6ES7235-0KD22-0XA8参数选型

6ES7235-0KD22-0XA8参数选型

一、概 述

         程江口水电站工程位于湘江一级支流耒水中游，地处湖南省资兴市香花乡程江村，是一个以发电为主，兼顾航运、提灌、旅游、生态治理等综合利用的水利水电枢纽工程。本电站水头6．3m，流量为2×235m3／s，装机容量为2×12．5MW，为灯泡贯流式机组。

二、设计目标

按少人值班进行总体设计和系统配置，不设常规控制系统。电站的日常运行依靠计算机系统。

三、系统概况

        本电站采用开放、分层分布式计算机监控系统结构，以**各子系统选用不同计算机时的兼容性，系统扩展和设备新时的可移植性，网络采用光纤以太网。
      
        计算机监控系统从功能为负责完成全厂集中监控任务的电站级控制层和负责完成机组、开关站、公共设备、大坝弧门等监控任务的现地控制单元层。各现地控制单元(LCU)以PLC为基础，并与标准以太网直接联网。各系统均具有自诊断功能，即使电站控制层发生故障，仍可通过LCU上的显示触摸屏等设备对水轮机组及辅助设备、电站公用设备、110kV开关站、大坝弧门等进行操作和监视。

电站计算机监控系统能够实现与调度、水情测报、大坝监测等系统的通信。

         机组LCU能与励磁系统、调速器系统、机组继电保护系统进行通信；开关站及公用设备能与主变继电保护系统、110kV线路继电保护系统、厂变继电保护系统、技术供水控制系统、消防供水控制系统、检修排水控制系统、渗漏排水控制系统、高低压气机控制系统、油压装置控制系统、厂区排水控制系统等进行通信；大坝弧门等设备控制LCU与现场11孔弧门控制系统进行通信。

四、电站级功能

电站级负责协调和管理各现地控制单元的工作、收集有关信息并作相应处理和存储。

1．数据采集和处理

包括采集电气量、脉冲量、非电量、数字量、开关量。

2．运行监视

主要包括状变监视、越限检查、过程监视、趋势分析和监控系统异常监视。

3．实时控制和调节

         包括自动发电控制、自动电压控制和运行人员通过操作员工作站实时调控。自动发电控制为监视系统按照预给定的负荷曲线或运行人员及时给定的负荷值，同时考虑上、下游水位各机组的运行效率等因素，避开机组振动、气蚀等约束条件，确定的运行机组台数、优机组的组合方式及运行机组间优负荷分配。自动电压控制为满足系统对本电站无功功率的需要或维持电站110kV出线电压实时定值，实现各台机组间无功功率按比例分配。运行人员可以通过操作员工作站完成机组运行工况转换控制、有功功率和无功功率调整、各电压等级断路器及110kV隔离开关的操作、各种限值的签定、报警和复归、越限报警点投入和退出控制、对大坝弧门完成单孔或成组弧门的操作。

4．事故顺序记录

        电站发生事故或故障时，各现地控制单元采集继电保护、自动装置及电站主设备的状态变量，并上送电站级完成故障顺序排队，显示、打印和存档记录。

5．记录打印

         包括定时打印记录、操作记录打印、报警记录打印、趋势分析记录打印、召唤打印记录、屏幕打印，打印的内容包括各种报表、运行记录报表、全厂设备投切操作记录、设备事故或故障参数、监控系统对温度和振动等变化趋势的分析结果。

6．屏幕显示

        控制室的每套操作员工作站上装设1台CRT，作为实时操作和实时显示厂内主系统的运行状态、设备的操作动态过程、设备事故和故障以及有关参数之用。事故报警的画面具有的权(采用多窗口技术)。

7．事故处理指导和恢复操作指导

在设备异常情况下，通过操作员工作站的“帮助”功能键给出运行控制和故障的原理性指导意见。

8．数据通信

         电站监控系统与电站控制层计算机之间、电站控制层与现地控制单元(LCU)之间由以太网通讯。电站监控系统通过通讯工作站的串行通讯接口与厂长终端、调度系统等实现通讯。

9．电站运行和维护管理

积累电站运行数据，为提高电站运行、维护水平提供依据。

10．系统诊断

        电站级硬件珍断和电站级软件诊断，可在线和离线自检计算机和外围设备的故障、各种应用软件和基本软件故障。

11．语音、电话自动及查询

运行人员对系统数据库进行设置、定义发生事故时，监控系统需要进行语音和电话自动。

五、机组现地控制单元功能

本单元监控范围包括水轮机、发电机及辅助设备(包括励磁装置和调速器的测控)、发电机出口断路器等。

1．数据采集和处理

        采集机组各电气量和非电气量，做工程值变换和预处理，并上送电站级，累计机组有功电度和无功电度，按需要上送电站级；收集主、辅设备、继保装置和自动装置的状态量，上送电站级。

2．运行监视

         与电站调速器、励磁装置和继保装置相配合，完成监视、越限检查、过程监视和现地控制单元异常监视。机组现地控制单元级在脱离电站级的情况下能**机组运行。

3．控制和调整

(1)机组现地控制单元能自动完成机组工况变换和有功、无功功率的调整任务，依赖电站级。在接受命令后，整个工况转换过程能自动完成，也能分步完成。

(2)机组自动停机方式分三种：

发电～正常停机：卸负荷后，解列，停机；

发电～停机：快速卸负荷后，解列，停机；

发电～紧急停机：直接解列，停机。

(3)机组同期并网。机组同期并网采用自动准同期方式，每台机组配备一套微机自动准同期装置。

4．事件顺序记录和发送

         自动检测本单元所管辖的设备状变、继保和自动装置的动作情况，当任何上述信号按顺序检测到后，将事件的性质上送电站级。

5．数据通讯

          完成与电站级的数据交换，实时上送电站级所需的过程信息，接收来自电站级的控制和调整命令，实现与微机调速器、微机励磁及保护设备间数据交换。

6．系统诊断

可在线自检硬件、软件故障。

六、开关站及公用设备现地控制单元功能

本单元监控范围包括主变、110kV线路、全厂公用辅助设备和400V厂用电系统、220V直流系统等。

1．数据采集和处理

(1)采集全站6．3kV及以上配电装置，全站公用的油、气、水辅助系统及其保护装置，400V厂用电及备用电源启动投入装置，220V直流蓄电池及直流系统等的电气量和非电气量，做工程值变换和预处理，并上送电站级。

(2)接受线路的有功电度和无功电度，求出送出有功电度、倒送有功电度、倒送无功电度的实际值，上送电站级。

(3)收集主变、110kV线路的高压断路器、隔离开关及相关继保等设备的状态。

(4)收集全站公用的油、气、水辅助系统及其保护装置的工作状态信息和报警信号，400V厂用电进线开关、母线分段开关状态，备用电源自动投入装置动作情况，220V直流蓄电池及直流系统的工作状态和报警信号。

2．运行监视

       与监控对象的保护和自动装置相配合，完成状变监视、过限检查、过程监视和现地控制单元异常监视。在脱出电站级的情况下，本单元仍能的运行，并能与机组现地控制单元协调工作。

3．控制

        对6．3kV及以上的断路器进行分、合操作，对110kV电动隔离开关进行分、合操作，对400V厂用电进线开关、母线分段开关的分、合操作，对全厂公用设备的启、停操作，接受电站级控耐命令，完成前述操作。

4．其他功能

与机组现地控制单元一样，具有事件顺序检测和发送、数据通信、系统诊断等功能。

七、大坝弧门设备控制单元

本单元监控范围包括11孔弧形门。

1．数据采集和处理

(1)采集大坝11孔泄洪弧门，大坝水库水位的电气量和非电气量，做工程值变换和预处理，并上送电站级。

(2)接受电站级指令，实现弧门的自动控制。

(3)现地单元内部自成一个立的系统，通过现地操作面板，可以完成相关设备的监控。

2．运行监视

        与现场PLC相配合，完成状态监视、越限检查、过程监视和现地控制单元异常监视；在脱离电站级的情况下，本单元仍能的运行。

3．控制和调节

(1)弧门的控制方式有：常规控制、弧门PLC屏操作面板控制、计算机监控系统集中控制3种方式。

          在计算机监控系统正常情况下，通过计算机集中控制来实现设备运行和监控；在监控系统异常情况下，通过现地操作面板实现运行和监控。在PLC出现故障情况下，通过切换弧门PLC屏上的切换开关，改由常规控制，常规控制级别。

(2)对弧门的控制包括单孔、多孔、自动3种模式。单孔控制可以对单扇弧门进行任意开度的启闭，多孔控制可对多扇弧门进行控制。运行人员可根据情况选择要启闭的一组弧门。自动控制则是根据要泄的水流量及当时的库水位，自动计算要启闭的总开度并根据弧门调度规程选择一组可远程启闭的弧门进行控制。

1 概述


       1746-NI16I是美国Allen-Bradley公司出品的基于SLC500系列PLC的模拟量输入模块，设计时可以通过编程灵活设定该模块的工作方式、输入信号类型、数据格式、滤波频率等参数，从而方便地应用于各种场合。采用1746-NI16I作为采集模块组态的SA系统具有扩展方便、组态灵活、稳定、便于维护等特点。

       1746-NI16I有两种工作方式：CLASSl和CLASS3。其中的CLASSl方式是经典的使用方式，该方式占用系统资源较少，但使用起来需要较为复杂的编程；而CLASS3方式则使用方便，编程简单，但占用系统资源较多。

2 1746-NI16I的软件资源

          在使用1746-NI16I之前先了解1746-NI16I的软件资源，只有在对模块的每个通道正确配置后，才能使模块正常工作。

          对1746-NI16I编程要了解SLC500系列PLC对内存变量的管理方式。SLC500系列PLC以文件的方式组织内存，即把内存划分为若干个区域--文件，每个文件分管不同类型的变量，如B文件、N文件、I文件、0文件分别用于管理开关量数据、模拟量数据、输人数据、输出数据等等。

         1746-NI16I的CLASS3方式和CLASSl方式地址映射如表1所列。其中，O：e．i表示输出文件中e号槽位的i号字；I：e．i表示输入文件中e号槽位的i号字。

        可以看出，在CLASSl方式下，系统将采用输入文件中的8个字的空间来传输16个通道的配置字，并采用输出文件中的8个字来传输16个通道的数据字及状态字；而在CLASS3方式下，每个字都由单的空间对应。因此，在CLASSl方式下，通常通过配置字的Bit0和Bitl来配置输入或输出文件中的8个字。

        应当说明：1746-NI16I中的配置字是通道配置信息存放地址；数据字是输人数据存放地址；状态字是通道状态存放地址。

无论配置字、数据字还是状态字，它们都由16位二进制数构成。

2．1通道配置字

配置字中的每一位都具有其特定的意义，通过这些配置宇可以对通道的不同参数进行配置。这些位的定义如下：

Bit0、Bitl：分别为CLASSl方式下的数据／状态和读／写设置。Bit0和Bitl只能在CLASSl方式中使用，而在CLASS3方式中设置这两位将出现错误(状态字的Bitl5、Bitl4、Bitl3被置0)。因为在CLASS3方式中，要用32个字的空间来传输各个通道的数据字和状态字，而在CLASSl方式中只有8个字，因此用户可通过设置BitO和Bitl来选择这8个字的功能。具体选择方式如表2所列。

Bit2：CLASSl握手信号，在CLASSl方式中，该模块提供了握手信号来简化模块的配置。这种握手的方法是设置模块16个通道的快途径。在配置模块的各个通道时，Bit2被置1。配置完毕后，状态字的Bit6被置1，以表示配置完毕。把配置字 的Bit2清零即可使状态字的Bit6复位。握手信号的详细使用方法将在后面的程序中给出具体的说明。在CLASS3方式中，并不需要这种握手协议，因为所有配置字和状态字的信息都可以通过32个字的空间一次传递。


Bit3：未使用，但此位保持为零，否则在状态字中会出现错误指示。

Bit4、Bit5：输人类型选择位。这两位的设置可根据用户输入设备的类型来选择，该输入可以是在某特定范围内的模拟电压或电流。具体设置见表3所列。

Bit6、Bit7、Bit8：数据格式选择位。模拟电流或电压输入在经模块内A／D转换器转换为不同格式的数字量后，不同格式的数据所对应的大小值不同，因此，用户可根据要求选择。在CLASS3方式中，用户可自定义4种格式，见表4所列。

Bit9、BitlO、Bitll：校准模式选择位。要进入校准模式，把Bit9置1。进行校准时，行零校准，再进行满量程校准。零校准时需把Bitl0置1，Bitll清0，满量程校准时需把Bitll置1，Bitl0清零。把这三位全部清零即可进入运行状态。

Bitl2、Bitl3、Bitl4：通道滤波频率选择位。1746-NI16I提供有8种滤波频率，每个模块的16个通道可分为4组(0-3、4-7、8-11、12-15)，模块中的4个A／D转换芯片分别负责4组通道的A／D转换。在选择通道滤波频率时，只需对4组通道中每组的个通道(0、4、8、12)进行配置即可，也就是说，每组通道只能使用一个滤波频率，且只能对每组的个通道进行配置。滤波频率的高低决定了降噪特性的好坏。但是太低的滤波频率在降低噪声干扰的同时，也提高了模块的刷新速度。


Bitl5：通道使能选择位。当该位被清零时，通道被禁止，此通道的数据字和状态字也同时被清零，直至通道使能位被置1，且通道状态字的Bitl5、Bit 14、Bit 13都为1时，通道才能继续工作。具体的位操作组合见表5所列。

2．2通道状态字

通道状态字中的每一位都可以被用来判断通道的状态。表6是CLASS3方式状态字各个位的功能。

        CLASSl方式与CLASS3方式状态字的区别在于：CLASSl方式的状态字中Bit6为握手信号。Bit6为0表示模块准备就绪，可以向其写入配置字；Bit6为1表示配置结束，可以进入采集工作状态。

3 在SA系统中的应用及编程

         在油田注水自动化系统中，往往需对系统各处的压力、流量、温度、浊度等工程量进行实时监控，而现场仪表输出一般都为4-20MA输出，因此可采用1746-NI16I来采集信号和进行A／D转换，并采用带DH+接口的SLC5／04作为主CPU来与DH+网络中的其它PLC以及上位监控计算机组成SA系统。 其系统框图如图1所示。 

       本系统须采集148路信号，其中模拟电流信号占132路，因此需要9块1746-NI16I模块，若用CLASS3方式，输出及输入文件需包含32X9=288个字，而SLC500系列PLC的输入输出文件的大长度为256字，因此在CLASS3方式下多只能使用8块1746-NI16I模块，故本系统只能使用CLASSl方式。

         在程序运行后，需对9块1746-NI16I进行配置，配置完毕，才能进入采集状态。限于篇幅，本文只给出一个通道的配置程序。

         从图2所示的配置程序看出，配置的开始与完成是由配置字的Bit2和状态字的Bit6通过握手协议来实现的。每个模块的每个通道需单配置。程序上电时，配置字的Bit2和状态字的Bit6都为零，状态字的Bit6为零表示模块已准备好，可以接收配置字，并可向配置字单元写入配置字，此时需把配置字的Bit2置1，表示开始配置。当配置完毕后，模块会把状态字的Bit6置1，表示配置完成。此时可把状态字保存，以备后用。

        CLASS3的配置和采集程序相对比较简单，它只需向对应的单元写入配置字即可，在此不再赘述。详细资料可参考有关文献[1]。

4 结论

         在油田注水自动化项目中，基于1746-NI16I的SA系

统已投入运行半年，实际运行证明：该系统稳定，运行良好，提高了油田注水的自动化程度，减轻了工人负担，同时也增加了数据的准确性和性。

PLC经验设计法顾名思义就是依据设计者的设计经验进行设计的方法。它主要基于以下几点。
(1) PLC的编程，从梯形图来看，其根本点是找出符合控制要求的系统各个输出的工作条件，这些条件又总是用机内各种器件按一定的逻辑关系组合来实现的。
(2)梯形图的基本模式为启一保一停电路。每个启一保一停电路一般只针对一个输出，这个输出可以是系统的实际输出，也可以是中间变量。
(3)梯形图编程中有一些约定俗成的基本环节，它们都有一定的功能，可以在许多地方借以应用。
在编绘以上各例程序的基础上，现将“经验设计法”编程步骤总结如下。
(1>在准确了解控制要求后，合理地为控制系统中的事件分配输入输出端。选择必要的机内器件，如定时器、计数器、辅助继电器。
(2)对于一些控制要求较简单的输出，可直接写出它们的工作条件，依启一保一停电路模式完成相关的梯形图支路。工作条件稍复杂的可借助辅助继电器。
(3)对于较复杂的控制要求，为了能用启一保一停电路模式绘出各输出端的梯形图，要正确分析控制要求，并确定组成总的控制要求的关键点。在空间类逻辑为主的控制中关键点为影响控制状态的点(如抢答器例中主持人是否宣布开始，答题是否到时等)。在时间类逻辑为主的控制中(如交通灯)，关键点为控制状态转换的时间。
(4)将关键点用梯形图表达出来。关键点总是用机内器件来代表的，应考虑并安排好。绘关键点的梯形图时，可以使用常见的基本环节，如定时器计时环节、振荡环节、分频环节等。
(5)在完成关键点梯形图的基础上，针对系统终的输出进行梯形图的编绘。使用关键综合出终输出的控制要求。
(6)审查以上草绘图纸，在此基础上，遗漏的功能，正错误，进行后的完善。
后需要说明的是“经验设计法”并无一定的章法可循。在设计过程中如发现初步的设计构想不能实现控制要求时，可换个角度试一试。当您的设计经历多起来时，经验法就会得心应手了。原系统由电子皮带秤、差压变送器、计量罐组成测量系统；由气动柱塞泵、气动薄膜调节阀等组成执行机构；以回路控制器DR24作为控制器。
加料系统的工作过程为：系统开始工作，柱塞泵作往复运动，把料液压入管道，单向阀打开，料液从计量罐流向加料系统，差压变送器测得单位时间内计量罐底压强的变化，送入控制器DR24中，得出实际加香加料流量；同时电子皮带秤将测得的烟叶流量信号输入DR24，DR24根据加料比例及皮带秤信号计算出理论加香加料量。DR24控制器根据理论与实际流量的偏差e进行PID运算，并将运算产生的数字阀位以模拟电流信号输出，经电气转换器转换后，把电流信号变成气压信号，去控制气动薄膜阀的开度，使料液的喷加量随烟叶的流量的变化而变化，使实际流量尽量与理论流量相符，以满足该工序的工艺要求。
系统存在的问题
在该加料系统中，系统工作质量的好坏关键取决于差压变送器以及电子皮带秤的程度。差压变送器根据一段时间内的流量变化计算出瞬时流量，这种流量的计量方式有一定的滞后性，使得系统的控制精度变差，造成加料量不准确。另一方面，由于系统料液浓度大，时间久后，会因结垢而使精度降低。料液流经差压变送器时，其中的颗粒状物质会使变送器的膜片挤压而影响精度，而且管道安装要求苛刻，如果过程管道内的残液或沉淀物流入导压管内，压力测量就会产生误差。另外， DR24控制器的人机界面简单粗糙，不能直观地显示生产过程中的各种工况，也无法显示各种参数、报警等信息；它用于网络通讯需要的硬件与软件，较为繁杂，难于维护，而且不适于大量数据的传输要求，无法适应目前较为的现场总线技术。
新系统的设计
测量机构选择
考虑到厂各种香精、糖料的密度各不相同，经分析研究，测量装置决定采用质量流量计测量流量去取代原系统中用差压变送器加计量罐来测量流量的测量方法。用质量流量计的测量方法，不受密度、气泡、温度、杂质等的影响，本身精度达到0.1%,能很好地解决系统测量精度差的问题。
控制器选择
本系统需控制二十多个开关量、四个模拟量，需完成多种算术运算、逻辑运算及控制运算，而且需要较强的通讯功能以便通过现场总线交换大量数据，另外考虑到工业现场温度较高，湿度较大，且粉尘较大，故选用PLC作为控制器，加上触摸屏作人机界面。可维护性较好，且编程语言较符合电气维修人员工作习惯。PLC选用符合IEC标准的产品。
执行器选择
原系统中使用柱塞泵作为液体流动的动力，液体的流动存在一定的脉动现象。这种现象将会干扰系统的测量与控制计算。所以改进后的系统使用压缩空气作为动力，这种动力在车间很容易得到，而且相对系统要求非常平稳，易于实现系统的控制目标，实际系统中使用了一个密闭的计量罐（下配差压变送器）、一个敞口储料罐。开机之前，要先把料液打入储料罐中。储料罐旁有一磁性浮子液位计，可显示罐内液位高度，储料罐内多可盛满刻度的80%。当料液温度设定温度时，控制器自动打开气动阀向储料罐夹层通入蒸汽，加热料液，达到设定温度后，关掉气动阀。当计量罐内料液达到设定下，过程控制器自动启动上料泵电机，使储料罐内料液向计量罐内，直到计量罐内料液达到设定上限，或储料罐内无料为止。单向阀使料液单向流动，但计量罐压力不可回返。计量罐内需恒定气压，一般设定为0.5MPa。直接控制液体流量的执行机构采用抛物线型阀芯的线性气动调节阀。控制器将阀门开度以4-20mADC电信号的方式输出给电气转换器,电气转换器将电信号对应转换成0.02-0.1MPa的气压信号，驱动气动调节阀动作。
工作原理
工作开始后，电子秤将烟叶瞬时流量送到控制器，经过延时，然后与预先设定好的配比系数相乘，就得到理论瞬时流量值。值得一提的是，电子秤延时是必要的，因为电子秤与喷嘴之间有时间差，只有延时准确，才能好的完成控制的动态对应。质量流量计将反馈信号送入控制器，反馈信号代表料液的实际瞬时流量。将瞬时值与设定量进行比较，以它们的差值作为偏差量进行PID调节。输出4-20mA的电流信号给电气转换器，电气转换器将此电流信号转换为0.02-0.1MPa的气压信号，用此气压去启动气动调节阀，使其线性对应0-**地控制阀门开度。流出的料液经浮子流量计进入喷嘴，通过空压气雾化喷到叶片上。在这个系统中，差压变送器只是用来测量计量罐中的料液重量。工作原理图见图2。
系统实施
**控制精度
为了提高系统的实时响应，本系统在传统PID调节的基础上，根据叶片（叶丝）的流量、计量罐内气体压力、计量罐内液位等条件加上了一级前馈。系统根据前馈值将阀门开度粗调到正确位置附近，然后由PID调节达到平衡位置。前馈值的计算模自学习系统，控制器记忆100个离散的状态点，每次达到控制平衡则部分修正记忆值。这种方法较好的解决了影响加香加料系统精度的一个重要问题，即皮带秤来料波动问题。
为了使系统自身拥有自检能力，本系统利用装置在计量罐下的差压变送器定时检测质量流量计是否出现故障。这样就避免了由于测量装置出现故障造成的事故。另外，依靠PLC相对强大的编程能力，本系统除了完成主要控制工作外，还依靠多个光电传感器以及程序内逻辑判断对可能出现的故障、漂移进行监视，大大提高了系统性和系统精度。