西门子模块6GK7243-1EX01-0XE0详细

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 3 上位机监控系统配置

    系统共设4台操作员站，1台工程师站。其中2台操作员站用于炉侧设备的监控，包括焚烧炉、锅炉两套系统，烟气脱硫系统，除灰系统;另2台操作员站用于机侧设备的监控，包括汽机系统、制给水系统、废水处理系统、电气及其它部分。炉侧的两台操作员站和机侧的2台操作员站均为双机热备。炉侧和机侧的操作员站之间功能立，不能互换操作。工程师工作站，进行系统软件开发组态和警报顺序事件记录，工程师站将能够作为任一操作员站完成相关控制监测功能。工程师站、操作员站及PLC之间采用OSM/ESM环形100兆工业以太网光网进行互连通讯。操作系统采用中文bbbbbbs NT 窗口操作系统。

    上位机采用Intouch7.1组态软件进行系统组态。人机界面主要设计有以下内容:

    (1) 系统工艺流程显示:依据设计院提供的系统工艺流程图，按照功能组区域划分;

    (2) 顺控系统操作指导显示:有顺控步序显示，即顺控程序步骤的状态显示，以及操作提示等;

    (3) 调节系统、调节画面:回路手操站，调节参数与参数趋势的集中显示;

    (4) 重要参数趋势显示:有实时趋势与历史趋势两种显示;

    (5) 汽轮机状态等参数的棒图显示;

    (6) 全局报警显示:系统按照功能区分为若干个报警组，各个报警组的报警窗口分布于相应功能显示窗口的上方，全局报警显示提供集中查看系统所有报警的能力，或按级、报警组过滤查看，并具有全局报警确认;

    (7) 报表管理:提供日报、月报打印功能，打印方式有:定时打印、事件驱动打印、运行人员召唤打印，提供历史报表数据查看功能;

    (8) PLC系统状态显示:提供系统硬件网络的查错、维护功能;

    (9) 多级地图式菜单显示;

    (10) 系统级别定义

    为了保证系统的操作，设计有三级权限:工程师级、操作员级、操作员级，操作员级用户可进行系统正常操作，操作员级用户除具有操作员级的功能外，还具有修改调节参数、修改时间、查看历史报表、召唤打印等功能，程师级拥有权限，具有操作员级所有功能，还可进入开发环境进行组态修改。

    4 PLC控制系统配置

    整个系统分1#、2#PLC主站。1#PLC主站分别控制1#及2#锅炉焚烧炉;2#PLC主站分别控制汽机系统、制给水系统、废水处理系统、电气及其它部分。每个PLC主站分别由2个CPU416-2DP(订货号:6ES74162XL010AB0)组成双机热备，通过实时冗余软件实现控制系统无扰动换，确保系统稳定运行，2个CPU通过MPI接口进行相互监视和数据备份，每个CPU分别通过CP443-1工业以太网通信模块与上位机进行通信。Siemens的416CPU组成双机热备，只能通过软件来实现，因此称之为软冗余，原则上CPU315以上的CPU都可以组成软冗余。用户必需自己编写冗余管理程序，把需要冗余的数据放在特定的DB里，在每个扫描周期里主CPU就把这些特定DB里的数据影像到从CPU中。软冗余与硬冗余具有开发人员可以自定义冗余数据库的优点，这样可以大大缩短在每个扫描周期中冗余数据的影像时间。

    制信号的输入/输出由相关ET200M 分布式I/O模块完成，采用“就近原则”，以减少现场的硬布线。每个ET200M分别有两块IM153-2通信模块，分别挂在DP总线上，组成冗余的DP总线。ET200M采用是Siemens 300系列分布式I/O模块，价格低廉。每个ET200M可扩展8个I/O模块，容量可高达128字输入/128字输出，大传输速率为12Mbps。

    本控制系统由西门子400系列的CPU416-2组成双机热备，进行数据冗余，300系列分布式I/O组成双冗余的DP总线，是的集散控制系统，在今后的各种环保电厂主机控制及大型发电机组的辅机控制领域中具有大的推广。

    CPU416具有非凡的性能，它二进制指令的执行时间为0.08μs(CPU417H为0.12μs)，大的数字量IO或模拟量IO高达65536或4096点。本集散控制系统有8000余条逻辑控制语句，30个PID控制回路，其中:带微分前馈控制的回路2个，条件切换输出的回路10个，三冲量调节回路2个，单冲量调节回路26个。系统实时性性要求较高。

    本集散控制系统中，PLC完成全厂逻辑顺序控制及所有PID回路控制。其中, 逻辑顺序控制分以下几个部分:

    (1) 1-2-3级吹扫:其目的是为了确保1-2-3级燃烧室风烟系统相关设备正常且信道畅通，是炉膛保护要求的重要操作之一; (2) 风机启动; (3) 焚化炉—锅炉吹扫:其目的是为了确保焚化炉—锅炉整个风烟系统相关设备正常且信道畅通，是炉膛保护要求的重要操作之一; (4) 二级预热:其目的是为了提高二级温度使其达到设定值，是级预热及燃烧室燃烧器投入的前提条件; (5) 级预热:目的是为了提温度使其达到设定值; (6) 顺序停运;(7) 燃烧器顺序点火/停运; (8) 给料系统自动循环; (9) 除渣系统自动循环; (10) 渣坑水位联锁控制; (11) 吹灰系统顺序控制; (12) 锅炉保护; (13) 主燃料跳闸; (14) 料油跳闸; (15) 正常发电模式; (16) 孤立运行模式; (17) 汽轮机故障模式; (18) 化学水处理控制; (19) 污水处理控制。

   3.3 控制策略

    利用三菱PLC丰富的指令编制控制程序，对于现场调试及不断完善、优化控制程序具有重大意义。整个控制程序的流程框图如图三所示。

    3.3.1 具有启闭运动规律的调节给定量

    圆形筒阀在启闭过程中，根据其安装结构及位置可知：在运动到全行程的中间段时，各缸允许发生的偏差小，为了保证液压调节系统的调节品质，可将给定量降低，放慢筒阀运行速度。在动水关闭过程中，为了控制蜗壳水压上升率，筒阀关闭速度可分段进行设置。其他启闭规律可在筒阀的运行实践中总结得到，通过编制具有启闭运动规律的调节给定量实现。

    3.3.2 基准缸判断

    把每一次开关动作完成后的慢及行程小的一缸作为下一次筒阀启闭运行的基准缸，因为此缸响应调节量的能力弱，让它只接收固定的给定输出，调节其它缸的输出量以适应基准缸。

    3.3.3 油压参与调节

    当某缸油压上升速率过设定值，说明此油缸侧运动受卡阻，此时应降低基准缸的给定值，使系统调节变得加平缓，顺利完成启闭操作。

    3.3.4 保护及信号设置

    油缸油压或四油缸油压之间的差值过某一整定值油压保护动作；链条张力过载保护通过行程开关接点进行调整；全开、全关限位置也是在相应位置安装行程开关实现。为了防止油路系统的油垂效应，在临近全开、全关位置时减小比例阀开度，并延时返回开启和关闭中间继电器。现场控制柜装设有以下信号：全开、全关、中间位置、1#-6#链条张力过载。

    3.3.5 相关参数显示

    因为现场控制柜安装了操作显示终端，通过PLC算术指令的运算可以得到多个有关筒阀运行的参数并在一个画面内显示，如各缸的行程、各缸比例阀阀芯位置反馈电压、比例阀阀芯位置（占各阀全开的百分比）、油压、运行速度、筒阀下滑、每次开关经历时间以及各个故障信号、全开全关信号、中间位置信号、下滑信号以及各缸油压、控制量、比例阀开度与位移的关系曲线等。

    水轮机筒阀由法国NEYRPIC公司于1962年用于真机以来，通过一些中小水轮机的应用实践，逐步得到了完善。到1979年加拿大当时大的水电站LG-2，16台出力为338.5MW的大型混流式水轮机采用了圆筒阀之后，它的应用开始引起各国的注意，许多优点得到公认。因此，被越来越多的水电站采用。它的主要优点有：

    1）安装在固定导水叶与活动导水叶之间，同安装在蜗壳前的球阀、蝶阀相比，缩短了整个厂房的纵向长度，降低了工程造价；

    2）密封性好，能有效抑制了导叶漏水对导叶的磨损。

    3）开启、关闭时间短，能好地适应电力系统对水电厂快速开机的要求并能有效地防止事故情况下的机组过速。

    4）能机前阀门进出口处的收缩和扩散段伸缩节的附加水力损失。

    5）圆筒阀启闭为直线运动，关闭时可根据水压上升率调整关闭速度。而在圆筒阀的应用实践中如何保证多只接力器的同步成为筒阀控制的关键技术问题。下面就这一问题阐述应用PLC技术实现同步的原理和方法。

    2、筒阀的结构及同步机构原理

    传统的解决同步问题的主要方法采用接力器驱动链条同步，在筒阀圆周尽可能多地均匀布置多支液压接力器，每支接力器动杆（活塞）下端连接固定在阀体上，活塞上下运动可以驱动阀门启闭。各活塞的同步移动有由可逆传动的滚动螺旋副实现，它是在活塞上固定的一只滚动螺旋传动的螺母，螺母连接传动丝杆，当活塞上下移动时丝杆做正反旋转，丝杆上端连接齿轮将筒阀的垂直运动变为齿轮的旋转，齿轮带动链条一起连动其它接力器的齿轮同速旋转并反作用于其丝杆而实现多只接力器的同步。此同步方案的缺点在于：

    1）直径大的筒阀将布置数量较多的接力器，增加整个系统的投资。

    2）接力器油缸进油口无调节能力，均由调定的节流阀控制流量，接力器运行速度的调节控制没有按调节规律运动的随动性。

    3）链条同步对发生异步的的油缸矫正能力差，易发生链条张力矩过载甚至拉断，导致筒阀启闭失败。

    4）由于油缸进油量由节流阀调整固定，筒阀只能定速启闭，丧失了筒阀直线运动可按程序启闭速度进行启闭的优势。

    3、采用PLC输出控制比例阀液压随动系统实现同步

    此方案采用接力器直接驱动筒阀并控制其同步，滚动螺旋副和链传动的同步机构可以取消或作为辅助同步手段和保护措施。另外，接力器本身不需再设缓冲装置，缓冲功能由PLC控制程序实现。采用本方案与传统的同步控制系统相比有如下特点：

    1）可以灵活地改变（修改控制程序）阀门关闭开启的运动规律，使之符合机组运行之需要。例如：当事故紧急停机调速器主配拒动而需快速关闭筒阀是时，为了即快速又不致使蜗壳及压力钢管水压上升率过高可采用分段关闭的控制规律。

    2）可以取消机械同步机构，大大简化控制操作机构从而精简筒阀的整体结构，节省机坑内空间，改善运行维护条件。

    3）减少操作执行组件数量，降低工程造价。

    4）利用计算机通讯技术，为实现计算机远方监控提供坚实的现场控制和数据采集单元。

    3.1 控制系统基本原理

    该系统主要由硬件和控制软件两部分组成，其中硬件部分包含可编程控制器（本方案PLC选用三菱公司的FX2N-80MT）及其配套的A/D模块、通讯模块、接力器行程测量组件（选用磁感应、高速脉冲输出）、信号功率放大板、液压比例阀、电源、操作开关、按钮以及信号灯等组成；其系统硬件构成如图一所示。软件由三菱公司配套可在bbbbbbS下编程的FXGP-WIN-C开发而得。系统的基本控制策略如下：整个系统可视为以位移量偏差为负反馈的闭环电液随动系统，在多只接力器不同步的情况下，以其中一只为基准，在给定的启、闭规律基础上按经典PI控制算法，产生控制量作用到液压比例阀上，液压比例阀控制油流量大小校正发生的不同步的偏差以保证各油缸的同步运行，其基本控制原理框图如图2所示。

图2 基本控制原理图

    3.2 各部分工作元器件特性

    3.2.1 控制运算部件PLC及其各功能模块

    PLC（FX2N-80MT）是整个系统的控制部件，其丰富齐备的控制运算指令、优越的性能、现场编程调试的方便已成为实现各种控制的现场级设备。其主要性能指标有：运算速度：　0.08uS/步(基本指令)，　1.52uS—数100uS(应用指令)；用户程序内存容量：16K，系统程序内存容量：8K；应用指令：128种　298个；输入口：5组每组8个，其中高速记数口8个（X000—X007）；响应速度：8个点合计小于等于20KHZ，自带电源容量：24V600mA；输入电源：AC/DC170V—250V。各功能模块：1）模数转换模块FX2N-4AD：用于接收压力传感器输出的4-20mA电流信号，将其变为PLC程序可用的0-1000的十进制数。其性能指标如下：功耗：DC5V30mA，模拟量输入范围：电压DC-10V--+10V大-15V--+15V（输入阻抗200K），电流DC-20mA--+20mA大-32mA—+32mA（输入阻抗250），；输出数字范围：-2047--+2047；分辨率：电压5mV，电流20uA；线性度：±1％F.S，采样速度：普通通道15mS，高速通道：6mS；3）数模转换模块FX2N-2DA：将PLC运算得到的控制量数值转化为电压信号输入到比例阀放大板控制液压比例阀。其性能指标如下：DC5V30mA,数值输入范围：-2047—　+2047；模拟量电压输出：　-10V—　+10V，线性度：±1％F.S，分辨率：电压5mV（10V×1/2000），转化速度：普通通道18mS，高速通道：3.5mS；

    3.2.2 测量部件：位移传感器

    选用美国MTS　Temposonics　III(PB/PH)非接触式位移传感器

    原理：由询问信号的电流脉冲所产生的磁场（沿波导管运行）与位置磁铁产生的磁场相交产生一个应变脉冲信号，然后计算这个信号被探测所需的时间周期，便能换算出准确的位置。

    性能及指标：分辨率：2um；响应速度：比其他测量方式：快4到20倍；提供网络数字SSI　　CANBUS　　PROFIBUS　　DEVICENET　；符合欧洲CE规格。

    3.2.3 执行部件:比例阀（包括放大板）

    此环节是电气控制信号与机械液压系统连接的关键部分，直接影响到控制系统性能的发挥，所以选用德国REXROTH的VT5005带阀芯位置反馈的自动式比例方向控制阀，其放大电路技据如下：电源电压DC24V，功率50VA，控制电压±9V，大输出电流：2.2A。

    3.2.4 操作显示终端

    本系统选用三菱的GOT940触摸操作显示终端，其画面可通过配套的GT-DESIGE软件制作并通过通讯电缆AC30R-9SS与PC机连接进行数据传送及调试。安装此显示终端可丰富人机界面，同时监视多个参数，对即时分析筒阀开启、关闭的运行状态提供方便。

  主控单元采用C200HE PLC是OMRON公司的中小型PLC产品，方便实现扩展性优良的生产现场；它能进一步增强PC的基本功能，，方便的数据处理提高生产现场工作效率；CX-Programmer是OMRON开发的应用于C200H PLC的编程软件，运行在bbbbbbs2000操作系统中，在自动化工程各方面具有友好的用户功能。它致力生产现场情报化充实适应bbbbbbs的软件；它的单元品种齐全，对各种各样的机械设备实现控制。

    1 工艺简介

    本例根据原水水质条件、锅炉汽水系统对补给水的水质要求，锅炉补给水处理系统流程为：原水→原水箱→原水泵→热交换器→多介质过滤器→活性炭过滤器→反渗透预脱盐系统→中间水箱→中间水泵→混和离子交换床→除盐水箱→除盐水泵→主厂房。另外包括过滤器反洗系统、混合离子交换床再生系统、加药系统等。

    原水箱用于贮存进入本系统的原水，其目的是为了调节进水流量的变化，防止进水波动影响到系统运行，保证系统的进水量及进水水质的稳定。

    原水泵是为预处理系统提供充足的原水流量和压力。

    热交换器的作用是使进水维持在一定的温度范围之内，以利于保反渗透系统出力的稳定。

    多介质过滤器的作用是滤除原水带来的细小颗粒、悬浮物、胶体，物等杂质，以及经加药后形成的矾花，从而保其出水SDI（污染指数）≤4。

    活性炭过滤器的作用是去除水中低分子物，游离氯，也能较少水中异味，色度和嗅味。

    反渗透预脱盐系统利用反渗透膜的特性来除去水中绝大部分可溶性盐分，胶体，物及微生物。

    中间水箱使反渗透产水侧承受较低的压力，避免反渗透膜受到背压而导致不可恢复的损坏，同时缓冲由于后级离子交换系统阀门切换时造成的压力波动，并可通过中间水箱的液位控制反渗透的启、停运行。

    中间水泵的作用是为后续水处理系统提供稳定的压力和水量。

    混和离子交换床的作用是将反渗透产水中留存的离子进一步去除。

    除盐水箱用于贮存本系统的产水，其目的是为了保证锅炉供水水量的稳定。

    除盐水泵的作用是为锅炉系统提供稳定的压力和水量。

 4、系统软件  

    4.1 程序结构

    结合该系统的特点对整个软件系统采用主程序、子程序、中断构成

    4.2 诊断保护功能

    织机的停车原因在接口上有中文信息提示，在软件上，系统自动监测电磁离合器、多臂机保护、热组件、断纬，断经、行裎开关等。并及时显示和启动保护，以确保产品的质量，避免人为因素。

    4.3 参数设定功能

    根据工艺要求和客户方便有针对性地画面制作这对操作人员带来大的方便。

    4.4 数据保存功能

    设定的工艺参数和生产管理数据有长期保存功能。例如，选纬方式和状况需要掉电保存，织机断电时，PLC将织机的位置和当前投纬的序号、纬针、纱数保存起来。系统还具有甲乙丙丁四个班的产量、效率及总产量的数据保存，这对企业的管理有很大的好处。

    4.5 选纬功能

    软件实现电子选色替代传统的纹板选色，使可操作性大大提高。然而为了确保选纬的正确，在软件的编制中，考虑周全，也包含了一定的技巧。选纬采用间接寻址的方式，利用指标变址E确定选纬器机构选纬序号(步骤)。PLC根据织机的正车或反车，相应的寄诸器加或减。加减及加减的多少由正车、反车、计数开关结合处理

    5、系统设计特点

    5.1 启动

    再次打纬时，织机车就应达到或接近正常运转速度为此要高压启动。

    5.2 制动平稳快捷

    停车位置准确，这样有利于重新开车启动，这里就体现出相应时间快，为此我们采用中断处理。

    5.3 操作方便

    即有正常启，制动功能，已有实现某些特殊操作，如选纬工艺设定，点动、停手动正反寻车等。

    6、系统应用

    本系统已在山东聊城剑杆织机试用，系统相当稳定。系统进行监测。

    具有结构简单，操作方便，接口简洁，稳定，廉等优点，是传统控制系统的替代产品，并可供应用其它PLC控制系统时参考。该系统具有大批量产品化潜力，具有广阔的市场前景。

    巨化股份公司合成氨厂主要生产碳氨、尿素、、等产品。在各产品工艺流程中，要求提供大量的制冷量，合成氨厂利用气氨、进行能量转换，通过冷冻冰机供应大量的制冷量。考虑到合成氨厂节能改造总体规划和冷冻量需求，结合冷冻岗位增产节能、新改造要求，针对原有的老工艺活塞式压缩机损耗高、打量小，运行效率低、电气设备过于繁琐等问题进行技改工作。原有的BTD-ICC型活塞式冰机采用继电器控制，存在控制回路接线复杂繁琐，损坏，机械传动部件多，操作麻烦，故障频繁，维修不便等问题。因此合成氨厂决定以制冷量100万大卡小时，功耗450kW的螺杆冰机新原活塞式冰机。

    在电气控制回路中采用PLC控制，由于PLC具有性高，抗干扰能力强、控制程序可变，具有很好的柔性，编程简单，使用方便，功能完善；扩充方便，组合灵活；体积小、重量轻等优点，本次设计运用在实践中了预计的效果。

    2、工艺流程介绍

    冷冻冰机的工作过程是依据物理转换：（压力×体积）温度=常数（即P1V1T1= P2V2T2）使气氨转为的物理工艺过程。

    所以气氨的压力、温度是工艺控制的重要参数。

    生产中将压力2kgm3的气氨通过系统的气氨总管进入进口处的氨分离器，分离出雾滴，滤去雾滴的气氨流过系统管进入压缩机组的吸气过滤器，再通过过滤器中的过滤网滤去气氨夹带的小杂物（其中吸气过滤器设有温度计指示吸气温度，并由一截止阀连接吸气压力表来指示吸气压力）。干净的气氨进入螺杆压缩机进行压缩升压（即气压由0.3Mpa上升至1.57MPa），压缩后的气体至排气口排出。在压缩机运转中，油泵向压缩机内喷入大约占体积流量0.5～1%的润滑油，这部分润滑油起着冷却、密封、润滑的作用，此时要求油喷入的压力大于压缩机内气氨的压力，保证润滑油顺利喷入，这里的油气压差检测点为重要参数。这些润滑油随排入油分离器，进行油分离，油分离器中装有一阀，作用是当分离器内的压力过大，则通过阀放空。此后系统分为气路过程和油路过程。

    从气路过程来看：经过油分离的以温度为60～70℃、1.35～1.40MPa的压力进入冷凝器冷凝成，进入收集器；从油路过程来看：在油分离器中分离出的油经过油冷却器，冷却后的油经过逆止阀（只能单方向流通）进入到油粗过滤器，滤去铁屑等大颗粒杂质后到喷油油泵进口，由油泵升压后，再经油精过滤器进一步过滤后回流到喷油总管进入压缩机。油泵并接了附线阀来调节油泵压力，油精过滤器接有压力表（正常时压力值应较小≤0.07MPa，压力值较大时说明过滤器中滤网被堵，需清理）

 由于压缩机主机前后轴瓦因长期运行发热，需加油进行冷却、润滑。为此，增设2台稀油站油泵从油箱吸油经滤油器、油冷却器向轴瓦喷油。一般压力足够时，由一台油泵供油，另一台作备用机；当油泵压力不够时，则启动两台泵同时供油，要求喷入轴瓦的油压一般为0.15MPa。

    3、PLC控制

    可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动控制技术为一体的工业控制产品，是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。通常把PLC认为是由等效的继电器、定时器、计数器等元件组成的装置。PLC不同于继电器控制要接许多真正的硬件继电器，它由一些软继电器组成，避免了因元件磨损维修，及一系列繁杂的接线工作。

    （1）主要特点

    ·性高、抗干扰能力强；
    ·控制程序可变，具有很好的柔性；
    ·编程简单、使用方便；
    ·功能完善；
    ·扩充方便，组合灵活；
    ·减少了控制系统设计及施工的工作量；
    ·体积小、重量轻，是机电一体化特有的产品。

    从电气仪表角度出发，采用的接口，可灵活利用PLC控制、现场总线控制系统（FCS）或集散系统（DCS）实现工艺参数的显示和控制。就本次改造规模、投资价格、工艺控制点而言，我们采用可编程控制器来实现电气指标显示和跳闸、报警。

    （2） PLC选型

    PLC选型主要是根据所需功能和容量进行选择，并考虑维护的方便性，备件的通用性，是否易于扩展，有无特殊功能要求等。通过比较，我们选用三菱微型可编程控制器的FXON系列。FXON系列是将众多功能凝聚在小型机壳内的微型可编程控制器。

    与F1F2系列相比，FXON系列安装面积只有F1F2系列的41%，体积只有37%，并在控制器内备有模拟电位器与RUNSTOP开关等方便功能。通过扩展单元、扩展模块与基本的连接，可自由地选择使用输入输出点数。FXON系列继承了原有系列的固定搭配和灵活性。

    （3） PLC控制系统的设计

    根据工艺提出的条件及控制要求，具体设计思路如下：螺杆冰机有1台循环油泵，运行时，油压的高低通过副线阀来调节。2台稀油泵，油压正常时，1台运行，1台备用并可自动切换。油压低时，2台稀油泵同时启动；当油压差低时，延时6s跳车。另外，排气温度高，油温度高，北轴承温度高，南轴承温度高，排气压力高，油精滤器压差高，都将引起跳车。但在稀油站油压低，油气压差低，直流电源失压，循环油泵过载，1#、2#稀油泵过载时不跳车，而只发报警信号。要实现上述功能，中间继电器需要数十只，而且接线非常复杂，检修其困难，性差，而采用PLC后接线相当简单，而且性大大提高