6ES7313-6BG04-0AB0供应

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一、引言

中国铝业公司青海分公司采用的160kA大型预焙阳中间下料电解槽，提供直流电流的整流系统采用110kV直降式有载调压整流变压器和二管整流电路，共有四套整流机组，单机组额定输出直流为1150V、56kA；正常为四套机组同时运行，各输出40kA、1150V的直流电，共输出直流为160kA、1150V；当有一套机组退出运行后，其余三套机组各输出53.3kA、1150V的直流电用以满足铝电解的正常生产。整流系统的整流器采用二管三相桥式同相逆并联整流电路，变压器采用分段中性点调压变压器和整流变压器组合，具有±35级调压，稳流控制采用有载调压开关进行粗调，饱和电抗器进行细调的控制方式。由于电解铝厂的整流供电系统通常要求是终端变电站，监控和继电保护设置比较单一、简单，但性强，程度要求很高。因此，项目采用了微机监控保护装置和综合自动化系统，对稳流部分采用了PLC控制的方案。本文主要介绍自动稳流控制部分的组成及控制特点。

二、系统配置

为了立于保护和监控系统而自成一体，避免相互干扰和影响，稳流系统全部采用AB公司SLC-5/04系列PLC组网，该PLC具有的DH+通讯网，通过板卡直接可与服务器相连。

1、信号取样由于目前国产直流互感器的温漂做的不好，信号失真大，磁放大时间常数太长，不利于即时准确的控制等原因，稳流系统小闭环反馈信号取自于整流一次侧交流信号；稳流系统大闭环反馈控制信号取自于总直流互感器，经变送器把小信号传至总调PLC；整流系统总的输出电流由上位计算机系统通过通讯方式来设定。

2、控制功能在自动稳流系统中，PLC主要完成整个系统的逻辑顺序控制及所有PID回路控制。

其主要包括以下几个部分：

（1） 恒流控制

恒流控制是将机组的直流输出电流经变送器变换后反馈到PLC的输入端，与给定信号作比较后送给PI调节器进行控制。控制转换成控制输出脉冲并经功率放大后，去触发晶闸管整流电路的占空比，改变饱和电抗器的控制电流，从而达到机组电流稳定的目的。

（2） 平衡控制

由于饱和电抗器的特性不一致，经常造成机组之间以及同一台机组两个整流柜之间输出电流有较大的差别，使整流机组达不到额定出力。因此，把一台整流柜（A柜）的输出电流作为PLC的给定，另一台整流柜（B柜）的输出电流作为PLC的反馈，两者比较的结果通过PI调节器调节后，去改变A柜饱和电抗器的控制电流（B柜的控制电流保持不变），使两个整流柜的直流电流始终保持平衡。此时，PLC输出2个4～20mA的信号，分别控制整流机组的A/B柜稳流。

（3） 总调控制

前已提及，电解槽所需总的直流电流等于几台单机组输出电流之和。由于单机组稳流可实现单机组输出电流稳定，为了使电解槽所获得的总电流加稳定，将总电流经互感器反馈至PLC输入端，与上位计算机的给定值进行比较计算，输出的作为单机组稳流的分调给定，从而提高整个电流稳定精度。总调PLC输出4个4～20mA的信号，同时用于控制4个整流机组的总调给定。一般饱和电抗器的控制深度为60V左右，当其饱和或截止时，PLC能自动调节变压器有载开关的升降，从而使总电流不论在多大的电压波动情况下，均能达到稳流的目的，扩大了调压范围。

（4） 恒安时控制

每3分钟实测一次电解电流值，并将在1小时内实测的电解电流值累加，累加结果与设定值进行比较，根据所求差值与小时剩余时间自动调整设定电流，以达到安时偏差自动控制。
3、控制方式稳流系统采用了四种控制方式。

（1） 自动/总调方式

在此方式下，有载开关升降档指令均由计算机控制。有载开关升降操作是通过饱和电抗器控制电流来确认有载开关的升与降，这个动作不影响系统的单个有载开关位置。如果机组的一个有载开关发生升或降的要求，这要求将送入计算机并引起所组有载开关同时升或降。

（2） 手动/总调方式

这种方式允许操作员进行总调，同时动作向上或向下，有载开关升降档通过外部按钮来实现。机组总的调整与自动/总调方式相同。

（3） 自动/分调方式

此方式用于单个机组与其他机组有不同基准的情况下。此时，本机组有载开关升降不起作用。

（4） 手动/分调方式

此方式用于单机组与其他机组有不同基准的情况下，希望由本机组有载开关升降来调整本机组的电流。总之，不管是何种控制方式，都是通过调整饱和电抗器控制绕组的控制电流对整个整流系统进行细调。判断是否需要调控有载开关，是通过检测4台机组的有载开关档位来确定应动作哪台机组的有载开关。当需要升压时，动作级；当需要降压时，动作。通常是4台机组有载开关联动。

四、结束语

原有稳流系统采用了模拟电路控制饱和电抗器来调节电流的方法，致使调试工作量大，控制精度低，在实际运行中时常发生进线闸乱动，动力变莫名其妙跳闸，数据报表与实际不符等现象。我们将原有稳流部分采用PLC控制后，使系统显示出以下几个特点：

（1） 性和稳定性得到了很大的提高，故障率明显下降；

（2） 由于PID调节器由PLC软件实现，使得整个系统的接线简单，易于安装，维护量减小；

（3） 不需同步信号，无相序要求，系统变得易于调试；

（4） 饱和电抗器的控制特性是非线性的，PLC能自动识别其工作范围，从而自动改变控制参数，提高了输出电流的稳流精度（单机组稳流精度达到了0.5%）；

（5） 操作简单，可方便地与计算机或其它设备通讯。

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大的无人值守换热站，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的换热站之一。

2 换热站自控系统的设计要求

该换热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。终实现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，整个换热站自控系统可具有良好的自适应能力，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，再配以的WinCC软件，来实现换热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为广泛的位置，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、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大1024点，AI/AO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。终实现了在HMI操作站（上位机）上以少的设备数量提供大可能的信息，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出预先设定的值时，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、编程方便和可现场调试的优点，使整个系统的稳定性有了。该控制系统已在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。