西门子模块6ES7322-1HF10-0AA0型号规格

西门子模块6ES7322-1HF10-0AA0型号规格

 采用PLC自动检测水仓水位和其它参数，根据水仓水位的高低、矿井用电信息等因素，建立数学模型，合理调度水泵运行，可以达到避峰填谷及节能的目的。介绍了PLC在岱庄煤矿井下主排水控制系统的组成、系统的功能和特点及应用状况。
1、概述

    随着计算机控制技术的迅速发展，以微处理器为核心的可编程序控制器（PLC）控制已逐步 取代继电器控制，普遍应用于各行各业的自动化控制领域。煤炭行业也不例外，但目前煤矿 井下主排水系统仍多采用继电器控制，水泵的开停及选择切换均由人工完成，还做不到根据水位或其它参数自动开停水泵，这将严重影响井下主排水泵房的管理水平和经济效益的提高 。

    岱庄煤矿是1999年设计竣工的生产能力为1.8Mt／a的现代化矿井，井下涌水量较大，*泵 设计安装了5台MD500-57×9主排水泵，配套电动机1250kW，3趟排水管路。正常涌水时，2 台工作，2台备用，1台检修。鉴于PLC的先进性和可靠性，煤炭工业邯郸设计院对5台主排水泵及其附属的抽真空系统与管道电动阀门等装置实施了PLC自动控制及运行参数自动检测，动态显示，并将数据传送到地面生产调度中心，进行实时监测及报警显示。

    系统通过检测水仓水位和其它参数，控制水泵轮流工作与适时启动备用泵，合理调 度5台水泵运行。系统通过触摸屏以图形、图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时地 反映系统工作状态以及水仓水位、电机工作电流、电机温度、轴承温度、3趟排水管流量等 参数，并通过通讯模块与综合监测监控主机实现数据交换。该系统具有运行可靠、操作方便 、自动化程度高等特点，并可节省水泵的运行费用。

    2、　　系统组成
岱庄煤矿*泵房井下主排水泵自动化控制系统图如图1所示，整个自动控制系统由数据自 动采集、自动轮换工作、自动控制、动态显示及故障记录报警和通讯接口等5个部分组成。 

    2、1　　数据自动采集与检测

    数据自动采集与检测主要分为两类：模拟量数据和数字量数据。

    模拟量检测的数据主要有：水仓水位、电机工作电流、水泵轴温、电机温度、3趟排水管流量；数字量检测的数据主要有：水泵高压启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触器的状态、电动阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电磁阀状态、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力。

    数据自动采集主要由PLC实现，PLC模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水位，将水位变 化信号进行转换处理，计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，控制排水泵的启停。电机电流、水泵轴温、电机温度、排水管流量等传感器与变送器，主要用于监测水泵、电机的运行状况，**限报警，以避免水泵和电机损坏。PLC的数字量输入模块将各种开关量信号采集到PLC中作为逻辑处理的条件和依据，控制排水泵的启停。

    在数据采集过程中，模拟量信号的处理是将模拟信号变换成数字信号（A/D转换），其变换速度由采样定律确定。一般情况下，采样频率应为模拟信号中较高频率成分的2倍以上，这样经A/D变换的精度可完全恢复到原来的模拟信号精度。A/D变换的精度取决于A/D变换器的位数。如5V电压要求以5mV精度变换时，精度为5mV/5V=0.1%,即1/1000十进制的1000用二进 制表示时要求为10位,而本系统所采用的A/D模块分辨率为16bit,其精度在±0.05%以上，该精度等级足以满足控制系统要求。同时，PLC所采用的A/D模块均以积分方式变换，可使输入信号的尖峰噪音和感应噪声平均化，适用于噪音严重的工业场所。
图1　　岱庄煤矿井下主排水泵自动化监控系统图（略）

    2、2　　自动轮换工作
    为了防止因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而使电机和电气设备受潮或其他故障未 经及时发现，当工作泵出现紧急故障需投入备用泵时，而不能及时投入以至影响矿井安全，本系统程序设计了5台泵自动轮换工作控制，控制程序将水泵启停次数及运行时间和管路使 用次数及等参数自动记录并累计，系统根据这些运行参数按一定顺序自动启停水泵和相 应管路，使各水泵及其管路的使用率分布均匀，当某台泵或所属阀门故障、某趟管路漏水时，系统自动发出声光报警，并在触摸屏上动态闪烁显示，记录事故，同时将故障泵或管路自 动退出轮换工作，其余各泵和管路继续按一定顺序自动轮换工作，以达到有故障早发现、早处理，以免影响矿井安全生产的目的。

    2、3　自动控制
系统控制设计选用了日本欧姆龙公司C200HE型PLC为控制主机，该机为模块化结构，由PLC机 架、CPU、数字量I/O、模拟量输入、电源、通讯等模块构成。PLC自动化控制系统根据水仓 水位的高低、井下用电负荷的高、低峰和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时 间段（时间段可根据实际情况随时在触摸屏上进行调整和设置）等因素，建立数学模型，合理调度水泵，自动准确发出启、停水泵的命令，控制5台水泵运行。

    为了保证井下安全生产，系统可靠运行，水位信号是水泵自动化一个非常重要的参数，因此，系统设置了两套水位传感器，模拟量和开关量传感器，两套传感器均设于水仓的排水配水仓内，PLC将接受到的模拟量水位信号分成若干个水位段，计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，同时检测井下供电电流值，计算用电负荷率，根据矿井涌水量和用电负荷，控制在用电低峰和一天中电价较低时开启水泵，用电高峰和电**时停止水泵运行，以达到避峰填谷及节能的目的。

    2、4　　动态显示
动态模拟显示选用日本Digital公司的GP-570T型触摸式工业图形显示器（触摸屏），系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电磁阀和电动阀的运行状态，采用改变图形颜色和闪烁功能 进行事故报警。直观地显示电磁阀和电动阀的开闭位置，实时显示水泵抽真空情况和压力值 。

    用图形填充以及趋势图、棒状图方式和数字形式准确实时地显示水仓水位，并在启停水泵的水位段发出预告信号和低段、**低段、高段、**高段水位分段报警，用不同音响形式提醒工作人员注意。

    采用图形、趋势图和数字形式直观地显示3趟管路的瞬时流量及累计流量，对井下用电负荷的监测量、电机电流和水泵瞬时负荷及累计负荷量、水泵轴温、电机温度等进行动态显示、 **限报警，自动记录故障类型、时间等历史数据，并在屏幕下端循环显示较新出现的3条故障（故障显示条数可在触摸屏上设置），以提醒工作人员及时检修，避免水泵和电机损坏。 

    2、5　　通讯接口
PLC通过通讯接口和通讯协议，与触摸屏进行全双工通讯，将水泵机组的工作状态与运行参数传至触摸屏，完成各数据的动态显示；同时，操作人员也可利用触摸屏将操作指令传至PL C，控制水泵运行。PLC同时将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统分站传至地面 生产调度监控中心主机，与全矿井安全生产监控系统联网，管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，又可根据自动化控制信息，实现井下主排水系统 的遥测、遥控，并为矿**提供生产决策信息。触摸屏与监测监控主机均可动态显示主排水系统运行的模拟图、运行参数图表，记录系统运行和故障数据，并显示故障点以提醒操作人员注意。

    3、　系统功能及特点
    （1）PLC控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。该程序结构具 有清晰、简捷、易懂，便于模拟调试，运行速度快等特点。
    （2）系统根据水位和压力控制原则，自动实现水泵的轮换工作，延长了水泵的使用寿命。 
    （3）系统可根据投入运行泵组的位置，自动选择启动就近的真空泵，若在程序设定的时间内达不到真空度，便自动启动备用真空泵。
    （4）系统根据电网负荷和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段，以“避峰填谷”原则确定开、停水泵时间，从而合理地利用电网信息，提高矿井的电网运行质量。
    （5）PLC自动检测水位信号，计算单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，自动投入和退出水泵运行台数，合理地调度水泵运行。
    （6）在触摸屏上动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、流量、压力、温 度、电流、电压等参数，**限报警，故障画面自动弹出，故障点自动闪烁。具有故障记录，历史数据查询等功能。
    （7）系统具有通讯接口功能，PLC可同时与触摸屏及地面监测监控主机通讯，传送数据，交换信息，实现遥测遥控功能。
    （8）系统保护功能有以下几种。
    **温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度**出允许值时，通过温度保护装置及PLC 实现**限报警。
    流量保护：当水泵启动后或正常运行时，如流量达不到正常值，通过流量保护装置使本 台水泵停车，自动转换为启动另一台水泵。
    电动机故障：利用PLC及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故障，并参与控制。
    电动闸阀故障：由电动机综保监视闸阀电机的过载、短路、漏电、断相等故障，并参与水泵的联锁控制。
    （9）系统控制具有自动、半自动和手动检修3种工作方式。自动时，由PLC检测水位、压力及有关信号，自动完成各泵组运行，不需人工参与；半自动工作方式时，由工作人员选择某台或几台泵组投入，PLC自动完成已选泵组的启停和监控工作；手动检修方式为故障检修和手动试车时使用，当某台水泵及其附属设备发生故障时，该泵组将自动退出运行，不影响其它泵组正常运。PLC柜上设有该泵的禁止启动按钮，设备检修时，可防止其他人员误操作，以保证系统。系统可随时转换为自动和半自动工作方式运行。

１化学补给水系统的结构组成
以国内某电厂为例,先介绍化学补给水处理系统的基本组成。该电厂二期工程装设两台１３．５万千瓦机组,化学补给水处理系统采用中压系统,主要功能是用来将水源地来的清水经过滤器以及反渗透装置等设备预处理,再通过混床二级除盐处理变为适合主厂房锅炉用的除盐水,供主厂房锅炉与汽机发电使用。整个系统的控制主要以程序自动控制为主,人工参与为辅的方式来完成。化学补给水处理系统由三大系统组成:
１．１水系统
水系统主体设备主要包括双介质过滤器４台,活性炭过滤器４台,精密过滤器两台,反渗透装置两套,除碳器一套,一级混床三台,二级混床两台。所有设备由不同的管道相连构成化学补给水处理系统。从生水泵来的生水首先进入双介质过滤器除去大颗粒悬浮物等杂质,再进入活性碳过滤器处理,使水的浊度和导电度达到一定的标准后经精密过滤器进入反渗透装置,除去大量的含盐离子,此时的水变为淡水,淡水进入除碳器除去ＣＯ２后进入混床进行再次除盐处理,使水的导电度和ＳｉＯ２的含量达到设定标准后才能送入主厂房。水系统主要检测的对象有ＰＨ值、导电度、流量、压力、浊度和ＳｉＯ２含量等,此外,双介质过滤器、活性碳过滤器以及一、二级混床的树脂一旦失效就需要再生处理,反渗透装置每次运行结束后也需要清洗等,这些工作都需要计算机和ＰＬＣ程序控制来完成。
１．２酸碱再生系统
酸碱再生系统的主要作用是将混床里失效的树脂利用酸碱置换反应还原为合格的树脂,供混床制水使用。在制水过程中,当混床运行时间过长时树脂会吸附大量的含盐离子,导致树脂失效,此时产品水中的导电度和ＳｉＯ２的含量会明显增大,这就需要对树脂加酸加碱做再生处理,通过酸碱置换反应使树脂还原为合格的树脂,这时混床才能参与制水。从酸碱储存槽来的酸和碱分别储存在酸碱罐中,加酸加碱时,酸碱浓度要控制在一定的范围才行,一般酸碱浓度为０．１～０．１５,这些都要在系统运行过程中根据现场实际情况来确定,酸碱再生系统主要检测的参数为酸碱浓度、酸碱槽和酸碱箱的液位等。
１．３气系统
气系统主要是来自主厂房的压缩空气,压缩空气分为程控用气和再生用气两部分,程控用气主要是供给电磁阀箱来控制气动阀门的,而再生用气是供给双介质过滤器和混床再生空气擦洗时使用。气系统要保证有一定的气压,压力范围为０．５～０．６ＭＰａ,压力过高会使管道和床体憋压,压力太低阀门将动作缓慢甚至操作无效,因此气压是本系统的重要参数。

２程控系统
２．１系统构成及控制要求
程控系统是以ＰＬＣ和计算机为核心组成的对化学水处理系统操作实行程序自动控制的装置。系统所有的监控操作都是在计算机上完成的,通过ＣＲＴ监测现场各设备的状态和参数,来分析阀门、水泵以及过滤器、混床和反渗透装置等的运行状态、水质的好坏,如ＰＨ值、导电度、流量、压力、浊度和ＳｉＯ２等。上位机为运行提供了较为方便的操作方式和控制对象选择菜单,运行人员选择菜单内容来决定自己所喜欢的操作方式,通过发布操作指令来控制和监测现场运行设备。打印机可随时打印各种报表,从报表析运行设备的各种参数,进而分析水质的优劣。音箱是作为系统运行时报的,系统运行过程中当检测到有故障时会发出报警声音,提醒运行人员注重并通知检修人员及时修理故障设备,以免引起更大的事故。
系统运行之前过滤器和混床里必须有合格的树脂才能保有效的出水水质。一旦树脂失效,将影响出水水质,此时必须投运备用过滤器和混床,同时将不合格的树脂进行再生处理。系统流程图如图１所示。
２．２系统的组态
系统的组态对一个控制系统的配置来说相当重要,整个系统的自动化程度与其有着密切关系,它直接影响着整个系统操作功能的顺利实现,所以在对系统进行组态之前,必须搞清楚系统的所有受控对象以及参与控制的所有设备。由于化水处理系统涉及的受控对象比较多,有一百多个气动阀门、电动阀门、除碳风机、反洗水泵、加药泵、搅拌机以及淡水泵、除盐水泵等,还有几十路模拟量的监控,所以必须考虑所有的控制点数,然后给每个输入或输出点*一个Ｉ／Ｏ位,这样就可以计算出所有的Ｉ／Ｏ点数。
ＰＬＣ的型号一般来说由用户自己确定,但是设计人员应当根据系统的大小和控制对象的复杂程度来作出合理的推荐,帮助用户进行系统选型,因为每个系统的大小和控制的对象都不相同,其运行的工艺流程也各不一样,对它们的控制编程方式也不同,因此对ＰＬＣ内存容量的要求也不一样,这就要求进行全面地分析,使整个控制系统的配置更加完善。当所选ＰＬＣ的型号确定时,根据所选ＰＬＣ系统Ｉ／Ｏ单元的点数来确定Ｉ／Ｏ模块的数量,再根据Ｉ／Ｏ模块的数量和所选机架上的槽数来确定所要使用的机架数(包括扩展机架)。一般来说,Ｉ／Ｏ点数最后要留出足够的余量（１５左右）作为备用,便于将来系统增容扩建或改造。
由于该电厂的非凡原因和技术要求,需要配置上位计算机来参与操作和监控,对上位机的要求是能够模拟显示整个系统当前的运行状况、工艺参数趋势及棒形图、实时打印历史记录及报表、实时报警以及显示系统运行程序的步序和运行时间等,操作系统要求鼠标点动每个阀门和各个水泵、风机等,要求提示运行人员操作的步序,而且操作简单易懂,误操作时不会出现安全和技术事故,能够及时解除误操作等意外情况的发生。ＰＬＣ与上位机进行实时通讯,操作并治理整个系统,两台上位机一台运行,一台备用,并且能够同时互相进行切换,因此还需配置通讯模块,网络交换机等使整个系统的运行和操作更加方便。整个系统网络为双ＣＲＴ ＰＬＣ组成工业控制局域网,两台计算机上有以太网卡,通过双绞线与交换机相连,双绞线接口为ＲＪ-４５,网络拓扑结构为星型连接,网络协议为ＴＣＰ／ＩＰ。ＰＬＣ主机架上安装以太网模块,通过双绞线与交换机相连,ＰＬＣ主机通过同轴电缆与ＲＩＯ各远程站连接。在这样的系统配置中,两台计算机既可以共享数据,互为备用,也可以作为ＰＬＣ的编程器,对ＰＬＣ进行编程和维护。如图２所示为系统组态图。
２．３系统的操作功能
系统的操作功能要求系统能够在现场设备无故障情况下实现自动化,一般情况下单台设备的启动和停床采用自动、单步操作方式,整组投运时必须选择好床体和连锁设备后再启动和停床。鼠标单操优先,在任何情况下都不受操作方式的限制。操作程序启动时能够自动检测、自动报警,便于运行人员操作、监控。要求计算机对系统的运行状况能够进行实时显示、自动记录历史数据并能够脱机即时打印。要求人机对话灵活、画面显示清楚而且切换灵敏,上下位机通讯迅速且不会出现明显的时间滞后。由于化学水处理系统比较复杂庞大,所涉及的控制对象比较多,以往的运行办法需要运行人员到现场去操作每个电磁阀和水泵以及风机等来实现系统的运行,如今随着科学技术的不断发展,这种操作方式远不能适应大规模制水生产的需要。**,操作不方便、不灵活;*二,操作过程复杂、轻易出错;*三,需要多人相互配合才能完成操作,既花费人力,又浪费时间。当前要提高经济效益,扩大市场需求,在市场经济大潮的激烈竞争和减员增效的经济运行体制下,这种生产方式已经不能适应新形势发展的要求。为了适应市场经济的不断变化和提高劳动生产率就需要加大科技投入,提高系统配置的科技含量,力争使整个系统的运行和治理系统化、科学化,操作要灵活、方便,运行要稳定,这是我们所要力争实现的目标。由于ＰＬＣ可编程控制器的ＣＰＵ性能强、可选范围广并具有通用的处理结构、梯形图逻辑编程、通用指令系统、高性能的通信网络,答应与其它装置相互连接,这大大增强了应用控制和数据交换能力。Ｉ／Ｏ模块多为槽式或机架安装,控制设备比较集中,便于运行人员操作和维护。自动控制系统的应用,大大减轻了操作人员的劳动强度,提高了生产效率和系统运行的安全性、稳定性,为企业创造了经济效益,提高了企业的竞争力,实现了科学化治理。

３控制软件的设计
⑴化学水处理控制程序包括双介质过滤器的投运和再生程序,活性碳过滤器的投运和再生程序,反渗透装置的启动和停止程序,一级混床的投运和再生程序,二级混床的投运和再生程序。
⑵各个床体的程序一般是独立运行的,单独运行时有自动和单步操作。自动运行时每一步都是按事先设定的步序时间和在线参数进行运行,单步运行时每一步的时间都由运行人员根据现场情况自己把握,还可以根据现场情况跳过某些不需要的动作步序,因此操作方式要非常灵活。
⑶对于有些床体和其它设备需要同时运行时就需要进行对象选择,选好对象后再整组投运,在停床时也要选择对象,这样会避免误操作。整组投运的床体运行时间必须一致,因此在整组投运时运行时间都以同类设备**台的运行时间作为标准。根据以析列出单台床体软件设计的程序框架如图３所示。

４结束语
通过以上几个方面的分析,要用ＰＬＣ控制一个系统,首先对ＰＬＣ进行合理的系统组态和配置,然后要有一套完整而先进的软件支持才能实现对整个系统的自动控制。既要力求科技含量高、工艺先进、操作简单,又要做到系统结构合理、性能价格比高。一套成熟的控制软件,是经过反复调试和试运行,在运行当中发现问题、解决问题,在长期的实践中才能总结出比较合理的软硬件配置,化学水处理自动控制系统的投入,有效提高了系统运行效率和制水质量,为火力发电厂热力设备的安全、经济运行提供了保障

紧水滩水电厂共有9台机组，其中紧水滩站6台50MW混流式机组，石塘站3台26MW轴流转浆式机组。紧、石两站均采用PLC调速器，紧水滩站为单调，石塘站为双调。调速器电控柜内PLC为OMROM公司产品，A/D转换器采用逐次逼近式。
石塘站一机组PLC调速器投运后，水位差模拟信号量因故暂未接入。水位差值人为设定在20m(可变范围为18～22m)，协联曲线为18m，20m，22m各一条。投运后不久，发现原设定的水位已由20m下降到18m，多次调设原位后，又自行下降。水位设定降至较低后，对水轮机导叶和浆叶的协联配合影响较大，特别是在库区水位较高时，会加速导叶端面汽蚀的形成，　同时影响水轮机的出力和效率。

1原因分析

PLC调速器的水位设定值自行改变，有2种可能的原因：一是输入的模拟量信号异常；二是PLC内部的模拟量模块工作异常。

在排除PLC模块故障这一原因后，重点检查PLC调速器水位信号输入回路。发现在水位差信号输入端挂着一对约90m的空长电缆线，该电缆由调速器经电缆夹层至不同高程的继保室，为未加屏蔽的普通电缆。正是这一对空长线将干扰信号引到PLC调速器内，使水位差信号发生变化。

众所周知，相邻信号线上的串扰信号会在被串线路上产生噪声或在被串线路对上产生耦号，即在被串线路上有串扰信号存在。当空二传输线的长度与它耦合传输的被串信号波长很接近时，因传输线分布电容和自耦电感的影响，即传输线波阻抗和负载输入阻抗的不匹配，会使耦合的串扰信号在输入端表现为按指数规律充电到某一渐进电压值。

据计算分析可知，空二线在耦合到频率为1kHz～1MHz的串扰信号时，A/D转换器受到的干扰影响较大。

由于引入到PLC调速器水位差信号端的空二线经过电磁环境复杂的电缆层，　主串扰信号必定存在，空二传输线也会因此耦合到串扰信号。当串扰信号在输入端小于12mA电流信号时，会引起PLC调速器原设定为20m的水位值下降，小于4mA时，水位降至18m。

2解决措施

串扰信号随相邻线长度的增加而增加，而随两线间的间隔增大而减少，并跟串扰频率有关。

解决串扰的基本途径是减少主被串线间的互感和分布电容，而减小被串线路的输入阻抗则能有效减弱干扰的效果。

对本例来讲，解决问题的较简洁方法是将暂不使用的空二线解除。实际上在空二线解除后，水位设定一直正常。

逐次逼近式A/D转换器的抗干扰能力较差，若在直流信号上耦合有一交流干扰信号，因每次采样都采一瞬时值，所以每次采样的数值都会发生变化，水位差信号的检测就会有误差。因此，在接入实际水位差信号工作时，应注意接地的正确性。

空二线传输系统引入干扰量的大小同其所处物理空间的电磁环境有关。同样是在PLC调速器水位模拟量端悬挂空二线传输系统，不同的机组引起水位变化情况并不相同。在现场运用设备中应尽量避免这种挂空线情况的出现，以提高设备运行可靠性