西门子6ES338-4BC01-0AB0

西门子6ES338-4BC01-0AB0

双色凹印机是用于对单张纸的凹印印刷，整个系统包括飞达、一色组、二色组、收纸等部分四个部分，其中主要包含:主传动、送纸、印刷、收纸、纸张检测、气路、油路、风机等控制线路组成。

主传动由一台35KW的变频器控制，提供整个机组印刷过程中的传动动力，其包括了飞达部分的送纸传动、印刷滚筒的转动、收纸机构。 送纸部分，主要有主副台板的控制，以及纸张的早到、晚到、跑偏、双张等检测功能。同时在部分还包括了纸张计数、生产产量的生产信息的监视功能。

印刷部分，主要包括了印版的上版、换版功能，以及有关的调版功能。同时还有其他的辅助功能，如墨量控制、匀墨控制、印刷控制等功能。 收纸部分，主要包括了收纸机构的自动速度跟踪控制，收纸主副台板的控制等功能。

3．系统配置图

该系统使用了三菱的QPLC、四个CC-bbbb远程站、触摸屏、变频器等自动化产品。所有现场的信号，都通过CC-bbbb现场总线的方式输入主站中。

4．调试情况和体会

系统由于采用了CC-bbbb现场总线的方式，在布线时，所有的I/O点采用就近接入远程模块中，差错发生较少，也很容易进行查找。

在调试中碰到的较大问题是触摸屏的级连问题，本系统中，在送纸、一色组、二色组都有F930触摸屏充当人机界面系统。在实际调试过程中，开始经常会碰到通讯通不上，经过仔细分析后，硬件上，除了全部采用屏蔽电缆外，RS232通讯时，尽量缩短电缆的长度，并且走线时，避开动力电缆；RS422通讯时，采用屏蔽双绞线的方式，并且并上匹配电阻。软件上，在触摸屏的设置上，让触摸屏按照通讯的先后顺序进行初始化。经过这两方面的处理后，问题得到了解决。

该设备用于化纤多次拉伸、卷曲前处理生产，主要由导丝架、八棍导丝机、热水槽、**牵伸机、水浴槽、第二牵伸机、蒸汽箱、第三牵伸机、叠丝机、张力架、卷曲机、卷曲侧板电机、油泵电机、振动电机、循环水泵、振动检测等设备构成。I/O控制规模为103点，其中开关量输入点为61点，开关量输出点为39点，模拟量输入点为3点。主要控制要求为：化纤丝的速度、牵伸比、蒸汽及水温、相关的连锁逻辑控制等。本系统控制的关键是要保证导丝、一牵、二牵、三牵、卷曲五台电机的速度同步。

3．系统配置

如图，系统采用三菱公司的Q系列PLC作为主控制器，传动控制为艾默生公司的EV2000系列变频器，人机界面为F940GOT。

系统主要配置如下：

● 主控制器：Q00CPU：速度和牵伸比给定，通过I/O模块，现场各机台急停，限位等开关量及模拟量信号，完成连锁控制及报警功能。
● 输入模块：QX40：完成现场的开关量控制采集，
● 输出模块：QY10：完成开关量输出。

● 模块量输入：Q64AD：以完成现场的模拟量检测。
● 串行通讯模块：QJ71C24N-R4：构成变频器通迅链路。
● 传动驱动单元：艾默生公司的EV2000系列变频器。

鉴于篇幅的原因，本文主要描述系统控制的关键设计和实现，即保证导丝、一牵、二牵、三牵、卷曲五台电机的速度同步。客户基于成本的因素，传动驱动单元选用艾默生公司的EV2000系列变频器，并要求主控制器和其构成一个以RS485为通讯介质的低速廉价通讯链路。尽管导丝、一牵、二牵、三牵、卷曲5台变频器采用共用直流母线运行方式，并安装增量式编码器构成转速闭环以提高速度精度，卷曲机变频器还外加张力传感器以稳定控制拉伸张力，提高纤维质量，但是在设备起停过程特别是在运行过程中调整运行速度和牵伸比等工艺参数时低速通讯链路的实时性的问题就表现出来了。

在设计上，虽然一个通讯模块可以组成485网络，但因为通信量很大，我们必须实时发送电机的速度指令及起停信息，同时还要不断读取变频器的工作电压、电流、频率等参数，所以如果采用一块模块的话，通信周期将增大，也就达不到实时的作用。所以我们选用两块485通讯模块，即四个通讯口同时对一牵、二牵、三牵、卷曲四台变频进行通讯，而导丝和一牵共用一个通讯口，在下一周期通讯。考虑到通讯协议帧长度较长为18个字节，在19200Bit/s传输速率下，各速度指令响应的较大时差为20ms左右，当较大车速为200M/Min时，尽管导丝略有滞后，但在工艺上是可以接受的。该方案可以有效地解决速度指令的同步能力，实现开车起步和停车过程中按指令同步升降速以及运行中速度调整时五台电机速度的同步和纤维拉伸张力的均匀。

4．调试情况和体会

在实际调试过程中，系统基本符合我们预想。但在通讯调试中，我们发现Q系列PLC在搭载多通讯模块系统时，通讯的稳定性和PLC的扫描周期的长短有关。随着功能的不断增强，程序的不断完善，扫描周期也随之加大，当较大扫描周期大于25ms时，通讯开始有不稳定现象出现。

现象：我们用QJ71C24的**通讯指令来接受通讯数据，当扫描周期大于25ms时，在同时通讯的4个口中，排在程序的较后一个口偶尔会有通讯错误，当接受标志位已跳变为ON，表示数据已接受完毕，但接受数据区中却无数据。我们对同时通讯的四个口的程序次序颠倒过来发现情况依旧，错误只发生在次序排在较后的一个口。

分析原因：我们认为是通讯时序出现了问题，系统接受标志位的跳变和系统数据的传递不同步，即系统内部通讯标志建立时，通讯缓冲区的数据尚未来得及传送完毕。故我们判断扫描周期延长会影响系统通讯的时序。 解决办法：精简程序来缩短扫描周期或更换高速PLC 。但由于本系统程序量较大，较后为了保系统的可靠性我们将CPU从Q00更换为Q02，提高了系统处理速度，把扫描周期降低至10ms以下，问题得以解决。

内容：
１、可编程序控制器(Programmable logic contoroller)简称PLC，是以微处理器为核心，用于工业控制的计算机，由于PLC广泛采用微机技术，使得PLC不仅具有逻辑控制功能，而且还具有了运算、数据处理和数据传送等功能。目前城市供暖的锅炉在启停和运行的过程中都需要精确的实时控制，大多数锅炉系统的控制还采用继电器逻辑控制。这类系统自动化程序很低，大部分操作还是由手动来完成，只能处理一些开关量问题，无法处理系统的模拟量，即使控制一些开关量，其电气线路复杂，可靠性不高，不便维护，实际锅炉系统控制中每台炉就需要一套继电器控制系统，而采用西门子S7-400系列可编程控制器设计的控制系统实现了在大庆采油十厂油改煤工程中使三台20T水炉的系统自动控制，并且实现了整个系统的优化控制。

2系统硬件构成

上位计算机系统硬件部分采用siemens触摸屏式工控机，上位监控组态软件采用siemens公司wincc进行组态。热源部分的控制系统采用siemens公司的大型双冗余PLC可编程控制器S7-400H通过双冗余光纤环网以100MBPS的速率与上位工控机相连利用TCP/IP网络通过组件实现数据共享和分布式数据库，锅炉房各模块及水处理间控制模块间通过ProfiBus现场总线相连，水处理间配以可操作的siemens的触摸屏。热力站的数据采集系统采用siemens公司的S7-300系列PLC，通过MODEM市话拨号的方式以9600BPS的速率与控制中心相连，热力站数据通过siemens触摸屏，可在热力站当前显示，系统硬件图如图1。 [upload=jpg]UploadFile/2005-9/200591913519742.jpg[/upload]

3系统的功能

3.1监控功能

系统在运行过程中，上位机将下位机采集上来的锅炉运行数据和热力站传送上来的运行参数进行实时处理，通过上位机的分析，判断，实现对现场温度、压力、液位、流量、烟气含氧量等工艺过程参数的模拟动态显示，通过下位机的反馈至上位机的信号实现对现场仪表、风机、水泵及上煤系统运行状态的监控。用产地通过上位机手动和自动切换，实现风机，水泵的启、停控制。系统与现场仪表，电气设备配合可实现多变量闭环调节(如送风变频控制、引风机变频控制、给煤机变频控制)和联锁控制(如上煤联锁控制)。

3.2调节控制功能

供暖燃煤锅炉是一种多变量系统，被控量之间的关系耦合程度高，因此本套系统配以优化的控制软件，该套软件以供水温度、烟气氧量、炉膛负压等为控制指标，室外温度为补偿量，同时具有PID控制，通过配置风煤化，前馈系统，来加大或解除给煤调节，送风机调节和引风机调节输出间的前馈联锁，以求取给煤量，送风量和引风量的较佳控制参数，从而实现燃烧的较优控制。考虑到锅炉的此三环节的对象为电机，所以PID手/自动切换时，加有无扰动切换。

3.3报警功能

系统具有故障报警(风机、水泵、上煤系统等的启、停故障等)和超限报警(高、低液位、压力、流量、温度报警及用户*的其它参数报警)。

3.4上煤联锁功能 本系统可实现手动操作，计算机联动和自动控制。

3.5数据报表记录功能

可根据用户的要求，对热网的供、回水流量、温度、压力、炉膛负压等工艺参数及电机负载情况，报警记录形成报表汇总。

3.6数据查询

计划，打印功能，用户对记录的报表数据，报警数据进行查询、打印。

3.7曲线功能

对用户关心的温度、流量等信号，系统以实时，历史趋势曲线的形式直观地表示出来。

3.8压力棒图功能

系统可根据采集到的数据显示整个热力管网的供水水压图，烟压力和风压图，用以监测网的不利点，便于供热调度。

3.9远程通讯功能 热力站和控制中心通过调制解调器可实现远程。

3.10冗余功能

为**系统运行的可靠，计算机测控通讯网采用双冗余光纤环网，当一条网络线出现故障时不会影响系统正常工作。两台上位机同为服务器，测控数据存于S7-400控制器中，使两台上位机数据同步，两台位机为对等关系，当一台主机出现故障时，另一台运行，不受影响。下位机控制器也采用双冗余控制器，以**系统不间断地进行数据的实时采集，对现场仪表和控制器外围供电电源也采用双冗余工业电源，从而实现系统持续，稳定可靠的运行。

一、概述

邯郸钢铁集团有限责任公司位于河北省南部重工业城市---邯郸市，1958年建厂，属国家特大型钢铁联合企业，具有年产铁钢材500万吨的生产能力。1999年8月，五大技改工程之一的2000m3高炉动工建设，2000年6月高炉顺利出铁。该高炉为引进德国克虏伯钢铁公司的设备和技术，年产生铁150万吨，利用系数 2.5，焦比480kg，喷煤量150kg/t，各项经济技术指标国内同类型高炉第三名。


二、机型

2000m3高炉包括高炉及热风炉本体、水处理、煤粉喷吹、环保除尘等岗位，从性价比综合指标考虑，采用了大量性能优良的施耐德电气产品。高炉热风炉本体基础自动化控制系统PLC选用了TSX QUANTUM系列产品，风机变频器选用了Altivar产品，低压电器选用施耐德软起动器、开关、断路器、接近开关、光电开关等产品。


三、工艺描述

炼铁是在高炉内进行还原反应过程，炉料、矿石、燃料和熔剂从无钟炉顶装入炉内，从鼓风机来的冷风经热风炉后，形成热风从高炉风口鼓入，随着焦碳燃烧，产生热煤气由下向上运动，而炉料则由上而下运动，互相接触，进行热交换，逐步还原，较后到炉子下部，还原成生铁，同时形成炉渣。积聚在炉缸的铁水和炉渣分别由铁口和出渣口放出。

高炉自动化的目的主要是保证高炉操作的4个主要问题：即正确的配料并以一定的顺序及时装入炉内；控制炉料均匀下降；调节料柱中炉料分布及保持与煤气流良好的接触；保持合适的热状态。

现代高炉自动化主要是指仪表检测及控制系统、电气控制系统和过程及管理用计算机。仪表控制系统和电气控制系统通常由DCS或PLC完成。由于高炉在钢铁厂处于咽喉位置，需及时和稳定地供给炼钢工序合格的铁水，故其稳定性是很重要的。近年来，高炉向大型化方向发展，稍有不正常，损失就很大，因此其稳定性就显得愈加重要。高炉自动化的控制性能是决定高炉稳定顺行的一个至关重要的因素。


四、系统控制内容及功能要求

高炉生产要求计算机控制系统能够保证生产过程的连续性和实时监控性，而且要求数据量较多，所有设备的自动化程度要高。计算机系统要求数据采集，刷新速率快，特别对通讯网络而言，速率、网络稳定性和正确性尤为重要。


1、 高炉部分

·炉顶、炉喉、炉身、炉腰、炉缸、炉底、炉基的温度、压力、差压、流量、料位、重量的检测。要求数据采集精确度≤0.2%，采集速率≤0.8S。

·炉顶压力控制：这是高炉生产中较重要的、必须投入自动运行的控制。正常情况下，高炉顶压为250±3KPa。2000 m3高炉顶压调节采用了比肖夫环缝洗涤塔**技术，串联方式的上下两级喉口一个投入自动，一个投入手动。

·炉身静压校正：在高炉不同高度测量炉身静压力，可以较早得知炉况变化，较准确判断局部管道和悬料位置，以便及时采取措施。2000 m3高炉在四个水平面上装设4个取压口以测量炉身静压力。

·炉体冷却壁热负荷检测：高炉一代炉役的长短取决于冷却壁的侵蚀情况。因此冷却壁热负荷检测属于重点监控和维护内容，分析该处实时曲线和历史趋势可以帮助高炉工长正确判断炉况，采取相应措施延长高炉炉龄。

·煤气分析：分析高炉煤气中H2、N2、CO、CO2含量，可以了解炉内反应，风口或冷却系统漏水等情况。

·水冷系统控制：通过膨胀罐、接受罐、水泵、气密箱、密闭循环水系统、炉顶打水的连锁与阀门控制保护炉顶设备。

·氮风系统控制：通过送风阀、送氮阀、风机连锁控制保护齿轮箱、阀箱等炉顶设备。
2热风炉部分

·炉体温度、压力、差压、流量参数检测

·热风温度控制：通过自动调节混风切断阀开度将适当配比的冷风掺入热风管道中，控制送往高炉热风围管的热风温度在1200±20℃内。

·废气温度与煤气支管流量的串级控制：废气温度与煤气支管流量组成串级调节回路，废气温度调节器的输出作为煤气支管流量调节器的外给定值。

典型配置
SIMATIC S7 PLC 是全集成自动化(TIA) 的核心。在的操作处理、灵活的通讯扩展以及强大的控制能力的帮助下，此系统提供了控制、网络通讯、IT 服务等功能。因此，SIMATIC S7 PLC 才能成为**市场占有率较高的PLC 产品。中控室采用冗余服务器软件进行监控，完成设备监控、回路调节、生产信息管理、报警、报表、权限控制等功能。所有的组态及维护工作只需在服务器端进行即可。如选用Web服务器选件，客户机端只需有浏览器软件即可完成监控功能。
全系列PLC —高度可靠，功能强大
• SIMATIC S7 PLC 可以在不同的环境条件下安装和运行，例如热带干燥气候、低温气候、热带潮湿气候等等。作为全集成自动化的一部分，它们拥有很长的产品寿命。
• SIMATIC S7 PLC 满足以下标准：DIN、EN、IEC、UL认证、CSA 认证、Class FM1 Sec.2；A、B、C、D 组，温度组别T4(<135C) 以及美国、英国、法国、德国和挪威的分级认证。
• 为了使您的生产过程能够正常运行，可以采用软件冗余( 热备)，或者采用硬件冗余( 热备)。冗余的I/O 和PROFIBUS 构成了高可用性功能。
• 先进的PROFIBUS-DP 总线可实现极佳的分布式控制，PROFIBUS-PA 总线可连接智能仪表，只需一根总线即可完成设备供电及信息工作。
WinCC —过程可视化和IT 平台
WinCC 是享有盛誉的、在**及中国有极高市场占有率的SA 软件，它提供用于SA 监控的基本系统和相应的选件。在水泥行业中，我们推荐使用WinCC 开发版用于工程师站组态画面和开发其他功能，使用WinCC 运行版用于操作员站的监控。在操作员站较多的情况下，采用冗余服务器/ 客户机结构；为了降和更好地为**层提供决策依据，将一台WinCC 客户机作为Web 服务器，使本局域网内其他计算机可以方便的浏览生产数据和设备数据，这种应用甚至可以延伸到Internet。

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