6GK7243-1GX00-0XE0原装代理

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1 引言
    目前，我国对大型锅炉的给水与蒸汽质量指标要求十分严格，因而需要对炉水品质连续监控。测量pH值大多采用传统的PID控制算法．但在反应过程中，因其中和点附近的高增益使得难以调整传统PID控制器参数。因此只能采用很小的比例增益，否则系统不稳定，而比例增益过小，又将使系统的动态特性变坏。对于锅炉给水加药测控装置，已经实现了加药系统的自动化，但无自动配药设备，仍需根据汽水实验室的化验结果人工配药，这样不仅工作强度大，而且所加的、联胺均属有剧毒易挥发物质，会给操作者造成严重危害，并导致环境污染。为此，提出变增益三区段非线性PID和积分模糊控制(IFC)算法的两种新型pH值控制法。通过对带有时滞的pH值中和过程进行数字，结果表明，这两种控制算法均具有鲁棒性强，响应速度快和控制精度高的特点，尤其是IFC算法能克服pH值中和过程中的较大时滞。通过在某电厂的实际应用，已实现了锅炉给水配、加药系统的全自动控制。

2 pH值控制方法的研究
2．1 常规PID控制
    PID控制是按偏差的比例(P—Proportional)、积分(I—Integral)和微分(D—Derivative)线性组合的控制方式。其中，r为参考输入信号；PID为控制器；P为被控对象模型；d为干扰量；e(k)为系统误差；u(k)为控制量；pH(k)为被控过程输出量。常规PID控制中的比例作用实际上是一种线性放大或缩小作用，很难适应酸碱中和过程中被控对象非线性的特点。

2．2 变增益三区段非线性PID控制
    将pH值变化按拐点分为：一个高增益区和两个增益系数不同的低增益区。高增益区控制器采用较低增益；低增益区控制器采用不同的高增益，以满足系统期望的性能指标。此外为防止积分饱和，采用带死区和输出限幅的PID控制算法。
2. 3 模糊控制
    模糊控制算法概括为：根据本次采样得到的系统输出值，计算出输入变量；将输入变量的精确量变为模糊量；根据输入变量(模糊量)及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量(模糊量)；由上述得到的控制量(模糊量)计算精确的控制量。

3 电厂锅炉给水加药控制系统
    某发电厂共有4台300 MW的发电机组，分为两个单元，一单元为1#、2#机组，二单元为3#和4#机组。每个单元加计量泵包括锅炉补给水(生水经各种水处理方式净化后．用于补充火力发电厂的汽水损失)和炉水两种用水。现以二单元为例，加药系统采用两用一备共3台加药计量泵，即3#和4#机组各用l台加药计量泵，当其中l台出现故障时切换到备用泵。在该系统中通过检测pH值来控制炉水中磷酸盐的加入量，pH值要求控制在914～9．78，当其中1台机组的pH值低于9.4时，启动相应机组的加药泵。此时，磷酸盐加药箱内的磷酸盐溶液经过管道(管道上的阀门都为手动阀，正常时为打开状态)被泵入相应机组的除氧器出水管加药点。若3#机组的加药计量泵出现故障，则打开备用泵与其相连管道上的阀门，备用泵接替3#机组的加药计量泵，为3#机组的炉水加药；4#机组亦然。由于炉水中加入了适当的磷酸盐及氢氧化钠，可提高炉水的缓冲性能，并有利于维持炉水pH值的稳定性，从而防止锅炉水冷壁的结垢和腐蚀。
    该系统将炉水水样经过减温减压装置引入磷酸表及pH表探头进行测量，经过模拟量转换，再经控制系统PID运算后控制变频器输出，控制加药泵转速，从而实时控制炉水的加药量，使炉水的磷酸根浓度与pH较好地保持在合格的范围内。该控制分为调节器、执行器、被控对象及变送器4部分。其中，调节器由S7-200 PLC和相应控制软件组成；执行器由变频器、电机和计量泵组成；被控对象为炉水；变送器采用分析仪表，

3．1 控制流程
该系统从在线分析仪表(磷酸根表、pH表)中提取4~20mA信号，根据运行工艺参数和确定的数学模型进行窗口式PID复合运算，中间结果送变频器，控制加泵加药量以实现加药的自动闭环调节。

3．2 控制系统组成
    该控制系统选用上位机软件WinCC+西门子PLC的组合方案。PLC系统通过PorfiBus总线方式与上位机WinCC连接。如图4所示。其中上位监控部分由工业计算机(WinCC)来完成。监控工作人员可通过CRT实时监控系统的运行状况．设定或修改系统的运行参数，同时通过CRT远程软件控制系统运行。上位工控机进行数据处理和管理，并与MIS系统等联网。上位机可对控制器进行组态，组态范围包括控制器的网络地址和时间、选择控制算法、设定算法参数、设定控制量的设**、选择算法中输入量及输出量的通道等。下位控制部分由安装在现场的一套可编程控制器(PLC)来完成。它是自动加药控制系统的核心，用于采集相应的水质数据。由于化学加药系统具有纯滞后性质，会导致控制作用不及时，引起系统产生**调或振荡，而利用计算机可方便实现滞后补偿。采用改进的数字PID控制算法和模糊控制算法，使控制器利用输出控制信号调节现场的交流变频器，进而控制电机的转速，以调节加药泵。电气部分的控制方式设计为远程和本地两种，以实现手动／半自动／自动三种功能，后两种功能由上位机切换。

4 IFC算法的滤波处理应用
    控制系统中．滤波程序的基本原理是在周期内连续采样5个数值，并求出其平均值出采集值与平均值的差值△=Xi一X；若|△|>0．2，则舍弃Xi，取X=0．2作为按实际情况设定的信号波动范围值；若|△|≤0．2，则Xl出栈，X2替换X1，X3替换X2，X4替换X3，依次递推。用当前采样的X6替换X5，然后用这5个新数值再求X，进行比较，如此循环执行该程序即可实现滤波功能。图5为采用滤波程序后，放大了的pH值趋势，由此可见，滤波效果良好。

切纸机械是印刷和包装行业较常用的设备之一。切纸机完成的较基本动作是把待裁切的材料送到*位置，然后进行裁切。其控制的核心是一个单轴控制。我公司引进欧洲一家公司的两台切纸设备，其推进系统的实现是利用单片机控制的。控制过程是这样的，当接收编码器的脉冲信号达到设定值后，单片机系统输出信号，断开进给电机的接触器，同时电磁离合制动器的离合分离，刹车起作用以推进系统的惯性，从而实现精确。由于设备的单片机控制系统老化，造成定位不准，切纸动作紊乱，不能正常生产。但此控制系统是早期产品，没有合适配件可替换，只能采取改造这一途径。目前国内进行切纸设备进给系统改造主要有两种方式，一是利用单片机结合变频器实现，一是利用单片机结合伺服系统实现，不过此两种改造方案成本都在两万元以上。并且单片机系统是由专业开发公司设计，技术保守，一旦出现故障只能交还原公司维修或更换，维修周期长且成本高，不利于改造后设备的维护和使用。我们结合自己设备的特点提出了新的改造方案，就是用PLC的高速计数器功能结合变频器的多段速功能实现定位控制，并利用HMI（人机界面Human Machine InteRFace）进行裁切参数设定和完成一些手动动作。

2 改造的可行性分析

现在的大多PLC都具有高速计数器功能，不需增加特殊功能单元就可以处理频达几十或上百KHz的脉冲信号，而切纸机对进给系统的精度和响应速度要求不是很高。可以通过对切纸机进给系统相关参数的计算，合理的选用编码器，让脉冲频率即能在PLC处理的范围内又可以满足进给的精度要求。在进给过程中，让PLC对所接收的脉冲数与设定数值进行比较，根据比较驱动相应的输出点对变频器进行输出频率的控制，实现接近设定值时进给速度变慢，从而减小系统惯性，达到精确定位的目的。另外当今变频器技术取得了长足的发展，使电机在低速时的转矩大幅度提升，从而也保证了进给定位时低速推进的可行性。

3 主要控制部件的选取

3.1 PLC的选取

设备需要的输入输出信号如下： 
x0脉冲输入 
x1脉冲输入 
x2前限位 
x3后限位 y3 前进! 
x4前减速位 y4 后退 
x5电机运转信号 y5 高速 
x6上位 y6 中速 
x7滑保护 y7 低速 
x10压纸器上位 y10 
x11光电保护 y11 
x12小车后位 y12 进给离合
x13双手下按钮 y13 压板下 
x14停止按钮 y14 离合 
x15连杆保护 y15 电机禁启动 
x16回复到位

针对这些必需的输入点数，选用了FX1s－30MR的PLC，因为选用了人机界面，其它一些手动动作，如前进、后退、换等都通过人机界面实现，不需占用PLC输入点，从而为选用低价位的FX1s系列PLC成为可能，因为FX1s系列PLC输入点较多只有16点。另外此系列PLC的高速计数器具有处理频达60千赫的脉冲的能力，足可以满足切纸机对精度的要求。

3.2 编码器的选取

编码器的选取要符合两个方面，一是PLC接收的较高脉冲频率，二是进给的精度。我们选用的是编码器分辨率是500P/R（每转每相输出500个脉冲）的。通过验正可以知道此分辨率可以满足上面两个条件。验证所需的参数：电机较高转速是1500转/分（25转/秒）、进给丝杆的导程是10mm/转。验如下： 
本系统脉冲较率＝25转/秒×500个/转×2（A/B两相）＝25KHz 
理论进给分辨率＝10mm/500=0.02mm 
同时由上面的数据知道进给系统每走1mm编码器发出50（此数据很重要，在PLC程序的数据处理中要用到）个脉冲信号。由于此工程中对编码器的A/B相脉冲进行了分别计数，使用了两个高速计数器，且在程序中应用了高速定位指令，则此PLC可处理的较高脉冲频率为30千赫，因此满足了**个条件;我们的切纸机的载切精度要求是0.2mm，可知理论精度完全满足此要求。

3.3 变频器和HMI的选取

这两个部件我们都选用了三菱公司的产品，分别是FR-E540-0.75K-CH和F920GOT-BBD-K-C。 
4 F920GOT-BBD-K-C的特点: 
F920GOT是带按键型的HMI，它的使用和编程非常简单方便。它具有以下特点：1）可以方便的实现和PLC的数据交换；2）通过本身自带的6个功能按键开关，可以控制PLC内部的软继电器，从而可以减少PLC输入点的使用;3）具有两个通讯口，一个RS232C（用于和个人电脑通讯）和一个RS422（用于和PLC通讯），利用电脑和F920GOT相连后不仅可以对HMI进行程序的读取和上传，还可以直接对PLC的程序进行上传下载、调整和监控。 

5 PLC和HMI程序的编写

此工程中程序的难点主要在于数据的处理上。在切纸机工作过程中除手动让进给定位机构前进后退外，还要实现等分裁切功能和*具体位置定位功能，并且HMI上还要即时显示定位机构的当前位置。我们为了简化程序中的计算，采用了两个高速计数器C235和C236。C236通过计算前进后退的脉冲数，再进行换算后用于显示进给机构的当前位置；C235用于进行精确定位。定位过程是这样的，每次进给机构需要定位工作时，通过计算把需要的脉冲数送到C235，不论进给机构前进还是后退C235进行减计数，同时对C235中的数值进行比较，根据比较驱动相应的输出点对变频器进行输出频率的控制，实现接近设定值时进给速度变慢，从而达到精确定位。因为任何系统都有惯性和时间上的迟滞，所以变频器停止输出的时间并不是C235中的计数值减小到0时，而是让C235和一个数据寄存器D130比较，当C235中的值减小到D130中的设定值时PLC控制变频器停止输出。D130的值可通过人机界面进行修改和设定，在调试时通过修改这个值，以达到定位准确的目的。

还有一个问题是参数设定时的小数点位问题，实际工作中在设定位置时要精确到0.1mm。这个问题在一些单片机系统中常会遇到，常见的处理办法是加大一个数量级，就是设定数据时，在人机界面上用1代替0.1mm，10代替1mm。不过我们在处理此问题时通过HMI中对数据的设置和PLC的程序编写达到了所见即所得的效果。HMI中主要是对数值的格式要设定好。

比如我要等分裁切10.5mm的纸，就可以在HMI上设定为10.5，而不是像我公司其它设备上要设为105，但PLC的寄存器D128的内容是105而不是10.5，这样在计算需要的脉冲数时就要用下面一条命令：

MULD128K5D10（此命令中尽管编程时D11不出现但实际上寄存器D11被占用，不能再应用于其它地方，否则会出现问题。） 
而不是用：

MULD128K50D10

编程中其它应注意的问题。一是双线圈问题。本工程中利用条件跳转和步进指令避免了双线圈问题。二是误信号问题。编码器是一种比较精密的光电产品，受振动时不可避免的会出现误信号，而切纸机在执行裁切动作时会造成很大振动，如果忽视这个现象，定位精度和执行机构当前位置的显示都会不准确。本工程中处理方法参见上面例子程序图1，只有Y3、Y4接通，即只有进给机构前进和后退时才让C236进行计数，这样就屏蔽了裁切时震动造成的误信号。

6 变频器的参数设置

此工程中需设定的变频器的主要参数见下。

参数 号名 称设定值

0 转矩提升 8%（低速时电机转矩不足时可提高此数字） 
43 速设定（高速） 30Hz
53 速设定（中速） 10Hz 
63 速设定（低速） 2Hz 
7 加速时间 0.5s
8 减速时间 0.5s
24 多段速设定（4速）50Hz 
79 操作模式 2（只执行外部操作）

在调试过程中为了达到定位速度和精度的**结合，应对三段速设定值，加减速时间和HMI中D130、D200和D202的数值进行相应调整。

7 结论

通过上述的改造过程，完全恢复了我们切纸机的功能，试用三个月以来运行非常稳定。由这个应用实例可以看出结合PLC的高速计数器功能，合理的进行应用，在一定场合可以取代高成本的定位控制系统，实现控制系统较优的性价比。也迎合了我国当前提出的建设节约型社会的宗旨。

 电源监控是铁路信号的重要的监控系统。在此之前信号的电源监控系统基本上是采用单片机作为信号采集系统的核心。单片机监控系统一方面存在采集速度慢、界面不友好、操作不方便等技术局限，另一方面由于其中的电源模块部分的监控相对独立，对电源系统带来了诸多不便，比如维护困难、界面显示繁琐等。基于以上原因本项目配套开发了基于台达PLC作为信号采集核心、台达HMI触摸屏作为操作和监视界面的电源监控系统。监控子系统与电源模块通过工业总线网络互连实现整合的经济实用、技术先进的铁路信号的电源监控系统。

    2、硬软件系统设计

    2.1 硬件体系设计

    系统规模：44个数字量输入；1个数字量输出；6个电源模块；39路模拟量输入。

    控制系统配置如下：触摸屏：DOPA75CSTD；PLC：DVP16EH00T＋1个DVP04AD-H＋3个DVP16HM11N；电源模块通讯卡1块；分时采集电路卡1块。

    触摸屏主要是用来显示采集数据、报警、报警上下限设定、采集数据显示微调、报警数据显示、历史趋势图显示等。PLC主要是采集数据并计算，由于考虑系统对模拟量采集的速度要求不是很高，为了节省成本，系统中使用了1 个DVP04AD-H对39路模拟量进行了分时采集，为了实现这个功能我们与厂家共同实验开发了一个电子开关电路，对39路模拟量分了十组、每组4路，通过输出不同的组别进行采集。电源通讯卡主要负责把6块电源模块的数据汇总并且通过RS484接口以MODBUS协议与PLC通讯，使PLC采集得到6块电源模块的数据，为实现这个功能我们公司的电源研发部门做了大量的工作，较终使PLC与电源模块的通讯卡实现了通讯，电源模块的信息得到了。

    2.2 软件体系设计

    （1）系统功能设计：44个数字量采集显示，故障判断；6个电源模块的数据采集显示、显示电源模块的工作状态并判断报警；39路模拟量显示、并判断上下限报警；显示报警画面、报警信息、当前报警、报警频次；报警上下限设定；数据微调功能，并且显示微调值； 历史趋势图显示；不同画面开启权限设定； 以上有必要说明的是数据微调功能，由于现场的一次测量元件测量会有误差，而且此误差是固定的，短时间内是不变的，所以在程序当中增加这部分功能，使较终显示出来的数值是误差之后的值；

    （2）系统结构设计分为HMI人机对话界面部分和PLC现场监控部分。HMI部分主要构架参见图2。
 HMI人机对话界面
图2 HMI人机对话界面

    PLC监控部分主要包括：电源模块通讯；分时采集40路模拟量，每次4路；对采集的模拟量根据量程进行计算得出显示值，显示电源模块的工作状态并判断报警；微调值计算，显示值微调，并做负值；故障和报警；数字量采集显示，故障判断；

    3、工程调试

    调试分时采集功能时需要注意分时采集的时间，过大会影响整体数据采集的时间，过小会造成采集数据混乱，另外需要在两次采集数据之间加一段间隔时间，避免两组数据的重叠。对采集的模拟量根据量程进行计算得出显示值。微调值计算，显示值微调，并做负值；注意微调时可能会出现负值情况，所以要考虑负值的。电源模块通讯注意电源通讯时的通讯协议一定要在通讯卡中设置好，包括站号设定，另外注意地址对应。故障和报警；因为报警点共有79个，很繁琐，需要思路清晰。