西门子模块6ES7223-1BF22-0XA8全年质保

西门子模块6ES7223-1BF22-0XA8全年质保

火力发电厂的锅炉给水泵，需要根据机组负荷的改变来调节给水压力和给水量。在几种调节方式中，因改变给水泵转速来调节流量具有明显的节能效果而被广泛采 用。对于大容量机组的锅炉给水泵，通常以异步电动机为动力，几乎都是通过安装液力偶合器进行机械调速，并且这种调速方法具有空载起动电动机的良好作用。

　　液力偶合器属于电厂辅助设备，目前大多数都是采用分散仪表监控，有的甚至脱控运行，亟待运用测控新技术，对其运行状态参数进行自动监测和控制。西门子 S7-200PLC是一个非常好的选择，它、系统组装和构建网络非常灵活、而且具有PID调节指令功能，编程和调试非常方便，因此，基于西门子 PLC的控制系统将极大地提高整机运行的可靠性和经济性。

　　1 调速原理

　　液力偶合器安装于异步电动机和给水泵之间，它是一种利用液体通过泵轮和涡轮来传递功率的传动装置，主要由泵轮、涡轮、旋转外壳和勺管等部件组成，如图1.1所示。 工作时，输入轴从电动机处获得能量，通过中间轴，泵轮将机械能转变为工作腔内的液体动能，推动涡轮转动，再变成机械能传给输出轴，带动锅炉给水泵工作。

　　为适应机组工况的变化要求，在电动机转速恒定的情况下，调节勺管的开度，可改变偶合器工作腔里的充液量，不同的充液量可以得到不同的输出特性，因此，通过连续改变充液量既可实现输出轴的无级调速。

　　调速机构中的勺管，由电动执行器通过简单的机械机构驱动。电动执行器 接受标准电流信号，将其转换成相应的转角输出，因此，调节转速实际上是调节控制系统的输出模拟量信号，西门子S7-200PLC满足这一主要功能要求。

　　2 测控对象

　　1)转速调节系统

　　该系统主要的测控对象是液力偶合器输出轴的转速。调速原理如图 2.1所示，利用液位变送器，将反应锅炉水位的模拟量信号送给控制系统，同时利用测速变送器，将输出轴转速也反馈给控制系统，依据设定的PID控制算法计 算后输出电流信号，电动执行器将之转换成相应的输出转角，通过调节机构驱动勺管移动，其开度对应锅炉水位要求的泵轮转速。

　　2)工作油系统

　　液力偶合器工作腔内介质油的佳工作温度为60°～70℃，油温高虽然有利于能量的传递，但过高反而有害无益，因此要限制工作油温度范围为35～100℃，采用铂电阻温度传感器，当油温高于110℃时报警，当油温高于130℃时停止主电机运行。另外在 工作油冷却器入口和出口分别设置温度传感器，将入口油温度控制在60～100℃，将出口油度温控制在35～75℃。

　　3)润滑油系统

　　高转速、大功率液力偶合器带有滑动轴承，其润滑油系统独立于工作油系统，因此在输入轴、中间轴、输 出轴等处设置6个铂电阻温度传感器，测量滑动轴承温度，避免温度过高使润滑性能变差，烧坏轴瓦。限定润滑油温度范围在35～85℃，当油温高于90℃时报 警，当油温高于95℃时停止主机运行。另外在润滑油冷却器入口和出口分别设置温度传感器，将入口油温度控制在45～65℃，将出口油温度控制在 35～55℃。

　　为防止压力过低供油不足而造成润滑情况恶劣，限定润滑油压力范围在0.2～0.3Mpa，监测母管油压，当油压低于 0.1Mpa时报警，并且启动辅助油泵，低于0.05Mpa则必须停止主电机运行。另外还要限定滤油器进出口压力差不超过0.6Mpa 。

　　3 硬件组成

　　反映系统状态的主要参数是水位、转速、油温、油压等物理量，选用各类变送器转换为4～20mA的标准电 流信号，共计14路模拟量;各电机、阀门、报警指示灯等开关量输入输出共30点，因此系统的配置不甚复杂。采用西门子S7-200系列小型机控制，一旦发生故障影响面小、容易查找。

　　首先选用CPU226模块，具有24点输出/16点输入，可连接7个扩展模块，提供1000mA的总线电流，并且具有32位浮点运算功能和内置集成的PID调节运算指令，非常适合液力偶合器调速的锅炉供水系统。

　　其次扩展EM231模拟量 输入模块(4路模拟量输入，消耗DC5V电流为10mA)3块;扩展EM235模拟量输入输出模块(4路模拟量输入/1路模拟量输出，消耗DC5V电流为 10mA)1块，通过DIP开关进行设置，输入输出端口时能够自动完成A/D和D/A的转换，即标准电流信号与一个字长(16bit)的数字信号的自动转 换。系统总扩展模块数为4，CPU226的电源能满足所有扩展模块消耗DC5V总线电流的能力。

　　另外，CPU226本机集成了两个通 讯口，其中一个使用 MPI协议，使液力偶合器作为从站，完成其控制系统与主站的通讯;另一个用于TP070显示器接口，作为本机系统的显示界面。

　　4 控制程序

　　控制程序采用主程序、子程序以及中断程序来编写。主程序完成电机、油泵启停等开关量 逻辑控制以及温度、压力等主要模拟量监控和报警;子程序SBRO～SBR11传递工作油温控制参数、润滑油温度、压力、压差控制参数;主程序允许定时中断，进入中断服务程序执行含有PID指令的一段程序，对输出轴进行调速控制。

　　1)主程序

　　为了保证液力偶合器正常工作，控制系统必须满足严格的的启动、运行和停止条件。既开机顺序为先启动辅助润滑油泵、开冷却水闸，再启动主电机;停机顺序为先停主电机，再停润滑油泵、关闭冷却水闸;运行工作条件为勺管调速构控制功能正常、油温和油压监测系统正常等。 系统主程序流程如图4.1所示。

　　2)数字PID控制程序

　　根据液力偶合器的结构特性可知，机械-液力传动系统惯性较大，输出轴速 度调节响应有一定的滞后性。正可运用S7-200PLC中的PID控制子程序，与EM235模拟量输入输出模块一起，提高系统的速度调节响应，改善系统的 动态特性。

　　PID控制器的设计是以连续的PID控制规律为基础的，sp(t)是依据锅炉水位确定的输出轴给定速度值，pv(t)为输 出轴速度反馈量，e(t)=sp(t)-pv(t)为误差信号， c(t)为系统的输出量。PID控制算法的输出量如下式所示：

　　Mintal为输出的初始值，Kc为系统比例系数， Ti，Td为PID的积分、微分时间。

　　输出轴转速的PID闭环控制系统如图4.2所示，将上式数字化，写成离散形式的PID方程，则 程序中实际的PID算式如下式所示：

　　上式中共包含九个参数，存储在36字节的PID回路参数表内，见表4.1。CPU226提供的PID回路指令， 其操作就取决于这九个参数，必须指定内存区内该参数表的首地址。在应用于PID指令之前，需要将参数转换为标准化的浮点数表示形式，转换的步是把实际值从16位整数数值转换为浮点数数值，第二步是将转换后的浮点数再转换成位于0.0～1.0之间的标准化数值。

　　由于机械-液 力传动系统惯性较大，本系统仅采用比例和积分控制，100毫秒中断一次，做PID计算，通过工程计算初步确定其增益和时间常数为Kc=2.5、 Ti=60s、Td=0s、Ts=0.1s，进一步计算后可达到优控制效果。

　　5 结 论

　　基于西门子PLC的控制系统，实现了对液力偶合器主要运行参数的实时监控。通常，电厂锅炉配备两台以上的给水泵，结合蒸汽锅炉运行状态的自动监测，可以实现整个机组的在线监控、故障诊断和报警等,西门子PLC具有丰富的网络构建功能，因此液力偶合器控制系统尚有很大的可扩展性。

使用下面的例程你可以在S7-200CPU之间设置一个简单的Modbus通讯。
这个例子是关于Modbus功能码6的(写从站保持寄存器）， 也可以作为其他所支持的功能码：1, 2, 3, 4, 5, 15 和16 的基本参数设置步骤 。

要求:
要使用Modbus协议必须先在STEP 7 Micro/Win上安装指令库 。
Modbus主站协议只支持STEP 7 Micro/Win V4.0 SP5及其以上版本.。

• 1. 硬件设置

• 2. 参数匹配

• 3. 指令库的存储地址

• 4. 保持寄存器值得传输

1. 硬件设置
例程中的Modbus通讯是在两个S7-200 CPU的0号通讯口间进行的(好每个CPU都有两个通讯口)。在主站侧也可以选择相应库文件 "MBUS_CTRL_P1" 和 "MBUS_MSG_P1"通过1号通讯口通信。通讯口1与Micro/WIN建立PG或PC连接，两个CPU的通讯口0通过PPI电缆进行连接（电缆的 针脚 连接为2，3，7，8）。

( 26 KB )
图. 01

2. 参数匹配
对于MODBUS通讯, 主站侧需要程序库 "MBUS_CTRL" 和 "MBUS_MSG",

从站侧需要程序库 "MBUS_INIT" and "MBUS_SLAVE"。

在 Micro/WIN 中您需要为主站和从站新建一个项目，程序与参数设置见图.02。
必须要保证主站与从站的“Baud”和"Parity"的参数设置要一致,并且程序块"MBUS_MSG"中的"Slave"地址要与程序块"MBUS_INIT"中的"Addr"所设置的一致 (见图. 02)。
Micro/WIN“系统块”中设置的0通讯口的波特率与MODBUS协议无关("Mode" = "1")。

图. 02

下面的表格列出了程序块各个参数选项及其意义

主站

MBUS_CTRL

表 01

1) 参看STEP 7 Micro/WIN 帮助: "MODBUS主站执行MBUS_MSG时的错误代码MBUS_MSG" 。

MBUS_MSG

表 02

1)参看STEP 7 Micro/WIN 帮助: "MODBUS主站执行MBUS_MSG时的错误代码MBUS_MSG" 。

从站

MBUS_INIT

表 03

2) 大的地址取决于所用CPU的类型及其大值。
3)参看STEP 7 Micro/WIN 帮助: “MODBUS从站协议的错误代码”。

MBUS_SLAVE

表 04

3)参看STEP 7 Micro/WIN 帮助: “MODBUS从站协议的错误代码” 。

3. 库的存储地址
项目完成后必须要在Micro/WIN中定义库的存储地址，当定义完存储区后, 要保证在任何情况下不能再被其它程序所使用 (主站侧: "DataPtr" + "Count" 从站侧: "HoldStart" + "MaxHold")。

图. 03

4. 保持寄存器值的传输
将程序下载到相应的CPU后，可以在状态表中给主站侧的V存储区赋值,然后监视从站的变化。
当主站的I0.0使能后，VW2中的内容就被发送到从站并写入从站的VW2 。

保持寄存器值的传输见图. 04。
指针"DataPtr" 代表了V区被读的起始地址。
参数 "Count" 表明了地址"Addr" = "4xxxx" (保持寄存器)以字为单位被读的个数。
主站中被读取的V存储区被写入地址为"Addr" = "40002" ("RW" = "1")的保持寄存器中。
保持寄存器是以字为单位工作的，它与从站的V区地址对应。
指针 "HoldStart" 明确了与保持寄存器起始地址40001相对应的V存储区的初始地址。
可以这样计算从站的V区目标指针：

2 * (Addr - 40001) + HoldStart = 2 * (40002 - 40001) + &VB0 = &VB2

另外，要保证"MaxHold" 定义的数据区能够包含主站侧所要写入的数据区 ：

MaxHold >= Addr - 40001 + Count = 40002 - 40001 + 1 = 2

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Fig. 04

关于STEP 7 Micro/WIN MOBDUS 库的更多信息可以参看 S7-200 系统手册 ( Entry ID 1109582) 和 STEP 7 Micro/WIN 帮助。