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产品描述
西门子模块6GK7243-1EX01-0XE0一级代理
一、前言
随着工业自动化程度的日益提高，可编程序控制器（PLC）的使用越来越普遍，PLC使用简单方便，故障率低，对现场环境要求不高，因而倍受青昧。在目前的很多自控系统中，常常选用PLC作为控制设备，用于数据采集和控制，而在系统上位机上利用组态软件来完成工业流程及控制参数的显示，实现生产监控和管理等功能，KDON300／5000空气分离装置中自控系统就是采用PLC控制方式。
二、系统概况
1.工艺流程
KDON-300／5000型空分设备的工作原理是利用空气中各组分沸点不同，先使之液化再进行精馏，从而获得纯氧、纯氮产品。空分流程为原料空气在离心压缩机中被压缩至0.78MPa（G），经冷气机组将空气冷却，进入HXK-15000／8.0型纯化器，去除H2O、CO2、C2H2等，净化后的空气进入分馏塔，通过主换热器及液化器与返流的低温废气、产品氮气进行热交换，然后进入精馏塔底部，经过精馏分离为产品氮气和富氧液空，塔底液空经过冷后节流进入冷凝蒸发器，在0.38MPa（G）压力下与氮气相变换热，氮气液化作为分馏塔回流液，液空蒸发为废气。废气经过冷器、液化器升温至－151℃，再经透平膨胀机，绝热膨胀至0.03MPa（G）给装置补偿冷量。产品氮气从精馏塔引出，经液化器、主换热器复热至常温，送至用户。
2.自动控制
自动控制系统采用美国GE-Fanuc公司的90-30PLC控制器和VersaMaxI／O模块组建成控制站，采用CimplicityHMI人机界软件和的上位机建成系统的操作站。该自动控制系统实现对空分装置的空气压缩机系统、预冷系统、分馏塔系统、透平膨胀机系统、纯化系统等工艺过程的监视和控制.
该自动控制系统的控制站和操作站一个以太网，支持“TCP／IP”协议。PLC控制站由两套90-30PLC控制器和三个VersaMaxI／O模块组及两个操作站组成。控制站的90—30系统采用机架式结构，I／O模块组采用具有紧凑和开放式结构的VersaMaxI／O系统。控制站通过GBC模块与 I／O模块组的Genius接口模块以Genius总线方式连接，从而实现对I／O模块点的采集和控制。系统的所有控制站、操作站将通过以太网连接，控制站中配置具有10Mbit／s双绞线以太网接口的主处理器IC693CPU364模块，操作站上位机配置10／100Mbit／s自适应以太网卡，来共同实现局域网连接。
三、网络结构
整个控制系统分为两层网络
（1）底层使用CE的Genius总线，实现90—30PLC控制器对I／O模块组控制。
（2）上层90—30PLC控制器通过10Mbit／s以太网与上位机联接，操作站的通过以太网卡与相应的PLC通讯，实现对空分系统的实时监控。
（3）该控制系统以后能够很方便的与其他计算机网络联接，上位机通过以太网能与工厂管理网联接，上位机中冗余的CimplicitvHMI通过Web服务器功能，实现与工厂远程调度的通信。
四、控制站和操作机
1.控制站
PLC控制站由两套90—30PLC控制器和3个VersaMax：I／O模块组组成，每个控制器和I／O模块组通过一条自己的Genius网络和 I／O模块组通信，当主控制器出现故障时，备用的控制器立即自动投入控制，不会影响对I／O模块组的控制，仍能进行数据采集、数据存储、模拟控制、顺序控制等功能。
GE-Fanuc90—30PLC特点：该PLC结构小，配置灵活，提供了开放的网络结构，提供多种网络接口和的编程特性。内置 RS232／RS485通信口，用于硬件组态和逻辑编程或串性通信。后备电池存储器和多级口令保护和存储器保护功能，大范围模块诊断功能，诊断到网络和通道级故障，并提供PLC和I／O故障表，便于定位故障时间和目标以排除故障。
VetsaMaxI／O模块的特点：该系统的产品为模块化和可扩展结构，是现代开放式控制系统的解决方案。I／O模块和通信模块都可带电插拔，自动配置I／O地址，真正的即插即用，无机架的紧凑结构，模块安装方便，可灵活地水平或垂直安装在I／O底座上，I／O底座安装在DIN导轨上，无电缆连接，I／O模块装卸时无须变动现场接线，易扩展，系统具有高性和连续性，的故障诊断，可诊断网络状态错误信号、强制信号和电源状态，可恢复的电子短路过载保护，拔掉模块的状态可预先设定，开放的结构，支持多种网络通信协议（Modbus、RTU、Profibus、Genius总线、 Ethernet等）。
2.操作站
操作站配置性能优良的两台奔腾工业机型，采用bbbbbbsNT操作系统，安装CimplicityHMI组态软件。两个操作站都通过配置的以太网卡连接在系统网络上，两台上位机均可以通过网络网络上所有PLC的数据，实现对现场的监控。
中控室的两套操作站组成冗余服务器系统，一套安装CimplicityHMI300点软件开发版，另一台安装CimplicityHMI300 点运行版软件，正常工作时两台上位机可以同步操作，可以进行监控画面的组态、数据点的建立功能，并始终保持数据同步，当一台上位机故障（软硬件或通讯故障），它将自动被切除，由另一台执行所有的功能，当故障的上位机恢复后，可以自动切回执行控制。两台上位机通过以太网直接从PLC读取各类数据，从而实现对工艺过程的状态监控和报警、趋势的显示功能。可以将实时数据录入ACCESS数据库，形成通用的数据库格式，实现整个装置数据的集中处理功能，编制各类报表，绘制历史趋势。
设置一台打印机，连接其中的一台上位机，通过以太网共享打印机，用于数据、报警、报表、趋势的打印。
以后当公司需要远程监控时，其中作为主服务器的上位机，可以同时作为Web服务器，用于实现远程监控，通过公司局域网络（以太网或电话线）可以把现场的设备状态、报警、流程图等HMI画面传送到厂调度、公司调度或网络上的任何一台终端上，在远程客户端可以通过IE浏览到以上内容。
主电动机正反转控制
1.正转控制
按下主电机正转按钮SB2，6支路X2闭合，由于X3、M102均未动作，所以M101通电并通过7支路的M101自锁。引起以下3个结果：
①8支路M101闭合，T1开始0.5S计时；
②12支路M101辅助常闭触头断开，使反转起动辅助继电器M102断电，实现正转与反转的互锁。
③17支路的M101闭合，Y2通电，主电路中KM3吸合，使串电阻R短接。
当8支路T1延时0.5S到达后，导致9支路T1闭合，因9支路的Y1处于闭合状态，所以Y0通电；敬15支路的Y0断开，主电路中主触头KM1闭合。电动机M1正向起动运行。
2.T1的延时作用
T1延时0.5S确保了主电路中KM3先吸合，使串电阻R短接，然后再接通M1正转控制主触头KM1；否则，接触器KM1、KM3接通的指令几乎同时从PLC控制软件中发出，可能导致KM1先接通、KM3后接通，串电阻R不能先短接。
电动机M1起动后，转速上升，当转速升至100r/min时，速度继电器的正转触头KS1闭合，22支路的X11闭合，为正转反接制动作好准备。
3.反转控制及T2延时
按下SB3，电动机M1将反向起动运行，通过T2延时0.5S的作用确保主电路中KM3先吸合，使串电阻R短接，然后再接通M1反转主触头KM2。
三、主电动机点动控制
按下正转点动按钮SB1，2支路和5支路的X1均闭合，通过2支路的X1使1支路的M103通电，并通过3支路的M103自锁。同时22支路的M103也闭合，为T3通电作好准备。
车床一旦上电，5支路的M110立即闭合，此时因本支路中的X1闭合，所以M100通电，使10支路M100闭合，9支路Y0通电，22支路的常闭辅助触头Y0断开。
车床电气控制主电路中因9支路Y0通电，接触器主触头KM1吸合，主电动机M1正转起动升速，转速大于100r/min后，速度继电器的正转触头KS1保持闭合。同时22支路的X11闭合，为反接制动作好准备。
四、点动停止和反接制动
1.M1断电降速
松开正转点动按钮SB1，2支路和5支路的X1均断开，5支路的M100断电，10支路的M100随即断开，9支路Y0断电，22支路的Y0触头闭合。导致主电路中主触头KM1断开，主电动机M1断电降速运转。
2.M1反接制动
由于降速初期，速度继电器触头KS1处在闭合状态，所以22支路中的X11闭合，加之本支路的Y0触头闭合，所以T3通电，开始延时。
T3延时到达后，16支路的T3触头闭合，导致15支路Y1通电，主电路中主触头KM2吸合，主电动机M1反接制动。
3.反接制动结束
转速降到100r/min时，速度继电器的正转触头KS1断开，22支路的X11断开，使T3断电，16支路的T3触头断开，15支路的Y1随之断电。
主电路中KM3主触头断开，反接制动结束，主电动机M1停转。
4.T3的延时作用
T3延时0.5S的作用是确保先断开KM1，再接通KM2；否则KM2先于KM1断开前接通，将导致主电动机M1绕组烧损。
五、主电动机反接制动
1.主电动机断电
按下停止按钮SB，4支路X0断开，M110断电，使5支路的常开触头M110断开，不再执行MC至MCR之间的主控电路，9支路的Y0因之断电。
主电路中KM1断开，主电动机M1断电降速，但只要主电动机M1转速大于100r/min，速度继电器的正转触头KS1仍闭合，而1支路的M103因自锁而通电。
按下停上按钮SB会使9支路的常闭辅助触头X0断开，Y0断电，电气控制主电路中受Y0控制的主触头KM1将断开。
2.进入反接制动状态
松开停止按钮SB，使SB由按下状态切换成未按下状态，则4支路X0恢复闭合，M110通电，5支路的M110闭合，接通并执行MC至MCR之间的主控电路。
1支路中的常闭辅助触头X0也恢复闭合，所以M103通电，此时22支路的M103保持闭合。由于主电动机M1转速大于100r/min，KS1处于闭合状态，22支路的X11保持闭合，导致T3通电，计时开始。
当T3计时时间到达后，16支路的T3闭合，使15支路的Y1通电，主电路中KM2闭合，电动机M1进入反接制动状态，主电动机M1降速。
3.T3延时的作用
T3延时0.5S作用体现在电气控制主电路中，KM1主触头先断开，0.5S后KM2主触头再闭合，杜绝了KM1与KM2瞬时的同时接通状态，有助于避免电动机绕组烧损。
4.M1停转
当主电动机M1降速至100r/min以下时，速度继电器的正转触头KS1断开，使22支路的X11断开，T3失电，导致16支路的T3断开，Y1断电，主电路中KM2断开，反接制动结束，主电动机M1停转。
5.反转停止进入反接制动
若起动时按下SB3，主电路中主触头KM3、KM2间隔0.5S先后接通，电动机M1将反向起动运行。之后松开停止按钮SB，将进入反转停止反接制动过程。
六、主电路工作电流监视
主电动机正反转起动过程中，因辅助继电器M101、M102中必有一个通电，所以19支路的T5通电，10S计时开始。计时到达后，21支路的T5闭合，导致Y5通电，主电路中的常闭触头KT断开，交流电流表A进行工作电流监视，从而使A避开较大的起动工作电流。
七、冷却及快速电动机控制
冷却泵电动机M2、快速移动电动机M3均为单向运转，控制较为简单。当按下冷却泵电动机起动按钮SB5时，25支路的X5闭合，Y3通电并自锁，冷却泵电动机M2起动；而按下停止按钮SB4时，25支路的X4断开，Y3断电，冷却泵电动机M2断电停转。
按下限位开关SQ，27支路的X6闭合，Y4通电，快移电动机M3起动；松开限位开关SQ，快移电动机M3断电停转
随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国、日本、德国等国引进的PLC产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列、上百种型号。PLC的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用起着重要作用。
1 机型的选择
PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择、维护使用方便以及性能价格比的优化机型。
在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则选用模块式结构的PLC。
对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。
而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现ＰＩＤ运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或机。其中机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。根据不同的应用对象，表１列出了PLC的几种功能选择。
表1 PLC的功能及应用场合
对于一个大型企业系统，应尽量做到机型统一。这样，同一机型的PLC模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制系统，这样便于相互通信，集中管理。
2 输入/输出的选择
PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。
通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制信息对被控对象进行控制。同时通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给被控设备或工业生产过程，从而驱动各种执行机构来实现控制。PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离，为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，一般情况下，PLC都有许多I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其它一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。
2.1 确定I/O点数
根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时，应再增加10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。
表2列出了典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数。
表2 典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数
2.2 开关量输入／输出
通过标准的输入／输出接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开／关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。典型的交流输入／输出信号为24～240V，直流输入／输出信号为5～240V。
尽管输入电路因制造厂家不同而不同，但有些特性是相同的。如用于错误信号的抖动电路；免于较大瞬态过电压的浪涌保护电路等。此外，大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都设有可选的隔离电路。
在评估离散输出时，应考虑熔丝、瞬时浪涌保护和电源与逻辑电路间的隔离电路。熔丝电路也许在开始时花费较多，但可能比在外部安装熔丝耗资要少。
2.3 模拟量输入／输出
模拟量输入／输出接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为－10～＋10V、0～＋10V、4～20mA或10～50mA。
一些制造厂家在PLC上设计有特殊模拟接口，因而可接收低电平信号，如RTD、热电偶等。一般来说，这类接口模块可用于接收同一模块上不同类型的热电偶或RTD混号。
2.4 特殊功能输人／输出
在选择一台PLC时，用户可能会面临一些特殊类型且不能用标准I/O实现的I/O限定如定位、快速输入、频率等。此时用户应当考虑供销厂商是否提供有特殊的有助于大限度减小控制作用的模块。有些特殊接口模块自身能处理一部分现场数据，从而使CPU从耗时的任务处理中解脱出来。
2.5 智能式输入／输出
当前，PLC的生产厂家相继推出了一些智能式的输入／输出模块。一般智能式输入／输出模块本身带有处理器，可对输入或输出信号作预先规定的处理，并将处理结果送入CPU或直接输出，这样可提高PLC的处理速度并节省存储器的容量。
智能式输入／输出模块有高速计数器（可作加法计数或减法计数）、凸轮模拟器（用作编码输人）、带速度补偿的凸轮模拟器、单回路或多回路的PID调节器、ASCII／BASIC处理器、RS—232C／422接口模块等。表3归纳了选择I/O模块的一般规则。
表3 选择 PLC 的 I/O 接口模块的一般规则
3 PLC存储器类型及容量选择
PLC系统所用的存储器基本上由PROM、E-PROM及PAM三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的大存储能力6kB，中型机的大存储能力可达64kB，大型机的大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。
PLC的存储器容量选择和计算的种方法是：根据编程使用的节点数计算存储器的实际使用容量。二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照表4的公式来估算。为了使用方便，一般应留有25%～30%的裕量，存储容量的方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。表４同时给出了存储器容量的估算方法。
表4 控制目的估算存储器容量的方法
4 软件选择
在系统的实现过程中，PLC的编程问题是非常重要的。用户应当对所选择PLC产品的软件功能有所了解。通常情况下，一个系统的软件总是用于处理控制器具备的控制硬件的。但是，有些应用系统也需要控制硬件部件以外的软件功能。例如，一个应用系统可能包括需要复杂数学计算和数据处理操作的特殊控制或数据采集功能。指令集的选择将决定实现软件的难易程度。可用的指令集将直接影响实现控制程序所需的时间和程序执行的时间。
5 支撑技术条件的考虑
选用PLC时，有无支撑技术条件同样是重要的选择依据。支撑技术条件包括下列内容：
(1) 编程手段
便携式简易编程器主要用于小型PLC，其控制规模小，程序简单，可用简易编程器； CRT编程器适用于大中型PLC，除可用于编制和输入程序外，还可编辑和打印程序文本； 由于IBM-PC已得到普及推广，IBM-PC及其兼容机编程软件包是PLC很好的编程工具。目前，PLC厂商都在致力于开发适用自己机型的IBM-PC及其兼容机编程软件包，并获得了成功。
(2) 进行程序文本处理
简单程序文本处理以及图、参量状态和位置的处理，包括打印梯形逻辑； 程序标注，包括触点和线圈的赋值名、网络注释等，这对用户或软件工程师阅读和调试程序非常有用； 图形和文本的处理。
(3) 程序储存方式
对于技术资料和备用资料来说，程序的储存方法有磁带、软磁盘或EEPROM存储程序盒等方式，具体选用哪种储存方式，取决于所选机型的技术条件。
(4) 通信软件包
对于网络控制结构或需用上位计算机管理的控制系统，有无通信软件包是选用PLC的主要依据。通信软件包往往和通信硬件一起使用，如调制解调器等。
6 PLC的环境适应性
由于PLC通常直接用于工业控制，生产厂都把它设计成能在恶劣的环境条件下地工作。尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要给予充分的考虑。
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