西门子模块6ES7211-0BA23-0XB0物优**

西门子模块6ES7211-0BA23-0XB0物优**

1引言

目前，国内大型的造纸厂对纸张定量水分的控制系统的策略是进口关键单元，如定量水分传感器和变送器、扫描架、控制器、关键的机械部件等，控制部分用国内的技术及装置，组成完整的品控生产线，即满足了控制要求，而且节省了半数的投资。在本项目控制系统中，选用工控计算机作为操作站和工程师站，选用西门子s7-300plc作为主站和从站，网络通讯采用以太网和profibus现场总线。控制策略采用智能预测控制。

2系统组成

扫描架带动定量和水分变送器在线检测，检测信号在计算机内通过数字滤波计算出定量水分的平均值，用定量阀控制纸张的绝干定量，用烘缸蒸汽压力给定值控制纸业水分，此过程是通过目标值和反馈控制系统来实现的。

2.1 扫描架部分

扫描架选用impact公司的b/m传感器变送器及相应的o形扫描架系统扫描架和定量水分信号通过tcp/ip协议和os站交换数据。impact公司的扫描架系统可以方便的对定量水分控制进行扩充，如检测和控制纸张的厚度、灰分、白度、平滑度、横向分布等。此控制系统引进传感器型号如下：o型扫描架1880mm（1880mm advantage plus o-frame scanner）；单边扫描架1880mm（1880mm single sided frame）；定量传感器－钷147（basic weight sensor-pm147）；水分传感器-钨136（basic moisture sensor-w136）；轻触式厚度传感器（light touch air-bearing caliper senor）。

2.2 fcs（现场控制站）功能设计

（1） 与变送器、执行器一起构成具有自动调节能力的控制站。

（2）对现场送来的信号进行处理转换，变成计算机能处理的信号。

（3） 把输出信号转化成现场执行器的控制信号。

（4）具有相应的扩展输入/输出（i/o）模块，可完成输入/输出处理。

（5） 具有与监控操作站（os/oe）进行数据通讯的接口。

（6）具备一个主控制板，能执行设定好的控制算法。

（7）通过profibus-dp现场总线实现与从站和os进行数据通信。考虑到系统性能和性价比，可编程控制器采用西门子s7-300plc。其特点是：模块化、易于扩展、通信稳定、运行可靠。s7具有开放性的网络结构适应于bbbbbbs nt/2000和bbbbbbs xp标准操作系统支持dde/opc，可通过以太网与企业上位信息管理系统连为一体。通过profibus-dp现场总线实现i/o与控制器功能处理分散，可进行远程扩展，进一步提高了系统的可靠性和可操作性。可以通过计算机或触摸屏设定各个控制及连锁逻辑控制回路的控制周期及扫描周期。plc与os站的通讯接口模块采用cp340。

2.3硬件配置

根据控制系统的要求，采用s7-300系列的plc来进行组态。对于控制系统的plc，首先，由于控制系统的i/o点数（本系统为110个点）不多，程序量不大，通过经验公式计算所需存储器容量（存储器容量（kb）=（1.1～1.25）×（di×10+do×5+ai/a0×100）/1024），根据存储器容量大小选择主控模块为cpu314即可。

供电模块：10a的ps307；*处理器（cpu）：选用cpu314；模拟信号输入：所有的现场参数，由各自的变送器进行检测，通过相应的变送器转换为4～20ma的标准信号与plc系统的模拟量输入通道连接。选用模块为sm331/ai8（2块）；开关量输入：主要是一些控制按钮、急停按钮、限位开关、行程开关等，选用sm321di16（2块）；模拟信号输出4～20ma的调节信号通过d/a模块输出，完成各回路中的调节器的控制。阀门采用气动调节阀，通过电气阀门定位器接受4～20ma电流调节信号。选用模块为sm332/ao8（2块）；开关信号输出：包括一些运行状态显示、报警等。选用模块为sm322/do32（1块）；通讯模块：选用r485接口的cp340（1块）。为了保证控制系统运行可靠稳定，在信号的采集和控制通道中充分采用系统隔离技术。所有现场传感器信号通过隔离器或配电器进入plc的模拟信号采集通道，所有现场的开关信号及阀门的控制信号采用中间继电器隔离。

2.4系统控制回路

（1） 上浆浓度控制回路

影响定量的只要因素是进入冲浆泵的纸浆浓度和流量，浓度通过浓度的自动控制系统来调节。

（2）上浆流量控制回路

将流量计和相应的控制阀安装在冲浆泵的入口的管道上，实现对上浆流量的控制。根据一定的定量控制算法，改变流量设计值的大小。定量阀采用btg公司的，流量计采用横河ae215mg-as2-pnj-ain/br/sct。

（3）蒸汽压力控制回路

本系统为三段供汽方式的8缸纸机，采用分段控制方式。分别对施胶前烘缸组（2缸）和施胶后烘缸组（6缸）压力进行顺序控制和定值控制，实现纸张水分的控制。

（4）定量水分测控系统

定量和水分仪的探头安装在o型扫描架上，随扫描架的来回移动对纸张连续扫描检测，检测信号通过网络传输给计算机进行处理。并在计算机屏幕上实时显示定量水分横向分布图和和纵向趋势图。与此同时计算机通过检测值和设定值之间的偏差根据一定的控制算法发出控制信号，分别调节定量阀和烘缸蒸汽阀，使定量水分保持相对稳定。

（5）纸机车速显示和调节

从纸机传动部变频器和增量式编码器组成车速的调节系统，并把车速信号传输给计算机显示，通过检测信号和设定信号之间的偏差发出调节控制信号，保持车速稳定。

2.5os站（操作员站）的功能设计

（1） 组态设计、调试、监控和控制操作。

（2） 与现场控制站连接通讯，实现系统的分散控制。

（3）完善的系统应用软件，进行工控软件的二次开发，提供人机监控操作界面。为保证控制系统运行稳定，在信号的采集和控制通道采用系统隔离技术，传感器信号通过隔离器进入plc的模拟信号采集模块，所有逻辑信号和阀门控制信号采用中间继电器隔离，保证控制系统与现场仪表的完全隔离。该控制系统所有的压力、流量、液位、浓度、温度等信号以动态的形式在计算机上显示。系统的各个控制参数、工艺参数及生成的数据库自动的存贮在计算机中，便于实时查询。

3系统控制策略

纸张生产过程中，定量和灰分的调节是一个大时滞、大惯性、强耦合、非线性的复杂控制过程。传统的pid很难对其进行有效的控制。本系统利用智能控制策略结合pid控制很好的解决了纸张定量和水分的控制。

3.1系统功能

系统具有定量和水分的测量及控制，横向定量曲线的输出，绝干浆流量控制。plc根据定量水分的设定值和检测值之间的偏差，按一定的控制规律发出控制信号，分别调节定量阀的开度和和烘缸蒸汽压力的大小，保持定量水分的稳定。

（1）调浆箱上浆浓度的自动检测和控制，克服了中浓浆浓度的变化对纸张定量的影响。

（2）烘干部烘缸汽压的自动检测和调整，克服了外来汽压的波动对纸张水分的影响。

（3）crt显示纸张定量水分的工况数据历史记录。根据纸张定量水分的设定值和测量值之间的差值，控制浆流阀的大小和及蒸汽压力阀的动作，保正产出高质量的纸张。

（4）根据工艺，通过电脑键盘设定控制参数和设定值。

（5） 系统操作规范有手动和自动两种方式，可根据需要自动切换。

3.2 控制算法

纸张定量的控制特性表现为滞后时间长、时间常数较短、测量值离散度较大。纸张水分的特性表现为时间常数大、易受干扰。在纸张生产过程中定量水分的控制存在着强耦合特性，因此要想达到理想的控制效果，就必须对定量水分的控制回路进行解耦，把纸张定量水分的控制回路分离开它们之间的相互影响。控制软件包括：纵向定量水分控制软件，绝干浆控制软件，烘缸控制软件。

3.3 软件设计

（1） 设计平台：控制系统在bbbbbbs xp环境下运行，编程软件为stpe7v5.4，组态软件用wincc。为方便操作人员操作，所有微机操作都是用鼠标，画面切换、各参数设定都采用鼠标点击画面上的按钮来实现，所有的操作界面都使用汉语。画面直观、易懂、操作方便。系统用profibus总线与下位s7-300plc进行数据通讯，下位s7-300通过cp340通讯模块与上位机进行数据交换，使系统的软件和硬件组成一个完整的系统，保证系统稳定运行。（2）人机界面：操作站上的人机界面有以下画面组成。

        各参数（纸张定量、水分、厚度、灰分等）信号横向显示，设5s画面更新一次；

各参数（定量、水分、厚度、车速、流量、浓度、压力阀门开度等）历史趋势记录，设2秒钟更新周期。

实时、动态、直观的显示各控制点的工艺流程。

报警画面：操作员用鼠标点击报警按钮，就会切换到报警画面，操作员可直观的看到报警信号的工位号、报警类型、注释、报警时间和当前值（实时更新），点击报警项就会切换到报警工号对应的操作界面，操作员可进行相应的修改。所有的报警可通过复位按钮进行复位。

历史报告画面：可以查询操作人员的操作记录和操作的详细时间，包括程控系统的启停、各参修改前和修改后的值等控制参数和工况参数设定界面。可存贮1年的历史数据库。

4结束语

目前国内纸张质量控制系统通过进口国外关键设备结合国内的技术和装置可以达到国外成套设备的控制精度与控制效率。从而开创了一种性能/价格比较高的qcs模式。

1引言

铸造是人类掌握较早的一种金属热加工成形工艺，已有约6000年的历史，是现代机械制造工业的基础工艺。铸造过程是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件（零件或毛坯）的工艺过程。铸造生产的毛坯廉，对于形状复杂、特别是具有复杂内腔的零件，更能显示出它的经济性；同时它的适应性较广，且具有较好的综合机械性能。

低压铸造是使液体金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，所以叫做低压铸造。其工艺过程是：在密封的坩埚（或电炉）中，通入干燥的压缩空气，金属液在气体压力的作用下，沿升液管上升，通过浇口平稳地进入型腔（金属型），并保持坩埚（或电炉）内液面上的气体压力，经过一段时间的保压，直到铸件完全凝固为止。然后解除液面上的气体压力，使升液管中未凝固的金属液流坩埚（电炉），再由气缸开型并推出铸件。低压铸造*特的优点表现在以下几个方面：液体金属充型比较平稳；铸件成形性好，有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件，对于大型薄壁铸件的成形更为有利；铸件组织致密，机械性能高。低压铸造是一种低压强与低速度的充型铸造方法，利用压缩空气作为充型动力，液体金属充型要求平稳；保压性好，铸件成形性好，轮廓清晰、铸件表面光洁；要求模具冷却性好，铸件组织致密，机械性能高。

2 低压铸造自动化系统

2.1系统结构

工控机和plc在低压铸造中的系统构成为了满足低压铸造的要求，把工控机和plc组成一个**系统，本系统采用分级控制方式。由工控机完成液面压力控制和铸型温度（冷却）控压铸造的要求。

2.2 系统原理低压铸造机压力/温度控制系统的计算机控制系统

（1）压力控制：低压铸造机压力控制系统的气动原理如图3所示，工控机和由其控制的液面压力i/o模板对数字组合阀岛进行控制，实现了低压铸造压力控制。工控机系统采用灵敏的压力传感器和软件式pid控制器，在计算机屏幕上同时显示铸造过程的设定压力曲线和实际控制压力曲线，并进行叠加比较。在计算机屏幕上以四种颜色显示四个测温点的实时温度曲线。另外用图形来指示保温炉内铝液液面情况，以提醒操作人员注意：当炉内金属液少于较低**，系统自动停止加压。

y1～y9：调节阀（常闭）；

y11：进气主阀（常闭）；

y13：炉子慢泄压（常开）；

y14：炉子全部泄压（常开）；

yk1：压力开关，监测“0”mbar时的炉内压力。出厂时调节为约50mbar；

yk2：压力开关，监测较大炉内压力，出厂时调节为约950mbar；

b1：压力传感器，0～1600mbar，4～20ma。检测炉膛压力；

b2：压力传感器，0～7000mbar，4～20ma。检测进气管气源压力。

（2）冷却控制：工控机和由其控制的冷却控制i/o模板控制了12个（5路风冷、7路风冷+水冷）冷却通道，可任意选择若干个通道工作。对每路冷却通道均提供了“on”、“off”、“auto”三种工作方式和按时间控制、按温度控制两种控制模式。人机界面有冷却画面，可任意开关调整电磁阀的通断。

2.3硬件配置

低压控制系统配置如下：

（1）panel870面板式工控机：piii700以上cpu、40g硬盘、128m内存、12〞液晶显示屏、触摸键盘、带软驱和dvd光驱、usb接口和rj45接口；

（2）板卡：813b a/d板一套、1751di/o板一套、7216继电器板一套（包括odc5或idc5b固态继电器）、785继电器板一套；

（3） s7-300系列plc：cpu模块：cpu314一套，flash eprom内存卡（64k）一个，ps307电源5a一个，sm321输入模块（32点 24v dc）3套，sm322输出模块（16点 24vdc）4套，40针端子3个，20针端子4个，480mm导轨1个。

3 项目评价

（1）控制系统实现对机器运行、液压机械动作、铸造工艺过程、保温炉加热、铸型冷却过程中包括压力、温度、时间、位置在内的工艺参数进行有效控制。系统具有数据保存功能，能够存取、调整和管理铸造参数。

（2）控制精度高，充型、保压阶段压力偏差值≤3mbar，升液阶段压力偏差值≤5mbar，升压阶段压力偏差值≤10mbar。

（3）具有压力自动补偿能力，保温炉内的压力可以根据设定的曲线精确、重复再现，而不受保温炉泄漏、供气管路气压波动和金属液位变动的影响（保温炉严重泄漏除外）。

（4）可根据工艺需要自由设定较多达八段的升压曲线和一段保压曲线。对于炉膛容积≤800l的炉型，较大升压速度可达100mbar/s。

（5）具有友好的人机界面，可以方便的输入各类工艺参数。

（6）具有数据保存及调用功能。每个轮型的铸造工艺参数可以输入并确认后自动保存，以后可以直接从系统中调用。

（7）低压铸造控制系统具有故障自检功能，维修方便。

数据资源

2.2 项目设计

  通过以上指标的分析，我们立项一套适宜的冷凝水资源回收利用系统， 该系统包括两个子系统：

（1）研制冷凝水热能利用子系统，实现冷凝水与洗澡用水之间自动换热，为厂提供合格的洗澡用热水；

       （2）研制蒸汽冷凝水水资源回收利用子系统，将合格的蒸汽冷凝水代替软化水供生产使用。

2.3原理设计

（1）冷凝水回收站屋顶处制作一换热水箱，在换热水箱内制作换热盘管，高压罐内的冷凝水在高压罐内与换热盘管之间循环流动，实现冷凝水与换热水箱内的自来水进行换热，自来水温度达到设定值后，plc控制换热自动停止，同时控制换热水箱的出水管电磁阀自动打开，将达到温度要求的自来水自流到洗澡换热站储水池内，等到水箱内的水降到设定值后，水箱的进水管电磁阀自动打开，同时出水管电磁阀自动关闭。等到水箱内的水达到设定值后，进水电磁阀自动关闭。同时水箱内的水温度降低，plc控制换热自动进行，这样周而复始的循环。洗澡水量满足要求后，整个系统自动停止。

（2）经过上一级子系统降温的冷凝水由水泵输送到采暖换热站储水罐（冬季该水经过采暖系统循环后，又回到储水罐内），经沉淀将储水罐内的水自流引到过滤水池（原锅炉水碴池），再用plc控制水泵将过滤水池内的水抽到凉水塔内进行冷却，冷却到设定温度后，水泵自动停止，冷却后的冷凝水经过一级、二级过滤水池进入凉后储水池，由水泵输送到厂区软化水管网，供厂软化水使用。

若二级过滤储水池的水温度仍然达不到设定上限值，在凉后储水池前段加一pt100温度传感器，将水温度产生的电信号送至plc，plc根据水温度信号的高低控制降温管道电磁阀调节低温软化水进入凉后储水池的量，从而控制凉后储水池冷凝水的温度。

3 自动化系统设计

3.1选型设计

选用成型的凉水系统，厂每天生产产生的冷凝水水量为100吨左右，根据货比三家和高性能价格比的原则，决定选用的型号为gbnl3-100，凉水量为100吨，一次降水温度为15℃的工业型凉水系统。

3.2电气与编程设计

（1）热能利用子系统控制：凉水池和冷凝水站plc都采用的是欧姆龙可编程序控制器，i/o点数都为采用6点输入4点输出点，该系统采用开关量的输入/输出来控制电机的启停、电磁阀的开启、关闭。

（2）冷凝水水资源回收利用子系统plc控制

（3）控制参数调试：水泵7.5kw，对此，我们选用采用三垦shf-7.5k变频器可满足要求pid控制器采用swp-lcd-32段pid可编程序控制仪，通过安装在出水管网上的压力变送器，把出口压力信号变成4-20ma的标准信号送入pid调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上。

4设备调试

安装完毕后对系统进行了运行调试，运行过程中，调试了pid运行参数，完善了plc梯形图和语句表，运行过程中热能利用系统的换热部分温度控制不稳定及水资源回收系统的变频器部分出现故障。

（1）经冷凝水换热的水温度达到要求后，换热系统停止，但是水温度还继续升高，经过现场调查，发现高温罐的闪蒸汽继续对水进行换热。我们在换热系统的回水管上加一气动隔膜阀，由plc控制，换热系统运行，气动隔膜阀打开，换热系统停止，气动隔膜阀关闭，以阻止闪蒸汽进入换热盘管继续换热，经运行这一故障。

（2）变频器在模拟信号控制下频率逐渐上升，但上升至10hz时故障跳闸，显示ocpa同，查阅说明书是加速中短时间过载，改变加速时间无效，我们把其功能码003中v/f图形选择由1：直线图形改为3：平方律降低图形后，频率能够连续上升至28hz时，又显示该故障跳闸。断开电机，单独试验电机正常、模拟信号发生器试验变频器正常，由面板控制电机启动也正常，最后发现水泵为新泵，启动扭距过大引起，更换一水泵后正常。

（3）变频器启动工作，变频器启动工作，紧挨该柜体另外电盘上一电动阀故障指示灯亮，指示错误，经分析故障就是变频器的高次谐波电流通过输出回路电缆向外辐射，传递到信号电缆，引起干扰。液位计信号线及其控制线与变频器的控制线及主回路线分开一定距离，且柜体外信号线穿入钢管敷设，外壳良好接地，故障排除。经过调试，系统运行。