西门子模块6ES7223-1PH22-0XA8库存

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提高PLC自动控制系统性的方法,如下：

一、控制系统性降低的主要原因

虽然工业控制机和可编程技术'>控制器本身都具有很高的性，但如果输入给PLC的开关量信号出现错误，模拟量信号出现较大偏差，PLC输出口控制的执行机构没有按要求动作，这些都可能使控制过程出错，造成无法挽回的经济损失。影响现场输入给PLC信号出错的主要原因有：1、造成传输信号线短路或断路（由于机械拉扯，线路自身老化，连接处松脱等），当传输信号线出故障时，现场信号无法传送给PLC，造成控制出错。2、机械触点抖动，现场触点虽然只闭合一次，PLC却认为闭合了多次，虽然硬件加了滤波电路，软件增加微分指令，但由于PLC扫描周期太短，仍可能在计数、累加、移位等指令中出错，出现错误控制。3、现场变送器，机械开关自身出故障，如触点接触不良，变送器反映现场非电量偏差较大或不能正常工作等，这些故障同样会使控制系统不能正常工作。影响执行机构出错的主要原因有：

1、控制负载的接触不能动作，虽然PLC发出了动作指令，但执行机构并没按要求动作。

2、控制变频器起动，由于变频器自身故障，变频器所带电机并没按要求工作。

3、各种电动阀、电磁阀该开的没能打开，该关的没能关到位，由于执行机构没能按PLC的控制要求动作，使系统无法正常工作，降低了系统性。要提高整个控制系统的性，提高输入信号的性和执行机构动作的准确性，否则PLC应能及时发现问题，用声光等报警办法提示给操作人员，尽除故障，让系统、、正确地工作。

二、设计完善的故障报警系统

在自动控制系统的设计中我们设计了3级故障显示报警系统，1级设置在控制现场各控制柜面板，用指示灯指示设备正常运行和故障情况，当设备正常运行时对应指示灯亮，当该设备运行有故障时指示灯以1Hz的频率闪烁。为防止指示灯灯泡损坏不能正确反映设备工作情况，专门设置了故障复位/灯测试按钮，系统运行任何时间持续按该按钮3s，所有指示灯应全部点亮，如果这时有指示等不亮说明该指示灯已坏，应立即换，改按钮复位后指示灯仍按原工作状态显示设备工作状态。2级故障显示设置在控制室大屏幕监视器上，当设备出现故障时，有文字显示故障类型，工艺流程图上对应的设备闪烁，历史事件表中将记录该故障。3级故障显示设置在控制室信号箱内，当设备出现故障时，信号箱将用声、光报警方式提示工作人员，及时处理故障。在处理故障时，又将故障进行分类，有些故障是要求系统停止运行的，但有些故障对系统工作影响不大，系统可带故障运行，故障可在运行中排除，这样就大大减少整个系统停止运行时间，提高系统性运行水平。

三、输入信号性研究

要提高现场输入给PLC信号的性，要选择性较高的变送器和各种开关，防止各种原因引起传送信号线短路、断路或接触不良。其次在程序设计时增加数字滤波程序，增加输入信号的可信性。数字信号滤波可采用如下程序设计方法，在现场输入触点后加一定时器，定时时间根据触点抖动情况和系统要的响应速度确定，一般在几十ms，这样可保证触点确实稳定闭合后，才有其它响应。

模拟信号滤波可采用如下程序设计方法，对现场模拟信号连续采样3次，采样间隔由A/D转换速度和该模拟信号变化速率决定。3次采样数据分别存放在数据寄存器DT10、DT11、DT12中，当后1次采样结束后利用数据比较、数据交换指令、数据段比较指令去掉大和小值，保留中间值作为本次采样结果存放在数据寄存器DT0中。

在实际应用之中，工具情况还以延长采样的次数，以达到较好的效果。提高读入PLC现场信号的性还可利用控制系统自身特点，利用信号之间关系来判断信号的可信程度。如进行液位控制，由于储罐的尺寸是已知的，进液或出液的阀门开度和压力是已知的，在一定时间里罐内液体变化高度大约在什么范围是知道的，如果这时液位计送给PLC的数据和估算液位高度相差较大，判断可能是液位计故障，通过故障报警系统通知操作人员该液位计。

又如各储罐有上下液位限保护，当开关动作时发出信号给PLC，这个信号是否真实，在程序设计时我们将这信号和该罐液位计信号对比，如果液位计读数也在限位置，说明该信号是真实的；如果液位计读数不在限位置，判断可能是液位限开关故障或传送信号线路故障，同样通过报警系统通知操作人员处理该故障。由于在程序设计时采用了上述方法，大大提高了输入信号的。

四、执行机构性研究

当现场的信号准确地输入给PLC后，PLC执行程序，将结果通过执行机构对现场装置进行调节、控制。怎样保证执行机构按控制要求工作，当执行机构没有按要求工作，怎样发现故障？我们采取以下措施：当负载由接触器控制时，启动或停止这类负载转为对接触器线圈控制，启动时接触器是否吸合，停止时接触器是否释放，这是我们关心的。

我们设计了如下程序来判断接触器是否动作。X0为接触器动作条件，Y0为控制线圈输出，X1为引回到PLC输入端的接触器辅助常开触点，定时器定时时间大于接触器动作时间。R0为设定的故障位，R0为ON表示有故障，做报警处理；R0为OFF表示无故障。故障具有记忆功能，由故障复位按钮。

当开启或关闭电动阀门时，根据阀门开启、关闭时间不同，设置延时时间，经过延时检测开到位或关到位信号，如果这些信号不能按时准确返回给PLC，说明阀可能有故障，做阀故障报警处理。程序设计如下所述。X2为阀门开启条件，Y1为控制阀动作输出，定时器定时时间大于阀开启到位时间，X3为阀到位返回信号，R1为阀故障位。另外，一般的开关输出都有中间继电器，多于比较重要的控制可以使用中间继电器的其他辅助触点向PLC反馈动作信息。

 
图1 定义配方

 
图2 创建和编辑配方

 
图3 读写配方指令

系统功能要求是根据系统目标结合具体内容确定的，特别具体项目的特点：

    a、快速扫描的速度及顺序控制、联锁的执行周期，根据工艺指标提出具体要求。例如：某用户的一个装置引进DCS时因承包商对商在顺序控制方面的需要不清楚，到组态设计时，发现这种DCS的速度和容量均不能满足工艺的要求，只好又购买了一套PLC，增加了投资。

    b、目标在开发控制软件，则在控制功能上以及软件开发工具方面要侧重说明。

    二、DCS的选型

    1、机种选择原则

    选择DCS机种是一项重要工作，由于DCS技术进步速度很快，集中新换代周期很短，过去由几个主要国外DCS厂家的时代已经过去，民族的DCS厂家发展成熟起来，目前已经占据了中国DCS市场的半壁江山，其性能、性和稳定性及优越的性价比得到了广大用户的认可，这是民族产业的骄傲。现在国内外主要DCS制造商有十几家，DCS采购一般采取招标方式，通常由用户（或招标公司）选择3-5家进行询价、招标，经过、及技术负责人综合评价和评比，后确定一个机种。DCS机种选择的因素很多，不能只从一次性投资多寡考虑。总结DCS机种选择的原则为：选择工程实力较强的公司，选择符合有经验的的主流机型，考虑DCS系统的性、稳定性和操作方便性，其次考虑DCS功能应满足“功能需要”的要求，具有水平(但不一定是的)，系统应具有开放式结构，有灵活的系统可扩性。考察是否又在**业使用的实例，效果是否令人满意，制造厂家的后备支持系统是否完备，调查厂家工程经验和实施能力、化解决方案的能力和设计能力，服务是否良好，性能/价格比是否，价格是否可以接受，备件供应和响应是否及时。一个工厂企业DCS机种选择同一种，便于维护和管理。

    2、机种的评价内容

    （1）系统硬件构成比较：将参加询价的3-5家机种做硬件配置和功能比较，主要项目如下：操作站、工程师站、打印机、上位机接口、辅助存储器、网络和内部通信、现场控制器、现场监视站、辅助台柜（栅柜、端子柜、继电器柜、辅助操作台等）、应用模块及电源配备。

    （2）I/O卡能力比较（每项列出：点数/卡、卡数、总点数）：

    监视输入4～20mA

    脉冲

    T/C

    RTD

    控制输入4～20mA

    脉冲

    Ｔ/C

    RTD

    控制输出4～20mA

    D/I按钮、开关状态

    D/O开关、继电器输出

    （3）系统通信功能比较：通信规程的标准化、开放型及功能，通信网络（总线）、通信速度、传递距离、网络（总线）允许加载设备总台数，是否双重化。

    一、系统功能需求的确定

    选用DCS之前要明确应用的目标，提出对DCS功能的要求，确定系统的规模。一般都需要仪表自动化、工艺负责人及计算机的负责人、设计院项目负责人几方面讨论确定，以达到大限度地满足生产和操作的要求。

    1、应用DCS的目标

    （1）提高装置生产及管理水平

    提高生产效率（提高收效），降低生产成本，节能，降耗，提高产品质量，提高生产方案变化的灵活性及适应性，提高装置的管理水平，提高故障分析的科学性和生产管理标准化，有利于劳动竞赛，挖掘生产潜力。

    （2）提高装置的控制水平

    实现装置稳定化控制及操作优化，实现控制，实现顺序逻辑控制，实现设备故障诊断和联锁保护，实现局部或全装置的优化控制，生产及管理水平的提高，控制水平的提高，将为实现装置“安、稳、长、满、优”生产发挥重要作用，具有显著的经济效益和社会效益。

    这些目标可以分阶段考虑，逐步应用、开发，系统亦将逐步扩展以实现终目标。

    2、系统功能要求

    （1）数据采集和存储功能：模拟输入信号的扫描时间，数字信号的扫描时间，历史数据存储（包括调整趋势、历史趋势）的种类、点数和周期，输入信号的处理功能。

    （2）控制功能：具备完整的监测、调节和顺序控制功能及设备运行监视、联锁保护等功能，反馈控制功能的大能力（输入输出的种类、数量、逻辑运算能力、顺序步骤，执行周期），过程控制语言能力（如ST、FORTRAN，BASIC，C或其他的控制语言），控制软件的要求。

    （3）显示功能：CRT尺寸、颜色，画面刷新时间，画面种类与数量。显示画面包括总貌画面、流程图画面、控制分组画面、调整画面、趋势画面、过程报警画面、系统报警画面、系统状态画面、操作日志画面、历史查询画面等，并具有窗口（多个、拉伸、重叠）显示功能，汉字功能以及触屏功能。

    （4）报警功能：模拟输入/输出信号报警（报警、变化率报警），数字输入/输出信号报警，仪表停用（校验、停扫描）报警，系统部件（卡件、网络）故障报警，相邻报警时间分辨率，报警管理功能（如历史查询过滤、报警组设置、报警点组的级、报警抑制功能等）。

    （5）报表和屏幕拷贝功能：即时报表功能，定时报表功能（包括时报、班报、日报、月报、年报），报警汇总记录，操作记录报表，操作或参数修改打印，打印机屏幕拷贝功能。

    （6）操作：操作权限口令询问功能，工程师、操作员钥匙键功能，MAN/AUT/CAS切换无扰动功能，冗余措施。

    （7）系统的灵活性：系统性指标，冗余冗错，系统扩展方便，新老产品的兼容性，与上位机通信接口及软件的实用性，与其它机种的通信（开放性）。

“信息化带动工业化，工业化促进信息化”是中国的国策。石油和化工企业的信息化分为三层结构：层以PCS(ProcessControlSystem，过程控制系统)为代表的生产过程基础自动化层，二层以MES(ManufacturingExecutionSystem，制造执行系统)为代表的生产过程运行优化层，三层以ERP(EnterpriseResourcePlanning，企业资源计划)为代表的生产过程经营优化层。

    本文针对层(PCS)浅谈DCS(DistributedControlSystem，集散控制系统或分散控制系统)、FCS(Field-busControlSystem，现场总线控制系统)的应用和发展。

    1.DCS的应用和发展

    DCS自20世纪70年代问世以来，经过几代技术变迁和新发展，现已广泛应用于各个行业，其中石油和化工企业的应用为普及，技术改造项目用DCS，新建项目用DCS。在石油和化工企业有用DCS逐步替代常规仪表控制系统的发展趋势。

    DCS应用之所以如此普遍，究其原因它有以下一系列的特点和优点：

    ①分散性：其含义是指分散控制、地域分散、设备分散、功能分散和危险分散。硬件积木化和软件模块化是分散性的具体体现。目的是为了使危险分散，进而提高系统的性和性。

    ②集中性：其含义是指集中监视、操作和管理。用通信网络把分散的设备构成统一的整体，用分布式数据库实现全系统的信息集成，进而达到信息共享。人们可以同时在多台操作站上集中监视、操作和管理。

    ③自治性：其含义是指系统中的各台设备均可立地工作。控制站自主地进行输入、运算、控制和输出，操作员站自主地实现监视、操作和管理，工程师站可以在线或离线组态。

    ④协调性：其含义是指系统中的各台设备用通信网络和数据库互连在一起，相互传送信息，相互协调工作，以实现系统的总体功能。DCS的分散和集中、自治和协调不是互相对立，而是互相。

    ⑤灵活性和扩展性：硬件采用积木式结构，可以灵活地配置成小、中、大各类系统，并可以根据企业的发展逐步扩展系统。软件采用模块式结构，提供输入、输出、运算和控制功能块，可以灵活地组态构成简单、复杂各类控制系统，并可以根据生产工艺流程的改变，随时修改控制方案。

    ⑥性和适应性：分散性带来系统的性，并采用一系列冗余技术、热拔插技术、故障诊断和故障屏蔽技术。采用的元器件、的制造工艺和抗干扰技术，使DCS能够适应恶劣的工作环境。

    ⑦性和继承性：硬件上采用的计算机、通信网络和人机接口；软件上采用的操作系统、数据库、网络管理和控制语言；控制算法上采用自适应、预测、推理、优化等控制技术。DCS新换代比较快，继承性体现在新、老系统互相兼容，可以给用户的利益。

    DCS随着计算机、控制、网络通信、组态软件、信息集成和数据库技术的发展而不断新和发展，主要体现在以下几个方面：

    ①信息化：DCS已从单一的控制系统，发展为制和管理于一体的综息系统。DCS提供了从生产现场到车间，再从工厂到公司，后到企业集团的整个信息通道，充分体现了信息的性、准确性和实时性。

    ②集成化：DCS已从单一封闭系统，发展为集成各类PLC、工业PC、数字化仪表和设备，甚至不同型号DCS可以互相集成和信息共享，为终用户提供集成化综合系统。

    ③智能化：随着人工智能、系统、自适应、预测和推理等控制技术的发展和应用，DCS也适时地融合这些新技术，实现的智能化控制功能。

    ④开放式网络：DCS已从单一封闭网络，发展为开放式网络系统，通过互联网技术和IE浏览器，可以访问过程画面、查询数据、管理调度和指挥生产。开放式网络的关键是网络，传统DCS采用软件防火墙，现代DCS不仅有软件防火墙，而且有硬件防火墙，既保网络开放，又保证监控层的实时性。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300的控制站采用硬件防火墙技术。

    ⑤容错以太网(FTE)：传统DCS用两条立网络(A，B)实现冗余，两台设备之间只有一条通信路径，其本质是单条网络运行，故障时整条网络切换(A到B或B到A)，切换时间长，性低。现代DCS用容错以太网(FTE，FaultTolerantEthernet)，如图1所示。

    图1中交换机S1~S6互相连接，其中S1和S2为上层，S3~S6为下层，每台设备(D1~D4)同时连接两台下层交换机，任意两台设备之间有4条通信路径，其本质是多条网络运行。例如，设备D1和D4之间的4条通信路径分别为D1→S3→S1→S5→D4，D1→S3→S1→S2→S6→D4，D1→S4→S2→S1→S5→D4，D1→S4→S2→S6→D4。故障时只需切换路径，切换时间短，性高。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300采用此FTE技术，FTE设备节点之间网络带宽可达200Mbps，交换机之间可达1Gbps。

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    图1容错以太网(FTE)

    ⑥无线网络技术：支持手持移动无线操作站，将无线技术与控制技术融为一体，进行现场操作监控、故障处理和仪表校验，实现操作与维护的无缝集成。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300采用此无线网络技术。

    ⑦数字视频技术：通过摄像头现场图像信息，再通过图像识别软件，进行图像处理，发现异常图像，立即发出报警信号，具有自动录像和录像回放功能，便于事故分析，并将数字视频技术与操作软件融为一体。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300采用此数字视频技术。

    ⑧控制站：DCS的基础是控制站，为了进一步提高控制站的性、稳定性和性，增强控制站的功能，而采用了一系列技术。例如，控制站采用无底板模块结构，立倾斜式垂直插拔，散热效果好，接线维护方便；采用容错以太网(FTE)，硬件控制防火墙(冗余)，冗余控制器、冗余I/O、冗余电源、冗余现场总线接口；采用的预估控制算法，鲁棒性好，具有参数自整定功能。Honeywell公司的ExperionPKSR300控制站是上述控制站的代表之一，如图2所示。

    FCS是一种新型的分布式网络控制系统，它既是现场通信网络系统，也是现场自动化系统。它作为一种现场通信网络系统，具有开放式数字通信功能，可与各种通信网络互连。它作为一种现场自动化系统，把安装于生产现场的具有输入、输出、运算、控制和通信功能的各种现场仪表作为现场总线的节点，并直接在现场总线上构成分散的控制回路。

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    FCS代表当今控制技术和DCS的发展方向，并以进入工业化应用阶段。人们对FCS有各种评论，既有对新技术的赞尝，也有对现状的困惑。尽管众说纷纭，笔者认为，目前是FCS和DCS并存，FCS作为DCS框架下的重要分支应用发展，略表以下个人之见：

    ①FCS的变革：不仅变革了传统的单一功能的模拟仪表，将其改为综合功能的数字仪表；而且变革了传统DCS的控制站，将输入、输出、运算和控制功能分散分布到现场总线仪表中，在现场总线上构成控制回路，形成了全数字的的分散控制系统。

    ②FCS的特点：具有系统的分散性、系统的开放性、产品的互操作性、环境的适应性、维护的简易性、系统的性和使用的经济性这7个方面的特点或优点。

    有人对“使用的经济性”有异议，这是正常的暂时现象，其原因是FCS尚未进入大批量应用阶段，现场总线仪表及辅助设备价格偏高。随着FCS的推广应用，技术进步，市场竞争，优胜劣汰，FCS的经济性将会显现。回想当年，DCS也是如此，现在人们已接收了DCS。

    ③FCS的应用：典型工业应用实例是上海赛科(SECCO)90万吨/年乙烯工程，DCS采用Emerson公司的DeltaV系统，控制站除常规I/O模块外，配置了FF-H1现场总线模块，每个模块的2个接口分别构成2段FF-H1总线，每段FF-H1总线设计9台仪表(实用6台，备用3台)。

    该工程实用FF-H1现场总线段2473条，FF-H1现场总线仪表14375台，平均每个FF-H1现场总线段上挂5.8台仪表。FF-H1现场总线段上集成了不同厂家的现场总线仪表，除了Emerson的温度、压力、流量等仪表，还有E+H的雷达液位计和流量计，ABB的阀门定位器，ROTORK的电动马达控制器，TYCO的电动马达控制器等，保证了多种产品的一致性和互操作性。

    ④FCS的集成：小型工程项目中FCS自成系统，中、大型工程项目中FCS和DCS控制站集成，一般有两种集成方式。一种是FF-H1现场总线模块作为控制站的下属I/O模块，例如Emerson公司的DeltaV系统，如图3所示；另一种是FF-H1现场总线模块立，例如Honeywell公司的ExperionPKSR300系统，如图4所示。

    前者FF-H1依附于控制器，信息传输慢；后者FF-H1立，信息传输快。图3和图4中工程师站(ES)、操作员站(OS)、计算机站(CS)为DCS操作监控层设备，控制站中有冗余电源(P)、控制器(C)、现场总线接口(H1)以及各类I/O模块。

    图4FCS和DCS集成之二

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    ⑤FCS的发展：FF-H1现场总线通信速率为31.25Kbps，不支持冗余总线，有人对这2点提出异议。值得高兴的是目前有多种现场总线，既有中速也有高速现场总线，而且工业以太网(Ethernet)也已进入实用阶段，正在从高层向底层延伸，有望实现“E(Ethernet)网到底”。FCS代表技术发展方向，在应用中不断改进，扬长避短，必将出现加的FCS。

    3.控制技术的应用

    根据“十一五”时期信息化发展规划，控制技术在流程工业的应用普及率达70%以上。

    DCS和FCS为控制技术的应用提供了条件，控制软件作为DCS的可选件集成于系统之中。常用的控制技术主要有以下几种：

    ①单回路整定技术：单回路PID控制始终占据过程控制的主导地位，但鲁棒性能不理想，对大滞后和强干扰的过程表现出明显的不足。为此，研发出单回路模型预测控制，自动调整控制参数，适用于大滞后和强干扰的过程。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300系统中的ProfitLoop单输入单输出(SISO)模型预估控制算法。

    ②软仪表技术：这是基于过程机理模型或统计模型，对产品主要参数进行在线预估，并将预估参数参于在线控制产品质量。例如，Honeywell公司的针对常减压切换的ProfitGCC软件包。

    ③多变量模型预估控制技术：这是控制的技术，辨识过程模型，再预估过程参数和被控量，并与所要求的目标值比较，若有偏差，则计算出优控制量，从而实现全装置的多变量控制。例如，Honeywell公司的RMPCT软件包，AspenTechnology公司的DMC-plus软件包。

    ④在线优化技术：这是基于过程机理模型和动态优化技术，找出优操作点，再通过多变量控制器实现优化操作。例如，Honeywell公司开发了基于ProfitOptimizer、ProfitBridge和机理模型的动态优化软件，应用于乙烯和炼油装置。

    ⑤性能监视和维护技术：控制的效益投运初期较高，随着运行时间增加、装置性能变化、模型失配及操作变化等原因，致使控制性能降低，经济效益也随之下降。

    为此，开发商推出了控制性能监视和维护工具软件，来维护控制的效益。例如，Honeywell公司开发出Scout软件，AspenTechnology公司开发出AspenWatch软件。

    今后推动DCS、FCS、控制技术的应用和发展寄希望于流程工业，尤其是石油和化工行业是军。在“信息化带动工业化，工业化促进信息化”国策的指引下，必将迎来DCS、FCS、控制技术的应用和发展的春天。

 
主控制柜组成

 
远程控制柜（一）组成