6ES7331-7KF02-0AB0技术参数

6ES7331-7KF02-0AB0技术参数

1　步进电机、脉冲与方向信号

步进电机作为一种常用的电气执行元件, 广泛

应用于自动化控制领域。步进电机的运转需要配备

一个专门的驱动电源, 驱动电源的输出受外部的脉

冲信号和方向信号控制。每一个脉冲信号可使步进

电机旋转一个固定的角度, 这个角度称为步距角。脉

冲的数量决定了旋转的总角度, 脉冲的频率决定了

旋转的速度。方向信号决定了旋转的方向。就一个

传动速比确定的具体设备而言, *距离、速度信号

反馈环, 只需控制脉冲的数量和频率即可控制设备

移动部件的移动距离和速度; 而方向信号可控制移

动的方向。因此, 对于那些控制精度要求不是很高的

应用场合, 用开环方式控制是一种较为简单而又经

济的电气控制技术方案。

另外, 步进电机的细分运转方式非常实用, 尽管

其步距角受到机械制造的限制, 不能制作得很小, 但

可以通过电气控制的方式使步进电机的运转由原来

的每个整步分成m 个小步来完成, 以提高设备运行

的精度和平稳性。

控制步进电机电源的脉冲与方向信号源常用数

控系统, 但对于一些在运行过程中移动距离和速度

均确定的具体设备, 采用PLC (可编程控制器) 是一

种理想的技术方案。

2　控制方案

在操作面板上设定移动距离、速度和方向, 通过

PLC 的运算产生脉冲、方向信号, 控制步进电机的

驱动电源, 达到对距离、速度、方向控制的目的,

1。操作面板上的位置旋钮控制移动的距离, 速度旋

钮控制移动的速度, 方向按钮控制移动的方向, 启ˆ

停按钮控制电机的启动与停止。

在实际系统中, 位置与速度往往需要分成几挡,

故位置、速度旋钮可选用波段开关, 通过对波段开关

的不同跳线进行编码, 可减少操作面板与PLC 的连

线数量, 同时也减少了PLC 的输入点数, 节省了成

本。一个n 波段开关的较多挡位可达到2n。

在对PLC 选型前, 应根据下式计算系统的脉冲

当量、脉冲频率上限和较大脉冲数量。

脉冲当量= 步进电机步距角×螺距

360×传动速比

脉冲频率上限= 移动速度×步进电机细分数

脉冲当量

较大脉冲数量= 移动距离×步进电机细分数

脉冲当量

根据脉冲频率可以确定PLC 高速脉冲输出时

需要的频率, 根据脉冲数量可以确定PLC 的位宽。

同时, 考虑到系统响应的及时性、可靠性和使用寿

命, PLC 应选择晶体管输出型。

步进电机细分数的选择以避开电机的共振频率

为原则, 一般可选择2、5、10、25 细分。

编制PLC 控制程序时应将传动系统的脉冲当

量、反向间隙、步进电机的细分数定义为参数变量,

以便现场调整。

3　应用实例

1 3

笔者应用PLC 脉冲控制步进电机的技术, 对生

产上引法无氧铜管的设备进行了电气控制。

上引法无氧铜管的生产过程是: 将电解铜加入

工频感应炉, 使其熔化成铜液, 在铜液中浸入1 个通

有冷却水的结晶器, 流入结晶器的铜液经过0. 5～ 3

s 后, 便结晶成了固态铜管。然后, 一边由引棒将固

态铜管从结晶器中导出, 一边重复上述结晶过程, 慢

慢地将固态铜管牵引至摩擦压轮, 以后根据工艺间

隔时间由步进电机带动摩擦压轮, 将固态铜管源源

不断地从结晶器中牵引出来。牵引出来的铜管依次

进入校直、轧管、盘管、冷拉等工序, 生产出不同规格

的自来水管或空调、冰箱的热交换器用铜管。

设备应满足如下的生产工艺要求:

引管距离6 挡ˆ(mm ·次- 1) : 2、2. 5、3、3. 5、4、

5;

引管速度7 挡ˆ(mm ·m in- 1 ) : 115、130、140、

150、160、170、180;

牵引与结晶时间比: 1∶1;

引管方式: 间歇式;

牵引方向: 不变;

设备运行: 连续。

可见, 距离开关为6 挡, 速度开关为7 挡, 组合

后共有42 种牵引方式。根据计算, 距离、速度信号各

需3 个输入点就能达到设定的挡数要求, 启ˆ停按钮

需1 个输入点。根据工艺要求, 牵引方向不变, 故操

作面板上不设置方向按钮, 步进电机的旋转方向不

通过PLC 来控制, 而是采用直接跳线来完成设置。

脉冲信号需1 个输出点, 信号灯需2 个输出点。步进

电机采用25 细分工作模式, 以避开电机的共振频率

区。PLC 选用了具有8 个数字量输入点、6 个数字量

输出点的S IEM EN S 公司生产的S IMA T IC S7-

200 CPU 222。另外, 在控制程序中用多段管线操作

设计了电机的升降过程, 以满足大负载启动的要求。

电气控制原理见图2。

图2　电气控制原理

制作时, 首先将面板上的距离、速度波段开关按

图2 进行跳线, 完成二进制编码, 这样节省了7 个

PLC 输入点, 简化了连接, 提高了系统可靠性, 同时

也降低了设备的制造成本; 然后将各波段开关、按钮

的输出与PLC 相连。设备运行时, PLC 根据操作面

板上各开关的设定位置, 由控制程序产生某一频率

和数量的高速脉冲, 并将其输出至PCB, 由PCB 完

成电平转换。转换后的电平信号送至步进电机驱动

器, 拖动步进电机按设定的速度旋转相应的角度, 较

终达到控制距离和速度的目的。

4　结论

该设备经3 个多月的运行考核, 证明将PLC 脉

冲控制步进电机技术应用于中、小功率牵引设备中,

具有控制简单、稳定、等特点, 是一种切实可

行的电气控制方案

1 引言

    集中供热因具有节约能源和改善城市环境等方面的积极作用，而日益成为城市公用事业的一个重要组成部分。着眼于青岛市向现代化国际大都市的发展，华电青岛发电有限公司在市委、市**及集团公司的支持下，积极开展热电联产项目，满足了青岛市集中供热布局的大调整、大发展，及2008年会青岛赛区的要求。同时，也使整个青岛市区大气环境质量和市民生活品质得到了大幅度的提高。

    作为集中供热系统的主要组成部分——换热首站，是热源输出的重要关口。2004年10月在华电青岛发电有限公司建成了青岛市市内较大的无人值守换热首站，供热面积达70万平方米，成为了青岛市自动化程度及投入率较高的换热首站之一。

    2 换热首站自控系统的设计要求

    该换热首站主要由三台汽水换热器组成的换热系统、四台循环水泵组成的循环水系统及两台泵组成的系统来构成。根据生产工艺设计要求，换热首站的自控系统采用典型的两级监控方式。上位机以标准的工业控制计算机（IPC）作为主要的人机界面（HMI），为生产管理级，完成对下位机的监控、生产操作管理等，主要面向操作人员；下位机由可编程控制器（PLC）构成，为基础测控级，完成生产现场的数据采集及过程控制等，面向生产过程。

    （1）在生产过程中，存在大量的物理量，如压力、温度、流量等模拟量参数。需要通过PLC对这些参数进行实时采集和处理。

    （2）换热首站的自动控制，即实现整个进汽和供水过程的全自动控制，进行故障诊断，并在监控画面上显示各工况参数并控制设备运行状态。

    （3）根据本地的气候条件以及供热对象的特性，给出一条室外温度与二次供水温度之间的对应曲线。控制器可以通过这条曲线根据室外温度传感器测量的室外温度对一次供汽流量进行控制，已达到对二次供水温度的控制。此设计的特点在于能够通过室外温度对二次供水的温度进行控制，以达到节省能源，提高供热质量的目的。另外在控制器中增加晚间节能的设置，根据需要设置晚间供热温度。

    （4）自控系统通过加入时间日程表的控制，实现一天当中不同时刻对应不同的温度。

    （5）通过采用西门子的压力传感器、控制器以及变频器来实现对二次供水压力的控制，由于控制器可编程的灵活性，可以实现变频器的低频限制，以避免变频器、水泵长时间在低频运行，从而保护电机及变频器。当一台泵无法通过变频达到所要求的压力时，控制器可使另一台备用泵以工频的方式进行。较终实现更加智能化的恒压控制。

    （6）对调节系统可采用手操器控制，确保进汽和供水的温度、压力准确稳定，使换热温度达到用户的要求，并对其故障实现实时报警和连锁启停切换控制。以1#换热器为例，具体调节控制单元如下：
 
    ①1#换热器二次供水温度调节控制回路
主要功能:通过控制1#换热器一次蒸汽管网入口蒸汽调节阀CV-101A实现1#换热器二次侧热水出口温度的自动控制。
控制回路名称 : TIC-101A
过程变量 : TI-202A(1#换热器二次供水温度)
控制输出 : CV-101A(1#换热器一次蒸汽调节阀调节信号)

    ②1#换热器冷凝水水位调节控制回路
主要功能:通过控制1#换热器冷凝水排水调节阀CV-301A实现1#换热器冷凝水水位的自动控制。
控制回路名称 : LIC-301A
过程变量 : LI-301A(,1#换热器冷凝水水位)
控制输出 : CV-301A(1#换热器冷凝水排水调节阀调节信号)

    ③流量调节控制回路
主要功能:通过控制流量调节阀CV-302实现二次回水压力的定压自动控制。
控制回路名称 : FIC-302
过程变量 : PI-204(次回水压力/泵入口)
控制输出 : CV-302(二次回水流量调节阀调节信号)

    ④二次供水压力调节控制回路
主要功能:通过控制循环水泵变频器转速实现二次供水压力的定压自动控制。
控制特性:
变频器较小转速为额定转速的20%(10Hz)。
控制偏差为±0.625%(±0.01MPa)
待系统运行稳定后将1#/2#泵调节回路设为自动控制。
控制回路名称 : BPQ2
过程变量 : PI-203(二次供水压力/换热器出口总管)
控制输出 : 2BPQ-F(1#/2#循环水泵变频器转速调节信号)

    ⑤二次回水压力自动控制回路
主要功能:通过控制疏水水泵变频器转速实现二次回水压力自动定压控制。
控制特性:
当二次回水压力低于0.46MPa时自动启动变频器对系统进行,当压力达到额定值时变频器稳定在某转速恒定运行,系统稳定后可手动停止变频器运行。
为避免变频器在达到额定压力时出现转速波动的情况,控制死区宽度设置为1.6×±0.625%=±0.01MPa,即当测量压力与设定压力出现±0.01MPa误差时,变频器转速恒定不变。
变频器较小转速为额定转速的20%(10Hz)。
待系统运行稳定后将1#/2#泵调节回路设为自动控制。
控制回路名称 : BPQ1
过程变量 : PI-204(二次回水压力/滤污器出口)
控制输出 : 1BPQ-F(1#/2#疏水泵变频器转速调节信号)

    （7）该换热首站监控系统共需处理72个数字量输入点、64个数字量输出点、48个模拟量输入点和10个模拟量输出点。

    （8）可使运行操作人员通过上位机中的视频窗口实时监控现场设备运行状况。
按照上述设计要求，整个换热首站自控系统可具有良好的自适应能力，完全可以实现无人值守、节能的设计目标。

3 系统选型及特点

为了满足上面提到的换热首站自控系统的设计要求，我们选用西门子公司SIMATIC S7-300可编程控制器（PLC）和研华公司IPC-610工控机（IPC）构成的自控系统，再配以先进的WinCC软件，来实现换热首站自控系统的各项功能。

    当前可编程控制器（PLC）是专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机，已经成为电气控制系统中应用较为广泛的核心位置，它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、体积小，能在恶劣环境下长时间、不间断运行，且编程简单，维护方便，并配有各类通讯接口与模块处理，可方便各级连接。 

    S7-300采用模块化结构、适合密集安装，模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。在一块机架底板上可安装电源、CPU、I/O模板、通信处理器CP等模块，并且可以通过接口模块实现多个机架的扩展工作方式。根据要求本系统所选用的硬件产品，如下所示：

    （1）工业控制计算机（IPC）
    ADVANTECH IPC-610，Pentium Ⅳ 2.8GHz处理器，512M内存，80G硬盘；

    （2）*处理单元 (CPU)
    CPU 314，24V供电，48KB工作内存，DI/DO较大1024点，AI/AO较大256点；

    （3）信号模块 (SM)
    SM 321，数字量输入模块3块；
    SM 322，数字量输出模块2块；
    SM 331，模拟量输入模块6块；
    SM 332，模拟量输出模块2块；

    （4）通讯处理器 (CP)
    RS485 中继器2块；

    （5）负载电源模块 (PS)
    PS 370，电源模块1块。

    （6）接口模块 (IM)
    IM 365，接口模块2块。
    4 软件组态过程与效果

    工控组态软件WinCC(bbbbbbs Control Center)是一个集成的人机界面（HMI）和监控管理系统，它是西门子公司在过程自动化领域中的先进技术和微软公司强大软件功能相结合的产物，是世界上**个集成的人机界面（HMI）软件系统。它真实的将工厂控制软件集成到自动化过程中。HMI人机界面系统作为基础自动化系统重要组成部分，用于控制系统的各种数据的设定、显示、故障报警，以及相应操作和设备的在线调试及维护，发挥越来越重要的作用。换热首站HMI系统信息以友好方式与用户交互。通过自动化控制系统接收过程计算机（PCS）和操作人员通过HMI输入的数据进行处理，处理后再将过程数据信息、机组状态信息和各种测量值以符号、数值、曲线、图表及历史记录的形式在HMI画面上显示。较终实现了在HMI操作站（上位机）上以较少的设备数量提供较大可能的信息，帮助操作人员和设备维护人员快速准确的了解系统当前状态及其相关信息的设计目标。

    在上位机上用WinCC软件设计了标准的人机界面，主要包括以下几个方面的内容：

    （1）工艺流程图：在画面中通过编程实现模拟显示整个换热站现场进汽供水的全过程，并且在换热器本体上实时显示了各路汽、水的温度与压力，以便于操作者能及时准确的掌握本体内的换热情况，能够对现场设备的故障进行实时诊断。

    （2）手操器的操作与对现场仪表的监控：手操器有手动和自动两种工作方式，在设备安装调试阶段一般用手动操作方式，进入正常运作时常用自动方式，以实现对一些重要的模拟量数据的精确控制，自动调节程序由PID闭环控制回路完成。

    （3）报警记录：对于如进汽流量、供水压力等一些重要的模拟量输入参数进行实时报警，当处于监控下的任何一个变量超出预先设定的安全值时，报就会立即闪烁，同时通过报警一览表对话框可以检查报警超出的范围以及错误的出处，并对此采取相应的措施。

    （4）历史趋势：在此画面中除了实时显示变量的变化趋势，操作员还可以检查过去的过程数据记录，通过对过去历史趋势的比较进而可以对变量未来的发展趋势做进一步的预测。另外，还具有报警或变量记录档案库数据的运行报表。

    （5）摄像监控：通过摄像及图像采集设备对图像的处理，使操作人员通过视频窗口实时监控现场设备运行状况。

    5 结论

    本文讨论了基于可编程控制器的换热站自控系统的设计与实现，充分发挥了可编程控制器配置灵活、控制可靠、编程方便和可现场调试的优点，使整个系统的稳定性有了可靠**。该控制系统已在较近的采暖期中得到实际应用,为企业带来了可观的经济效益和良好的社会效益。