西门子模块6ES7223-1PL22-0XA8使用选型

西门子模块6ES7223-1PL22-0XA8使用选型

1. PID控制
    在工业控制中，PID控制（比例-积分-微分控制）得到了广泛的应用，这是因为PID控制具有以下优点：
    1）不需要知道被控对象的数学模型。实际上大多数工业对象准确的数学模型是无法获得的，对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。据日本统计，目前PID及变型PID 约占总控制回路数的左右。
    2）PID控制器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便。
    3）有较强的灵活性和适应性，根据被控对象的具体情况，可以采用各种PID控制的变种和改进的控制方式，如 PI、PD、带死区的PID、积分分离式PID、变速积分PID等。随着智能控制技术的发展，PID控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久的生命力。

2. PLC实现PID控制的方法
如图6-35所示为采用PLC对模拟量实行PID控制的系统结构框图。用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下几种方法：

    1）使用PID过程控制模块。这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的价格昂贵，一般在大型控制系统中使用。如三菱的A系列、Q系列PLC的PID控制模块。
    2）使用PID功能指令。现在很多中小型 PLC都提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与A/D、D/A模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，价格却得多。
3）使用自编程序实现PID闭环控制。有的PLC没有有PID过程控制模块和 PID控制指令，有时虽然有PID控制指令，但用户希望采用变型PID控制算法。在这些情况下，都需要由用户自己编制PID控制程序。

3. FX2N的PID指令
PID指令的编号为FNC88，如图6-36所示源操作数［S1］、［S2］、[S3]和目标操作数[D]均为数据寄存器D，16位指令，占9个程序步。［S1］和［S2］分别用来存放给定值SV和当前测量到的反馈值PV，［S3］~[S3]＋6用来存放控制参数的值，运算结果MV存放在［D］中。源操作数［S3］占用从［S3］开始的25个数据寄存器。

PID指令是用来调用PID运算程序，在PID运算开始之前，应使用MOV指令将参数（见表6-3）设定值预先写入对应的数据寄存器中。如果使用有断电保持功能的数据寄存器，不需要重复写入。如果目标操作数[D]有断电保持功能，应使用初始化脉冲M8002的常开触点将其复位。

PID指令可以同时多次使用，但是用于运算的[S3]、[D]的数据寄存器元件号不能重复。
    PID指令可以在定时中断、子程序、步进指令和转移指令内使用，但是应将［S3］＋7清零（采用脉冲执行的MOV指令）之后才能使用。
    控制参数的设定和 PID运算中的数据出现错误时，“运算错误”标志M8067为 ON，错误代码存放在D8067中。
    PID指令采用增量式PID算法，控制算法中还综合使用了反馈量一阶惯性数字滤波、不微分和反馈量微分等措施，使该指令比普通的PID算法具有好的控制效果。
    PID控制是根据“动作方向”（[S3]+1）的设定内容，进行正作用或反作用的PID运算。

    4.PID参数的整定
    PID控制器有4个主要的参数K p、T I、T D和T S需整定，无论哪一个参数选择得不合适都会影响控制效果。在整定参数时应把握住PID参数与系统动态、静态性能之间的关系。
    在P（比例）、I（积分）、D（微分）这三种控制作用中，比例部分与误差信号在时间上是一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产生与误差成正比的调节作用，具有调节及时的特点。比例系数K p越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数系统，K p过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。
    积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化。因此，积分部分可以稳态误差，提高控制精度，但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性带来不良影响。积分时间常数T I增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，但是稳态误差的速度减慢。
    微分部分是根据误差变化的速度，提前给出较大的调节作用。微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节为及时，所以微分部分具有前和预测的特点。微分时间常数T D增大时，调量减小，动态性能得到改善，但是抑制高频干扰的能力下降。
    选取采样周期T S时，应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间。为使采样值能及时反映模拟量的变化，T S越小越好。但是T S太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不宜将T S过小。

1 引言

   近年来,由于高参数大容量机组不断建成和投运,化学水处理的规模越来越大,设备不断增加。凝结水精处理在200ＭＷ以上机组是配备的一个水质控制系统，它不同于化学补给水从生水开始处理，而是对整个电厂水汽系统中的凝结水进行除盐和除浊处理，以保证循环使用的凝结水水质量符合机组运行的要求，达到防止水汽系统产生腐蚀、结盐和结垢的终目的。张家口发电厂凝结水精处理分为四个单元集中控制，每个单元控制二台机的凝结水精处理运行。一单元、二单元的凝结水精处理程序控制因为原来设计、调试和现场实际情况等多种原因使用的是远手操，阀门和泵体的一对一操作，自动化水平低，严重影响了劳动生产率。因此该厂对一单元精处理的程控部分进行了新和改造，系统采用可编程逻辑控制器（简称PLC）并增加上位机和CRT实时显示运行的设备状况，对主要参数进行历史记录，程控系统具备在OPC等协议下与辅控网系统通讯的功能。改造后能够实现凝结水处理系统的程序控制、CRT手动操作、就地操作、减少了运行人员的工作量,提高设备自动化水平。本文以此为例介绍PLC自动控制技术在凝结水精处理系统中的应用。

2 控制系统概况

张家口发电厂一单元凝结水精处理程控系统采用了Modicon公司Quantum系列程序控制设备及配套的Modicon Concept2.6软件编程，使用CPU双机冗余配置。上位机使用的是闽台ADbbbb工控机并使用iFIX工控软件进行组态。凝结水处理设备可由键盘、鼠标在计算机上通过PLC系统实现自动、成组和远操方式。控制工艺要求：每台机2台高速混床，不设备用，全部投入运行，每2台机公用1套再生设备，再生间内存1套树脂，作为2台机的备用树脂。该套程控系统主要功能包括四部分：（1）2台高速混床的运行以及机组凝结水旁路门的监视；   （2）高速混床和再生间阳再生器之间的树脂输送；（3）树脂在再生间的再生操作； （4）高速混床的投运和停运。

2.1  硬件系统组成

张家口发电厂一单元凝结水精处理工艺系统配2****立的CRT操作员站，为满足系统稳定的要求,PLC采用的是Modicon公司Quantum系列的电源模件和CPU模件冗余控制，组成双机互备，设两个RIO分站，通过MODBUS  PLUS网络组成一个总线式的网络。

2.1.1 网络结构图(见图1)

图1   程控系统网络图

2.1.2  输入输出模件

数字量输入模件为140 DDI35300（7个），数字量输出模件为140DDO353（4个）模拟量输入模件为140 ACI03000（5个），温度测量输入模块为140ATI0300（1个）。

2.1.3  输出控制单元（继电器单元）

一单元凝结水精处理控制的气动阀门，采用的是闽台产的24V DC电磁阀，对电磁阀的操作指令通过上位发出后，经PLC的DDO卡件输出指令，并通过OMRON 24VCD继电器将信号隔离后输出到就地电磁阀，从而实现阀门的开，关操作。电机和电动阀门的操作部分也是由DDO输出指令后，经OMRON 220VAC继电器加以隔离后输出，从而控制电机的启停和电动门的开关。具体的方式是当指令发出后，继电器线圈带电，常开接点闭合，指令送出到电气控制回路中，由电气回路完成电机启停或者电动门的开关。

2.2  软件系统

张电一单元凝结水精处理使用的采用了Modicon公司Quantum系列控制系统配套的Modicon Concept2.6软件编程，为Modicon的PLC进行编程、检查、生成文件。上位机使用的是闽台ADbbbb工控机并使用iFIX工控软件进行组态。

3  程控系统控制要求和工作原理

3.1  凝结水精处理工艺简要说明

张家口发电厂凝结水精处理系统采用的是中压高速混床，除盐和除浊同时进行，一单元两台高速混床串接在凝结水系统中，是以一种“低压系统”方式于热力系统连接。

3.2  程控系统工艺

凝结水处理工艺系统由两部分组成：部分为除盐系统；二部分为体外再生系统。

在凝结水处理工艺系统中，PLC控制的设备有：每台机2台高速混床，1个自动旁路，2台再循环泵；阴再生罐，阳再生罐，树脂隔离罐，热水罐，碱储存罐，酸储存罐，碱计量箱，酸计量箱，喷射器，罗茨风机，冲洗水系统的气动和电动执行机构等。

3.2.1  除盐系统的工艺

自凝结水泵来的凝结水通过母管进入2台高速混床，用以除去水中的悬浮物和盐类，使高混出口水电导率达到〈0.20微西/厘米，符合水质标准。高速混床出水经母管至低加热器，进入循环系统使用,以#1高混工作程序为例说明，

4.程序结束

3.2.2树脂再生系统工艺

当高速混床出水导电度达到或过0.20微西/厘米或高混单台出水量达到8万吨后，需停止混床进行再生。为了防止污染凝结水，树脂的再生采用体外再生方式。要将失效树脂送回体外再生间进行再生。

为了减少交叉污染，失效树脂送入阳再生罐后经过擦洗除去树脂中带有的脏物后进行反洗，将阴树脂送入阴再生罐，混合树脂送入混脂塔。阳树脂留在阳再生罐内。此过程是通过安装于阳再生罐各部位的树脂出口门来控制完成。然后由再生系统配备的1个酸储存罐，1个碱存储罐，1个酸存储罐，1个酸计量箱，1个碱计量箱进行再生。30%浓度的盐酸经计量箱计量后，由喷射器与除盐水混合为3%浓度的盐酸，经阳再生器上部进入阳再生器，进行顺流再生。再生完成后，再生废液由中排装置排出，同时废液由中排装置排出，同时进置换水将阳再生器中废酸置换出来。废液排出后，由进水管进行正洗。留在阴再生罐内的阴树脂，经反洗，用4%碱液进行再生，然后置换及正洗，置换及正洗操作完成后，阳再生罐内树脂送入阴再生罐内加以混合后，再次正洗，直至出水导电度达到〈0 .20微西/厘米后再生停止，树脂留在阴再生罐内备用。该过程全部由PLC程序控制自动完成。

3.2.3程控系统软件设计

程序控制分为一号机混床控制、二号机混床控制、再生控制，有相应的控制面板，并设有“时间控制”画面，运行人员可对程序控制的所有步序的时间进行实时调整。

1#机（2#机）高混系统程控设计成组、远操两种方式。成组程控的逻辑顺序为：选择“A选中”或“B选中”按钮操作A混床或B混床，然后选择“组选中”或“二组选中”或“三组选中”或“四组选中”成组程控组号，四组分别代表“混床停运”、“混床树脂送阳再生器”、“树脂贮存罐树脂送至混床”、“混床投运”，后发出“执行”指令，程序将自动执行。

在成组控制被选中或程序在执行过程中，所有相关设备的远操都被禁止。如果需要进行紧急手动操作，可发出成组“停止”指令，程序将停止，所有程控指令清零，此时可以进行设备单操。“停止”指令发出且相应反馈信号到达之后，才能进行“A选中”或“B选中”切换。如果还需运行成组操作程序，则需发出撤消“停止”任务的指令，停止指令被撤销，此时即可进行正常“成组”程序控制。

程序在执行过程中，设计了“暂停”指令来暂停程序执行，使得正在执行的步骤指令被，时间计数清零。撤销暂停指令，程序将再次执行当前步骤，时间计数到规定数值，然后执行下一步。

再生装置系统控制方式有自动、成组、远操三种方式。

在上位机上发出“自动”和“执行”指令后，程序将自动完成树脂的擦洗、分离、阴阳树脂再生和树脂混合。“停止”和“暂停”指令的功能与混床控制中的类似指令功能相同。“停止”指令发出之后，才能进行“自动”或“成组”或“远操”之间的切换。点击“成组”指令，选择相应的组号选择键，后点击“执行”指令，程序将分组执行。五只组命令依次分别代表“树脂擦洗”、“树脂分离”、“阴阳树脂再生”、“树脂混合”。“成组”指令发出后，才能进行组间的切换。点击“远操”任务后，即可以对设备进行单操操作。重复再生方式为在“自动”方式下的一种特殊模式，在再生操作完成后，此种方式才可以被选中。执行“重复再生”任务，再执行“执行”任务，程序将自动按“重复再生”、“树脂擦洗”、“树脂分离”、“阴阳树脂再生”、“树脂混合”顺序执行，后于“树脂混合”结束后完成。在“成组”控制模式下，如果执行“阴阳树脂再生”、运行人员手动将酸计量箱及碱计量箱液位维持到合适位置，然后才能开始进行成组“阴阳树脂再生”。在执行程序后，如需要进行人工干预，可将程序停止，将操作模式切为“远操”，即可进行设备手动操作，在人工干预结束后，将操作过的设备全部手动操作“关闭”或“停止”，然后才能恢复程序运行。

另外，还设计了以下几个功能键

总图、菜单、操作菜单、程序状态、程序设置、报警、实时趋势，打印等。

3.2.4  仪表和信号

为了便于运行人员监视运行工况，在其就地安装了指示仪表，并将信号送到CRT上显示。包括分析仪表：10台电导率分析仪，热电阻温度计，压力变送器，流量变送器和液位计。系统上的压力、温度、差压、流量变送器给程控提供模拟量信号，并远传至控制室内的操作员站；温度、压力、差压、液位开关向PLC程控器提供数字量信息，并连接到报警系统，当这些量偏离设定值时发出报警信号。

3.2.5  系统的联锁

为了保护设备的，防止出现操作意外以及对一些设备实现顺序控制，系统设置了一些硬件和软件方式的联锁，当混床投运后，相关的电动，汽动阀门均操作无效；当1台混床运行，1台退出时，旁路自动打开50%；2台混床全部停运时，旁路自动打开**。

4 结束语
   凝结水精处理程控装置的改造成功,总结起来有如下几点:

ａ）保证了水处理设备的运行。大型机组凝结精水处理设备庞大而且复杂,运行、再生操作多,容易发生误操作。投入程控装置,其运行及再生过程由程控装置发出指令按已经编制好的程序进行,每一步所动作的阀门、水泵、风机等都已预先设定,减少了误操作机会。

ｂ）ＰＬＣ具备了实时监控技术和故障诊断技术,当程控系统有设备发生故障时,会执行系统复位。此时，各阀门全部关闭,泵与风机全部停用。待查明故障,缺陷后可重新启动。

ｃ）ＰＬＣ编程简单，常用的编程语言是梯形图,这种编程语言形象、直观,容易掌握，不需要专门的计算机知识，便于广大现场工程技术人员掌握。当生产工艺需要改变时可以现场改变程序，使用方便、灵活。

ｄ）减轻劳动强度,提高劳动效率。投入程控系统,运行人员明显减少,运行值班条件得到明显改善。

1 系统网络结构 
该方案采用一层以太网和两层FIPWAY 双绞线网络, 以太网的速度为10Mb/ s， FIPWAY 网络的速度为1Mb/ s。两台监控计算机通过以太网连接, 实现监控计算机备用的功能; 两台监控计算机与PLC1 、PLC2 、PLC3 、PLC4 、PLC5 、PLC6 构成层FIPWAY 网络, 其主要功能是将所有接入PLC 的信号传送至两台监控计算机; PLC3 和12格滤池控制台组成二层FIPWAY 网络, 用以完成反冲洗的控制。 
2 各分站描述 
2.1 取水泵站PLC1 
(1) 主要检测参数。 
原水PH 值、流量、温度、浊度; 原水进水阀开度、原水进水阀限位报警、原水进水阀限位开关、原水进水阀故障报警。 
(2) 主要控制功能。 
原水泵控制; 接受并执行来自监控计算机的正确指令和参数设置; 将原水泵及吸水井的运行状态及参数传送至监控计算机。 
2.2 加药加氯PLC2 
(1) 主要检测参数。 
溶解池、溶液池液位连续检测、高低位、高位报警; 计量泵开停、计量泵手/ 自动、计量泵故障、计量泵冲程检测、计量泵变频装置频率检测、计量泵变频装置故障检测、计量泵变频装置手/ 自动; 搅拌器开停、故障; 稀释水阀开关状态; 进/ 出液阀开关状态。氯瓶称重、投加量、漏氯报警、加氯机开/ 停状态; 氯路切换及电动球阀工作状态; 空瓶信号检测。 
(2) 主要控制功能。 
加药泵的控制; 溶药池相关设备的监控; 加氯系统的监控; 将加药泵、加氯设备、药池等的运行状态及相关的参数传送至监控计算机; 接受并执行来自监控计算机的正确指令和参数。 
(3) 加氯控制原理。 
水厂工艺中, 加氯包括前加氯和后加氯。前加氯一般采用原水流量配比加氯方式, 而后加氯采用复合环加氯方式即根据出厂水余氯反馈控制方式。原水流量配比加氯方式控制原理为: 加氯控制器根据原水流量的变化以及设定的投加率自动调节加氯量。复合环加氯方式控制原理为: 加氯控制器根据原水流量以及投氯后取样水中余氯值和设定的余氯值, 采用PID 控制规则, 输出一个控制量来控制加氯机的投加装置, 形成一个闭环控制, 使余氯值向设定值逼近, 确保出厂水余氯指标的稳定达标。 
(4) 加药(矾) 自动控制原理。 
在水厂自动化中, 加药自动控制是提高社会效益和经济效益显着的一项措施。这是一个长延时、非线性时变、干扰因素多的复杂过程, 在技术上实现有一定难度,目前国内许多水厂还处于凭经验目测水质、手工投加阶段。一些水厂经改造采用了自动投加系统, 实际效果也不理想。引入的控制理论来解决自动投加问题是目前国内外水处理行业普遍关注的问题。一般加矾自动控制也可分为两种方式: 一种是开环控制方式, 另一种是多参数的闭环控制方式。通过PLC 对游动电位、加矾量、加矾浓度、滤后水浊度原水温度等参数综合累计、统计及分析, 自动调节加矾量并记忆各种优化控制参数, 较好的效果。 
2.3 公共冲洗PLC3 
滤池PLC 站考虑用1 台公共冲洗PLC 主站,外加12 台滤池的PLC 子站组成1 个二级控制系统, 主站与子站之间用FIPWAY 网络连接, 主站与子站之间采用集中管理、分散控制方式, 主站与子站从系统上互为后备, 滤池的运行与反冲程序编写在子站内, 使系统, 同时分散的I/ O 又使滤池的控制系统电缆连线为减少, 使维护加方便。 
(1)公共冲洗PLC 主站。 
主要检测参数： 
反冲洗水泵开停、故障、手/ 自动; 反冲洗水泵电流; 出口阀开关状态、故障状态、手/ 自动; 反冲洗鼓风机开停、故障、手/自动; 出口阀开关、故障、手/ 自动; 出口旁路阀开关、故障、手/ 自动; 反冲洗水。

主要控制功能： 
旁路阀控制, 冲洗控制,保护设备停车控制, 反冲洗水泵备用切换, 鼓风机备用切换。 
①鼓风机开/ 停、相关阀开/ 关当滤池PLC子站接到发出的反冲洗请求, 鼓风机开始工作, 相关的阀门打开, 反冲洗完成后, 鼓风机停止工作,相关的阀门关闭。 
②水泵的开/ 停、相关阀的开/ 关当滤池PLC 子站接到发出的反冲洗请求, 水泵开始工作,相关的阀门打开, 反冲洗完成后, 水泵停止工作,相关的阀门关闭。 
(2)各滤池PLC 子站。 
主要检测参数: 
每个滤池的水位连续检测及显示、水头损失检测、浑水阀、清水阀、反冲洗阀、排污阀、反冲气阀、排气阀等设备工作状态,故障状态的检测, 手/ 自动状态; 清水阀阀门开度、开关限位、开/ 关状态报警。 
主要控制功能: 
①滤池的恒水位过滤控制PLC 根据每个滤池的液位计(可设定高低限报警) 给出的信号, 控制滤池出水阀门的开度, 以保证滤池的水位恒定。滤池PLC 装有恒水位控制软件, 恒水位控制软件是根据每格滤池中的液位信号控制出水调节阀的开度, 保证滤池中水位的恒定, 其控制精度≤210cm， 而且调节阀的动作稳定。 
②滤池的反冲洗控制对于反冲洗的控制采用三种反冲洗控制方式:过滤周期: 根据工艺要求, 设定滤池的大过滤时间, 在滤池开始过滤时, 滤池PLC 子站开始计时, 并与设定值比较, 当两者相等时, 滤池PLC 向PLC 子站发出反冲洗请求。 
压差值: 在滤池PLC 上设定滤池的大阻塞压差值, 当过滤时阻塞压差传感器连续测定滤料的阻塞压差值, PLC 将此值与设定值进行比较, 当两者相等时, 滤池PLC 向PLC 子站发出反冲洗请求。 
强制方式: 由工作人员根据现场需要, 在滤池控制器上进行功能操作, 强制滤池PLC 向PLC 子站发出请求。每格滤池定时冲洗法的冲洗时间和压差冲洗法的大阻塞压差的设定均可通过XBT 灵活设置。XBT 操作配有密码锁定。滤池PLC 显示明确, 操作维护简单, 可实现无人值守的全自动控制。 
2.4 送水泵站PLC4 
(1) 主要检测参数. 
变电所总电流、有功功率、电压、分路电流、有功功率、总电路开关、分路开关运行状态、时间记录; PH 值、液位、浊度、流量、余氯; 出厂水阀开度、开/ 关限位、报警、出厂水阀开关限位。 
(2) 主要控制功能. 
送水泵的控制; 接受并执行来自监控计算机的正确指令和参数。 
2.5 1#～2#沉淀池现场PLC站PLC5 和PLC6 
(1) 主要检测参数. 
沉淀池水位、SCD、沉淀后浊度、沉淀池分管进水阀开关位置限位、沉淀池分管进水阀开关状态、沉淀池分管进水阀手/ 自动状态、沉淀池分管进水阀故障状态; 排泥机运行/停止状态、排泥机前进/ 后退、排泥机手/ 自动、排泥机故障、排泥阀开关状态、真空泵开/ 停、排泥机行程头尾限限位、排泥机行程分段限位。 
(2) 主要控制功能. 
根据生产需要启用/ 停用沉淀池; 根据污泥浓度开关或时间周期进行排泥控制。 
3 监控计算机系统简介 
3.1 简述 
监控计算机将在bbbbbbs NT 下使用InTouch作为软件。两台监控计算机将安装相同的系统软件和应用软件。由于两台监控计算机均同时与以太网和FIPWAY 网相连, 因此它们可同时从PLC 得到相同的信号, 但是向PLC 发送命令及打印机的控制是互锁的。 

3.2 主要功能 
(1) 多种输入方法,如标准键盘、功能键盘、鼠标。 
(2) 记录操作员动作, 可对操作员操作的日期、时间、姓名进行记录, 从而使一些危险的操作能够被跟踪。 
(3) 有1000 种不同的保护等级, 可以保证每个操作都可被禁止, 以防止非法操作。