西门子6ES7231-7PF22-0XA0诚信经营

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四、SA系统应用的优越性
4.1、 实现库区油品收、储、发的实时动态监视
通过油罐所安装的、的液位计，实现对所有油罐储油的实时监视。
      收油时，实时动态反映收油流量，（由油罐内油品体积增大速率计算或质量流量计积算）及时监督收油情况。
      输发油时，实时动态反映发油流量（由油罐内油品体积减少速率计算或质量流量计积算）及时监督发油情况。
及时向公司管理部门报告库区库存、码头收发油数据，便于管理部门掌握工况、合理科学调度。
4.2、 实现库区、码头油品收、储、发过程的监控
     操作工通过设置液位高低限值，液位到限报警，可避免收发过程发生冒油、抽空等事故，提醒进行收、发油的切换操作。
     收、发过程遇高低液位报警，将自动启动预设定的罐切换操作程序，切换进油罐，杜绝冒油等严重事故的发生。
对静置油罐实施“漏”、“窜”监督，发现异常立即告警。
实时监督输油泵工作状态，发生事故，及时报警并处理。
罐区内各点油气浓度监视，限报警。
实时监督、统计岗位巡检的情况。
4.3、 实现库区油品收发及库存的计量
      对于需要准确计量的罐，可安装混合储罐计量系统（HIMS），实现油品重量计量的，经过现场一段时间的核对，有望实现过人工的计量精度，满接计量的要求。
4.4、 区域管理的化
      管理对生产、、经济效益的主导作用已为现代企业所认识，尤其在大力发展市场经济的今天。管理的化是无止境的。针对罐区的需求和目前的实际管理水平，以下几个方面是现实可行的管理化内容。
4.4.1、工况记录
所有油罐液位的变化曲线记录。
每次收、发油流量曲线记录。
输油泵运行参数曲线记录。运行状态和运行时间记录。
所有报警事件记录。
4.4.2操作记录
重要操作设权限口令，密码符合才允许操作。
      重要操作如阀门开关、泵开关、报警设限等，将操作人、操作时间、操作内容记录。操作记录对于加强操作责任心、避免事故发生、事故后的原因分析具有重要意义。
4.4.3及时、准确的报表生成
各类收、发、储生产报表及时、准确生成对于该区管理部门的管理是十分必要的。
岗位巡检的执行情况也可以以报表形式上报。
4.4.4 建立罐区管理网络
      建立管理网络，在调度、、计量和其他需要的岗位设管理站，根据各自不同的权限，可以实时调阅库区工况、报表等内容，为调度、管理的化打下基础。网络上可以建立办公自动化系统，也可以建立以进、销、存为的公司管理系统。

1前言

       据统计，目前我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量约占全国用电量的60%，但我国电机驱动系统的能源利用率却非常低。我国迫切需要提高能源利用效率，对于工厂企业来说，大部分电力都消耗在一些大功率设备如风机，水泵等上，国家相关部门提出了几大应对措施，其中重要一条是采取合理的用电措施，积采用节电新技术，如果利用变频调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的。这样既可以获得长远的经济效益，有广泛的社会效益。

2　变频调速技术

2.1 变频技术概述

        变频调速技术以其显著的节电效果、优良的调速性能以及广泛的适用性、系统的性和延长设备使用寿命等优点而成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。变频调速技术涉及到电机、电力电子技术、微电子技术、信息与控制等多个学科领域，变频调速理论已经形成较为完善科学体系，成为一门相对立的学科。而相对于大多数人来说，变频调技术是一项陌生而新奇的技术，变频器是一种高科技产品，是一种将交流电转化为可变频变压运行的电能转换装置，有工业维生素之称。变频调速装置通常由整流器、平波电抗器或滤波电容器、逆变器及控制电路组成。在中间直流电路中串接平波电抗器作储能元件的称为电流型变频器。中间直流回路并接滤波电容器作储能元件的称为电压型变频器。整流器将输入的工频交流电变换为直流电，经中间直流环节输入至逆变器，逆变器将直流电流变换为可调电压、可调频率的交流电输入到电动机。打个比方，变频器就好比一个人的心脏，人在运动的时候，心脏将剧烈跳动，心率增加，供应大量的血液给身体各器官；人在休息的时候，心脏将变缓，从而节约能耗。电动机同样也象一部操作中的机器心脏，其运转速度也需要根据其负荷大小来调整运转频率，而变频器则是为其正常运转加上一个自动调节装置。变频器自1964年问世以来，经历40多年的发展，在欧美发达国家广泛使用，目前在中国的空调、电梯、冶金、机械、电子、石化、造纸、纺织等行业有十分广阔的应用空间。

2.2  变频调速与其它调速装置的性能比较

        变频调速在调频范围，静态精度、动态品质、系统效率、完善的保护功能、容易实现自动控制和过程控制等诸方面是以往的变调速、调压调速、串级调速、滑差调速和液力耦合器调速等无法比拟的。它是公认的交流电动机理想有前途的调速方案，代表今后电气传动的发展方向。现将各种调速装置的性能比较如下:

(1) 变调速的原理: 变调速适用于不要求平滑、连续和频繁调速的鼠笼型异步电动机场合。变调改变异步电动机定子绕组的对数p，使电动机同步转速n0改变(n0=60f/p,f为电网周波)，达到调速的目的。其优点是:转差率小，转差损耗少,使用维护简单方便。缺点是: 有级调速，不能平滑调速，而且级差较大。

 (2) 串级调速的原理:它通过在绕线式异步电动机的转子电路中串入一个与转子电势频率相同、相位相反的附加电势。通过改变转差率来调节绕线式异步电动机转速的一种调节方式，串级调速装置可将转差功率转化为机械能加到负载。其优点是:串级调速的效率较高，节能效果较好;调速装置的容量与调速范围成正比，范围小时装置容量也小，成本较低。缺点:可控硅串级调速功率因数低，产生高次谐波，对电网有污染;内反馈串级调速需采用特制的内反馈绕线式电机，需对绕线式异步电动机进行改造。串级调速适用于调速范围不大 (70%～95%)的绕线式异步电动机的场合。

 (3) 定子调压调速的原理: 它通过改变加在异步电动机定子端的电压，使电动机的机械特性发生变化，电动机的转差率发生变化，其转速也将改变。优点是:线路简单，运行比较;调压装置体积小;使用维护较简单;便于自动控制及远程操作。缺点是:低速时转差功率损耗大，效率低;调速特性软;产生高次谐波，对电网有污染，对电机有影响。适用于大容量绕线式异步电动机的场合。

 (4) 液力耦合器的调速原理: 液力耦合器适用于大功率、高转速的鼠笼式转子异步电动机的场合。液力耦合器是通过油在泵轮（电动机侧）和涡轮（负载侧）中的循环流动，泵轮将输入的机械能转化为油的动能和势能，而涡轮则将油的动能和势能转换为输出的机械能实现功率的传递，通过勺管调节油的循环量来调节涡轮的转速。液力耦合器安装在电动机与负载之间。可在电动机转速恒定的情况下，无级调节风机的转速。优点是:功率适应范围大，可以满足从几十至几千乃至上万千瓦的不同功率的需要;结构较简单，改造投资不算太大;可空载起动，不产生高次谐波，对电网无影响;调速范围为20%～97%，可以隔离电动机和泵的振动，缓和冲击。缺点是:有滑差损失，属低效调速装置;滑差功率损耗变为油的热量使油温升高，需要冷却设备;低速、小功率的液力耦合器造价较高;且效率低，效率与转差成反比;液力耦合器达不到电机额定转速; 调速精度差，稳定性差。

2.3 风机水泵类负载变频调速节能原理

        变频调速是风机水泵节能的方案。根据流体理论，离心式风机水泵的轴功率是转速的三次方函数关系。据流体机械的公式有：

                    Q2 = Q1（n2/n1）                                  （1）

                    H2 = H1（n2/n1）2                                               （2）

                    P2 = P1（n2/n1）3                                               （3）

即流量与转速成正比，压力与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比，由此我们可以计算出表1所示的。

当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。如所需风量下降为80%，则转速也下降为额定转速的80%，而轴功率降为51%；当所需风量为而额定风量的50%时，而轴功率降为13%。

    表1为速度降低后的理论节能效果。

注：N1和N2为转速，P1和P2为轴功率。

3 变频调速技术的节能应用

       随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，在许多领域变频调速应用越来越广泛。这里只列举主要的几方面应用。

3.1变频器在冶金工业的节能改造

      冶金企业是我国的能耗大户。因此在轧机辊道、转炉、圆盘给料机、振动给料机、风机、水泵、连铸拉矫机、结晶器振动；精炼炉、电渣；转炉倾动、氧升降、抽烟机；高炉卷扬、送风机、除尘风机；加热炉鼓风机、化泵；烧结引风机、熔炼铅锌冷却泵；制氧机、冷却泵、清水泵、降温排风机、…等广泛应用。冶金企业使用的风机泵类非常多，仅就轧钢均热炉为例，其基本的生产过程可分为四个部分：装入、加热、保温、出钢。加热升温期一般将热负荷给定大，这时热风以大量供给炉膛；保温期间，风量减少约为加热期的60%；出钢期间风量约为加热期的30%；装入钢坯期间风量为零。根据均热炉这一工况，可见对其风机实施变频改造，可以大幅度的节约电能。可使装钢后预热器保证足够的温度，从而还节约了1%～7%煤气燃料，减少了氧化烧损，改善了钢锭均热质量。

       武钢轧板厂选用变频器改造3号横剪前、后辊道。其中前辊道使用的是3kVA变频器，后辊道使用的是30kVA变频器，根据现场实际情况，系统属于重载频繁起、制动，增加制动单元和制动电阻。剪切时采用低频，可一次停车准确到位，提高了剪切精度，降低了能耗。而在传送钢板时，采用高速，不影响生产效率。由于变频调速可以使电机在设置好的V/F曲线上平滑调速和起动、制动，从而降低了对系统的冲击，提高了设备的作业率，了令人满意的效果。

3.2变频器在石化行业的节能改造  主要应用于注油泵、排污泵、清水泵、深井泵、加压泵、输油泵、抽油机、深井油泵、供热锅炉鼓风机、引风机、…

3.3变频器在电力、热力行业的节能改造  主要应用于锅炉鼓风机、引风机、泵、循环泵、疏水泵、灰浆泵、送风机、输煤、排渣系统、锅炉给粉系统、炉排调速、…

3.4变频器在供水行业的节能改造  主要应用于输水泵、加压泵、深井泵、恒压供水系统、软水供水系统、自动给水系统、消防供水系统、水处理系统、…

3.5变频器在建材行业的节能改造 

      我国是水泥工业大国，水泥生产过程大量使用交流电机，有许多应用场合需要通过改变转速达到节能和改善工艺的需求，比如回转窑拖动、旋窑、立窑排风机、罗茨风机、离心风机、集尘系统、球磨机、空气压缩机、原料矿石的破碎、堆取、研磨、均化，旋窑的驱动、窑尾风机、窑头风机、蓖冷风机的调速，煤粉制备等等都可以通过合理的应用变频调速达到节能的目的。

3.6变频器在矿山的节能改造 主要应用于矿井通风机、空压机、抽水泵、提升机、皮带运输机、洗煤机、选矿厂、煤厂风机、…

       在矿山、冶金、石化等工业中，大量使用风机、水泵、搅拌机和压缩机。这些机械一般用交流电机驱动，功率都在几百千瓦以上，有的高达数千甚至上万千瓦，消耗的电能非常大。但大部分都不是常年工作在额定功率，经常只有50%~70%甚至低的输出量。目前这类机械大多还使用恒速交流传动，用挡板、阀门或空放回流的办法进行调节，损失大量电能。用变频调速取代能源浪费较为严重的挡风板调节风量方式，可减少风机振动大电机起动的电流冲击，避免机械振荡，降低设备故障率，减轻设备维修工作量，易于实现微机或风量循环自动调节。

3.7变频器在纺织化纤业的节能改造 主要应用于车间空调系统、调湿机、送风机、压缩机、冷却水塔、清水泵、深井泵、锅炉风机、染整机、…

3.8变频器在空调的应用  

      变频空调是世界空调消费的流行趋势。与普通空调相比，变频空调有着舒适、、恒温、运转、使用寿命长等显著优势。据了解，目前在日本，变频空调数量已占家用空调总数的95%以上。变频空调把50Hz的固定电网频率变换为20～140Hz的变化频率，调节空调电机转速。运用变频控制技术的变频空调，可根据环境温度自动选择制热、制冷和运转方式，使居室在短时间内达到所需要的温度，并在低转速、低能耗状态下以较小的温差波动，实现了快速、节能和舒适控温效果。同时保护电动机及负载设备免受瞬时启动的冲击，延长其工作寿命，还提高电动机及负载设备的工作度，使用变频空调节能省电的至少35%，指出，变频是当前空调实现节能有效、成熟的技术途径。在电荒与空调大面积使用重叠的夏季，使用变频空调可谓利国利民。

 4结论

       综上所述，变频调速技术在各行业中的应用所的节能效果是显而易见的。国家经贸委已将变频调速被列入实施的10项资源节约综合利用技术改造工程之一。《人民共和国节约能源法》明文规定，将变频调速列入通用节能技术加以推广。 “逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，发展电机调速节能和电力电子技术”、“提高电能利用率”，因此，利用变频调速技术是解决目前缺电问题的手段。

运动控制系统作为一些自动化设备的部分，其性和稳定性直接影响设备的性能，而影响其性和稳定性的主要因素之一是抗干扰问题。因此，如何有效地解决干扰问题是运动控制系统的设计中的一个不容忽视的问题。

一、干扰现象

在应用中，常会遇到以下几种主要干扰现象：

1、控制系统未发指令时，电机无规则地转动。

2、伺服电机停止运动，运动控制器读取电机位置时，由电机端部的光电编码器反馈回的数值无规律乱跳。

3、伺服电机运行时，所读取的编码器的值与所发出指令值不吻合，且误差值是随机的，无规律的。

4、伺服电机运行时，所读取的编码器的值与所发出指令值的差值为一稳定的值或呈周期性变化。

5、与交流伺服系统共用同一电源的设备（如显示器等）工作不正常。

二、干扰源分析

干扰进入运动控制系统的渠道主要有两类：

1，信号传输通道干扰，干扰通过与系统相联的信号输入通道、输出通道进入；

2，供电系统干扰。

      信号传输通道是控制系统或驱动器接收反馈信号和发出控制信号的途径，因为脉冲波在传输线上会出现延时、畸变、衰减与通道干扰，在传输过程中，长线的干扰是主要因素。

      任何电源及输电线路都存在内阻，正是这些内阻才引起了电源的噪声干扰，如果没有内阻，无论何种噪声都会被电源短路吸收，在线路中不会建立起任何干扰电压，此外，交流伺服系统驱动器本身也是较强的干扰源，它可以通过电源对其他设备进行干扰。

三、抗干扰的措施

1、供电系统的抗干扰设计

（1）实行电源分组供电，例如，将执行电机的驱动电源与控制电源分开，以防止设备间的干扰。

（2）采用噪声滤波器也可以有效地抑制交流伺服驱动器对其他设备的干扰。该措施对以上几种干扰现象都可以有效地抑制。

（3）采用隔离变压器，考虑到高频噪声通过变压器主要不是靠初次级线圈的互感耦合，而是靠初次级寄生电容耦合的，因此隔离变压器的初次级之间均用屏蔽层隔离，减少其分布电容，以提高抗共模干扰能力。

2、信号传输通道的抗干扰设计

（1）光电耦合隔离措施

      在长距离传输过程中，采用光电耦合器，可以将控制系统与输入通道、输出通道以及伺服驱动器的输入、输出通道切断电路之间的联系。如果在电路中不采用光电隔离，外部的尖峰干扰信号会进入系统或直接进入伺服驱动装置，产生种干扰现象。

      光电耦合的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰 ， 从而使信号传输过程中的信噪比大大提高。主要原因是：干扰噪声虽然有较大的电压幅度，但能量小，只能形成微弱电流，而光电耦合器输入部分的发光二管是在电流状态下工作，一般导通电流为10-15mA，所以即使有很高的大幅度的干扰，由于不能提供足够的电流而被抑制掉。

（2）双绞屏蔽线长线传输

      信号在传输过程中会受到电场、磁场和地阻抗等干扰因素的影响，采用接地屏蔽线可以减小电场的干扰。

      双绞线与同轴电缆相比，虽然频带较差，但波阻抗高，抗共模噪声能力强，能使各个小环节的电磁感应干扰相互抵消。

      另外，在长距离传输过程中，一般采用差分信号传输，提高抗干扰性能。采用双绞屏蔽线长线传输可以有效地抑制二、三、四种干扰现象的产生。

（3）接地

      接地可以电流流经地线时所产生的噪声电压，除了要将伺服系统接大地外，信号屏蔽线也要接地，防止静电感应和电磁干扰。如果没有正确的接地，则可能会出现二种干扰现象。

根据对象的不同应选择适当的方法，而在制工业中普遍选用物理法，其中常使用的方法是干热法和湿热法。此次，关注是用于液体制剂的水浴式柜（下简称为柜），它是一种采用湿热法的典型制药设备，在液体制剂生产企业中被广泛使用，现就其工作原理与验证加以简要探讨。

1、柜的结构与工作原理

1.1 柜结构

柜的结构主要为腔体（柜内受压）、布水器（喷琳循环水）、进出料门（压缩空气密封与电机传动）、热交换器（工业蒸汽与RO水作热源）、循环水泵（柜内的RO水的循环）等。而柜作为压力容器，还有附件，本柜包括压力连锁装置、温度连锁装置（只有柜内没有相对压力和温度达到要求时才能开门）、柜内阀（当柜内压过大时排空泄压）、手动排水（排气）阀门（异常情况下排放柜内的水和空气）等。

1.2 柜工作原理

柜的基本管路如图1所示，其工作过程为：

（1）注水阶段：将要的药品按一定的摆放方式放置于柜内，关好密封门，然后往柜内注入RO水。

（2）快速升温阶段：当RO水到达一定的高度时，关闭RO水的阀门，启动循环水泵，同时开启大、小蒸汽阀门，通过热交换器加热柜内循环的RO水。

（3）阶段：当循环水的温度到达工艺设定温度(如100℃)后，通过间隔开启小蒸汽阀门来控制柜体内维持在温度。停留在此阶段的时间即为通常工艺要求所说的时间。

（4）在完成阶段后，关闭所有蒸汽阀门，开启相应阀门给柜体内泄压。

（5）开启相应阀门对柜内半成品进行两次清洗。

（6）直至柜内相对压为零，循环水排放完毕，药品温度30℃后方可开启柜门。

总结柜的整个工作过程，可将其分为：（1）注水阶段；（2）升温阶段；（3）阶段；（4）降温泄压阶段；（5）清洗阶段。

整个过程要保证柜内压力符合生产工艺要求。

图1  水浴柜基本管路图

1.3 柜控制要点

本柜控制系统是采用PLC+PC的方式。柜内分布两个温度探头，用以检测柜内的实时温度；柜外的上下各分布一个温度探头，均为程序控制温度探头。各温度检测、柜内压检测以及液位检测等的信号状态通过信号输送电缆输送到PLC，PLC根据各输入端的信号判断现在所处的阶段，按程序分别对各工艺管道阀门和各执行机构发出执行指令进行控制。本设备也可进行全程手动控制，并附有许多保护的互锁程序，以免不当操作引起事故。

在日常的生产当中，还应定期对布水板进行清洗、保养和对框门及密封条进行润滑，检查换热器是否有漏水等现象，校验温度探头和阀，检查各阀门是否灵敏，电机工作是否正常等。以保证设备能够正常运行和生产。

2、柜的验证

2.1 评价标准和验证内容

在1992年版世界卫生组织的《规范》17章，提到对液体制剂的验证要求：

（1）17.32条：所有设备如柜、空气过滤系统、水处理系统（包括蒸馏水机）均应按计划进行验证、维护和监控。

（2）17.55条：任何方法在正式采用前，该方法对产品的适用性以及每一装载方式下被品的所有部位是否达到规定要求都应经过验证。应定期进行再验证，每当设备有重大改变时，也须进行再验证。

而在98版《药品GMP检查指南》中：

（1）3102条：柜的能力是否与生产相适应，是否具有自动监测及记录装置。

（2）5703条：关键设备及无菌药品的验内容是否包括设备、液滤过及灌装（分装）系统。由上可见，工序对于剂生产的重要作用以及药政部门对柜验证的重视。而对于柜的验，美国 FDA和欧盟药品卫生组织对于不同的柜有具体的指引和要求，我国在这方面只有2002年版的《药品验证指南》液体制剂章节中给出对于柜验的例子，同时2005版的《药典》中关于法部分也给出详细的要求。现在大多是参照它来评价标准的，现参考指南的例子把整个柜验证简单归纳为以下几个方面：

（1）预确认，对柜的基本功能是否达到公司的要求进行确认。

（2）安装确认，包括文件确认、图纸检查、主要机械部件检查、系统检查、公用管道连接检查、仪器仪表检查和校正、控制系统硬件部分检查、控制系统软件功能实现检查、备件备品的检查等。

（3）运行确认，包括功能测试和基本性能参数的确认，以及对上述安装确认内容的运行时动态确认，同时根据实际情况修订操作规程和对操作人员进行实操培训。

（4）性能确认，包括验仪器的校验、空载热分布、满载热分布及满载热穿透的试验。其中，主要的衡量标准是阶段冷点和平均温度之差小于0.5℃和终F0值>8。

2.2 柜验证操作过程

关于预确认和安装与运行确认的内容在此省略，因为这和其他制药设备验证的基本准则是一样的。另需注意的是关于柜的部分和控制部分的确认，因为柜是压力容器，防护的措施和设置是的，这些措施既械方面的也应有电器和控制系统方面的，而效果如何则取决于控制程序和探头的精度等因素，因此要把握。在完成了以上的三种确认以后，就进入性能确认。

（1）验证用的仪器，主要由三部分组成：的测温探头、用微机制成的测温和传送集成系统以及便携带式计算机。

（2）使用前应对上述验证用仪器进行校正。

（3）校正完即可按照布点图进行布点。1）空载热分布是指柜内不放任何半成品，只放空的架进入腔体；2）满载热分布是指按大装载量把玻璃瓶放满架中，然后探头是放于瓶外去测温，看瓶外的温度变化；3）满载热穿透的玻璃瓶放置方法和跟满载热分布一样，只是温度检测探头的位置不一样，满载热穿透是把探头放置于盛满药液或水的瓶子中紧固，用于探测瓶内温度。

以上每个阶段都需要进行至少连续运行三次。在此需要注意的是不同的规格都需要按大装载量去放置，而且要按正常的程序进行，否则便失去验证的意义。

（4）后验证完要对温度探头进行再次校正，验证前后偏差均应小于0.5℃方可认定为合格。

2.3 柜验证数据分析

验过程做完，即需对数据进行分析。让柜稳定地工作是验证的目的，而不是只关心结论是否合格，是否可以生产。验证的思想是通过验证过程发现问题，了解柜的实际工作状况（特别是每年的再验证是如此），从而解决问题，为日后的维护和检查提供依据与对照，才能知晓这个柜控制是否合理、精度如何、是否年久失修等。

柜温度分布特点可以归纳如下：柜底近排水位置会相对低一些，至于哪一边温度低些则可能取决于柜的安装水平度或者由于喷淋头的堵塞状况；柜的中间位置温度会相对温度高一些。图2是为水浴柜满载过程的温度曲线图。

图2   水浴柜满载过程的温度曲线图

3、结语

本文仅从水浴式柜的结构与工作原理入手，通过对其验证评价标准与验证内容、验证操作过程以及验证数据分析三方面要点作了简要阐述。本器投入使用以来，其产品均能达到合格要求。因此，只要使用方法正确，严格执行操作规程，定期做好设备验，进行严密的监测，使用上述柜均可为的生产提供合格的产品。希望本总结能给相同或相似设备的使用和维护提供一些借鉴，同时对设备选型也作为一种参考。