西门子模块6AV2123-2MB03-0AX0型号介绍

西门子模块6AV2123-2MB03-0AX0型号介绍

1997年太钢引进的按国二十辊轧机、冷热不锈带钢退火线、光亮线等新装备，是以扩大不锈钢生产能力。冷轧煤气混合加压站，是太钢不锈带钢退火线的配套设施，有加压机3台，气源为高炉煤气、焦炉煤气。由于生产线工况不稳而造成用量大幅度频繁波动；同时由于气源管网方面的状况较差，高炉煤气压力波动范围3—10kPa，焦炉煤气压力波动范围1．5。6．5kPa；其波动有时频率很快，仅靠仪表调节产生震荡，无法通过人工调节；经常出现长时间的低压，造成混压困难，甚至造成高炉煤气蝶阀关闭、机前负压的险兆。
    太钢于1999年6月采用了西门子SIMATICS7—300PLC、德国UNI公司热值仪、西门子变频技术等进行全过程自动控制改造，实现了混合煤气热值、加压机后压力双稳定的目标，确保了不锈钢的正常生产，节能效益非常可观。

1系统概要
    改造后的系统构成复杂，仅调节阀就有九个，此外还要增加变频器，由计算机控制切换调节3台风机转速；增加热值仪，串级调节高焦配比。采用西门子S7—300PLC和研华IPC 610工控机构成DCS系统。S7—300PLC作为下位机来实现所有信号的采集、运算、调节，其特点是：模块化、无排风结构、易于实现分散、运行、。CP5611卡为S7—300PLC与工控机的通讯接口卡，具有RS485接口和87．5kbps的通信速率，传输距离可达50m，使用中继器可达9100m。

2控制原理
    本系统含四个调节回路：
    2．1热值调节
    热值是用户气源的主要质量指标之一。
    冷轧煤气7昆合加压站以高炉煤气为主气，它不可控制，取决于用户用量；焦炉煤气为辅气，要求控制其两道阀门，使高、焦配比约4：1。
    2．1．1“高焦限幅”辅热值
    本回路为一串级、交叉限幅调节系统。以热值调节为主环，焦炉煤气流量调节为副环，加入了高焦煤气流量单交叉限幅。焦炉煤气流量的设定值不单单取决于热值调节器输出信号，而且受到高炉煤气流量的瞬时值的限制，即按高、焦理论配比值求出应配焦炉煤气流量值，乘以1．05和0．95作为输出信号的上、下限幅值。
    该控制思想一则使焦炉煤气流量调节器的调节量不至于过大，从而使高焦配比值在小范围内波动；二则使主环调节器不至于产生调节饱和，加快了滞后较大的主环的动态响应，改善了系统的调节品质。
    对热值仪信号故障也有保护性，在实际的运行中，我们发现工人有时忘记了给热值仪过滤器排水，使煤气人口压力太低，燃烧不够，造成仪表信号显示偏低很多，即使焦炉煤气阀开到大，也不可能把热值调至“正常”，但此时热值调节器输出信号受到高炉煤气流量的交叉限幅，故在此三个信号中，终以上限值为焦炉煤气流量调节器的设定值，从而使焦炉煤气流量调节阀被约束在了一定的阀位，终使混合煤气热值波动稳定在一定范围内。
    2．1．2“双阀同控”避“瓶颈”
    原设计一阀自动、另一阀手动，实际上两阀都在手动方式，因而常常顾此失彼，致使南、北阀位相差太大；若采用两路单的调节器，二阀阀位加混乱，当系统工况变化较大时，其中一阀就会成为调节的“瓶颈”；若采用双调节器进行调节，二阀各自进行动作，虽能使系统在某一阀位组合状态下稳定，但有可能造成二阀阀位相差太大，同样可导致“瓶颈”的现象。
    对此采用单台调节器串调双阀的控制方案，即在计算机中设置一台软调节器，其输出信号给到2台手操器，同时带动2台电动蝶阀。为防止二阀同时动作造成调，将2台手操器内的死区设置的有所差别，当调节器输出要求的阀位信号与实际阀位反馈信号出现偏差时，死区小的手操器（电动调节阀）动作，若偏差不大

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时，就能纠正过来；当调节量不够时，偏差增大，死区大的手操器（电动调节阀）也动作，加大调节力度，使系统回到稳定状态上。当系统出现较大偏差时，常会出现同时出二者死区范围的现象，则二阀一同动作，使偏差减小到一定范围，此时大死区的电动调节阀停止动作，剩余的小偏差靠死区小的调节阀来进一步精调到位。
    2．2混压调节
    混压调节在实际中既影响热值、又影响加压机后压力。所以，混压调节不好，则热值调节、加压机后压力调节都无从谈起。本回路为一串级随动调节系统，在控制回路中建立数学模型，煤气混合压力的设定值随着高、焦气源的压力波动而自动计算设定，同时又加以上下限幅，使工艺操作变得加合理。从热值的稳定方面来看，机前混压能够随高、焦煤气压力波动而适时适度地调整，保证了焦炉煤气能够按所需的量顺利配人；从加压机后压力的稳定方面来看，机前压力变化范围不至于太宽，减少了对加压机后出口压力调节的干扰。
    混压调节就是控制高炉煤气的两道阀门。为了避免“瓶颈”，同样如上所述，也采用了一台软调节器控制2台电动调节阀的方式，减少对机后出口压力调节的干扰。
    2．3加压机后压力（变频）调节
    加压机后压力是用户气源的主要质量指标之一，本回路为一定值单回路调节系统。其设定值为3．5kPa，当加压机后出口压力升高／降低时，增大／减小变频器的输出频率。从而改变加压机的转速，以“变”求“稳”。在计算机和变频器上都设置了运行频率，从而保出口压不至于太低，也保证了自带油泵能够给出足够的油压油量，以免烧坏轴瓦。这两个频率运行下限是保证加压机设备、用户正常生产的两道防线。
    2．4加压机后压力（泄放）调节
    这是加压机后压力调节的另一手段。本回路为一定值单回路调节系统，其设定值为14kPa，当加压机后出口压力升高／降低时，增大／减小泄压阀的开度，以“泄”求“稳”。
    2．4．1变频、泄放“双管齐下”稳压力
    通常，泄放调节器的设定值变频调节器的设定值，一般情况下，变频器负责系统全部的调节，而泄放阀处于关闭的“休闲”状态。当用户突然大减量，造成出口压骤然升高，变频的调节速度不足以使出口压降下来时（即出口压过14kPa），泄放回路立即参与调节。泄放回路比例带、积分时间都设得很小，因而，动作很快，与变频“双管齐下”，可使压力降下来，保证了用户气源压力稳定，避免了以前类似情况下加压机进入喘振的可能，了设备。在调节过程中，绝不会出现既保持加压机转速较高，又使泄放开启一定高度的“稳定平衡”状态。
    综上所述，本系统在控制思想和软件编制上有如下的特点：
    （1）小偏差小动作、大偏差大动作，既加决了响应速度，又提高了调节精度。
    （2）两阀在调节过程中，”不会造成“瓶颈”现象。阀位死区大的南阀阀位“阶段”性地跟踪死区小的北阀阀位。当偏差产生时，北阀“有错必纠”，南阀对北阀在调节中所累计的阀位变化不会坐视不管，而是“该出手时就出手”，大力度地“调一把”（当北阀阀位调到一定开度时效果就不显著了，此时取决于南阀的开度）。
    （3）死机情况下、变频器仍然能保证运行。无论主机从机中任一掉电，或二者都掉电，变频器都运行在其保护下限频率上，加压机不会停机，保证了用户的正常生产。
    （4）简单易“倒机”。通过软件的巧妙设计，使加压机的切换变得非常简单：将变频器输出频率下调为零、此时原运行的加压机处于停止状态，电流很小，可拉掉其开关，并马上再合上另一台备用加压机的开关，因变频器末停，3—4分钟即可调频加速到工作状态。当然二者切换期间，需关照冷轧关小烧嘴。
    控制系统在WIN98环境下运行，组态软件为STEP7V5．0及Kingview5．0。系统利用组态软件Kingview5．0的驱动程序与下位S7—300PLC进行数据通讯，包括数据采集和发送数据／指令；下位S7·300PLC则通过MPI卡与上位计算机交换数据，每一个驱动程序都是一个公共对象，这种方式使通讯程序和组态软件构成一个完整的系统，保证了系统率地运行。

3系统画面
    系统画面分为两大类：操作员画面、工程师画面。
    操作员画面：向操作人员了各种数据、曲线、功能键，显示内容丰富鲜明、操作简捷。
    工程师画面：工程师在调节中进行参数修改和设定的重要环境，也是自控系统的。

4结束语
    该系统自投运以来，在生产正常的情况下，热值稳定在6．0左右，压力稳定在13．5kPa左右，满足了用户的要求，同时变频运行于30—40Hz左右，泄放阀一般处于关闭的状态，大大减少了泄放煤气量和净焦煤气量，达到了预期的生产、提高产品质量、节能降耗的目的。

  XJ-2000轮胎胎面压出设备是集橡胶胎面复合挤出、冷却、裁断于一身的大型生产线，由于该设备只能对胎面进行人工量长、手动切割，劳动强度大、工作效率低，我们决定对其进行技术改造，增加定长自动切割功能。改造后的控制系统采用P L C 和交流变频调速技术相结合的控制方式，具体叙述如下。  

1 裁断系统的动作过程  

    胎面裁断系统结构简图如图1 所示。  

    冷却后的胎面经贮存槽进入皮带运输机，当胎面贮存到一定程度时，光电开关1 J 动作、电机6 M 启动运行，同时直接装在6 M 后轴上的旋转编码器开始脉冲计数，电机6 M 经减速箱带动链条传动，链条又带动辊筒转动，后辊筒拖动皮带向前行进；通过8 4 2 1 码设定胎面的长度，当胎面长度达到预设值时，运输带经减速后停止运行。此时压胎面装置向下压紧胎，丝杆从初始端带动架快速向另一端行进并裁切胎面，在裁切胎面的过程中，喷水电磁阀动作并向切喷水；切割完毕后，压胎面装置升起、架抬起；丝杠带动切架退回到初始位置并停止运行、喷水电磁阀停止喷水，同时切架压下，一切恢复到初始状态，以便再次启动。在整个裁切过程中，由于前级运输带的连续运行，在裁断运输带停止运行和切胎面过程中，贮存槽的胎面已慢慢增多，当贮存槽的胎面增至引起光电开关1 J 动作时，电机6 M 又重新启动运行，从而反复地自动裁切胎面。若胎面增加到使光电开关2 J 、3 J 动作时，运输带会不同程度地加速运行。  

2 控制变量的确定  

  该控制系统包括运输带与胎面裁切前速度配合、各电机拖动电路、胎面运输带的运行控制、胎面长度预置与控制、丝杠与架动作控制、切喷水控制、压胎面装置控制及加速运输控制，但其关键是胎面长度的控制，那么胎面长度与哪些因素相关呢？ 在系统示意图（图1 ）中，定：电机6 M 运转的角速度为ω，电机6 M 所连减速箱的齿轮减速比为z ，减速箱输出轴的半径为r1，滚筒与链条传动端轴半径为r2，滚筒的半径为r3。又设：某种规格胎面的长度为L ，光电编码器每转一圈的脉冲个数为g 。  

那么，可以推导出一条胎面全部经过后，光电编码器脉冲总个数A 的关系式，A = L z r2g /（2 π r1r3）。一旦设备和光电编码器选定好后，z、r1、r2、r3、g 都是常数，设zr2g ／（2 π r1r3）= k 则有A = k L ，把胎面长度L 看作一个自变量x ，那么脉冲总个数A 随胎面长度的变化可用函数关系式f （x ）= k x 来表示。　 

从上式中可以看出，光电编码器的脉冲总个数与胎面长度成正比关系，即脉冲总个数只随胎面长度变化而变化，而与运输带的速度无关。因此就可以通过光电编码器的脉冲个数来实现胎面的长度控制。  

3 主要元件的选取  

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（1 ）可编程控制器：选择可编程控制器应考虑P L C 的类型、输入输出开关量、C P U 处理速度及输出接口电路的输出形式。该系统P L C输入量包括光电编码器计数；运输带与前级运输速度配合的1 J 、2 J 、3 J 光电开关信号；架限位的4 J ～ 7 J 接近开关信号；丝杠、裁、运输带、加速辊电源接点信号；各电机过载保护动作信号；胎面长度预置信号及系统启动、停止功能信号共4 0 个。输出量包括压胎面、喷水、架起落3 个电磁阀线圈动作信号（见图2 ）；各电机启动运行信号和指示信号；P L C 与变频器联络信号共2 5 个。考虑到P L C 输出需接电磁阀和接触器线圈，要求大电流输出，宜选择继电器输出型 。   

    （2 ）交流变频调速器：变频调速器的选择应考虑它的控制方式、输入输出信号接线方式及变频器的输入输出电压。在这里选择三肯M F - 5 . 5 K 变频器。  

    （3 ）电机：该系统有6 台交流异步电机，丝杠采用YEJ90L-4 1.5kW 电磁制动电机；运输带选用YVP132S-4 5.5kW 交流变频电机；裁电机4M 选用Y 1 0 0 L2- 4 3 k W；该系统中加速辊筒与前级辊筒尺寸相同、加速辊电机减速比与运输带电机减速比相同，由于运输带采用变频调速器，所以加速辊电机5 M 选用Y 1 3 2 M -4 5 . 5 k W 就可使加速辊运输带的速度大于前级切运输带的速度。  

（4 ）光电编码器、光电开关及接近开关：光电编码器将电机转速转化为脉冲信号在P L C 内进行计数，该编码器选用L E C - 6 B M - G 2 4 V 。1 J ～ 3 J 光电开关安装于切运输带与前级胎面运输带后端的贮存槽内，胎面在两条运输带之间的贮存量使光电开关相应动作，从而通过P L C 使切运输带相应地改变速度，这里选E3J-R4M1光电开关共3 套。接近开关4 J ～ 7 J 装于切架上，用于架抬起和放下裁切胎面、返回及停止的限位，选用TL-2E-X10E1共4 个，感应有效距离为1 0 m m 。光电编码器、光电开关及接近开关的工作电压均为D C 2 4 V 。  

（5 ）电磁阀：本控制系统有3 个电磁阀，压胎面电磁阀1 D F 的作用是胎面长度达到预设值且切运输带停下后，使压胎面装置下落压住胎面以便切切割；切喷水电磁阀2 D F 是裁在切割胎面过程中对裁进行喷水；架运动电磁阀3 D F 使架抬起和放下。1 D F 、2 D F 选用DF1-1 AC220V；3DF 采用QZ23JD2-L 双控电磁阀，A C 2 2 0 V 。  

（ 6 ）接触器及热继电器： 该系统中2 Q S～5QS 断路器选用西门子3VU1640、380V 系列；1 K M ～ 5 K M 接触器和继电器分别选择西门子3TF3110、3TF4322、3TF4622，线圈电压为220V系列；该设计中的1 F R ～ 5 F R 共5 个热继电器采用西门子3 U A 5 2 0 0 及3 U A 5 2 4 0 系列。  

0　引言

    供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无调速技术，它以其特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了加深入的应用。恒压供水方式技术、水压恒定、操作方便、运行、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能：（1）维持水压恒定；（2）控制系统可手动/自动运行；（3）多台泵自动切换运行；（4）系统睡眠与唤醒。当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒；（5）在线调整PID参数；（6）泵组及线路保护检测报警，信号显示等。

    将管网的实际压力经反馈后与给定压力进行比较，当管网压力不足时，变频器增大输出频率，水泵 转速加快，供水量增加，迫使管网压力上升。反之水泵转速减慢，供水量减小，管网压力下降，保持恒压供水。

1　系统硬件构成

    系统采用压力传感器、PLC和变频器作为控制装置，实现所需功能。

    安装在管网干线上的压力传感器，用于检测管网的水压，将压力转化为4～20 mA的电流信号，提供给PLC与变频器。

    变频器是水泵电机的控制设备，能按照水压恒定需要将0～50 Hz的频率信号供给水泵电机，调整其转速。ACS变频器功能强大，预置了多种应用宏，即预先编置好的参数集，应用宏将使用过程中所需设定的参数数量减小到小，参数的缺省值依应用宏的选择而不同。系统采用PID控制的应用宏，进行闭环控制。该宏提供了6个输入信号：启动/停止（DI1、DI5）、模拟量给定（AI1）、实际值（AI2）、控制方式选择（DI2）、恒速（DI3）、允许运行（DI4）；3个输出信号：模拟输出（频率）、继电器输出1（故障）、继电器输出2（运行）；DIP开关选择输入0～10 V电压值或0～20 mA电流值（系统采用电流值）。变频器根据给定值AI1和实际值AI2，即根据恒压时对应的电压设定值与从压力传感器获得的反馈电流信号，利用PID控制宏自动调节，改变频率输出值来调节所控制的水泵电机转速，以保管网压力恒定要求。

    电机转速外，还要通过增减运行泵的台数来维持水压恒定，当运行泵满工频抽水仍达不到恒压要求时，要

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投入下一台泵运行。反之，当变频器输出频率降至小，压力仍过高时，要切除一台运行泵。所以不仅需要开关量控制，还需数据处理能力，采用FX－4AD（4模拟量入）获得模拟量信号。它在应用上的一个重要特征就是由PLC自动采样，随时将模拟量转换为数字量，放在数据寄存器中，由数据处理指令调用，并将计算结果随时放在的数据接触器中。通过其可将压力传感器电流信号和变频器输出频率信号转换为数字量，提供给PLC[1>，与恒压对应电流值、频率上限、频率下限（考虑到水泵电机在低速运行时危险，保证其频率不20Hz，因此频率上限设为工频50Hz，下限设为20Hz）进行比较，实现泵的切换与转速的变化。

    系统在设计时应使水泵在变频器和工频电网之间的切换过程尽可能，以保证供水的连续性，水压波动尽可能小，从而提高供水质量。但元件动作过程太快，会有回流损坏变频器。为了防止故障的发生，硬件上设置闭锁保护，即1Q与4Q，2Q与5Q，3Q与6Q不能同时闭合。

2　系统软件设计

    控制系统软件是指用梯形图语言编制的对3台泵进行控制的程序。它对3台泵的控制，主要解决 系统的手动及自动切换、各元件和参数的初始化、信号及通讯数据的预处理、3台泵的启动、切换及停止的条件、顺序、过程等问题。

    当变频器输出频率达到频率上限，供水压力未达到预设值时，发出加泵信号，投入下1台泵供水。当供水压力达到预设值，变频器输出频率降到频率下，发出减泵信号，切除在工频运行方式中的1台泵。系统刚启动时，情况简单，启动一号泵即可。但考虑3台泵联合运行时情况复杂，任1台或2台泵可能正在工频自动方式下运行，而其他泵则可能在变频器控制下运行，因此预先设定增减水泵的顺序。即获得加泵信号后，按照1号泵、2号泵、3号泵的顺序考虑。获得减泵信号后，按照3号泵、2号泵、1号泵的顺序考虑。

    为了防止故障的发生，软件上也设置保护程序，保证1Q与4Q、2Q与5Q、3Q与6Q不能同时闭合。在加减泵时设置元件动作顺序及延时，防止误动作发生。

    考虑到系统工作环境对运行状态的影响，在设计中采用硬件、软件上的双重滤波来干扰的影响。硬件上变频器提供了滤波时间常数，当模拟输入信号变化时，63％的变化发生在所定义的时间常数中；软件上采用数字滤波的方式，系统采用平均值的方法[2>。

    计算近10次采样的平均值，其计算公式如下：

3　系统参数的确定

    系统变频运行主要靠变频器来实现。变频器有一数量很大的参数群，初始情况下，只有所谓的基本参数可以看到。只需设定简单的几个参数，变频器就可以工作。

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    除基本参数外，还对完整参数进行设定。

    完整参数的设定主要是PID参数的整定，它是按照工艺对控制性能的要求，决定调节器的参数Kp，TI，TD。控制表达式为：

    变频器根据偏差调节PID的参数，当运行参数远离目标参数时，调节幅度加快，随着偏差的逐步接近，跟踪的幅度逐渐减小，近似相等时，系统达到一个动态平衡，维持系统的恒压稳定状态[3、4>。

4　试验结果

    由于系统的显示和通讯功能，可以对系统工作情况进行监测。考虑到管网覆盖面积大，泵站海拔高度相对低，远端供水压力需维持3kg，因此泵站出水口压力维持5kg。试验条件为管网初始无压 力，电磁阀控制一定量相同用水情况下启动系统。获得的数据经MATLAB进行插值拟合可得系统在不同条件下跟踪压力变化的曲线[5>。

    试验记录的数据显示，系统在未进行滤波和PID控制时，响应速度特别慢、误差大、振荡严重，见图5。在未进行滤波而引入数字PID控制时，响应速度明显加快，但振荡问题未能得到解决，这是由于喘振现象的存在；当管道压力与设定值近似相当时，水锤效应影响明显，压力波动异常，PID的参数跟踪整定，形成恶性循环，管道中空气的存在也会导致振荡问题。

    该系统是按照工业生产需求设计的，实现了预定的一系列功能，保证了系统的稳定和性，在长时间运行中了良好的效果。只需作相应修改就可推广到相关供水系统中。

    随着PLC技术的发展，其功能越来越多，集成度越来越高，网络功能越来越强，PLC与上位PC机联网形成的PLC及其网络技术广泛地应用到工业自动化控制之中，PLC集三电与一体，具有良好的控制精度和高性，使得PLC成为现代工业自动化的支柱。PLC的生产厂家和型号、种类繁多，不同型号自成体系有不同的程序语言和使用方法，本文拟就用日本立石公司生产的OMRON C20p型PLC，设计几个PLC在三相异步电机控制中的应用，与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、性高、灵活性强等优点，可作为高校学生学习PLC的控制技术的参考，也可作为工业电机的自动控制电路。

2 PLC在电机控制中的应用

2.1三相异步电机的正反转控制
  要求当按下正转按钮，电机连续正转，此时反转按钮不起作用（互锁），按下停止按钮电机断开电源，按下反转按钮电机连续反转，正转不起作用。图1所示为三相异步电机的正反转控制原理图。

2.2三相异步电机的Y—△启动
  要求起动时电机接成Y型，经过一段时间自动转化为△形运行，要求Y形断开后△形才能启动，防止Y形未断△形启动造成电源短路。图2所示是三相异步电机Y—△启动控制原理图。

2.3三相异步电机时间控制
  要求1台电动机M1启动5 s后，2台电动机M2自动启动，只有当2台M2停止后，经过5 s延时，M1自动停止。图3所示是三相异步电机时间控制原理图。

3 程序的写入与运行

  将PLC联上编程器并接通电源后，PLC电源指示灯亮，将编程器开关打到“PROGRAM”位置，这时PLC处于编程状态。编程器显示PASSWORD！这时依次按Clr键和Montr键，直至屏幕显示地址号0000，这时即可输入程序。

    在输入程序前，需存储器中内容，依次按Clr、Play/Set， Not，Rec/Reset和Montr键，即将全部程序。按照以上3种控制的梯形图或程序指令将3种控制程序写入PLC，当上述3部分程序输入到PLC机中后，用上下方向键读出所写程序，如程序有错，可用插入指令和删除指令修改程序。

    程序输入正确后，分别按图1（a）和（c）连接PLC外部接线及主回路线路实现电机正反转控制，按图2（a）和（c）连接线路实现电机Y—△启动，按图3（a）和（c）连接线路实现电机的时间控制。此设计可以一次性把3种控制电路的程序全部输入，同时控制3种电路，运行时，按下SBF，SBR电机正反转启动，按下SB1，SB2控制电机Y—△启动，按下SB3，SB4电机顺序启动，互不干扰，事半功倍，实现了一台PLC同时控制多种电路形式。