西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8量大从优

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我国水泥工业和其他流程工业一样，未来的十年将面临着市场和能源；清洁生产和环境保护；和规范；负责和协调的挑战。节能、环保、安全、是每一水泥集团必须要面对的课题，而自动化技术和这四大目标又是紧密相连，本文将就当今自动化领域内和水泥行业有关的较新发展趋势做一简述，以便为我国水泥工业发展，搭建更为广阔的交流和沟通的平台。

一、信息技术推动自动化

以信息技术改造水泥行业，以信息化推进自动化，自动化再促使节能、环保、安全、四大目标的实现，已成为业界的共识。在当今自动化领域内，从工艺现场层到工厂（集团）管理层可经由以太网，基本实现信息的畅通无缝流通，所谓的“现代集成生产工艺”是将信息技术、网络技术和现代新工艺相结合，并应用于企业产品生命周期的各个阶段，通过信息的无缝集成、过程优化和资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成，以缩短企业新产品的开发周期（T）、提高质量（Q）、降（C）、改进服务（S）和改善环境（E），从而提升企业的市场的应变能力和竞争能力，与此想适应开发出一系列管理层软件，如ERP、MRP、MIS、PES等，并越来越显示其巨大的经济效益。

国内一些大水泥集团在当前竞争不断加剧的压力下，也紧跟这股信息化的潮流，推进自动化的发展，如国内某水泥集团近几年来，在新建的水泥生产线做自动化控制系统配置时，在现场级和过程控制级（PCS）的上端，还增加了制造执行系统（MES ）层，并正在策划和运作ERP，即企业资源规划和管理层，它包括有生产管理系统、质量控制系统、采购管理系统、仓库管理系统、销售子系统、设备管理系统、财务管理系统、办公自动化管理系统和综合管理子系统等。在水泥市场供大于求，竞争激烈的形势下，由于该集团初步实现了MES的运营，集团化管理的控制力和执行力明显提高，精细化运行方式使得物流成本和原材料成本得到控制，实现了综合效益的大幅增长，净利润比去年同期增加了12.76%。笔者认为该集团的MES运营还是初期的，要把生产调度和企业**的决策统一成为真正的企业管理级（ERP）还需要进一步开发。

现今计算机技术、网络技术和先进的控制技术相结合，已不再停留在理论和实验阶段如模型预测、神经元和神经网络、模糊控制、多变量控制。自适应和自寻优等先进控制算法已进入实践并用于DCS、PLC等控制器中，而且这种趋势在加快。在水泥工业用于窑和磨的模糊控制、多变量控制以及专家系统早在上世纪就有应用，但这些大多是由水泥设备供应商自行开发的如FLS、KHD等，他们提供的仅是独立的软件，和系统几乎没有任何联系。而现在是控制系统的供应商已将先进控制算法用于DCS和PLC等控制器中，如Siemens公司专门为水泥工业开发的CEMAT集成化标准软件，它具有水泥工厂过程控制优化的功能块，还包括窑的煅烧和磨的负荷优化控制，该软件包并集成于Siemens公司的过程控制系统PCS7中；ABB公司的Optimize IT优化专家则集成于Industry IT中，它通过集成大量已验证的先进控制技术及广泛的专家知识库，如模糊逻辑、控制模型、神经元和模糊控制等，来对水泥生产过程进行控制及实施优化决策管理。

IT技术与自动化结合另一热点是公共数据库、局域网、互联网、无线技术等渗透控制系统使控制系统扁平化，实现了跨平台，跨地区的控制。西门子公司全集成自动化TIA的自动化新理念，Schneider公司推出的“协同自动化Collaborate Automation”，“Transparent Ready”,“Unity 自动化平台”新概念；以及Rockwell提出的全集成的EtherNet/IP等，这些自动化新理念使得自动化控制系统更完整，也更完美。

二、自动化技术的互补与渗透

DCS，PLC，IPC是自动控制领域的三大支柱，它们之间竞争激烈，但又取长补短和相互渗透，相互融合，因而形成了具有混合控制策略的PLC/DCS混合系统HCS，某咨询集团把其称之为PAC。水泥行业作为较典型的流程工业决定了其开关量逻辑控制的主导地位，同时模拟量的处理多为简单的显示和给定，控制回路基本上为并不复杂的单回路调节，这些特点适合于HCS的应用。目前市场以PLC为主导地位的Siemens、Schneider、Rockwell等公司纷纷推出的具有混合控制策略的PLC/DCS混合系统HCS，如Siemens的PCS7, ABB的AC800F，800M, Schneider的Modicon Quantum, Rockwell的ControlLogix等，已作为主导产品在水泥行业推广，并已取得不俗的业绩。

混合系统HCS的主要特点是：构建一个公共的、集成的开发环境，提供通用开发平台、共用标签和单一数据库，以满足多领域自动化系统设计和集成的需要；

同时它采用了可自由组合的模块化的硬件架构，减少系统升级带来的开销。它支持IEC61158等现场总线国际标准以实现高度分散的自动化环境，也支持事实上的工业以太网标准，可方便地和上一级的ERP、MIS、MES集成。有些水泥厂控制系统采用了Siemens的PCS7，就感到比西门子公司原有的PLC和step7的系统前进了一大步，主要就是开发环境的完善，并能方便实现集团的MIS和MES集成，这对于做系统工程的设计院和系统集成商是至关重要的。

三、自动化系统更注重功能和信息安全

安全生产越来越引起人们的关注，人的生命高于一切，已成为衡量现代工业的重要指标，对于安全事故多发的我国，意义更为重要。自动化控制系统主要考虑的安全有：电气安全、防爆安全、信息安全和功能安全。信息安全是指由于信息泄密、入侵等系统的安全性；功能安全是指控制系统所执行的安全功能失效引起的可能危险。目前已相继出台的国际标准有IEC61508—电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全标准，IEC61511—关于过程工业领域安全仪表系统的功能安全标准，一般以整体安全等级SIL来评估风险程度，共有4级，安全等级SIL越高，风险就越低。

水泥行业已大多采用新型水泥干法工艺，它是连续性很强的工艺过程，并已实现了计算机系统的顺序和连锁控制，笔者认为新型干法工艺其安全等级是较高的。要进一步提高整体安全等级必须增强故障诊断环节；人机操作界面要便于故障的监测；对生产规模越大的生产线，如日产万吨熟料的生产线系统配置要提高冗余度，另外信息安全也必须高度关注，要特别增强煤磨车间的防爆安全等级，对于设置低温余热发电的企业，整体安全等级SIL要高于一般企业。

在自动化领域内现今纷纷出台了相应的标准产品，如Siemens的故障安全容错S7F/FH系统，Rockwell的Gruard PLC等，有的公司则配置专用的安全模块和相应的组态软件，并由被动的维护、诊断发展到预防性安全措施，与此相适应还出台了许多安全协议，如PROFIsafe、CIPsafety等。

四、控制系统由集中向分散化发展

智能化分布式I/O是将某一部分I/O组成一个有自治能力的节点，其本身带有处理器，独立完成某一部分的控制。由于组合在一个框架内，它可直接安装在现场，甚至空间十分有限的地方，但它同时又可链接到*计算机，从而将控制系统从传统的三层结构简化为二层结构。许多有名的PLC厂商大都推出了分布式I/O，如Siemens的ET200系列，Rockwell的Flex ArmorI/O, Wago的WAGO-SPEED WAY 767等高速智能I/O。

智能化分布式I/O将使水泥生产线的系统配置可更趋扁平化，原设置的远程I/O场合，如矿山、预配料站等可用智能化分布式I/O替代，以节省I/O安装电缆和控制系统整体的开销。

五、无线通讯技术进一步渗透控制领域

无线通讯技术作为有线控制系统的补充，正方兴未艾地用于工业自动化系统中，也是工业自动化产品一个新增长点，运行于2.4GHz 1SM波段的跳频扩频（FHSS）无线传输技术具有优良的抗干扰性和高可靠性，无线局域网和无线网状网络扩大了无线传输的覆盖范围。无线通讯的数据安全性是人们所关心的，但可以通过加安全密码和加密密码等一系列措施来确保数据的安全传输。据悉HART基金会将在近期推出HART无线通讯新协议。

无线通讯技术现在汽车、石化、水处理等行业有较多应用，在水泥行业，有的大集团局部辅助流程也采用了无线技术，如冀东水泥集团在循环水泵站已采用了无线控制，浙江有些水泥厂采用无线控制装卸散装水泥船等，考虑到有些水泥厂占有的物理空间很大，有些工艺测量的位置难于安装，而有些工艺测量点环境十分恶劣，用传统的硬连线安装器件成本又过高，如果改用无线通讯能够节约能源，减少配线和维护费用。

在无线通讯领域内有许多供应商，如Siemens的SCALANCE W，它是无线局域网产品系列，可用于移动设备之间的通讯，也可实现移动设备与固定网络之间的通讯；菲尼克斯公司（Phoenix）的产品采用无线通讯技术有蓝牙，局域网和Trusted wireless(信托无线)等，也有许多中国公司在开发相应的产品。

六、人机界面更趋人性化

人机界面已全系列化，包括手持式、面板式、台式和PC机式。今后的人机界面已不仅仅局限于SA以及编程、监控和诊断等，在工业自动化领域，人机界面可以为操作和管理提供越来越多的信息，功能强大的模块化软件和多客户机/服务器结构，使人机界面成为企业实时生产信息以及商务垂直集成的统一的软件平台，它也是连通到外部世界的媒介。通过驱动器或OPC来驱动各种I/O模块，总之人机界面已演变为一个完整的系统。某水泥集团MES的运营，集团化管理的控制主要依靠是多种人机界面，通过OPC实现了集团内各个水泥生产线之间的信息交换，也实现了主控系统和各子控制系统的互连，如生料质量控制系统等。

七、变频器性能更加扩展

变频器的应用领域已从常规的风机、泵类等拓展到输送、喂料机械等，在行业应用面上也越来越广，因而其功能也进一步提升并多样化，一方面是全数字化、功能齐全、能够补偿负荷变化的自适应、调谐技术，特别是分布式具有通信、联网功能和集成PLC的高端变频器。另一方面是简易或专用的变频器以及机电一体化的变频器。就开展控制技术而言，DTC直接转矩控制、无传感器矢量控制是发展方向。目前速度响应约为2ms，电流响应能达到 0.1到0.5ms。速度调节的发展趋势是提高速度的控制精度，一般在闭环时，对应于全范围，调速比为1:100或更高时，速度控制精度高达0.05%。另外变频器性能在低速时的过载能力，稳定的、四象限运行能力以及一机驱动多台电机的负荷平衡等方面也有所增强。

在水泥行业为实施节能降耗，在风机、泵类、输送设备、喂料机械等已广泛应用，如何在低速时经受较大的过载转矩，提高中压变频器的性价比是对制造商提出的课题。Siemens公司推出罗宾康中压变频器作为中压变频器的可以选择方案将有助于性价比的提高。

除上述领域外，在自动化界特别引起关注的，还有射频识别技术（RFID）的突起，它促使机器视觉及其系统的迅速发展；和视觉系统连在一体的是运动控制系统，它更趋高度智能化，这对于有上百台驱动器的制造业，为提高生产效率，降低运行成本是较为有利的。另一热点是工业以太网的突破性发展，使工业控制的三层网络更能无缝连接，并能与IT世界相通。自动化技术的发展将使我们能尽快实现节能、环保、安全、这四大目标。

自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是分散安装在生产现场的各单机设备上，虽然它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，但PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置，在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，故具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行稳定性和较高的可靠性，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用，但是由于它直接和现场的I/O设备相连，外来干扰很容电源线 或I/O传输线侵入，从而引起控制系统的误动作。PLC受到的干扰可分为外部干扰和内部干扰。在实际的生产环境下，外部干扰是随机的，与系统结构无关，且干扰源是无法的，只能针对具体情况加以限制;内部干扰与系统结构有关，主要通过系统内交流主电路，模拟量输入信号等引起，可合理设计系统线路来削弱和抑制内部干扰和防止外部干扰。对于PLC抗干扰性许多国产品牌也做了很大努力例如信捷、深圳奥越信、和利时等等，总之要提高PLC控制系统的可靠性，就要从多方面提高系统的抗干扰能力。
一、　分析硬件电路，提出硬件抗干扰措施
1、PLC控制系统的安装和使用环境
PLC是专为工业控制设计的，一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。但是在PLC控制系统中，如果环境过于恶劣，或安装使用不当，会降低系统的可靠性。PLC使用环境温度通常在0℃ ～55℃范围内，应避免太阳光直接照射，安装位置应远离发热量大的器件，同时应保证有足够大的散热空间和通风条件。环境湿度一般应小于85%，以保证PLC有良好的绝缘。在含有腐蚀性气体、浓雾或粉尘的场合，需将PLC封闭安装。此外，如果PLC安装位置有强烈的振动源，系统的可靠性也会降低，所以应采取相应的减振措施。
2 、PLC的电源与接地
PLC本身的抗干扰能力一般都很强。通常，只能将PLC的电源与系统的动力设备电源分开配线，对于电源线来的干扰，一般都有足够强的抑制能力。但是，如果遇上特殊情况，电源干扰特别严重，可加接一个带屏蔽层的隔离变压器以减少设备与地之间的干扰，提高系统的可靠性。如果一个系统中含有扩展单元，则其电源必须与基本单元共用一个开关控制，也就是说，它们的上电与断电必须同时进行。良好的接地是保证PLC运行的重要条件。为了抑制附加在电源及输入端、输出端的干扰，应给PLC接专用地线，并且接地点要与其它设备分开。若达不到这种要求，也可采用公共接地方式。但是禁止采用串联接地方式，，因为它会使各设备间产生电位差而引入干扰。此外，接地线要足够粗，接地电阻要小，接地点应尽可能靠近PLC 。
接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗干扰的重要措施之一。接地在干扰上起很大的作用。这里的接地是指决定系统电位的地，而不是信号系统归路的接地。在PLC控制系统中有许多悬浮的金属架，它们是惧空中干扰的空中线，需要有决定电位的地线。交流地是PLC控制系统供电所必需的，它通过变压器中心点构成供电两条回路之一。这条回路上的电流、各种谐波电流等是个严重的干扰源。因此交流地线、直流地线、模拟地和数字地等必须分开。数字地和模拟地的共点地较好置悬浮方式。地线各点之间的电位差尽可能小，尽量加粗地线，有条件可采用环形地线。系统地端子(LG)是抗干扰的中性端子，通常不需要接地，可是，当电磁干扰比较严重时，这个端子需与接大地的端子()连接。
3 、PLC的输入、输出设备
输入电路是PLC接受开关量、模拟量等输入信号的端口，其元器件质量的优劣、接线方式及是否牢靠也是影响控制系统可靠性的重要因素。以开关量输入为例，按钮、行程开关的触点接触要保持在良好状态，接线要牢固可靠。机械限位开关是容易产生故障的元件，设计时，应尽量选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。此外，按钮触点的选择也影响到系统的可靠性。在设计电路时，应尽量选用可靠性高的元器件，对于模拟量输入信号来说，常用的有4～20mA、0～20mA直流电流信号;0～5V、0～10V直流电压信号，电源为直流24V。
对于开关量输出来说，PLC的输出有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出三种形式，具体选择哪种形式的输出应根据负载要求来决定，选择不当会使系统可靠性降低，严重时导致系统不能正常工作。如晶闸管输出只能用于交流负载，晶体管输出只能用于直流负载。此外，PLC的输出端子带负载能力是有限的，如果**过了规定的较大限值，必须外接继电器或接触器，才能正常工作。外接继电器、接触器、电磁阀等执行元件的质量，是影响系统可靠性的重要因素。常见的故障有线圈短路、机械故障造成触点不动或接触不良。这一方面可以通过选用高质量的元器件来提高可靠性，另一方面，在对系统可靠性及智能化要求较高的场合，可以根据电路中电流异常的情况对输出单元的一些重点部位进行诊断，当检测到异常信号时，系统按程序自动转入故障处理，从而提高系统工作的可靠性。若PLC输出端子接有感性元件，则应采取相应的保护措施，以保护PLC的输出触点。
为了防止或减少外部配线的干扰，交流输入、输出信号与直流输入、输出应分别使用各自的电缆;对于集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线、必须使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在输入、输出侧悬空，而在控制侧接地
二、　软件抗干扰措施
硬件抗干扰措施的目的是尽可能地切断干扰进入控制系统，但由于干扰存在的随机性，尤其是在工业生产环境下，硬件抗干扰措施并不能将各种干扰完全拒之门外，这时，可以发挥软件的灵活性与硬件措施相结合来提高系统的抗干扰能力。
1、利用""方法对系统的运动状态进行监控
PLC内部具有丰富的软元件，如定时器、计数器、辅助继电器等，利用它们来设计一些程序，可以屏蔽输入元件的误信号，防止输出元件的误动作。在设计应用程序时，可以利用""方法实现对系统各组成部分运行状态的监控。如用PLC控制某一运动部件时，编程时可定义一个定时器作""用，对运动部件的工作状态进行监视。定时器的设定值，为运动部件所需要的较大可能时间。在发出该部件的动作指令时，同时启动""定时器。若运动部件在规定时间内达到*位置，发出一个动作完成信号，使定时器清零，说明监控对象工作正常;否则，说明监控对象工作不正常，发出报警或停止工作信号。
2 、消抖
在振动环境中，行程开关或按钮常常会因为抖动而发出误信号，一般的抖动时间都比较短，针对抖动时间短的特点，可用PLC内部计时器经过一定时间的延时，得到抖动后的可靠有效信号，从而达到抗干扰的目的。
3 、用软件数字滤波的方法提高输入信号的信噪比
为了提高输入信号的信噪比，常采用软件数字滤波来提高有用信号真实性。对于有大幅度随机干扰的系统，采用程序限幅法，即连续采样五次，若某一次采样值远远大于其它几次采样的幅值，那么就舍去之。对于流量、压力、液面、位移等参数，往往会在一定范围内频繁波动，则采用算术平均法。即用n次采样的平均值来代替当前值。一般认为：流量n= 12，压力n=4较合适。对于缓慢变化信号如温度参数，可连续三次采样，选取居中的采样值作为有效信号。对于具有积分器A/D转换来说，采样时间应取工频周期(20ms)的整数倍。实践证明其抑制工频干扰能力**过单纯积分器的效果。