西门子模块6ES7222-1HD22-0XA0详细资料

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本文设计了针对应用于金矿碎矿生产线控制系统改造的一套基于PLC的监控系统。系统是由由的PLC，工控机和组态软件构成。通过PLC编程，实现了对生产设备的自动控制、联锁保护、运行状态监测等功能;运用组态软件，设计了具有良好的人/过程接口能力的监控画面，实现了过程信息的集中显示和处理。实际运行表明，该系统功能设计合理，运行，显著提高了生产效率。

1 引言

近年我国不少矿山企业为了实现、节能、环保等各方面日益增长的要求，积进行设备的新改造。某金矿在碎矿生产环节引进了Nordberg HP圆锥破碎机，以进一步优化生产指标和提率。但是该矿原先采用的碎矿生产控制系统是以人工操作为主的常规继电器控制方式，自动化水平低，对生产过程的各种信息缺乏有效的监控手段，不能及时响应各种情况，加上电气设备老化，故障，维护频繁，严重制约了新装备生产效率的发挥。因此，需要对原有控制系统一并进行改造。可编程控制器(PLC)作为一种的工业自动控制装置，具有功能强大、编程灵活、调试使用方便，且等众多优点，特别是它适应各种工业环境的能力和高性，使它得到广泛的应用。因此在本改造项目中，决定采用PLC来改造并扩展原有控制系统的功能，并且运用组态软件，设计生动直观、功能丰富的监控流程画面，实现生产过程信息的集中显示和处理。

2 工艺与控制要求

某金矿碎矿工艺为三段一闭路流程：原矿从原矿仓通过重型板式给送入鄂式破碎机进行粗碎，然后由1# 皮带给入标准圆锥破碎机进行中碎，再经2# 皮带给入振动筛，筛上产品经3# 皮带返回短头圆锥破碎机进行细碎，细碎产品汇入2# 皮带，与振动筛构成闭路;筛下合格产品由4# 皮带送至粉矿仓。在控制上主要是对破碎、筛分及输送设备的起/停控制、联锁控制及保护，以及对设备运行状态和关键参数的监测记录，包括：①重板给、鄂式破碎机、2台圆锥破碎机、振动筛及4台皮带设备的电机起停控制、电机过载(热继电器状态)的监测及自动联锁;②2个圆锥破碎机稀油站、自动除铁装置、及3台除尘风机起停控制和工作状态监测;③粉矿仓声波料位计的信号监测;④控制室与现场各车间联络的声光警示信号。

本次改造还增加了以下项目：⑤鄂式破碎机、2台圆锥破碎机和轴瓦温度监测;⑥2台圆锥破碎机的电机工作负荷电流监测，以实现恒定负荷控制;⑦1#和3#皮带安装电子皮带秤和变频器，以实现给矿量控制;⑧控制室原有集中操作台和设备就地开关保留，和PLC控制系统通过转换开关进行工作方式切换。

3 系统硬件配置

根据前述控制要求，在充分考虑了系统的性、稳定性、通用性基础上，确定本监控系统采用集中式的控制结构，分为3级：过程监控站、PLC控制器和现场电气驱动和信号检测。PLC控制器选用西门子SIMATIC S7-300，该型PLC技术成熟，应用广泛，具有功能强、速度快、模块化等特点，具体配置为：CPU314，带有MPI接口，配64k EPROM存储卡做程序掉电保护;16通道DI模块SM321，5个;16通道DO模块SM322，3个;8通道AI模块SM331，2个;4通道AO模块SM332，1个;考虑系统的总点数和今后扩展的需要，配置了1个扩展机架，主机架和扩展机架之间通过通信模块IM360和IM361通信。监控站采用研华工控机，运行澳大利亚的CitectSA过程监控组态软件。S7-300和监控站计算机的通信采用MPI接口，在上位机中安装CP5613通讯卡，通过MPI电缆进行连接。 4 PLC控制功能设计

4PLC程序是实现整个系统功能的，设计内容较多，下面主要介绍生产设备的起停联锁逻辑控制和破碎机恒定负荷控制。

4.1设备起停联锁逻辑控制

碎矿设备控制具有以下特点：逆流程起动，即先起动4 # 皮带机，后起动重板给;顺流程停机，即先停重板给，后停4 # 皮带机，并根据皮带速度、长度加以延时间隔，以免发生堆料的现象。为保护设备及人员，还需要满足较为复杂的联锁关系：①当皮带机、振动筛、圆锥破碎机、颚式破碎机中任一设备发生非正常停车或严重故障时，立即停止上游设备的运行，下游设备保持原工作状态不变;当重板给、除尘器和除铁装置等辅助设备发生故障跳闸时，只向主控室发出故障信号，而不中断系统的运行;②重要设备如圆锥破碎机等受到监测的轴瓦温度、电机负荷电流和稀油站工作参数信号也参与联锁，在信号自动停机，以防止设备受损;③根据皮带机系统的故障性质，进行紧急停机、顺序停机或发出声光报警;④在监控站画面上及操作台都设有“紧急停止”按钮，当出现重大险情和故障时，操作“紧急停止”按钮能立即停止全线设备。

系统从、灵活的原则出发，设置3种控制方式：①计算机控制方式，正常生产时使用，操作员在监控站画面实现设备联动或单动;②操作台控制，是保留系统原来的操作方式，作为监控站失效时的备用;③就地控制，可以用机旁电气开关实现设备的起/停，满足设备检修、试车、紧急事故处理的需要;在PLC柜上设有转换开关和转换预置按钮，可在3种控制方式间进行任意转换。

通过对上述控制功能和PLC各个输入输出信号的仔细分析，确定出单台设备的控制逻辑，利用西门子STEP7编程软件编写出梯形图(LAD)程序，见图1。其中，K为控制设备起/停的PLC输出信号，Y为启动逻辑信号，T为停止逻辑信号，由以下信号按一定逻辑关系产生：L ，与该设备有联锁关系的其他设备运行状态;S1，上台设备启动后延时触发信号;S2，转换开关处于计算机控制方式;S3，监控画面单动/联动方式选择按钮，“1”为联动，“0”为单动;S4，监控画面单动按钮;S5，控制方式预转换按钮;S6，转换开关状态，为“1”表示处于就地控制;S7，设备正在运行状态，是中间继电器信号;B1，联动停止信号，由上台设备停止后触发产生;B2，监控画面停止按钮;D1，预转换过程结束信号，“1”表示转换结束，由定时器延时触发;B3，监控画面紧急停止按钮;B4，操作台紧急停止按钮;S8，与该设备存在联锁关系的其他设备运行状态;S9，该设备PLC控制输出状态，为“1”表示PLC控制线路接通。

图1 单台设备起/停控制梯形图

4.2 破碎机恒定负荷控制

Nordberg HP 圆锥破碎机是本次项目改造中的关键设备，为使其稳定在工作负荷状态，达到大处理能力，采用恒定功率控制方式，以主传动电机的功率(电流)作为被控参数，通过变频调速，动态调整给矿皮带给矿量的大小。经实验分析发现，若仅以电机功率作为被控参数构成单回路控制系统，由于给矿皮带的传输需要一定的时间，即存在纯滞后，当给矿量扰动发生后，将导致调节作用大大滞后，且易发生振荡，系统动态品质难以保证。为了克服系统的纯滞后，决定采用串级控制：在给矿皮带上安装电子皮带秤，以给矿量为副参数，主传动电机的功率为主参数构成串级控制系统，见图2。

图2 圆锥破碎机恒定负荷控制方框图

由图可见，当粒度、硬度、黏度等因素发生变化引起给矿量扰动发生时，给矿串级控制系统多了一个副回路，不等扰动影响到负荷功率，副回路立刻进行调节，从而具有较强的抗扰动能力，提高了系统的动态特性和主参数的控制质量。

5 监控站人机界面设计

软件采用澳大利亚的CitectSA组态软件。CitectSA采用开放式结构，支持多种型号的PLC和I/O设备，只要在组态时设置PLC类型和通信参数，并在监控画面的控件属性中设置正确的PLC位地址或字地址，软件就能建立起与PLC内部地址的连接和通信。我们利用它强大的图形组态技术和丰富的用户函数，设计了以下功能：①流程监控画面(见图3)，通过动态、变色、闪烁、数字、棒图及曲线的方式实时监视各电气设备、工艺参数的工况，操作人员点击画面按钮可以实现全线设备单动起/停、联动起/停、紧急停车、现场询问等控制功能;②生产数据统计，对设备的起/停时间，班运转时间、起/停次数累计等信息自动记录并显示，对于合理安排生产和设备检修具有重要意义;③自动报表，将生产统计数据按生产班次定时打印;同时，在监控画面设计了报表打印按钮，可以在任何需要的时候进行打印;④在线操作指导，采用bbbbbbs级链接文本帮助的形式，向操作人员了方便、快捷的查找关于生产工艺操作、软件使用方法和设备维护等信息;⑤报警功能，在每幅画面上都有报警标志，设备故障、工艺参数异常都会触发相应的报警，每个报警都有详细的说明和原因解释，并有完善的报警确认、报警屏蔽和报警历史记录;⑥权限设置，通过设置工程师和操作员2级权限，明确了生产操作和管理职责，防止了误操作，有效的增强了系统的性、性。

6 运行效果

目前本控制系统已成功投入使用，了良好的效果：①生产效率显著提高。破碎机恒定负荷控制后，挤满给矿率由人工操作的60 %左右提高到90 %以上，主机运行负荷功率由人工操作的170 kW(主机电流28 A)左右，稳定提高到200 kW(主机电流33 A) 以上，处理能力得到充分发挥，台时处理量提高15 %，综合电耗降低了13%;②设备得到有效保护。破碎机负荷电流和轴温信号受到监控，一旦限会及时报警和联锁制动，从而解决了因为堵料造成电机载、皮带烧毁以及爆轴的问题;③系统故障率明显下降，维护工作大大减少。

1、引言

燃烧控制系统是电厂锅炉的主控系统，主要包括燃料控制系统、风量控制系统、炉膛压力控制系统。目前大部分电厂的锅炉燃烧控制系统仍然采用PID控制。燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制组成串级控制系统，其中燃烧率控制由燃料量控制、送风量控制、引风量控制构成，各个子控制系统分别通过不同的测量、控制手段来保证经济燃烧和燃烧。

2、控制方案

锅炉燃烧自动控制系统的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应外界对锅炉输出的蒸汽负荷的要求，同时还要保证锅炉经济运行。一台锅炉的燃料量、送风量和引风量三者的控制任务是不可分开的，可以用三个控制器控制这三个控制变量，但彼此之间应互相协调，才能工作。对给定出水温度的情况，则需要调节鼓风量与给煤量的比例，使锅炉运行在燃烧状态。同时应使炉膛内存在一定的负压，以维持锅炉热效率、避免炉膛过热向外喷火，保证了人员的和环境卫生。

2.1 控制系统总体框架设计

燃烧过程自动控制系统的方案，与锅炉设备的类型、运行方式及控制要求有关，对不同的情况与要求，控制系统的设计方案不一样。将单元机组燃烧过程被控对象看作是一个多变量系统，设计控制系统时，充分考虑工程实际问题，既保证符合运行人员的操作习惯，又要大限度的实施燃烧优化控制。

P为机组负荷热量信号为D+dPbdt。控制系统包括：滑压运行主汽压力设定值计算模块(由热力系统实验获得数据，再拟合成可用DCS折线功能块实现的曲线)、负荷—送风量模糊计算模块、主蒸汽压力控制系统和送、引风控制系统等。主蒸汽压力控制系统采用常规串级PID控制结构。

2.2 燃料量控制系统

当外界对锅炉蒸汽负荷的要求变化时，相应的改变锅炉燃烧的燃料量。燃料量控制是锅炉控制中基本也是主要的一个系统。因为给煤量的多少既影响主汽压力，也影响送、引风量的控制，还影响到汽包中蒸汽蒸发量及汽温等参数，所以燃料量控制对锅炉运行有重大影响。燃料控制可用图3简单表示。

其中：NB为锅炉负荷要求;B为燃料量;F(x)为执行机构。

设置燃料量控制子系统的目的之一就是利用它来燃料侧内部的自发扰动，改善系统的调节品质。另外，由于大型机组容量大，各部分之间联系密切，相互影响不可忽略。特别是燃料品种的变化、投入的燃料供给装置的台数不同等因素都会给控制系统带来影响。燃料量控制子系统的设置也为解决这些问题提供了手段。

2.3 送风量控制系统

为了实现经济燃烧，当燃料量改变时，相应的改变送风量，使送风量与燃料量相适应。燃料量与送风量的关系见图4。

燃烧过程的经济与否可以通过剩余空气系数是否合适来衡量，过剩空气系数通常用烟气的含氧量来间接表示。实现经济燃烧基本的方法是使风量与燃料量成一定的比例。

送风量控制子系统的任务就是使锅炉的送风量与燃料量相协调，可以达到锅炉的热效率，保证机组的经济性，但由于锅炉的热效率不能直接测量，故通常通过一些间接的方法来达到目的。如图5所示，以实测的燃料量B作为送风量调节器的给定值，使送风量V和燃料量B成一定的比例。

在稳态时，系统可保证燃料量和送风量间满足

选择 使送风量略大于B燃烧所需要的理论空气量。这个系统的优点是实现简单，可以来自负荷侧和燃料侧的各种扰动。

2.4 引风量控制系统

为了保持炉膛压力在要求的范围内，引风量与送风量相适应。炉膛压力的高低也关系着锅炉的和经济运行。炉膛压力过低会使大量的冷风漏入炉膛，将会增大引风机的负荷和排烟损失，炉膛压力太低甚至会引起;反之炉膛压力高且高出大气压力的时候，会使火焰和烟气冒出，不仅影响环境卫生，甚至可能影响设备和人生。引风量控制子系统的任务是保证一定的炉膛负压力，且炉膛负压控制在允许范围内，一般在-20Pa左右。

控制炉膛负压的手段是调节引风机的引风量，其主要的外部扰动是送风量。作为调节对象，炉膛烟道的惯性很小，无论在内扰和外扰下，都近似一个比例环节。一般采用单回路调节系统并加以前馈的方法进行控制，如图6所示。

图中 为炉膛负压给定值，S为实测的炉膛负压，Q为引风量，V为送风量。由于炉膛负压实际上决定于送风量和引风量的平衡，故利用送风量作为前馈信号，以改善系统的调节性能。另外，由于调节对象相当于一个比例环节，被调量反应过于灵敏，为了防止小幅度偏差引起引风机挡板的频繁动作，可设置调节器的比例带自动修正环节，使得在小偏差时增大调节器的比例带。对于负压S的测量信号，也需进行低通滤波，以抑制测量值的剧烈波动。

3、系统硬件配置

在锅炉燃烧过程中，用常规仪表进行控制，存在滞后、间歇调节、烟气中氧含量过给定值、低负荷和烟气温度过低等问题。采用PLC对锅炉进行控制时，由于它的运算速度快、精度高、准确，可适应复杂的、难于处理的控制系统。因而，可以解决以上由常规仪表控制难以解决的问题。所选择的PLC系统要求具有较强的兼容性，可用小的投资使系统建成及运转;其次，当设计的自动化系统要有所改变时，不需要重新编程，对输入、输出系统不需要再重新接线，不须重新培训人员，就可使PLC系统升级;后，系统性能较高。硬件结构图如图7所示。

根据系统的要求，选取西门子PLCS7-200 CPU226 作为控制，同时还扩展了2个EM231模拟量输入模块和1个CP243-1以太网模块。CPU226的IO点数是2416，这样可以满足系统的要求。同时，选用了EM231模块，它是AD转换模块，具有4个模拟量输入，12位AD，其采样速度25μs，温度传感器、压力传感器、流量传感器以及含氧传感器的输出信号经过调理和放大处理后，成为0～5V的标准信号，EM231模块自动完成AD转换。

S7-200的PPI接口的物理特性为RS-485，可在PPI、MPI和自由通讯口方式下工作。为实现PLC与上位机的通讯提供了多种选择。

为实现人机对话功能，如系统状态以及变量图形显示、参数修改等，还扩展了一块Eview500系列的触摸显示屏，操作控制简单、方便，可用于设置系统参数，显示锅炉温度等。还有一个以太网模块CP243-1，其作用是可以让S7-200直接连入以太网，通过以太网进行远距离交换数据，与其他的S7-200进行，通信基于TCPIP，安装方便、简单。

4、系统软件设计

控制程序采用STEP7-MicroWin软件以梯形图方式编写，其软件框图如图8所示。

S7-200PLC给出了一条PID指令，这样省去了复杂的PID算法编程过程，大大方便了用户的使用。使用PID指令有以下要点和经验：

(1)比例系数和积分时间常数的确定。应根据经验值和反复调试确定。

(2)调节量、给定量、输出量等参数的标准归一化转换。

(3)按正确顺序填写PID回路参数表(LOOP TABLE)，分配好各参数地址。

5、结束语

单元机组燃烧过程控制系统在某火电厂发电机组锅炉协调控制系统中投入使用。实际运行情况表明：由于引入负荷模糊前馈，使得锅炉燃烧控制系统作为协调控制的子系统，跟随机组负荷变化的能力显著提高，风煤比能够在静态和动态过程中保持一致;送、引风控制系统在逻辑控制系统的配合下运行的平稳性和性提高，炉膛负压波动减小，满足了运行的要求;在机组负荷不变时，锅炉燃烧稳定，各被调参数动态偏差显著减少，实现了锅炉的优化燃烧;采用非线性PID调节方式，解决了引风挡板的晃动问题。