西门子6ES7212-1BB23-0XB8产品型号

西门子6ES7212-1BB23-0XB8产品型号

1 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。

实践证明，PLC产品的大多数故障的原因，都是在制造过程中产生的。而在制造过程中，要保证产品的性与稳定性，重要的就是产品测试，只有通过完整和的测试，才能发现产品中的问题，再给予解决。 从制造流程上来分，PLC的产品测试可以分为四个部分：
是元器件的测试，也包括外协件的测试。这时大多采用抽样的方法，其实，在采购之前，就要对供应商的资格进行认定，要避免不规范运作的元器件供应商，并与合资格的供应商建立长期的关系，这样，可以保证进来的元器件从根本上不会出大的问题。
但即便是对长期的正规的供应商，也要进行入库前的检验，通常，要进行目测，包括数量的清单，型号的核对，批号和生产日期等。然后，对元器件进行抽样检测；由于PLC的质量要求较高，因此，尽可能将抽样的比例加大，这样可以增加发现故障元件的概率。
元器件测试完成后，二步就是要在生产过程中，对每个生产加工工序进行的QC测试。对PLC的生产来说，主要是线路板的测试，通常包括：丝印、贴片、回流焊、波峰焊、手工插件和焊接几个工序，这时，对每个模块的每个工序做一个的测试架，才能保证能够而准确地测量出每个模块的质量。
在制造过程中，一旦发现质量问题，要立即找出原因，看是由于元器件本身的原因，还是加工质量的原因。如果是后者，在出现比例比较大的故障如虚焊等现象后，要及时调整生产设备的工作参数，既要保生产速度和生产率，也要保证降低故障率。如果PLC制造商有自己的生产线，应该将每个模块的生产状态参数保存下来，以后每次生产同样的模块的时候，可以按照该的状态进行生产。而且，这个的生产状态参数是要不断新的。
生产制造完成后，是模块的装配环节。装配完成后，要进行模块的性能测试。这一步的测试是十分关键的，因为重要的性能测试都是在这个环节，由于通常PLC的各种模块需要测试的参数较多，因此，一定要为每个型号的每个模块制作专门的测试架，并采用自动测试工装，这样才能保证测试参数的和完整，同时也保证测试的生产率。这是生产过程中测试的三步。
模块测试完毕后，要将模块送入老化室进行高温老化。关于老化，有许多人会将之与高温测试混同起来。其实，这是不同的。产品的高温测试，主要是检测该产品能够在设计的高温工作区段里正常工作，比如，如果PLC的工作温度是55度，那么只要在55度的范围内开机进行工作测试，在模块里的温度达到稳定后（通常为半小时左右）就可以了。但是，老化则是另外一个概念。
每个产品的元器件都有一定的寿命周期，比如，电子元器件的寿命为10年，那么，在这个寿命周期了，个月的故障率是很高的，其后故障率会越来越低，在三个月之后，达到稳定，故障率就会降到一个比较低的水平，一直到10年左右，器件达到了寿命，故障率又开始上升。
生产制造过程中的老化，就是要通过高温运行，将产品前期的故障率较高的时间缩短，使产品在出厂前就跨越过这个阶段，进入低故障率阶段。老化的温度和时间与产品的不同种类有关，对于电子产品来说，如果设定在55~60度的温度，可以将前期的高故障率的时间从三个月缩短到三天左右。这就是为什么许多电子产品的老化时间在72小时的原因。因此，老化是PLC产品生产过程的一道重要工序，而不能仅仅被看作是一个测试的过程。
知道了上面的道理，就同样会明白产品的老化过程是十分重要的，而且，老化后的测试加重要。因为，容易出现故障的模块，在老化过程中，绝大部分的潜在故障会在老化期间暴露出来，因此，对老化后的产品进行严格的测试。测试的方法和手段与老化前的模块测试手段相似，但全部完整地检测。有些测试人员认为产品已经测过一次了，因此，对老化后的产品测试往往放松，其实，这是大错而特错的。老化后的测试，就是PLC在制造过程中测试的四步。
以上的四步是PLC的硬件测试的介绍。由于软件也是PLC的重要组成部分，因此，对PLC的内部的软件，同样要进行测试。通常，由于产品保密的原因，即便是外协加工的模块，公司的关键软件在公司内部进行安装，有关测试功能也在公司内部完成。
有关软件功能测试又分为底层嵌入式软件测试和编程软件的测试。
底层嵌入式软件指PLC的系统软件，即在产品的CPU模件内的嵌入式固化软件（FIRMWARE），在工业控制系统的CPU模块里，都有一个IC芯片，里面是CPU的固化系统软件。通常称之为SOC（System On Chip），这个SOC是控制器的。实现SOC的方式主要有ASIC和FPGA两种。目前，德维森的主要的嵌入式软件是用FPGA技术来进行固化的，因此这里只简单介绍FPGA芯片的测试流程。
在进行制造过程的芯片测试时，要将FPGA芯片的原料检验委托供应商进行，公司每月一次进行抽检，以保证芯片本身的质量没有问题；同时，所要嵌入的软件已经通过FPGA样片调试，功能已经合格。
芯片通过芯片写入器将软件写入，之后，由测试人员将芯片插入到测试电路上，使用逻辑分析仪对芯片的预先的管脚波形进行逻辑分析测试，为了保证能够对芯片进行**的测试，这一步骤只对几个关键点的波形进行测试。逻辑测试完成后，对芯片进行电性能测试，这一步骤主要测试芯片的工作电压的高低限值和自动恢复性能。电气性能测试完成后，开始对芯片进行老化测试。老化后，再进行一次逻辑分析测试，并选取至少5%的芯片进行综合性能测试，主要是观察芯片的软件功能供设计修改参考。
产品的编程软件的测试通常不在制造过程测试，我将在产品应用过程的测试中叙述。
以上的制造过程的测试主要指的是性能测试。此外，对PLC产品，还要进行专门的性测试。
产品的性测试包括环境测试、机械性能测试和电气性能测试。机械性能测试主要是测试产品包装的机械完整性，包括焊接点的牢固性、模具的精密度、接线端子的牢固度等。环境测试主要测试产品在恶劣条件下存放及使用的性（或寿命，通常以平均无故障时间计算）。电气性能测试是用来验证产品在即将使用的环境中是否经得起各种电气环境的考验。根据国家有关规定，性测试（包括EMC、振动和冲击以及粉尘测试等）在每种产品批样品生产后，到的测试机构进行试验即可，之后每年一次到的测试送检一次。公司内部对产品只进行耐压和高低温老化测试，不需要对每个产品的每个批次都进行性测试。
环境测试包括高温、低温、盐雾、粉尘、易燃易爆性气体、湿度、海拔测试等；机械性能测试包括振动、冲击、加速应力等；电气性能测试包括EMC电磁兼容性试验（包括辐射特性、静电、群脉冲等）、触点试验（主要对开关量输入输出模块）和耐压试验等。送检产品为随机抽样，通常为两套。

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。

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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。