西门子6ES7212-1BB23-0XB8代理订购

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引言

    机组油压装置是为水电站水轮发电机组提供动力油源的装置，是水利机械设备的重要组成部分。作为水轮发电机组起动停止、负荷调节等工况转换以及其它液压操作设备的操作能源，它的工作品质关系到机组的运行。

  为保证和维护机组操作所需要的工作能力，压力油槽内压缩空气和透平油要适当成比例，压力油槽容积的60%～70%是压缩空气，30%～40%为透平油。因为压缩空气具有良好的弹性，能储存一定的机械能力，使压力油槽在因机组操作等原因油容积减少时仍能维持一定的压力，所以自动、地保持气、油一定的比例，实际上是保证操作能源的和稳定所需要的，是目前水电站实现“无人值班”(少人值守)亟待解决的技术问题。

  近年来，随着可编程控制器的普遍应用，由机组现地控制单元的PLC对油压装置进行自动控制成为发展必然。

2 控制系统要求

2.1 机组油压装置的组成

  压力油槽：配有压力变送器、液位变送器、压力控制器、液位控制器以及液位指示器。

    油泵：2台18.5kW油泵三相异步电动机。

  集油槽：配有液位控制器。

  漏油箱：配有液位控制器，1台1.1kW油泵三相异步电动机。

  补气装置：电磁阀(AC220V)。

2.2 控制要求

    压力的控制：压油槽内的压力P应保持在3.6～4.0MPa之间。P＜3.6MPa时，工作泵起动；P＜3.4MPa时，备用泵起动；P＜3.2MPa时，事故停机信号；P＞4.0MPa时，所有泵停机。

  自动补气控制：一般压油槽内的油气体积比为1∶2。

  漏油箱油位控制：采用位式控制来控制漏油箱油位。当液位控制器L2接点(液位高)闭合，起动漏油泵；当液位控制器L1接点(液位低)闭合，漏油泵停止；当液位控制器L3接点(液位过高)闭合，发出漏油箱油位过高报警信号。

  以上控制均要求设有方式选择切换开关，切换开关设自动、切除、手动3档。

3 控制系统设计

3.1 控制系统设计方案及组成

  系统采用油压控制为主，辅以油位控制方式。由PLC根据压力油槽自动化元件所提供的压力、油位信号对油泵、电磁空气阀、电磁排油阀进行操作，实现对压力油槽自动补油、自动排油、自动补气、自动排气控制以及漏油泵控制，从而使压力油槽内的油压、油位保持在正常的范围内，整个水轮机组得以正常运行。

  控制系统结构图如图1所示。

  考虑到对输入输出的要求及系统模块的扩展，选用德国西门子公司的S7—200系列PLC中的CPU216及扩展模块EM235和EM222。该系统用了20个离散输入点，2个模拟输入点，14个离散输出点。

  2台油泵电机采用施耐德公司的ATS—46系列软启动器；漏油泵采用交流接触器直接启动控制。当2台压油泵都设置为自动方式时，由PLC完成2台泵的工作/备用方式设置和切换(根据运行时间)。

3.2 控制系统软件设计

    根据控制系统所要完成的功能，控制程序框图如图2所示。

3.2.1 系统复位逻辑

  系统复位逻辑主要完成设备起动之前的初始状态管理。本系统主要是对电机的起动准备条件、各电磁阀的初始位置进行判断以及对压力、液位的当前值进行判断等。

3.2.2 自动运行选择控制逻辑

  自动运行指令的控制操作设备为一个按纽式选择开关，可选“自动”和“手动”2个位置，向油压系统发出的运行指令也是一个输入点，用“1”表示自动运行，“0”表示手动运行。在发出运行指令时要考虑许多其它连锁条件，如故障状态、急停状态、系统就绪信号等。另外，选择开关如果选择在手动位置或系统出现急停信号，都应立即解除自动运行指令，使系统处于手动运行状态下。

3.2.3 故障管理

  在油压条件中，一般存在多种故障信号。其中电机过热、过流及电机已坏等故障由软启动器检测，在自动控制中只作为系统运行的初始条件和发生故障停止的条件。另外，还有一些信号如系统运行指令是否正常，排气阀是否开启等信号，则要按运行要求根据逻辑关系来判断，也属故障检测之列。

3.2.4运行指令的控制逻辑

    运行合闸指令在油压系统中的控制逻辑是比较复杂的，它涉及到操作设备信号、控制对象状态和系统运行状态等。运行指令信号的发出控制可由一个基本控制逻辑完成。

  置位条件：1，启动操作信号的上升沿；2，系统无故障。二者均为必要条件。复位条件：1，系统正常停止信号；2，系统故障停止信号；3，紧急停止信号。三者均为充分条件。

3.2.5工作/备用切换逻辑

  根据控制要求，工作/备用切换是以时间为标准进行的。当1号泵作工作泵运行一定时间后，由工作转为备用状态，2号泵则由备用转为工作状态，如此循环下去。若遇到工作油泵已坏的情况，则备用油泵自动转为工作模式，计时器立即复位，重新开始计时。

3.2.6工作泵起动控制逻辑

  置位条件：自动状态下，1，油压信号P＜3.6MPa；2，排气完成；二者均为必要条件。手动状态下，工作泵手动起动信号输入。

  复位条件：自动状态下，1，达到停泵压力；2，补气条件输入；3，紧急停机信号输入。手动状态下，工作泵手动停止信号输入。

  另外，备用泵起动控制逻辑、漏油泵控制逻辑、排油阀控制逻辑、排气阀控制逻辑、补气阀控制逻辑的程序设计思路基本相同，这里不再赘述。

4 结束语

4.1 采用油压、液位双重控制方案，提高了系统的性；

4.2 实现定期自动“倒泵”，保证每台油泵年运行小时数相等，避免了使用率不均而造成部分油泵过磨损或因长期不用而卡涩。

4.3 采用软启动器，解决了由于油泵启动冲击而引起的电气、机械故障等问题。

4.4 系统通用性好，只要对开关设定值稍加修改，即可用于其他中小型水电站的油压系统。

1前言
    在目前的城市供水系统和小区高楼供水系统中还有很多采用高位水塔或直接水泵加压供水方式，在这种供水方式中由于扬水较高且电机一直高速运行造成较大的电能消耗，目前的水费成本中，电费比例达50%以上。
    本文针对黑龙江东部地区某大型泵站供水系统的实际情况，采用PLC和变频器组成恒压供水系统，取代了原来的手动调节方式，实现对供水压力的自动控制。而且在原系统基础上只用了少的投资即完成了项目的改造，该系统可以明显节约电能并使管网水压波动较小，从而降低了设备运行的故障率和工人的劳动强度，具有良好的经济效益和社会效益。
2水泵特性分析及节能原理
   泵是一种平方转矩负载，其转速n与流量Q、扬程H及泵的轴功率N的关系如下式所示：

    式(2—1)表明，泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比，泵的轴功率与其转速的立方成正比。当电动机驱动泵时，电动机的辅功率P(kW)可按式(2—2)计算：

    图2—1是泵的流量Q与扬程H的关系曲线。图中，曲线①为泵在转速n1下的扬程—流量(H—Q)的特性；曲线⑤为泵在转速n2下的扬程—流量(H—Q)的特性；曲线②为泵在转速n1下的功率—流量(P—Q)的特性；曲线③、④为管阻特性。
    设泵的标准工作点A点的效率，输出流量Q为**，此时轴功率P1与Q1、H1的乘积面积AH1OQ1成正比。根据生产工艺要求，当流量从Q1减小到Q2时，如果采用调节阀门方法(相当于增加管网阻力)，使管阻特性从曲线③变到曲线④，系统由原来的工作点A变到新的工作点B运行。此时，泵扬程增加，轴功率P2与面积BH2OQ2成正比。如果采用变频器控制方式，泵转速由n1降到n2，在满足同样流量Q2的情况下，扬程H3大幅降低，轴功率P3与面积CH3OQ3成正比。轴功率P3与P1、P2之和相比较，将显著减小，节省的功率损耗ΔP与面积BH2H3C成正比，节能效果十分显著［1］。

3模糊变频恒压供水系统
    恒压供水是指用户段不管用水量大小，总保持管网水压基本恒定，这样，既可满足各部位的用户对水的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费。为实现上述目标，利用PLC根据给定压力信号和反馈压力信号，通过模糊推理运算，控制变频器调节水泵转速，从而达到控制管网水压的目的。变频恒压供水系统如图3—1所示。根据供水压力要求，采用一用一备变频恒压供水系统。



3.1系统主电路
    一用一备变频器恒压供水系统就是一台水泵供水、另一台水泵备用，当供水泵出现故障或需要定期检修时，备用泵马上投入，不使供水中断。两台水泵均为变频器驱动，并且当变频器故障时，可自动实现变频/工频切换。主电路如图3—2所示。图中，M1为主泵电机，M2为备用泵电机，QF为低压断路器，KM0，KM1，KM2，KM3，KM4为接触器，FR1，FR2为热继电器［2］。



3.2控制系统硬件设计
    该系统主要由S7200、CPU214的PLC一台及TD200文本显示器，台达VFD220A23A变频器，D150型压力变送器，流量计及检测水箱液位的差压变送器，V/F转换电路，两台22kW笼型三相异步电动机。控制电路如图3—3所示。当PLC控制变频器启动后压力表出管网压力为0～10V模拟电压信号，经由LM331组成的V/F转换电路转换为0～2kHz的频率信号，送入PLC的高速输入端口作为实际压力值。PLC接收到压力值后与给定压力进行比较，然后通过模糊推理运算，控制变频器的多段速输入端子M11、M12、M13的通断，变频器依据事先的设定频率，控制水泵进行调速运行，从而控制供水压力。



    PLC同时还完成控制变频器启动和接收变频器故障报警信号，通过水池内的差压变送器自动监测水池中的水位，使变频器控制水泵电动机在无水后自动停机。另外变频器本身具有过压、过流、断相、过热保护和故障显示等功能。TD200文本显示器主要用来完成模糊控制量化因子、采样周期的设定，实时供水压力显示，压力设定值显示等功能。
3.3水压模糊控制系统软件设计
    在改造之前，该系统采用人工手动调节控制，操作人员根据管道压力表的读数，手动调节变频器的给定频率，从而提高或降低管网水压，达到恒压供水的目的。由于用户较多并且用水时间不确定，管网水压波动较大，数学模型很难确定，而模糊控制不需要的数学模型，因此本系统控制算法采用模糊控制方式进行设计。
    模糊控制器的设计主要包括以下3部分［3］：
    (1)选择输入输出变量
    压力的给定值设为p，管道的实测压力值为p(k)，则误差为e(k)=p-p(k)作为模糊控制器的输入变量，输出变量为控制变频器的给定频率值u，这里采用多段速端子控制来实现。
    (2)确定各模糊变量的隶属函数
    描述输入e及输出变量u的语言值的模糊子集为｛负大，负小，0，正小，正大｝简记为｛NB，NS，O，PS，PB｝，设误差e的论域为X，并将误差大小量化为7个等级，即X=｛－3,－2,－1,0,1,2,3｝,控制量u的论域为Y，也量化为7个等级，即Y=｛－3,－2,－1,0,1,2,3｝。误差的隶属函数采用三角形，而控制量的隶属函数采用单点形。
    (3)建立模糊控制规则
    根据现场操作人员手动调节供水压力的经验，控制规则用语言描述如下：
    若压力给定值则提高变频器输出频率，低得越多频率提得越多；若压力给定值则降低变频器输出频率，高得越多频率降得越多；若压力等于给定值则变频器输出频率不变。根据上述的手动控制规则得到模糊控制规则如下：
  
    (4)离线计算模糊控制表
    由上述的模糊控制规则采用minmax法推算出实际应用的模糊控制表及对应变频器输出频率如表3—1所示。

    在实时压力控制过程中，上述控制表存在PLC的内存中，PLC的高速输入端口接收管网中的压力值，并与给定值进行比较，计算偏差e，乘以相应的量化因子并经取整处理变换成模糊变量E。根据对应的E通过查找控制表得到控制量U，然后控制多段速端子M11，M12，M13的不同接通组合，从而改变电机转速达到控制水压的目的。在实际运行中由于泵的特性，在转速很低时泵的效率下降损耗增加，所以在PLC控制变频器启动后，当电机转速达到额定值的30%时模糊控制器开始工作，即调节过程中电机的转速为额定值的30%。
4结论
    该系统充分利用S7200自身资源，利用高速输入口来完成A/D转换，利用变频器的多段速输入端子实现D/A，大地降低设计成本。该系统设计是在原系统的基础上进行的，因此，原系统的硬件都换，只加上了控制器PLC和自行设计的由LM331组成压频转换器。采用模糊控制方式设计调试十分方便，在现场只要合适的设定多段速频率值，即可获得满意的控制效果，另外该系统联网能力强，PLC和变频器都具有标准的通讯接口，可方便的和各种通用组态软件连接，进行现场状态监控。该系统投入运行半年来一直十分稳定，故障率低，而且操作容易，节能效果十分明显。

1 引言
    现代工业控制不断朝着智能化和自动化方向发展，各种自动化生产线、柔制造系统不断涌现，大大促进了PLC等智能控制器在系统维护中的应用。与此同时人们对现场可操作性、可维护性要求也不断提高。触摸屏具有操作简单，界面友好，编程简单，与PLC通讯良好，抗干扰能力强等优点，能较好地满足人们的这些要求，这使得触摸屏技术在工业领域得到越来越广泛的应用。
    旋转压实仪是用于加工性能检测用沥青标样的机械电气系统。因为沥青标样性能的检测对于公路建设有很重要的意义，性能不合格的沥青一旦用于高速公路建设，必然影响公路的建设质量，甚至可能危及行车。因而检测用标样的加工工艺过程就很重要。该旋转压实仪集机械、电气、仪表于一身，对其加工标样有较要求，也就要求其电气控制系统具有较高的自动化和智能化。本文阐述了一种通过与触摸屏通讯控制的PLC系统。

2 系统的工作原理和控制要求
    图1是旋转压实仪机械结构简单示意图。本系统要实现直线和转动两种运动形式，共采用两台电机(如图1)，一台是直流伺服驱动的控制蚰杆进给的交流电机，实现可变速的直线运动：另外一台是由变频器控制调速的转盘控制的永磁低速电机，变频器有两段速输出，低速段实现转盘的偏心角度校正，高速段实现转盘正转和反动。全系统由电气和机械系统配合控制，包括标高转数测定、压力、测速等要求。另外还要有行程限位及接近开关来对机械状态进行检测，以确保系统的。全系统通过触摸屏完成参数设定及显示。
2．1 工作原理
    该系统就是利用旋转摇匀的原理，蚰杆进给控制电机驱动蚰杆，以额定速度使压头下行，到进入滚筒前减速进入滚筒。在整个下行过程中，不断检测压头所承受的压力，压头抵到沥青标样，压头达到一定压力，蚰杆进给控制电机依据压强和速度比例关系减速，同时转盘转动控制电机带动转盘摇转，将沥青标样摇匀，并在压头的作用下压缩成需要的标样。
2．2 控制要求
    ①标高要求：蚰杆下行距离是通过计数蚰杆进给控制电机的测速脉冲，再按照蚰杆进给率转换得来的。该系统的几个运行阶段都与高度有关，测速不准，测的高度不够，就会影响到系统的运行，因而测速的精度要求很高。
    ②低速和调速要求：在压头压缩沥青标样时，由于压头承受一定压强，蚰杆一般都处在低速运行阶段，蚰杆进给控制电机运行速度太快，蚰杆进给控制电机扭矩过大，压头的承受压力过高，则会影响到系统运行。因而低速要求高。另外还要求蚰杆进给控制电机在压力变化自动调整运行速度。
    在系统自动运行过程中，如何计数测速脉冲，如何地调速，都是本系统控制关键。
3 控制系统设计
3．1 控制系统功能
        (1)实现旋转压实仪的基本功能；
        (2)实现人机对话画面；
        (3)实现对系统运行过程中出现故障自我诊断功能，并通过人机画面显示；
        (4)故障发生时，系统自动停止，并同时发出声音警报；
        (5)能随时打印必要的信息。
3．2 控制系统组成
    如图2所示，本系统选用松下FP0系列14点PLC，包括8点输入点和6点输出点，并有一个RS232C通讯口和一个RS422编程口。人机界面采用带有RS232／RS485通讯口的PWSl711STN触摸屏，人机通过RS232口与PLC进行通讯。系统所需AC220，DC24V电源均由外部供给。

3．3 控制系统软件设计
    系统软件设计主要由两部分构成，一部分是触摸屏的画面设计，另一部分是PLC软件设计。
        (a)人机界面软件设计
    人机界面是用户设定工艺参数的关键，以及信息显示的重要设备。该系统采用的触摸屏可支持与多种PLC语言通讯。其编程软件ADP3提供了功能强大的巨集指令，在编程中可以大大节省PLC的程序容量，使PLC的控制精度及效率化。
    人机界面主要由两部分组成，一部分是系统工作参数的设定，包括手动工作方式和自动工作方式两部分。其中手动工作方式主要是用于旋转压实仪的测试阶段，自动工作方式用于旋转压实仪的自动运行，?其中自动运行有两种转数和标高控制两种模式；另一部分是报警功能设置。
    整个人机画面包含有以下画面：主画面(图3)、自动方式画面(图4)、手动方式选择画面(图5)、警报画面(图6)。
    主画面(如图3)包括运行大压强设定、压头工作小压强设定、进桶前大压强设定、自动方式选择、手动测试方式选择。

    自动方式画面用于旋转压实仪自动运行阶段(如图4)，包括运行状态显示，标高设定、转盘控制电机正反转数设定、当前标高显示、剩下转数显示、当前压强显示。此外还包括有两种控制模式选择(转数控制和标高控制)以及还有打印按钮，其中打印功能通过编辑人机界面中的巨集指令来实现。
    手动测试画面(如图5)用于旋转压实仪测试阶段，包括两台电机六种运行方式，目的是为了检测当前各个电机是否可以正常工作。
    警报画面(如图6)显示运行过程中有可能出现的故障信息，共有四种可能的故障信息，压头未对准圆桶，压力过大压强，标高过H1，标高H4(图1所示)。

        (b)PLC软件设计
        PLC程序以循环方式执行，从主程序开始执行，执行完毕后，然后再回到主程序，程序扫描周期为几毫秒。整个PLC程序是在松下的FPWIN平台上用布尔梯形图完成。整个系统的转数控制模式的PLC流程如图8所示，标高控制模式过程类似。

    在PLC程序现场调试过程中，碰到了一些问题，例如从压力传感器转化过来的压力值波动很大，对系统稳定运行造成很大的影响，所以在程序中采用数字滤波的方式，压力值的波动，使系统稳定、地运行。
4 结束语
    可编程控制器与触摸屏的结合可用在许多工控领域，在旋转压实仪中的应用只是一个很典型的实例。该系统已经应用于现场，性能，控制，人机对话友好，能满足用户的使用要求，可以替代国外同类产品