西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8技术介绍

西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8技术介绍

    控制功能包括整个冰蓄冷系统稳定、经济运行所需的功能。

    1 工况转换功能

    根据季节和机器运行情况，自控系统具备以下工况转换功能：

    a）双工况主机制冰同时供冷模式；b）双工况主机单独制冰模式；c）主机与蓄冰装置联合供冷模式；d）融冰单独供冷模式；e）主机单独供冷模式。

    2 工况的启停、显示和故障警功能

    控制系统按编排的时间顺序，结合负荷猜测软件，控制制冷主机及外围设备的启停数量及监视各设备之工作状况与运行参数，如：

    -制冷主机启停、状态及故障警；-制冷主机运行参数；-制冷主机缺水保护；-制冷主机供/回水温度、压力遥测和显示；-冷冻水泵启停、状态及故障警；-乙二醇泵启停、状态及故障警；-冷却水泵启停、状态及故障警；-压差旁通管的压差测量与显示；-冷却塔风机启停、状态及故障警；

    -冷却塔供/回水温度控制与显示；-供/回水温度、压差遥测控制与显示；-板式换热器侧进出口温度控制与显示；-蓄冰装置进、出口温度遥测控制与显示；-冷冻水回水流量控制与显示；-电动阀开关、调节与阀位控制与显示；-室外温湿度遥测控制与显示；-蓄冰量测量与显示；-末端冷负荷控制。

    3 数据的记录和打印功能

    控制系统对一些需要的监测点进行整年趋势记录，控制系统可将整年的负荷情况和设备运转时间以表格和图表记录下来，供使用者使用。所有监测点和计算的数据均能自动定时打印。

    4 手动/自动转换功能

    控制系统配置灵活的手动/自动转换功能。

    5 优化控制功能

    根据室外温度、天气预、天气走势、历史记录等数据自动选择主机优先或融冰优先。在满足末端负荷的前提下，天天使用完储存的冷量，尽量少地运行主机。充分发挥冰储冷系统优势，节约运行费用。

    6 全自动运行功能

    系统可脱离上位机工作，根据时间表自动进行制冰和控制系统运行、工况转换、对系统故障进行自动诊断，并向远方警。触摸屏显示系统运行状态、流程、各节点参数、运行记录、警记录等。

    7 节日设定功能

    系统可根据时间表自动运行，同时也可预先设置节日，控制储冰量和储冰时间，使系统在节日时对不需要供给空调的场所停止供冷。

    8 下位机操作功能

    下位机彩色触摸屏操作界面

    下位机操作功能如下：

    a）人机对话。操作人员可通过触摸面板进行人机对话，操作界面完全中文化，具有提示、帮助、参数设置、密匙设置、故障查询、历史等功能。

    b）系统设置。包括操作口令设置、运行设置、运行时间表设置、记录溢出处理、自动/手动/测试选择、节日设置、系统参数设置

    c）故障记录、运行记录、历史记录等。

    3 远程监控

    控制系统通过电话线或宽带网，与专家系统连接，对系统进行运行监控、参数修改、数据采集等，使系统不断完善和软件版本升级，让用户得到更好的服务。远程监控的目的是用户可以通过PSTN对冷冻站进行异地远程监控。同时也可以实现远程调试、远程适时监控和维护等，从而大大减轻工程人员的工作强度，降低工程成本。

    4 系统扩展控制

    控制系统设计界面友好，PLC和触摸屏均可扩展，内容可扩展、参数也可修改，通过485通讯接口或通信协议实现BAS与冰储冷自控系统一体化，节约投资、方便治理。系统集中控制，减少了动力柜占地面积，又使动力柜型号统一、式样相同、大小一致。系统扩展控制如下：

    a）污水泵自动控制；b）风、排风控制；c）活水泵稳压控制；d）防水泵定时运行、检测、警；e）淋水泵稳压控制；f）筑物夜间轮廓照明自动控制；g）低配计量、开关状态检测、警。

    4 结语

    通过PLC在冰蓄冷空调系统的推广运用，验证了PLC系统的可靠性特点，保了系统的安全运行和有效节能，同时也为楼宇设备控制系统的控制器选型提供了新的思路。相信在不久的将来，越来越多的PLC系统在冰蓄冷空调系统的运用中日趋成熟，在楼宇设备控制系统中也将会大显身手。

    按国家标准规定，在下述情况下，应进行型式试验：

    1.新设计试制的产品；

    2.经鉴定定型后小批试投产的产品；

    3.设计或故意上的变更足以引起电机的某些特性和参数发生变化的产品；

    4.检查试验结构与以前试验结构发生不可容许的偏差的产品；

    5.产品自定型投产后的定期抽试。

    1.1.1空载试验和负载试验

    电机试验的项目很多，如空载试验、负载试验、堵转试验、温升试验等等，在此系统设计中只介绍和设计了空载和负载试验。所以有必要弄清它们的试验目的和试验过程。

    1.空载特性试验

    (1)试验目的：

    三相异步电动机的空载试验是给定子施加额定频率的额定电压，试验目的：

    a.检查电机的运转的灵活情况，有无异常噪声和较强的振动；

    b.通过测试求得电机在额定电压时的铁心损耗和在额定转速时的机械损耗；

    c.通过试验得出空载电流与空载电压的关系曲线。这条曲线其实就是一条磁化曲线。它可以反映出电机磁路工作的情况，例如铁心材料的性能，转子的气隙等的选择是否合理。

    (2)试验过程：

    将电机启动后保持额定电压和额定频率空载运行到机械损耗稳定。判断机械损耗稳定的标准是：输入功率相隔半个小时的两个读数之差不大于**次输入功率的3%，在实际应用中，一般凭经验来确定，对1KW以下的电机一般运行15～30min,对1～10KW的电机一般运行30～60min,对大于10KW的电机应为60～90min.

    试验时，施于定子绕组上的电压从1.1～1.3Un开始，逐渐降低到可能达到的较低电压值，使电流开始回升为止，其间测取7～9个点，每个点应测取下列数值：三相电压（如可确定三相平衡时，可只测一相），三相电流，输入功率P0。

    2.负载试验

    (1)试验目的：

    负载试验的目的实际上是要测取电机的工作特性曲线，考虑效率和功率因素是否合格，取得分析电机运行性能的必要数据。

    (2)试验过程：

    测试应在被试电机接近热状态下进行，在额定功率和额定频率下，改变负载，在1.25～0.25倍额定功率范围内测取6～8点读数，每点同时测量：三相电压，三相电流，输入功率，功率因素，转差率，输出转矩。转差率实际是通过测出转子的转速计算出来的。

    1.1.2电机测试标准

    本试验中要实现系统的设计首先必须满足GB1032三相异步电动机试验方法等国家有关标准的精度及安全要求：

    1.试验电源

    1)试验电源的电压波形正弦畸变率（电压波形中所包含的除基波分量以外的各次谐波的有效值平方和的根值与基波分量有效值之比的

    2 工业锅炉相关工艺介绍

    蒸汽锅炉是厂矿重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。为此，锅炉生产过程的各个主要参数都必须严格控制。而利用余热气体作为热交换介质的余热锅炉在全国占有很大的比例，其节能降耗效果尤为明显。某化工厂余热锅炉就是利用沸腾炉出来的炉气(主要是SO2)温度过高，将其作为热交换对象，通过余热锅炉副产中压蒸汽供各生产分厂使用，既保证了生产需要，也达到了节能降耗的目的。锅炉是一个较为复杂的调节对象，为保提供合格的蒸汽以适应负荷的需要，与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。余热锅炉工艺流程如图1所示。

    图1余热锅炉工艺流程图

    3 控制难点分析

    锅炉计算机控制是近年来开发的一项新技术。它是微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。它的被调量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内，虽然锅炉汽包水位对蒸气流量和给水流量变化的响应呈积极特性，但是在负荷(蒸气)急剧增加时，表现却类似逆响应特性，即所谓的虚水位。造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面较大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚水位现象，实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双冲量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。所谓三冲量调节系统就是把给水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三个变量通过运算后调节给水阀的调节系统。具体调节过程方框图如图2所示。

    图2三冲量调节方框图

    先通过蒸汽流量变送器和给水流量变送器取得各自的信号乘以相应的比例系数，通过比例系数可以调节蒸汽流量或给水流量对调节系统的影响力度。通过差压变送器取得水位信号作为主调节信号H。如果水位设定值为G，那么在平衡条件下应有D×Dk-W×Wk+H-G=0的关系式存在。其中Dk为蒸汽流量系数Wk为给水流量系数。如果再设定时，保证在稳态下D×Dk=W×Wk那么就可以得到H=G。此时调节器的输出就与符合对应，给水阀停在某一位置上。若有一个或多个信号发生变化，平衡状态被破坏，PI调节模块的输出必将发生变化。当水位升高了，则调节模块的输出信号就减小，使得给水调节阀关小。反之，当水位降低时，调节模块的输出值增大，使给水阀开大。实践证明三冲量给水单较自动调节系统能保持水位稳定，且给水调节阀动作平稳。锅炉给水系统中还有一个比较重要的控制回路是给水压力回路，因为汽包内压力较高，要给锅炉必须提供更高的压力，给水压力回路的作用是提高水压，使水能够正常注入汽包。但在蒸汽流量未达到满负荷时，对给水流量的要求也不高。在老式的锅炉系统中一般采用给水泵一直以工频方式运转，用回流阀降低水压防止爆管，现在一般采用通过变频器恒压供水的方式控制水压。锅炉给水量通过汽包液位调节。汽包液位测量选用浮筒液位计。为有效利用转换废热，降低消耗，减低劳动强度，有利于整体工艺稳定，要求汽包液位自动控制，正常生产时波动应小于±5％。PID调节蒸汽出口阀可以很好的控制汽包压力。开车正常后波动范围不大，可以不考虑。转化负荷波动、出预热器锅炉给水温度变化、锅炉负荷波动、排污量变化这几个因素对汽包液位的影响必须考虑。以汽包液位为主调参数、以给水流量为副调参数、以蒸汽流量为前馈，但调节效果很差。引起汽包液位的大起大落。考虑到该废热锅炉控制参数耦合小，流程简单，产汽量也较稳定，我们从操作人员的操作中得到启发，认为减少给水量的波动从而稳定给水温度成为该废热锅炉液位控制的要点。因此我们选用“以汽定水＋液位前馈”比值控制方案，方案框图如图3所示。

    图3汽定水＋液位前馈比值控制方案框图

    其中系数K为汽水损失率(给水流量与蒸汽流量的比值)，范围为1.1～1.2。PID参数为P＝300％、I＝0.4、D＝0。这组PID参数可以使阀位波动幅度不大而回路有较快的跟踪效果。液位前馈系数与锅炉额定负荷密切相关，一般是额定负荷越大前馈系数也越大。本项目废热锅炉的额定负荷为35t／h。前馈系数按表一给定，见附表:

    附表前馈系数表

    投运时首先投运给水流量单回路，调节平稳后，再切换为蒸汽流量比值控制，液位前馈同时起作用。以汽定水＋液位前馈比值控制方案调试投运简单方便，投运后经负荷扰动(产汽量变化)、液位扰动(排污量变化)实验，抗扰动性能良好，投运以来运行平稳，达到工艺要求。图4为2.5h实时液位记录曲线，其中记录了负荷扰动情况。液位波动范围＜±3％。

    4永宏PLCPID控制系统分析

    4.1带PID控制功能的FATEK可编程控制器

    PID控制及其控制器或智能PID控制器(仪表)已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，作为国产PLC企业，永宏电机股份公司一直致力于PLC的研究开发工作，带PID控制功能的FATEK可编程控制器(PLC)就是利用其闭环控制模块来实现锅炉汽包液位的PID控制，在异常情况下，如液位偏离正常值较大时，通过PLC控制系统控制，可以快速恢复水位，保锅炉的安全稳定运行。当水位控制和主蒸汽温度控制发生矛盾时，可根据矛盾的主要方面进行两者的协调控制。它包含给水流量控制回路和汽包水位控制回路两个控制回路，实质上是蒸汽流量前馈与水位－流量串级系统组成的复合控制系统。当蒸汽流量变化时，锅炉汽包水位控制系统中的给水流量控制回路可迅速改变进水量以完成粗调，然后再由汽包水位调节器完成水位的细调。图5是有永宏PLC组成的控制系统示意图。

    图5永宏PLC控制系统示意图

    4.2汽包水位PID控制设计优点

    (1)减少干扰对主回路的影响，可由副回路控制器予以校正。

    (2)由于副回路的存在减少了相位滞后，从而改善了主回路的响应速度。

    (3)对控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性。

    (4)副回路可以按照主回路的需求对对象实施精确控制。

    实际PLC的控制程序采用主副回路进行串级控制，即主回路的输出做为副回路的设定值，经副回路输出作用于被控对象。也可以不用副回路只用主回路形成单回路调解，或手动操作完成。一般常见的过程控制应用，开环回路控制就可以满足大部份的应用要求，但随着使用时间、组件特性变化或受控负载或外界工作环境的变化，开环回路控制因为没有真实将受控程序的实际量反馈到控制器，因此控制结果可能与实际期望的结果会有些落差，闭环回路PID过程控制是用来克服并解决上述缺点的较佳选择。FBS-PLC提供软件数字化的PID数学表达式，对于一般反应的闭环回路过程控制就可应付，但对于工业锅炉这样的需要有快速反应的闭环回路控制要使用本功能需要事先评估是否可行。典型的闭环回路程控示意图如图6所示。

    图6典型闭环回路程控示意图

    根据应用要求，用户将PID控制器设定成比例+积分+微分控制器，其控制器的数字化数学表达式如下:

    Mn:“n”时的控制输出量

    D4005:增益常数，默认值为1000;可设定范围为1～5000

    Pb:比例带(范围:1～5000，单位为0.1%;Kc(增益)=D4005/Pb)

    En:“n”时的误差=设定值(SP)-“n”时的过程变数值(PVn)

    Ki:积分常数(范围:0～9999，相当于0.00～99.99Repeats/Minute)

    Td:微积分时间常数(范围:0～9999，相当于0.00～99.99Minute)

    PVn:“n”时的过程变数值

    PVn-1:“n”时的上程变数值

    Ts:PID运算的间隔时间(范围:1～3000，单位:0.01S)

    Bias:偏置输出量(范围:0～16383)

    加上微分项的控制器，目的在于程控系统的过度反应，进而使程控系统能够平稳缓和达到稳定。虽然微分项有上述优点，但因其对输出量的贡献相当灵敏，大部分的应用不必使用微分项而将Td设定为0。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下:

    (1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;

    (2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;

    (3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。图7是永宏可编程序控制器PID部分程序举例。