西门子模块6ES7232-0HB22-0XA8保内产品

西门子模块6ES7232-0HB22-0XA8保内产品

3 上位机监控系统配置
系统共设6台操作员站，2台工程师站。其中2台操作员站用于炉侧设备的监控，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、2台操作员站用于电气设备的监控。所有操作员站之间经受权后可互换操作。工程师工作站，进行系统软件开发组态，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100兆工业以太网进行互连通讯。操作系统采用中文bbbbbbs xp 窗口操作系统。
上位机采用STEP7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:依据设备系统工艺流程图，按照功能组区域划分;
(2) 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;
(3) 重要参数趋势显示:有实时趋势与历史趋势两种显示;
(4) 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。

4 PLC控制系统配置
整个PLC控制系统系统的由S7-400H构成，其中包含S7-400H的安装机架和PS407，10A电源。一对冗余CPU，采用CPU414-4H，每个CPU都含有2个扩展插槽，可用于插入同步模板。同步子模板用于两套CPU之间冗余切换，它们已放置在CPU内部并由光缆完成互连任务。同时每个CPU带一对以太网处理器CP443-1，是和作为服务器的以太网上位机通讯发电机组以及汽轮机系统均采用ET200M作为PROFIBUS上的从站和S7-400H系统相连，ET200M本身不具备本地处理信息的能力，它作为远程I/O交由S7-400H集中处理。ET200M远程I/O有实现方式，本系统采用具有增强可用性的单通道切换式配置模式。采用单通道切换式配置模式的单输入/输出模板，该模板可以由两个子系统中的任何一个进行寻址。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CPU414-4H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。
CPU414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，6个PID控制回路，其中三冲量调节回路2个，单冲量调节回路4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) 吹扫:其目的是为了确保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) 锅炉吹扫:其目的是为了确保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) 锅炉保护; (5) 燃料跳闸; (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。

5 主要PID控制回路
(1) 炉膛压力调节系统
此系统为单冲量调节回路。按系统工艺，炉膛应保持一定的负压值(PT101)，故需对引风机(PV101)进行PI 调节。为防止引风机变频器运行过大或过小，造成锅炉熄火，调节系统中引入高、低限幅模块。
(2) 锅炉汽包水位调节系统
此系统为三冲量调节回路。通过采用给水流量(FT101)、蒸汽流量(FT103)和汽包水位(LT102)主信号一起对给水调节阀(LV102)进行PI调节，使汽包水位保持在设定范围内，以适应锅炉的蒸发量。
(3) 过热蒸汽温度调节系统
系统将减温器后蒸汽温度(TE116)作为前馈信号引入调节，与过热蒸汽温度(TE119)主信号一起对减温水调节阀(TV119)进行PI调节。

6 结束语
该PLC集散控制系统经运行证明，各项技术指标均达到水平，主要表现如下:
(1) 燃烧效: 焦炉煤气（高炉煤气）与空气混合均匀燃烧充分，燃尽;
(2) 回热效:余热锅炉分布在主炉膛和烟道中，可充分吸收焦炉煤气（高炉煤气）燃烧热量，正常燃烧热效率80%以上，
(3) 运行维护:自动控制水平高，运行人员少;
（4）该系统如果增加一个历史站，主要提供主要监控参数的历史趋势；SOE功能，即事故掉闸的开关量打印功能对事故时的分析有一定帮助。

由于原来系统中多块SDC控制仪表出现故障，在维修中采用 PLC 对原系统做替换改造。原来控制系统完成对洁净房室内温度、湿度、室内外压差进行检测并控制。室内空气要求为 100 级。空气经过过滤后成为洁净空气，满足生产线对空气洁净度、温湿度的要求。

一． 系统工作原理

新风机鼓入的新风经加热交换器、制冷交换器、加湿器进入房间。房间内有温度、湿度、差压检测器测的信号反馈给控制器。由反馈信号通过数字控制仪来控制加热、制冷交换器控制室内温度。当湿度低时，由加湿器输出蒸汽；湿度高时，制冷交换器要降温以使空气温度降低，达到目的。原来的湿度、温度信号还要经过高选处理。当温度信号高时，以温度控制；当湿度信号高时，以湿度控制。原来仪表调试比较繁杂，调试不容易满足要求。加热、制冷、加湿器的控制信号是 4-20mA 信号。压力系统原来是由变频器控制。本次改造并没有涉及。

二． 改造方案

温度、湿度信号是变送器送出的DC 4-20mA 的信号。输入的信号经过比较判断，当输入的温度信号小于 12mA 时，要执行加热逻辑，当大于 12mA 时，要执行制冷逻辑。当输入的湿度信号小于 12mA 时，要执行加湿逻辑，当大于 12mA 时，要执行逻辑。而制冷和信号中要选大的来控制制冷交换器。由于 PLC 有很好的逻辑判断能力及数据处理能力，改造中选用了信捷 FC 系列 PLC 。 FC 系列是模块式结构，可以根据要求配置不同的模拟模块和数字量模块。由于是改造，我们使用的数字量少，仅用做故障报警。 FC-16R-E CPU 有 8 点输入 /8 点输出。根据我们需求又配置了 FC-4AD 模拟量输入模块和 FC-4DA 模拟量输出模块

3、控制系统的实现

    3.1主要硬件及I/O端口的定义

    对设备的改造要考虑到改造后设备的稳定运行，其次也考虑到设备改造的成本和今后改动的余量，根据以上二点我们选用的PLC是西门子S7—200系列的可编程控制器（CPU224），输入14个点，输出点10个点。该产品抗干扰能力强。在该PLC输入的14个点中现用9个；还有5个作新产品的输入和其它备用，在输出的10个点中现用4个点其它也作备用。本系统在器材的选择上采用抗干扰较强的产品外，还在PLC的电源上加隔离变压器，来加强系统的抗干扰能力。

    根据控制对象和PLC的I/O点数进行分配如表(1)。表中外部输入端I，外部输出端Q，用来控制各指示灯和变频器。

    3.2软件系统

    软件设计是整个电气控制部分的关键，软件的设计应根据设备要求，确定正确的控制方法，确保动作的顺利完成。在正确无误完成动作的同时还做到必要的保护和连锁。根据设备现场的需要，确定所有的控制参数，按输入、输出进行分类；每一类型设备按顺序分配输入、输出，列出PLC的I/O地址分配表，每一个输入信号占用一个输入，每一个输出驱动一个外部负载；然后再根据上述规划来绘制系统的程序流程图，本系统的程序流程图如图（1）。

    控制系统工作程序借助计算机辅助设计而成，所采用的是专为SIMATICS7-200可编程控制器PLC设计的STEP7-Micro/编程软件包。通过使用该编程软件，可简化编制应用程序的过程，本程序用梯形图编制。

    4、新方案工作性能稳定

    本设计的方案是选取用了S7-200系列可编程控制器（CPU224）及丹佛斯VLT2800型0.75KW变频器和接近开关，取代了传统的机械式继电器控制回路，本系统自2004年7月使用至今，工作、性能稳定、故障率低，同时由于在设置上采用了选择开关，使不同的产品可以通过选择开关选择，使系统操作简单方便，丝饼的成形明显好转。

   在轻纺行业中加弹机是把POY丝（预取向丝）加工成DTY丝（拉伸变形丝）的设备，早期加弹机的边缘控制系统（丝饼的成形）是由继电器回路组成的，已不能满足当今社会对产品质量的要求，有必要对原设备的边缘控制系统进行改造。由于可编控制器PLC具有可取代大量常规电器元件、功能强大、运行、操作方便等诸多优点，因此该系统使用PLC和变频器技术来达到以前由继电器回路组成的边缘控制，把原有的一级动程改成现在的四级动程，通过上机使用效果良好，使丝饼的成形大有改变。

    1、边缘控制的电气原理和原系统存在的问题

    边缘控制的原理是以动程杆的起点为原点，通过动程杆离原点位移量的不同，后使丝饼的成型发生变化。其机械工作过程如下：链轮转动通过动程杆转动并使动程杆发生位移去推动摆杆来改变限位开关的状态，其中限位开关断开的位置就是动程杆的原点，链轮的转动是由边缘控制电机通过链子来传动的，以上的机械动作是通过时间继电器、中间继电器、交流接触器和限位开关等器件来完成的。原来的边缘控制是一级动程其控制过程如下：若边缘控制回路启动，这时动程杆在原点位置，限位开关断开，电机开始正转，此时动程杆开始离开摆杆，限位开关也有断开状态变成闭合状态，随着电机正转时间的增加，动程杆离原点的位移量也在增加，电机正转结束动程杆的位移变化量也结束。接着电机开始反转，电机反转时间的长短是由动程杆离开原点移位量的多少来决定的，电机一开始反转动程杆便向原点靠近，后动程杆到限位开关使限位开关断开，这时动程杆回到原点，电机反转也停止了。边缘控制电机的正转、反转、停止一次称为一级动程。边缘控制电机正转时间的长短，反映在动程杆上是位移量的大小，调节时间继电器设定时间的长短，也就改变了边缘电机正转时间的长短。从析由于在电气控制上采用了继电器、限位开关这些度不高的器件，在机械上由于采用了动程杆不仅没有把反映动程时间的位移量放大，相反把它缩小了，根据机械和电气控制存在的一些问题，边缘控制系统在使用中主要存在以下问题，其一是边缘控制的精度不高，不能满足短的动程时间，其二是利用接触器频繁进行正反转不仅使用寿命短而且故障率也高使工作不够，调试困难。

    2.、改进方案

    根据以上问题的提出，针对问题，在原来的控制系统中寻找原因所在，经分析原因是动程杆、摆杆和限位开关使用的不合理而引起。因为链轮转一圈，动程杆移动的位移量是毫米级，且动程杆、摆杆和限位开关间隙较大。这样就形成了在较短的时间内，边缘控制系统不能正常运行的原因。为了解决能在较小的动程时间内，边缘控制系统能正常运行。决定在原边缘控制中去掉动程杆、摆杆和限位开关，直接用链子和接近开关传感器来取代原来的动程原点（链子的长度足以满足电机正转时间的需要），具体解决的方法是：接近开关作为，固定不动，在链子上装感应铁片。这样当链子通过链轮作上下移动时感应铁片也作上下移动，设定某一点感应铁片与接近开关重合，这点来取代原来的动程原点。对于原系统中二个问题利用接触器频繁进行正反转，决定去掉接触器，用变频器来实现电机的正、反转功能，为了预防电机在很短的时间从正转到反转所以在变频器上加装制动电阻。这样，由接近开关传感器，通过PLC软件处理后的开关信号作为控制变频器的输入信号，后驱动交流电机。为了使操作简单，把不同的产品所要的正转、停止时间放入不同的存储器内，通过选择开关选取不同的输入点，就能改变不同动程所需要的时间。

2、PLC输出信号控制相关的执行元件

图例描述了输入信号在PLC中的地址分配以及PLC输入地址与外部开关、旋钮和插座、电缆之间的对应关系。

我们知道在数控机床中，不仅仅是输入信号和外部电路涉及到对应关系，输出信号和外围控制电路以及要驱动的设备之间也存在作相应的对应关系。在随后列出的两幅图例，都是PLC输出信号和外围电路的连接图，但是这两幅图在所表达的控制关系上是不一样的。幅图所表示的是PLC输出信号可以直接驱动外部装置（这些装置通常是一些LED、灯），二幅图表示的是PLC的输出信号经过中间继电器才能够控制终的设备。这是因为幅图中所示的外部元件是一些小功率元件（主要是一些表示机床状态的指示灯），而二幅图所示的外部设备是大功率元件。

从这两幅图我们可以看到PLC输出和外部电路之间的关系：1：外部执行元件或设施是受PLC控制的；2：PLC的每一个输出信号对应着一个输出；3：每一个输出对应着一个插座或插头的针脚；4：每一个针脚对应着外围电路的一根线（用线号标示）；5：每一个线号对应着一个设备、元件（或者通过一些中间元件）；

在设计PLC的程序时，要考虑数控机床会用到那些设备，那些设备是可以有PLC直接驱动的，那些设备经过继电器、接触器等中间环节才能够驱动，以及这些设备的控制信号通过哪个号输出。在使用数控机床过程中，我们可以通过阅读电气手册,熟悉机床设施的控制运行方式，方便的维护机床。

   PLC用于通用设备的自动控制，称为可编程控制器。PLC用于数控机床的外围辅助电气的控制，称为可编程序机床控制器。因此，在很多数控系统中将其称之为PMC（programmable machine tool controller）。数控系统有两大部分，一是NC、二是PLC，这两者在数控机床所起的作用范围是不相同的。可以这样来划分NC和PLC的作用范围：

1、 实现相对于工件各坐标轴几何运动规律的数字控制。这个任务是由NC来完成；

2、 机床辅助设备的控制是由PLC来完成。它是在数控机床运行过程中，根据CNC内部标志以及机床的各控制开关、检测元件、运行部件的状态，按照程序设定的控制逻辑对诸如库运动、换机构、冷却液等的运行进行控制。

在数控机床中这两种控制任务，是密不可分的，它们按照上面的原则进行了分工，同时也按照一定的方式进行连接。NC和PLC的接口方式遵循标准“ISSO 4336-1981(E)机床数字控制－数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范”的规定，接口分为四种类型：

1、与驱动命令有关的连接电路；

2、数控装置与测量系统和测量传感器间的连接电路；

3、电源及保护电路；

4、通断信号及代码信号连接电路；

从接口分类的标准来看，类、二类连接电路传送的是数控装置与伺服单元、伺服电机、位置检测以及数据检测装置之间控制信息。三类是由数控机床强电电路中的电源控制控制电路构成。通常由电源变压器、控制变压器、各种断路器、保护开关、继电器、接触器等等构成。为其他电机、电磁阀、电磁铁等执行元件供电。这些相对于数控系统来讲，属于强电回路。这些强电回路是不能够和控制系统的弱电回路，直接相连接的，只能够通过中间继电器等电子元器件转换成直流低压下工作的开关信号，才能够成为PLC或继电器逻辑控制电路的可接受的电信号。反之，PLC或继电器逻辑控制来的控制信号，也经过中间继电器或转换电路变成能连接到强电线路的信号，再由强电回路驱动执行元件工作。四类信号是数控装置向外部传送的输入输出控制信号。

二、PLC在数控机床中的应用

1、 PLC在数控机床中的应用形式

PLC在数控机床中应用，通常有两种形式：一种称为内装式；一种称为立式。

内装式PLC也称集成式PLC，采用这种方式的数控系统，在设计之初就将NC和PLC结合起来考虑，NC和PLC之间的信号传递是在内部总线的基础上进行的，因而有较高的较高交换速度和较宽的信息通道。它们可以共用一个CPU也可以是单的CPU这种结构从软硬件整体上考虑, PLC 和NC 之间没有多余的导线连接, 增加了系统的性, 而且NC 和PLC 之间易实现许多功能。PLC 中的信息也能通过CNC 的显示器显示, 这种方式对于系统的使用具有较大的优势。次的数控系统一般都采用这种形式的PLC。

立式PLC也称外装式PLC，它立于NC装置，具有立完成控制功能的PLC。在采用这种应用方式式，可根据用户自己的的特点，选用不同PLC厂商的产品，并且可以为方便的对控制规模进行调整。

2、PLC与数控系统及数控机床间的信息交换

相对于PLC，机床和NC就是外部。PLC与机床以及NC之间的信息交换，对于PLC的功能发挥，是非常重要的。PLC与外部的信息交换，通常有四个部分：

（1）、机床侧至PLC：机床侧的开关量信号通过I/O单元接口输入到PLC中，除少数信号外，绝大多数信号的含义及所配置的输入地址，均可由PLC程序编制者或者是程序使用者自行定义。数控机床生产厂家可以方便的根据机床的功能和配置，对PLC程序和地址分配进行修改。

（2）、PLC至机床：PLC的控制信号通过PLC的输出接口送到机床侧，所有输出信号的含义和输出也是由PLC程序编制者或者是使用者自行定义。

（3）、NC至PLC：CNC至PLC:CNC送至PLC的信息可由CNC 直接送入PLC的寄存器中,所有CNC送至PLC的信号含义和地址(开关量地址或寄存器地址) 均由CNC 厂家确定,PLC编程者只可使用不可改变和增删。如数控指令的M、S、T 功能,通过CNC译码后直接送入PLC相应的寄存

器中。

（4）：(4) PLC至CNC:PLC 送至CNC 的信息也由开关量信号或寄存器完成,所有PLC送至CNC的信号地址与含义由CNC 厂家确定,PLC 编程者只可使用,不可改变和增删。

3、PLC在数控机床中的工作流程

PLC在数控机床中的工作流程，和通常的PLC工作流程基本上是一致的，分为以下几个步骤：

（1）、输入采样：输入采样，就是PLC以顺序扫描的方式读入所有输入端口的信号状态，并将此状态，读入到输入映象寄存器中。当然，在程序运行周期中这些信号状态是不会变化的，除非一个新的扫描周期的到来，并且原来端口信号状态已经改变，读到输入映象寄存器的信号状态才会发生变化。

（2）、程序执行：程序执行阶段系统会对程序进行特定顺序的扫描，并且同时读入输入映像寄存区、输出映像寄存区的读取相关数据，在进行相关运算后，将运算存入输出映像寄存区供输出和下次运行使用。

（3）、出刷新阶段：在所指令执行完成后，输出映像寄存区的所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过特定方式输出，驱动外部负载。

4、 PLC在数控机床中的控制功能

（1）、操作面板的控制。操作面板分为系统操作面板和机床操作面板。系统操作面板的控制信号先是进入NC，然后由NC送到PLC，控制数控机床的运行。机床操作面板控制信号，直接进入PLC，控制机床的运行。

（2）、机床外部开关输入信号。将机床侧的开关信号输入到送入PLC，进行逻辑运算。这些开关信号，包括很多元件信号(如：行程开关、接近开关、模式选择开关等等)

（3）、输出信号控制：PLC输出信号经外围控制电路中的继电器、接触器、电磁阀等输出给控制对象。

（4）、功能实现。系统送出T指令给PLC，经过译码，在数据表内检索，找到T代码的号，并与主轴号进行比较。如果不符，发出换指令，换，换完成后，系统发出完成信号。

（5）、M功能实现。系统送出M指令给PLC，经过译码，输出控制信号，控制主轴正反转和启动停止等等。M指令完成，系统发出完成信号。

三、PLC与数控机床外围电路的关系

如前所述，PLC在数控机床中用来控制机床的强电回路（通过一些电器元件）。为了好了解数控机床的PLC的控制功能，就有必要对PLC和外围电路的关系进行分析。

1、 PLC对外围电路的控制

数控机床通过PLC对机床的辅助设备进行控制，PLC对对外围电路的控制来实现对辅助设备的控制的。PLC接受NC的控制信号以及外部反馈信号，经过逻辑运算、处理将结果以信号的形式输出。输出信号从PLC的输出模块输出，有些信号经过中间继电器控制接触器然后控制具体的执行机构动作，从而实现对外围辅助机构的控制。有些信号不需要通过中间环节的处理直接用于控制外部设施，比如说，有些直接用低压电源驱动的设备（如：面板上的指示灯）。也就是说每一个外部设备（使用PLC控制的）都是由PLC的一路控制信号来控制的，也就是说每一个外部设备（使用PLC控制的）都在PLC中和一个PLC输出相对应。

PLC对外围设备的控制，不仅仅是要输出信号控制设备、设施的动作，还要接受外部反馈信号，以监控这些设备设施的状态。在数控机床中用于检测机床状态的设备或元件主要有，温度传感器、震动传感器、行程开关、接近开关等等。这些检测信号有些是可以直接输入到PLC的端口，有些要经过一些中间环节才能够输入到PLC的输入端口。

无论是输入还是输出，PLC都要通过外围电路才能够控制机床的辅助设施的动作。在PLC和外围电路的关系中，重要的一点就是外部信号和PLC内部信号处理的对应。这种对应关系就是所说的地址分配，就是将每一个PLC中地址和外围电路每一路信号相对应。这个工作是在机床生产过程中，编制和该机床相对应的PLC程序时，由PLC程序编制工程师定义。当然做这样的定义遵循必要的规则，以使PLC程序符合系统的要求。

（1）PLC与信号输入回路

如图2-1所示为一种数控机床的电气手册的输入单元电器图的一部分，从图上可以看到这是一个插座或者是某一个输入接口的针脚，对应与外外围电路的某一个元件、开关、旋钮同时有对应与PLC内部的输入地址。

从行开始，一个按钮开关或者是摇头开关接入线号为191号的回路中.191号线接到C71号插座的16号脚，16号脚对应于PLC的输入地址为X10001.3，该地址被定义为Manual absolute （手动）。从图上所描述的，可以知道S27号按钮适用于控制手动是否有效的开关。这个开关的通断状态，通过191号线接入到插座C71上的16号脚，16号脚再将这个信号输入到PLC中,这个信号在PLC中的地址为X1001.3。通过这种定义方式，就将PLC中的信号和外围电路相对应起来。就可以通过查看PLC中的X1001.3的状态，来确定外部按钮开关的状态。

我们从图上可以看到在图上右侧文字叙述是该信号的意义，随后在其左边的是输入信号地址，左边的是插座上的针脚号，再左边的是外围电路的线号和开关器件号。这一幅图是某机床电路图，该图是遵循通用标准来绘制，因此通过该图我们可以看到一些具有普遍意义的原则。比如说，编制PLC程序时可能会把相近的开关（从用途和分布位置上）检测元件等等的地址设定在一起。从这一幅图我们可以看到，C71上的输入信号基本上都是面板上的按钮开关或摇头开关。它们的信号类型和位置分布上是非常接近的，因此它们的输入地址（在PLC输入端）也是顺序分布。在这一幅图所属的电气手册上可以查到，C71一共有50个针脚，除去用于公共端、24V电源的脚以外，其他针脚的输入地址是从X1000.0到1004.7顺序分布。

通常情况下PLC的地址由3部分组成：1：地址类型；2：地址号；3：位号。每一个地址号下有8个地址位，每一个地址表示不同的信号。下表是中有文字描述的部分是，图4－1所示的I/O地址。