西门子模块6ES7331-7PF01-0AB0详细说明

西门子模块6ES7331-7PF01-0AB0详细说明

上位监控系统在自动化控制系统中是重要组成部分，应用在很多自动化控制领域。下面主要说明北京杰控科技有限公司开发的FameView工业数据组态监控管理软件在电厂输煤程控系统中的应用。
一、在输煤程控系统方面的应用：
马头发电厂和云宁电厂的输煤程控上位监控系统使用FameView组态软件。实现了以下
各方面的功能。
1.输煤系统皮带的控制
监控系统的画面可显示工艺流程的设备和运行状况，运行人员可根据输煤皮带当前状况对皮带、碎煤机、挡板等进行运行方式设置和控制。
a. 启动方式的选择
b. 运行方式的选择
c. 保护、预警及报警
d. 设备的启停

2.配煤系统犁煤器的控制和煤仓煤位的监视
皮带启动出现煤流信号以后，首先遵循低煤位**的原则，先补配低煤位煤仓后，按顺序把煤仓逐个加**煤位，通过工控机屏幕的菜单可随意设置配煤方式。
a. 条件配煤方式
b. 时间配煤方式
c. 皮带剩煤的均煤
d. 高煤位自动停机
e. 煤位的自动监控
f. 程控手动配煤

3.运行过程中的监视与故障处理
工控机屏幕上显示出输煤工艺流程图，可对现场设备运行的情况进行实时监视和处理，计算机随时提示运行工况与故障报警，输煤设备的启停或故障位置均能在计算机屏幕上显示出来。
a. 皮带电机、碎煤机的运行监视与故障处理
b. 挡板和除铁器的运行监视与故障处理
c. 犁煤器的运行监视与故障处理
d. 煤仓的运行监视与故障处理


4.系统工艺流程图显示
上位机显示屏上 显示系统的各设备状态、故障报警提示、上煤量
各种曲线等。
a. 可根据现场要求显示平面或立体的设备
b. 显示皮带、电机，碎煤机、除铁器、档板和犁煤器等设备及当前状态
c. 显示煤流、跑偏、堵煤、打滑和过流及撕裂等工作情况
d. 皮带电机、碎煤机启动及工作电流的显示
e. 故障状态的显示：以不同颜色和形式显示设备及传感器的故障状态
f. 满足人机简单对话、可操作性强

5．变量报警和报警数据显示
a. 当前报警查看
b. 报警信息列表
c. 报警信息查询
d. 报警状态列表

6．打印报表
a. 打印每班运行工况及上煤单耗
b. 打印每班上煤量及上煤时间
c. 打印本班运行记录及报表
d. 打印事故记录及报表

二、 系统运行效果及发展前景
FameView 在输煤程控自投入使用以来，系统运行稳定可靠，实现了所有预期功能。充分体现了实时多任务、高开放性、高稳定性的特点。
该系统具有的可扩展性可以接入到全厂的管理层网络上，利用DB的实时性和开放性，可以使管理者得控制原理：将现场热电偶信号（E型）送至温度变送仪表，除显示温度外，还将温度信号转换成4-20MA，送入EC20 PLC（EC20-4AD）模拟量输入端，经过PLC进行处理。EC20PLC模拟量输出端将PID计算出的给定信号分三路模拟量输出到三台变频器的给定。为保证鼓风、引风保证炉膛基本 负压的前提，因此具体变频器参数设置：
引风：
F0.00=4 CCI模拟给定 F0.03=1 端子运行命令通道
F0.04=4 运转方向设定 F0.05=4 较大输出频率50HZ
F0.07=4 较大输出电压380V F0.08=1 机型选择P（风机**）
F0.14=1 V/F曲线设定 F2.01=30 启动频率30HZ
F2.08=0 停机方式（减速停机） FH.00=4 电机较数4
鼓风：
01=20较低转速 02=50HZ较高转速 03=5 04=10（加减速） 05=AIAU给定设置 06=5A 电机电流 16=4-20 电流输入（Ma）
41=FD 线性U/F控制
炉排：
01=5.0较低转速 02=40HZ较高转速 03=5 04=5（加减速） 05=AIAU给定设置 06=3A 电机电流 16=4-20 电流输入（Ma）
41=FD 线性U/F控制
1.2变频器的设置基本遵循如下原则：
鼓引风变频器控制风机，其机械特性属于平方转矩负载，因此其V/F曲线采用2次方曲线。同时，引风机的惯性比较大,因此其降速时间要求比较大，这是由于降程中变频器处于回馈制动状态，回馈能量将会造成直流侧母线电压过高而停机，因此，必须增长降速时间。同时，停机也要求软停车，能够延长风机的机械寿命。鼓风设置同引风差别不大，除了功率外几乎一致。但考虑为保持炉膛基本负压，必须将鼓风的升速时间要低于引风，而降速时间要快于引风。
炉排传动属于机械负载，因此炉排的控制方式为V/F基本控制或采用开环矢量控制，其低速时提供的转矩比较大，能够满足重载启动的要求，另外，系统要求的加减速时间都比较短，在5秒以内。
当检测点温度到达设定温度后，为保证温度稳定时间比较长，且要节约能源、降低损耗，因此引风、鼓风、炉排的较低运转速度分别设置为：30HZ、20HZ、5HZ。
2、PLC硬件应用及软件编制
2.1:硬件配置
由主机EC20-1410BRA、模拟量输入EC20-4AD、模拟量输出EC20-4DA组成。其中给定采用一块百特公司的数字给定表，可以人为设置给定值（4-20MA信号，在表上以百分数表示），给定信号送入EC20-4AD模拟量输入模块中，作为PID给定信号。另外安装一块温度数显表，该表除显示温度外，还将E型热电偶检测温度信号变送输出4-20MA信号，送入EC20-4AD输入模块作为PID反馈信号。PID控制程序是通过EC20编程软件CONTROLSTAR中调用固有PID控制子程序来实现出口温度PID恒定控制的。
2.2:连锁控制
连锁控制主要实现如下功能：
一、启动先启动引风、后启动鼓风，一般引风启动后3秒左右鼓风才能启动。
二、停车先停鼓风，鼓风不停，引风认为不能停车；引风发生变频故障，则鼓风立即停止。
三、故障报警、运行、停止指示通过PLC实现。
四、炉排不参与引风及鼓风连锁。
2.3:变频控制及温度PID程序
一、变频器接触器得、失电由PLC控制
二、变频器的启动、停止信号由PLC连锁控制。
三、变频器的给定信号，由PID计算出的输出信号通过模拟量输出EC20-4DA，以电流信号（4-20MA）的方式输出到变频器的电流给定端（CCI、GND）
四、PID控制由PLC应用软件通过编程的方式实现。具体过程比较简单，在CONTROLSTAR软件中的PID命令向导一步步完成，主要设置个别参数即可。具体PID编程语言如下：
LD SM0
PID D20 D21 D0 D22（PID调用）
LD SM0
MOV D50 D20 //设定目标值
MOV 10 D0 //采样时间(Ts) 范围为1～32767(ms)但比运算周 期短的时间数值无法执行
MOV 33 D1 //动作方向
MOV 0 D2 //输入滤波常数(α)范围0～99[﹪]，为0没有输入滤波
MOV 2000 D3 //比例增益(Kp)范围1～32767[﹪]
MOV 10 D4 //积分时间(TI)范围0～32767(×100ms),为0时作为∞处理(无积分)
MOV 0 D5 //微分增益(KD)范围0～100[﹪]，为0时无微分增益
MOV 0 D6 //微分时间(TD)范围0～32767(×10ms),为0时无微分处理
MOV 0 D15 //输入变化量(增侧)报警设定值0～32767
MOV 0 D16 //输入变化量(减侧)报警设定值0～32767
MOV 2000 D17 //输出上限设定值-32768～32767
MOV 0 D18 //输出下限设定值-32768～32767
主程序给定部分如下：
LD SM0
CALL PID_EXE（调用PID）
LD SM0
CALL PID_SET(PID参数设定)
LD X14 （系统自动运行）
TO 0 1 D22 1 （将D22 中内容写入模块0中的**个单元中，即模拟量输出值，引风给定）
TO 0 2 D22 1
TO 0 3 D22 1
TO 0 0 16#0 1
LD SM1
TO 1 0 16#1313 1（设置模拟量输入信号方式，即1、3通道关闭，2、4为电流信号）
LD SM0
FROM 1 10 D21 1
LD SM1
TO 1 36 16#1111 1
LD SM1
TO 1 14 16#1111 1
LD SM0
FROM 1 12 D50 1
其中特别需要说明的是FROM和TO指令。这两条指令主要用于模拟量处理，它的使用不同于西门子公司的直接寻址方式（PIW或PQW），而是用TO（写入）和FROM（读出）指令。对于模拟量模块，通过这两条指令来进行设置和参数的读出。比如TO 1 14 16#1111 1 。 其中**个1是指和CPU连接的*二个模块（**个是0）； 14是指其信息存储器中的*14个存储单元；16#1111是指16进制1111；最后的1是指写入的单元数为1（只占用14单元一个，后面的单元不再写）
2.4:实际参数设置
最后经多次修改和调试，确定比例系数为20，积分时间为1-3秒，微分时间为零。经过运行发现能够满足现场的生产工艺，达到炉膛温度（实际为出口管道采集温度）恒定控制的要求。
3、实际运行情况：
经过2个月左右的运行发现，系统能够运行非常稳定，能够维持出口风道温度在286-288摄氏度左右，满足了现场生产的要求。经过基本测算，节电率能够达到25%-35%左右；而节煤量几乎达到了35%以上，得到了客户非常高的评价。经过节约资金量估算，经过半年左右即可收回全部设备投入资金。这对这次改造，我们认为在锅炉燃烧系统中的变频及PLC改造前景非常大，特别是艾默生公司变频器及PLC产品优异的性能、坚实耐用和高可靠性、高精度的新技术核心，会为我们的节能技术改造提供较坚实的后盾

是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。

伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具**电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

线性电机是一种通过将封闭式磁场展开为开放式磁场，将电能直接转化为直线运动的机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。其结构可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展开成直线而形成的。其中定子相当于线性电机的初级，转子相当于线性电机的次级，当初级通入电流后，在初次级之间的气隙中产生行波磁场，在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动。

其实线性电机也是伺服电机的一种，理论上，只要有反馈的系统（线性电机通常以hall或者直线光栅反馈）都应该是伺服系统。所以，伺服电机应该在广义上被分为两类:旋转伺服电机和直线伺服电机。

线性电机的特点:高动态特性，高刚性。相对于传统的直线传递结构（如丝杠，电动缸），免维护，但成本较高。主要用于一些对系统动态特性非常高以及特殊环境的场合，比如，半导体生产线等。

在原理上看

原理

伺服又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类。

伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了闭环，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位。

原理

步进电机作为控制用的特种电机，是将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的步进角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的，改变绕组的通电顺序，电机就会反转。

使用性能上看

1、控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（bergerlahr）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

2、低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（fft），可出机械的共振点，便于系统调整。

3、矩频特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其较高工作转速一般在300～600rpm。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000rpm或3000rpm）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

4、过载能力不同

步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其较大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

5、运行性能不同

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

6、速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下msma400w交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000rpm仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。