西门子模块6ES7321-1BP00-0AA0型号介绍

西门子模块6ES7321-1BP00-0AA0型号介绍

采用空气低温精馏法生产高纯度的氧气、和氩气。其简要生产工艺过程如下：原料空气经压缩、预冷，并在分子筛站除去水分和CO2，进入冷箱后分成两股，一股经主换热器逆流冷却进入高压塔，另一股经膨胀降温进入低压塔。空气经高压塔、低压塔两级精馏，在低压塔**部分离氮、，在其底部分离出液氧。在低压塔中部抽出富氩的氩馏分(约含90％O2、10％Ar和0.05％N2)，送往初级粗氩塔中除去氧分，从初级粗氩塔**部引态氩(纯度约99.8％)送到次级粗氩塔底部，进一步除去氧分。最后，含氧量小于0.0001％的氩送往纯氩塔除去氮和碳氢化合物，生产出纯氩。

1　控制系统结构
该空分装置采用了加拿大Elsag公司的INFI-90控制系统，其中INFI-90DCS作为过程控制系统，完成数据采集、回路调节及逻辑顺序控制；DECAlpha200计算机用于自动变负荷控制(ALC)。为了保证大型设备安全、可靠地运行，在现场选用了5台PLC，分别完成空压机、氮压机、氧压机和两台膨胀透平机的局部控制。主控室中配有1台工程师工作站、1台操作员监控站、1台自动变负荷过程站和3台打印机，用于生产过程监控，软件组态及图形、报警打印。控制系统网络结构如图1所示。
该系统配置的较大特点是具有冗余功能，包括：
1)INFI-NET环的双环热态冗余。
2)两块网络接口模件硬线配置成互为冗余，保证上环网的数据不中断。
3)4个多功能处理器分别用硬线配置成两对互为冗余模块，保证系统程序执行不中断。
4)工程师工作站与操作员监控站通过以太网配置成冗余，共享两台打印机。

2　控制功能
2.1DCS过程控制
ElsagDCS主要完成产品加工区、存储区的数据采集和回路控制。控制回路主要有空压机吸入空气的流量控制；空冷塔、水冷塔的液位控制；两分子筛的运行步骤及切换控制；冷箱内各精馏塔及管道内的压力、流量、温度控制；存储罐内的液位及压力控制等等。
为使整个生产过程运行稳定，各回路间都设有级联控制。该空分装置主要是制取氧气，氧气流量调节回路如图2所示。
由于氧气流量调节会影响到氩馏分、氧气压力、氧气温度的变化，联锁停车信号会使回路处于安全设定值状态，因此设计过程中需考虑到这些因素的存在，使之处于级联状态，保证了氧气流量的安全调节。
PID回路调节是由PID功能块和控制站功能块组成，它有3种工作方式。(1)手动方式操作员在监控画面上直接修改阀门开度的输出值，达到手动控制现场设备的目的。(2)自动方式操作员通过监控画面修改控制站功能块的设定值1，由PID回路根据此设定值与测量值的偏差自动调节阀门的开度。(3)级联方式与自动方式基本相同，但控制站功能块的设定值2是由内部程序修改，在监控画面上不能修改此设定值。
2.2ALC
ALC是指通过DECAlpha200计算机中已组态好的实时数据库(DHI)与DCS系统进行通信，以控制现场25个主要控制回路，改变空分装置的运行负荷，即改变空气的吸入量和能耗，并自动地按照一定算法改变后续工序的相应重要生产参数，实现氧气产量随需求量的变化而变化的自动调节，调节范围为设计产量的70％～100％。这样就可降低生产成本，提高经济效益。
2.2.1ALC系统主要功能
(1)操作员接口
用于气氧产品目标产量的设定和自动变负荷全过程的监视。为保证生产安全，该气氧产品目标产量设**有上、下限值。
(2)计算块和设**斜坡函数
用于ALC所控制的25个控制回路的各个目标设**及其他重要工艺参数的计算。
(3)数据传送
用于DEC Alpha200计算机计算出的各控制回路设**的值到相应控制回路的动态传送，其数据每5s刷新一次。ALC系统启动前，受ALC控制的所有控制回路必须设定在适当的操作状态(即自动／串级)。一旦出现错误的信号，ALC便自动停止数据的传送，保持当前状态，同时发出声、光报警信号。
(4)历史趋势图显示
用于显示自动变负荷控制过程中主要控制回路的参数曲线，以便于操作人员监视生产状况。
(5)安全运行
自动变负荷可以随时启动或停止，当25个控制回路中有1个出现错误时，变负荷将自动停止，各回路保持在当前状态。
2.2.2控制原理
对于每个控制回路来说，不同的氧产量值，对应着不同较佳设定值。在ALC系统内部设置了一套自己的*控制系统，它是由上千组不同氧产量值对应不同控制回路的较佳经验设定值组成。每次变负荷之前，系统根据当前各控制回路的工艺值、当前氧产量值、输入的氧产量变量值、设计氧产量的较大较小值，计算出各控制回路的较终目标设定值和当前状态(OK或ERRO)；并且在从当前氧产量向目标氧产量的变化过程中，按照每次改变量不能**过上次氧产量值的5％的原则，每5s改变一次氧产量值，即每5s计算并发送一次各控制回路的设定值，并计算出完成本次变负荷所需要的时间，再由氧产量和完成变负荷的时间构成一个一次函数，这就是斜坡方程。该斜坡方程控制曲线如图3所示。ALC系统每次运行都是按照这一计算好的斜坡方程轨迹运行，直到运行时间结束。ALC系统控制运行流程图如图4所示。
2.3PLC局部控制
PLC局部控制由4台SIEMENS S5-115U 945和1台三菱MELSEC A1S PLC组成，用来完成主厂房内空压机等大型主体设备的启动、停止、运行的逻辑控制，回路控制及运行状态监视。

3　通信方式
3.1DCS系统通信方式
该集散控制系统采用了INFI-NET环、控制总线(Controlway)和输入／输出扩展总线3层通信结构。
(1)INFI-NET环是一个无主站、封闭环路、缓冲器插入型的环行通信网络，由一对冗余的同轴电缆和相应的通信端子单元构成，较多支持250个节点，通信速率为10Mb/s。
(2)控制总线是一个1Mb/s的串行通信链，较多支持32个多功能处理器，允许过程数据、文件数据和计算机数据的交换，也能处理组态下装和参数整定，并可通过网络处理模件从INFI-NET环接收或发送例外报告。
(3)输入／输出扩展总线处理数字量I／O模件和模拟量I／O模件与多功能处理器之间的数据通信。它是一个高速并行通信通道，其总线宽为8个数据位，传输速率为0.5Mb/s。
3.2ALC系统与DCS间的通信
ALC系统通过计算机的网络接口模块与INFI-NET环相连，它与DCS间的通信要经过DCS驱动器，将数据转换成两个系统都能接受的协议形式。通信示意图如图5所示。

4　结束语
该集散控制系统于1996年11月开始调试，1997年9月20日通过考核验收，自动控制系统运行稳定，控制功能和控制精度符合生产工艺的要求。当氧产量从70％上升到100％时，ALC所需时间约为40min；氧产量从100％下降到70％时，ALC所需时间约为60min，耗电量是100％工况时的77.7％，大大降低了生产能耗，提高了经济效益。该系统基本达到无人控制，产品各项指标均达到合同要求，且重要的工艺参数可通过以太网传送到厂级管理计算机，对于冶炼用气的合理调度具有重要意义。

3：在氧化沟厌氧池中设置氧化还原电位（ORP）在线测定仪一台，在缺氧池及好氧池中分别设置溶解氧（DO）在线测定仪两台，在现场及中控室电脑上均可实时显示测定值，本厂的氧化沟厌氧池ORP一般在－200mv左右；缺氧池DO一般在1.0 mg/L左右；好氧池DO一般在2.0～2.5mg/L左右。当监测到的实时值不在设定值范围内时，中控室电脑上会发出声光报警信号，工作人员可据此决定鼓风机开启的台数和曝气量，在保证溶解氧在正常范围内的基础上为用户节省了能源消耗。并通过切换主机、副机的运行状态，使三台鼓风机的累计工作时间基本相等。

4：在好氧池中设置污泥浓度计两台，实施监测好氧池中的污泥浓度，当池中污泥浓度较大时，会及时减少二沉池中的污泥回，增加排泥；当浓度较小时时，会适当增加污泥回。以上控制过程均可以在中央控制室内根据监测数据进行远程控制。

5：在二沉池中设置一台泥位计，当在线监测泥位值偏高时，可自动调节刮吸泥机、排泥设备，将剩余污泥外排，防止沉淀污泥发生。 

6：在出水池中设置pH计、COD在线测定仪、污泥浓度计各一台，并在现场及中控室实时监测显示测定值，工作人员可随时掌握出水水质情况，并判定出水是否达标排放。赤坎水质净化厂出水要求达到国家二级标准。

四: 总体评价及存在的问题

本厂所采用的污水处理自动化控制系统借鉴了国内外先进的计算机软、硬件技术，控制理论及算法，实现了污水处理全过程自动智能控制，节省了人力资源，能够及时、准确地反映工艺过程中各个工艺参数的变化情况，并通过声光报警，数据溢出时自动暂停设备等方式提醒工作人员根据参数变化及时做出调整对策，保整套处理过程长期稳定、地运行。

自动化控制应用于污水处理工艺过程，在国外已有许多成功范例和典型工程实例，近年来，我国也有许多污水处理厂借鉴国外先进技术，将自动化控制合理地应用到污水处理工艺过程当中，并且取得了良好的效果。但是在两者相结合的过程中仍然存在许多问题，现作如下总结：

1：污水处理自动控制系统中所采用的一些自动化检测设备、仪表、阀门的功能和精度目前还很不完善，在实际应用中达不到预期的效果，误差很大，因此，如果单纯依靠这些设备来判断污水处理情况并实施自动控制，往往很难达到处理水质达标排放和节约能源的目的。

2:虽然许多污水处理厂采用ORP、DO、pH值作为参数来控制出水水质，调节曝气量，但是当控制器无法找到ORP特征点时，污水处理系统仍然会按照时间来控制整个处理过程。

3：污水水质的监测与控制存在滞后问题，例如根据好氧池中的DO来控制鼓风机的曝气风量，由于生化处理系统本身是处于动态平衡当中的，操作人员通过在线实时监测发现DO偏低（或偏高），并通过调节鼓风机叶轮转速来实现增加（或减少）曝气量，在此过程中，DO值监测与鼓风机风量调节之间的滞后可能会导致鼓风机无法准确地根据好氧池中实际溶解氧的浓度来提供曝气量，难以真正达到节能的目的。

4：仪器设备维护难度大。例如pH计、污泥浓度计、泥位计等仪器均有严格的使用维护要求，包括接触探头的定期清洗、标定，设备损耗维修等等，并且现阶段我国污水处理厂大都采用是进口设备仪器，价格昂贵，这也在一定程度上增加了污水处理厂的投资费用。

五: 结语

现今我国污水处理厂多是采用国外进口设备与控制系统，价格高，维护困难。并且目前我国国产的在线分析测定仪器设备还不能达到精度要求，因此，进行我国*设计制造自动化控制系统，并提高仪器设备的测量精度和质量，降低维护费用，是我们现阶段以及今后污水处理厂自动化控制系统发展的主要方向。

 本文着重介绍国产多电平高压变频器在邯郸钢铁集团一炼钢厂的应用情况，对其节电情况进行对比。结果表明，冶金采用国产高压变频器对除尘风机进行调速节能，具有投资省，等特点。 

    邯郸钢铁集团一炼钢厂设置1#和2#两个混铁炉，每个混铁炉设有一个兑铁口和一个出铁口，混铁炉兑铁或出铁时，高温的铁水会同空气发生剧烈的化学反应，产生大量的烟气。一方面对现场操作的工人不利，另一方面也对环境造成了巨大的污染。为改善现场环境，降低污染，需要对混铁炉的兑铁、出铁进行除尘改造。该除尘设施配置Y4-73№29.5F除尘风机一台（配套电机功率800kw），混铁炉除尘风机需要五种风量来适应混铁炉兑出铁工艺要求，为了提高风机的运行效率，节能降耗，必须对风机进行调速控制。东方工业环保有限公司负责该混铁炉项目总承包，在以前的类似除尘项目中，多采用液力耦合器进行调速。近几年随着高压变频技术的进步，高压变频器的性价比有很大幅度的提升，液力耦合器逐渐失去优势，较终无锡东方选购了北京利德华福电气技术有限公司生产的Harsvert-A系列高压变频器对风机进行调速控制。混铁炉除尘风机高压变频器于2003年4月份调试完毕投入运行，至今已稳定运行一年多。

    一、除尘风机工艺要求 

    邯郸钢铁集团一炼钢1#和2#两个混铁炉，当混铁炉既不兑铁也不出铁时不需要风量；当混铁炉工作时，一个兑铁口兑铁需要风量35万m3/h；一个出铁口出铁需要风量15万m3/h；两台炉出铁口同时出铁需要风量30万m3/h；当一台混铁炉的兑铁口和出铁口同时兑铁出铁时需要风量50万m3/h。两个混铁炉兑铁口不能同时打开，只能有一个兑铁口打开，两个混铁炉出铁口可以同时打开。
    兑铁：由一台125t天车完成，铁水罐分为70t和100t两种规格，每罐兑铁时间为4-6min； 
    出铁：按三台炼钢转炉同时生产20炉/班计算，单台混铁炉出铁30罐/班，每天三班，每班八小时，单罐出铁时间1-2min，两次出铁周期较短为8min，每班出铁累计时间30-60min。 
    A到B为既不兑铁也不出铁时间；
    B到D为一个出铁口出铁时间，其中B到C为风机升速时间；
    D到F为两个出铁口出铁时间，其中D到E为风机升速时间；
    F到H为一个兑铁口兑铁时间，其中F到G为风机升速时间；
    H到J为一个兑铁口兑铁、一个出铁口出铁时间，其中H到I为风机升速时间；风机升速时可以根据需要跨越任一升速点；J点风机开始减速。
    J到L为一个兑铁口兑铁、一个出铁口出铁转换为一个兑铁口兑铁时间，其中J到K为风机减速时间；
    L到N为一个兑铁口兑铁转换为两个出铁口出铁时间，其中L到M为风机减速时间；
    N到P为两个出铁口出铁转换为一个出铁口出铁时间，其中N到O为风机减速时间；
    P到R为一个出铁口出铁转换为既不出铁也不兑铁时间，其中P到Q为风机减速时间；
    Q到R为既不兑铁也不出铁时间。

    二、调速要求 

    为简化控制逻辑，现场直接根据出铁口、兑铁口的开关状态来控制变频器的转速，变频器预设5个速度点，根据现场所需风量不同自动调节电机转速。 
    变频器内置PLC和中文的人机界面给现场调试工作带来很大便利，调试周期大大缩短。各种参数设置十分方便，根据现场烟气的多少，可以及时调整各速度段点的风量，除尘改造后，现场条件大为改善。

    三、节能计算

    根据变频器的运行记录，统计风机在一天中各速度段的运行时间，得到如下运行数据： 
    各速度段变频器的输入功率为：
    P1＝1.732×6×5.8×0.8=48.2kW
    P2＝1.732×6×25.1×0.8=208.7kW
    P3＝1.732×6×37.9×0.8=315.1kW
    P4＝1.732×6×23.89×0.8=198.6kW
    P5＝1.732×6×62.50×0.8=519.6kW
    则使用变频器后一天风机所消耗的电能为：
    8.2×3+208.7×7+315.1×4+198.6×7+519.6×3＝4694.9 kW·h 
    电价按0.4元计算，整个系统按照一年运行300天计算，则一年的电费为：
    4694.9×0.4×300＝56.3388万元
    如果不使用变频器，电机始终工频运行，则一年的电费为：
    P＝1.732×6×76×0.8=631.8kW
    631.8×24×300×0.4=182万元
    节约电费约为：125.7万元
    说明：以上计算仅为初步的理论计算，变频器节能情况是根据试运行时的数据计算，与具体运行情况存在偏差。

    四、应用高压变频调速系统产生的其他效果

    改善了工艺。投入变频器后除尘风机可以非常平滑稳定的调整风量，运行人员可以自如的调控，除尘风机运行参数得到了改善，提高了效率。

    延长电机和风机的使用寿命。一般除尘风机均为离心式风机，启动时间长，启动电流大（约6～8倍额定电流），对电机和风机的机械冲击力很大，严重影响其使用寿命。而采用变频调速后，可以实现软起动和软制动，对电机几乎不产生冲击，可大大延长机械的使用寿命。

    减少阀门机械和风机叶轮的磨损。安装变频调速后，风机经常工作在比原来定速时低150转/分的转速下运行，因此，大大减少了风机叶轮的磨损，减少了风机振动。延长风机的大修周期，节省检修费用和时间。

    便于实现除尘控制系统自动化。除尘系统的的风量经常需要根据工艺的要求变化，在过去用挡板调节时，存在执行机构的开度与流量的关系曲线的线形问题。往往由于执行机构的磨损量过大，阀门特性发生变化，出现非线形问题，致使调节过程失误，自动控制系统无法正常工作。而变频调速始终保持在线形高精度0.1～0.01HZ的范围内工作，为实现除尘系统的自动化创造优越条件。 

    五、调试经验总结

    1 变频器同现场设备的接口要主要抗干扰问题。变频器受除尘系统的PLC控制，变频器提供的4路模拟输出2路进入控制柜上的仪表进行显示，2路进入PLC中参与各项保护。现场调试时发现，进入仪表的信号显示无误，而进入除尘系统PLC的信号却时有时无。现场测量PLC的模拟输出信号，一切正常。后来将除尘系统PLC可靠接地后问题解决。

    2 主要干式变压器的合闸涌流。HARSVERT-A系列高压变频器采用单元串联多电平技术，设有一台干式变压器。在邯钢项目中使用的干式变压器为F级绝缘的环氧浇注变压器，按变压器的使用说明书，合闸涌流应在6倍以内。变频器上级的高压开关的速断保护按照7倍整定，但给变频器送电时有时正常，有时高压开关的速断保护动作造成无法正常送电。后来将速断保护的定值由7倍增加到11倍，问题才得到解决。

    六、结束语

    利德华福从1999年开始进入高压变频器领域，至今已有5个年头了，目前近200台的应用业绩，也可算走出了国产高压变频器大规模应用的一小步。在冶金行业的应用达到30多台，为冶金行业的节能环保做出了自己的贡献。我们认为目前高压变频器正逐步取代液力耦合器的传统应用领域，随着高压变频器的大规模应用，性价比不断提高，较终变频器将会取代液力耦合器而成为电机调速的较佳选择。