务，同时使用eView人机界面与操作员进行交互，使得修改各种参数简单、易行。整个设备运行的流程图都反应在人机界面上，对于设备各个控制点的运行状态能及时、快速、准确的反映。其控制系统结构清楚、线路简单、工作可靠、同时设置了手动/自动控制切换开关，可根据需要手动操作，亦可自动运行。系统维护方便，减轻了工人的劳动强度，提高了系统的稳定性和可靠性。

二、 干燥机工作原理

通过电热管加热空气并通过送风机将热风送入干燥圆桶，液态原料通过变频电机带动回旋泵输送至烘干圆桶，使之受热干燥。为使气流与颗粒有较高相对速度，提高传热传质速率，圆桶在直管基础上增加了变径，使干燥器的干燥效率提高。料液或悬浮液经雾化后，直接用热空气使液滴烘干成粉粒状产品并由中心管导出。干燥方式为传导干燥也称接触干燥，对于潮湿颗粒非常适应，干燥效率较高。蒸发的水蒸汽或有机溶剂由抽风机抽出，排出的部分热量通过回收风机部分回收再利用，以达到节能效果。在原料干燥过程中，由振动器发出振动波定期震动圆桶壁，以使物料在这给定方向的激振力的作用下跳跃前进，使物料颗粒与热风充分接触，从而达到理想的干燥效果。

三、 系统配置以及控制流程图

序号 品名 型号 数量
1 触摸屏 MT4500T 1
2 可编程控制器 Kinco-K306-24AT 1
3 数字输入输出模块扩展 Kinco-K323-16DT 1
4 热电阻模块输入扩展 Kinco-K331-04RD 2
5 模拟量输出扩展 Kinco-K332-02IV 1
6 变频器 invt-G9-1R5T4 1
7 变频器 invt-G9-2R2T4 1

四、 系统操作及工艺描述

设备上电运行前，检查接线是否正确，确认无误后送电运行。

首先在触摸屏上设定运行参数，如送风温度、加热PID、回风温度、空气加热温度、料泵PID、喷头频率、气锤动作间隔时间等。运行时先选择手动操作模式，在系统流程图上选择相应的控制按钮（在流程图中控制按钮隐藏在相应的图标下面，按动图标即可控制相关元件运行）试一下相关元件运行是否正常，温度频率等是否显示正常。确认所有元件都执行正常后，启动自动模式并启动自动，在自动模式下所有的元件会根据工艺执行相关动作。

自动启动后首先启动照明—>启动送风机—>延迟2秒后启动抽风机—>延迟2秒后启动加热，3个加热管的加热动作完全由PID控制—>延迟5秒后启动回收风机—>延迟2秒后启动除湿器—>延迟2秒后气阀打开—>启动空气加热（空气加热可设定为定时加热）—>直到送风温度达到设定温度后，启动油泵—>延迟5秒后启动喷雾器—>延迟2秒后启动风泵—>延迟2秒后启动循环水泵—>料阀打开—>送料泵启动—>2个气锤启动（气锤按照预先设定的间隔时间动作）—>启动水泵

运行过程中送风温度根据PID调节无限接近设定温度，料泵频率则根据出口温度以及预先设定的大偏小偏频率实时调整，以保证原料充分干燥。运行过程中PLC对各运行点进行监控，一旦有任何故障产生会执行相应的故障动作，如送风机故障则加热会立即停掉，以防止热量不能及时送出损坏加热管。故障产生时声光报警器指示灯会闪烁并且警铃会响起，提醒操作员。流程图上还会有相应的提示文字，告诉操作员什么地方出现了故障，以方便及时排除，提高工作效率。

执行自动停机时为了保护加热管，需要延迟停止送风机和抽风机，直到温度低于80℃后再停止送风以及抽风机。在停机时为了保证原料的干燥质量，优先停止料泵和喷雾器。

系统流程图如下：

五、Kinco PLC简介

Kinco-K3系列小型一体化可编程控制器是用于工厂自动化领域中机器控制和小规模过程控制的先进PLC产品，与市场众多的同类产品相比它是后来者，但却跨越了PLC发展的初级阶段，将多种先进技术和功能集成到逻辑控制器中，因此广泛使用于以下控制应用：包装机械、纺织机械、建材机械、食品机械、塑料机械、数控机床、印刷机械、中央空调、环保设备以及单一过程控制装置。

按国际通用分类规则，Kinco-K3属于小型PLC系统，由于采用高性能处理器芯片和软件优化设计，布尔指令执行速度优于0.5μs/步。K3系列共有6款CPU模块，控制点数、内存容量、内部资源、扩展能力等依次增强，开关量控制点数从14～280点，模拟量大40点。通过二十多种扩展I/O和扩展功能模块灵活组合，可以满足大部分领域应用的要求。

六、干燥机的特点

1、设备采用直接加热方式，干燥强度大，蒸发能力大，投资小，运转平稳、噪音小、寿命长、维修方便。
2、干燥时间短，适用于热敏性物料，产品不与外界接触，无污染，质量好。
3、干燥机使用振动装置使物料易达流化状态，增大了有效传热系数，热效率高。床层温度分布均匀，无局部过热现象。流化均匀，无死角及吹穿现象。振动起输送作用，也有利于节约能量。比一般干燥装置可节能30-60%。
4、设备成套提供，加热方式选择电热管加热或配套，使用蒸汽加热等。
5、物料表面损伤小，可用于易碎物料的干燥，物料颗粒不规则时亦可使用，不影响效果。

七、干燥机的应用领域

干燥机广泛适用于化工、轻工、医药、食品、塑料、粮油、矿渣、制盐、烟糖等行业的粉状、颗粒状物料的干燥作业。

八、结束语

由于国内工业起步慢，PLC市场绝大部分被国外品牌如Siemens、Allen Bradley、Omorn以及其它品牌占据，尤其是中、大型的PLC的市场基本被欧美国家垄断，至今没有很大改变。作为目前国内控制市场上的主流控制器，PLC市场的国内参与者需要尴尬地面对这样一个局面，即在高达31亿（预计2004年的市场总量）的PLC市场总需求中，国产PLC不到整个市场份额1％！

自国家改革开放以来，经济发展势头迅猛，国内GDP连续高速增长，经济的高速增长也带动了国内PLC厂家的快速发展，从技术角度来看，国内外的小型PLC差距正在缩小。国产的小型PLC已经比较成熟，其可靠性在许多低端应用中得到了验证，如Kinco PLC已经拥有符合IEC标准的编程软件、布尔指令执行速度优于0.5μs/步。

在此干燥设备投入运行以来，运行稳定，Kinco PLC的品质得到了有力的验证。随着国内PLC的逐步发展，相信在不久的将来，国外品牌的垄断将会被一举打破。而Kinco作为国内品牌的者，将会充当先锋的角色，开始这艰难的破冰之旅。