西门子6ES7223-1PL22-0XA8现货充足

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冶金工业过程关键智能执行机构与智能检测仪表
 

冶金工业过程常伴有高温、高压、强腐蚀等特点，很多过程控制所需的物理量不能直接检测或无法连续测量。另外，冶金工业的现场环境往往比较恶劣，从而对检测仪表和执行机构在可靠性等方面提出了较高的要求。正是由于这些原因，冶金工业的执行机构和检测仪表常常具有很高付加值和技术含量，过去国内长期依赖进口，付出了昂贵的代价。经过我国技术人员多年的消化吸收和创新，目前已经开发成功了一批产品，它们符合智能化的潮流，大量使用软测量等**技术，有很高技术付加值，很好的产业化前景。

一、变频器

变频器在工业控制系统中应用非常广泛，交流调速代替直流调速度已经成为历史发展的必然趋势，中国这样一个大国，拥有自己的变频器产业是非常必要的。目前，国内变频器制造厂家大多都已关门，仅存的几家日子也很艰难，国内市场基本被国外的变频器瓜分殆尽。在变频器领域，有以下几个问题需要考虑：

1、中小功率变频器已经产业化，如深圳的华为等，如何使之扩大*，并采用（如直接转矩控制）和新型器件（如IGBT、IGCT等） ，进一步提高性能，加大*，是一个非常重要的问题。

2、采用晶闸管技术的高电压、**大功率变频器的产业化问题，包括：

同步机交交变频供电系统，用于冶金、矿山等工业装备的高性能调速装置（台轧钢、卷扬），传动功率较大5000KW，电压1650V。

同步高压变频供电系统，用于各产业的大功率风机、泵类的变频调速节能，电压可达10KV，功率可达30000KW。

异步机变频调速装置，适用于低压和高压装置异步电动机，广泛应用于各工业部门风机、水泵的调速节能，电压可达10KV，功率可达4000KW。

3、采用IGBT和IGCT等新型变流器件的大功率、高性能变频器的研发和产业化问题。

二、激光板形仪

激光板形仪是轧钢生产中保证产品质量的重要手段，过去该产品全部依赖进口，现已研制开发成功，与国外产品相比的优点是测量模型**，被测带钢出现浪形滑动时对测量无影响；使用可见光小功率半导体激光器，调试方便安全，造价低；系统简单，无光学及机械运动部件，便于维护。其它的性能指标都达到国外同类产品的指标。

三、光电测宽仪、光电测径仪

光电测宽仪和光电测径仪适用于高精度检测许多产品的尺寸，并已成功地用在环境很恶劣的钢生产过程中，早期的产品从投入使用到现在已5年多，运行良好。新一代产品GCK-III投入运行以来各项性能指标都非常稳定，用户反映良好。

四、捆装棒材根数计数器

该设备用于棒材根数的计量，可以方便、精确、快速地测出一束或一捆棒材的根数，凡是排列整齐的具有近似贺形断面的物体都可以用本装置进行数量测量。目前，国内外还没有同类产品，国外的计数手段为光电脉冲方式，误差大，并且需要复杂的机械辅助设备。捆装金属棒材根数计数器的关键特点是有*的自适应能力，光强变化、断面形状变化、背景变化、距离变化等不定因素不会影响到测量精度。可以对生产线不做任何改动，只需一个简单的安装支架，测量速度快，精度高，。

五、料面象仪

料面象仪是在炉**安装具有密闭、透光、耐压、耐高温、防尘的特殊窗口，窗口外用碲化镉等热敏元件所组成的温度检测装置，它对高炉料面进行扫描，并通过计算机进行数据处理，得到料面的温度分布，该仪表的创新点是：1）窗口的设计和制造，既满足了高炉炉**恶劣环境，又满足了测量、透光要求；2）料面温度的测量和标定。

六、燃气热值分析仪

燃气热值仪用于连续高速测量高炉煤气、混合煤气、发生炉煤气、液化气、天然气等各种可燃气体的热值或热值指数，各项技术指标*达到日本横河的“CM6G型气体热量计”、美国Fluid Data公司的Flo-Cal热值仪和德国纳德公司的WI/W型燃气测量单元的技术指标，在灵敏度和稳定性方面**过国外的仪表，尤其是低热值燃气的测量，国产仪表远比上述国外仪表可靠，特别是过滤部分较有*到之处，各项技术指标达到当代水平并多次出口国外。

七、高炉、转炉煤气回析装置

国内技术人员从1983年开始从事煤气回收装置的研究开发，对引进所日本、德国、法国、英国的同类产品进行消化移植，综合各国外厂家产品的技术优点，又根据国内生产过程的特点，设计了*的取样装置和反吹扫装置，增加了气体取样和预处理单元的使用寿命，降低了运行维护工作量和费用，技术指标在国内是与国外的指标相同，在本钢、鞍钢、新抚钢、凌钢等地得到了成功的应用。目前有十多套正在洽谈之中。

八、BTC黑体空腔辐射测温议

“BTC黑体空腔辐射测温仪”是一种新型测温仪表，该产品基于国家自然科学基金项目和研制者的较新理论研究成果，经过八年的技术开发研制而成。采用该系列产品能够实现对加热炉、热风炉等炉温以及钢水温度的连续测量，为炼铁、炼钢、连铸及轧钢过程中实现与温度有关的闭环实时控制提供保。

九、多相流参数智能检测仪

工业过程中存在大量的多相流体，其参数难于直接准确的检测，这方面的仪表我国长期以来依赖进口。多相流参数智能检测仪是由我国科技人员经过二十多年的艰苦攻关，研制成功的一种基于软测量技术的高科技产品。整个测量系统由测量头、数据采集及计算机三部分组成。测量头中包括电容式固相浓度传感器以及压力、温度传感器等。该测量系统采用**的数字信号处理技术，可提供浓度信号、速度信号、瞬时流量及累积流量信号，能形成二维可视图像，用于显示及控制，并能对粉体输送中的故障（如空吹、堵塞等）实现诊断和报警。该装置现成功应用于冶金工业现场，并可在需要多相流检测的其它行业大面积推广

通讯接口

为了实现计算机联网和远程控制，选用MAX232作为系统的串行通讯接口，MAX232内部有两个*相同的电平转换电路，可以把8031串行口输出的TTL电平转换为RS－232标准电平，把其它微机送来的RS－232标准电平转换成TTL电平给8031，实现单片机与其它微机间的通讯。

7、时钟电路

时钟电路主要用来提供采样与控制周期、速度计算时所需要的时间以及日历。文中选用时钟电路DS12887。DS12887内部有114字节的用户非易失性RAM，可用来存入需长期保存的数据。

8、液晶显示单元

为了实现人机对话功能，选用MGLS12832液晶显示模块组成显示电路。采用组态显示方式。通过菜单选择，可分别对阀门、力矩、限位、电机、通讯和参数等信号进行设置或调试。并采用文字和图形相结合的方式，显示直观、清晰。

9、程序出格自恢复电路

为了保证在强干扰下程序出格时系统能够自动地恢复正常，选用MAX705组成程序出格自恢复电路，监视程序运行。如图2—3所示，该电路由MAX705、与非门及微分电路组成。

工作原理为：一旦程序出格，WDO由高变低，由于微分电路的作用，由“与非”门输入引脚2变为高电平，引脚2电平的这种变化使“与非”门输出一个正脉冲，使单片机产生一次复位，复位结束后，又由程序通过P1．0口向MAX705的WDI引脚发正脉冲，使WDO引脚回到高电平，程序出格自恢复电路继续监视程序运行。

三、阀位及速度控制原理

阀位及速度控制原理框图

采用双环控制方案，其中内环为速度环，外环为位置环。速度环主要将当前速度与速度给定发生器送来的设定速度相比较，通过速度调节器改变PWM波发生器载波频率，实现电机的转速调节。速度调节器采用模糊神经网络控制算法。

外环主要根据当前位置速度的设定，通过速度给定发生器向内环提供速度的设定值。由于大流量阀执行机构在运行过程中存在加速、匀速、减速等阶段。各阶段的时间长短、加速度的大小、在何位置开始匀速或减速均与给定位置、当前位置以及运行速度有关。速度给定发生器的工作原理为：通过比较实际阀位与给定阀位，当二者不相等时，以恒定加速度加速，减速点根据当前速度、阀位值、阀位给定值的大小计算得来。

执行机构各阶段运行速度的计算原理

图3—2为执行机构的典型运行速度图，它由若干段变化速率不同的折线组成。将曲线上速率开始发生改变的那一点称为起始段点，相应的时间称为段起始时间，如图3—2中的t（i）（i＝0，1，2，……），相应的速度称为段起始速度，如图3—2所示v（i）（i＝0，1，2，…）。

设*i段速度的变化速率为ki，则有：

式中：Δv为两段点之间的速度变化值，Δv＝vi＋1－vi；Δt为两段之间的时间，Δt＝ti＋1－ti。

显然，当ki＝0时为恒速段，ki＞0时为升速段，ki＜0时为减速段。任意时刻的速度给定值为：

Ts为采样周期。

变化速率ki的取值由给定位置、当前位置以及运行速度的大小确定。

四、关键技术问题的解决

该电动执行机构采用了较新的变频调速技术，电机驱动功率小于5．5kW。用户可根据需要设定力矩特性，根据控制的阀设定速度，速度分多转式、直行程、角行程3种方式。控制系统由阀位给定和阀位反馈信号构成的闭环系统，控制特性视运行方式、速度而定，并具有自动过流保护、过载保护、**压、欠压、过热、缺相、堵转等保护功能。
该执行机构解决的关键性技术问题主要有：

1、阀门柔性开关

柔性开关主要是为了当阀关闭或全开时，保证阀门不卡死与损伤。执行机构内部的微处理器根据测得的变频器输出电压和电流，通过精确计算，得出其输出力矩。一旦输出力矩达到或大于设定的力矩，自动降低速度，以避免阀门内部过度的撞击，从而达到*关闭，实现过力矩保护。

2、阀位的极限位置判断

阀位的极限位置是指全开和全关位置。在传统执行机构中，该位置的检测是通过机械式限位开关获得的。机械式限位开关精度低，在运行中易松动，可靠性差。在文中，电动执行机构极限位置通过检测位置信号的增量获得。其原理是，单片机将本次检测的位置信号与上次检测的信号相比较，如果未发生变化或变化较小，即认为己达到极限位置，立即切断异步电机的供电电源，保证阀门的安全关闭或全开。省去了机械式限位开关，*在调试时对其进行复杂的调整。

3、电机保护的实现

为了防止电机因过热而烧毁，单片机通过温度传感器连续检测电机的实际运行温度，如果温度传感器检测到电机温度过高，自动切断供电电源。温度传感器内置于电机内部。

4、准确定位

传统的电动执行机构在异步电机通电后会很快达到其额定动作速度，当接近停止位置时，电机断电后，由于机械惯性，其阀门不可能立即停下来，会出现不同程度的**程，这一**程通常采用控制电机反向转动来校正。机电一体化的大流量电动执行机构根据当前位置与给定位置的差值以及运行速度的大小**前确定减速点的位置及减速段变化速率ki，使阀门在较低的速度下实现精确的微调和定位。

5、模拟信号的隔离。

对于变频器的直流电压以及输出的三相电压，它们之间的地址不一致，存在着较高的共模电压，为了保证系统的安全性，必须将它们彼此相互隔离。采用LM358和4N25组成了隔离线性放大电路。如图4—1所示，采用±15V和±12V两组独立的正负电源。若运放A的反相端电位由于扰动而正向偏离虚地，则运放A输出端的电位将降低，因而光电耦合器的发光强度将增强，则使其集射较电压减小，较后使运放A反相端的电位降低，回到正常状态。若A的反相端电位负向偏离虚地，也可以重回到正常状态。从而增强了系统的抗干扰性。

五、结束语

该执行机构集微机技术和执行器技术于一体，是一种新型的终端控制单元，其电机是通过内部集成的一体化变频器来控制，因此，同一台智能执行机构可以在一定范围内具有不同的运行速度和关断力矩。该智能执行机构采用了液晶显示技术，它利用内置的液晶显示板，不仅可以显示阀门的开、关状态和正常运行时阀门的开度，还可以通过菜单选择运行参数设定，当系统出现故障时，能显示出故障信息。总之，该执行机构集测量、决断、执行3种功能于一体，顺应了电动执行机构的发展趋势，它的研制成功给电动执行机构的研究开发提供了新的思路

操作模式

顺序串可以矩形和线条的形式（图形）显示出一个过程中的各个步骤以及到下面步骤的转换。在步骤内部，动作可通过所谓“限定符”来启动（如延时或条件执行）。例如，如果执行序列描述了一个钻孔过程，则“降低钻头”将是一步，而“电机”则是一个动作。

转换描述了应该向下一步进行转换的条件。在“钻孔过程”例子中，如果满足了“达到下面的末位置”这个条件，则执行序列的步允许标准将得到满足。

另外，还可针对每一步来定义联锁和监视条件。
一个联锁可被用于防止动作的执行。监视条件可运行故障的识别。所有条件（转换、联锁或监视）都可在 LAD 或 CSF 中进行编程。

S7-PLCSIM

S7-PLCSIM 已*集成在 STEP 7 中。这意味着将获得以下附加功能：

STEP 7 测试和启动功能

所用编程语言的测试功能（参见 S7-PLCSIM 应用）

在测试过程中，可通过 S7-PLCSIM 提供一系列方便的功能来支持用户：

模式的选择：

连续

1 个周期

显示累加器、块寄存器和嵌套堆栈

用于监视和修改输入、输出、存储器位、定时器、计数器和数据的用户界面

触发错误 OB

操作模式

S7-PLCSIM 通过关联的过程画面模拟 SIMATIC S7 CPU。与使用实际硬件时的过程相似，测试中的程序被加载到被模拟的 S7 CPU 中以便随后执行。S7-PLCSIM 还支持允许在 S7-PLCSIM 和其他 Windows 应用程序之间交换过程值的一个接口。通讯基于 ActiveX 空间，例如，用于接口：

过程数值的读/写

修改执行模式（例如，1 个周期）