西门子6ES7322-1BF01-0AA0千万库存

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1 引言

为使工科学生在校期间就受到良好的工程实践锻炼，建设具有实际工程环境的实验室和实训基地一直是自动化实验室建设的重要目标。过程控制是指对连续性工业生产过程中有关物理量(温度、压力、流量及液位四个参数)的自动调节控制。电热锅炉控制系统实验装置是根据自动化及相关教学的特点，基于过程控制基础上集PLC技术、网络技术和计算机监控为一体的的实验装置，采用了多种常用控制方法及理论，除包含常见的PID算法及改进算法外，还增加了模糊控制、人工神经网络控制等国内外的控制策略。

2 电加热锅炉控制系统网络结构

电加热锅炉控制系统实验装置采用两层网络拓扑结构，上层采用工业以太网，用于监控计算机与PLC主站之间的通讯。底层为PROFIBUS现场总线，连接PLC主站DPM1和PLC从站DPS1，其中主站控制电热锅炉控制系统实验装置，从站控制其它过程控制系统实验装置。其网络拓扑结构如图1所示:

图1 电热锅炉控制系统网络结构

2.1 系统功能及软件平台
整个控制系统包括监控级和现场级，监控级由4台PC机作为上位机，通过以太网相连。上位机利用WinCC V5.1编写实验监控应用程序。监控应用程序实现对实验装置的状态监视、数据采集与处理、控制算法的设定计算和优化、实验数据历史趋势曲线显示和实验数据实时显示功能。PLC的控制程序由上位机利用STEP7 V5.1软件编写，并通过以太网对PLC进行硬件组态、通讯组态、程序下载、在线诊断PLC硬件状态、控制PLC的运行状态和I/O通道的状态等。下位机PLC完成所有与控制系统相关的逻辑控制、模拟量的采集及处理、常规PID控制、模糊控制、神经网络控制等实时控制任务。
2.2 PLC的硬件配置
PLC主站选用西门子公司的400系列PLC CPU 412-2DP，它带有一个PROFIBUS-DP和一个MPI接口。由于CPU-412具有强大的处理和运算能力，整个系统(包括主站和从站)只采用一块CPU模块，主站还带有四个信号处理模块(DI 16 、DO 16、AI 16和AO 8)和一个通讯模块CP443-1(用于上位机WinCC站和SIMATIC S7 PLC主站通过工业以太网进行通讯)。从站选用PROFIBUS-DP分布式I/O ET-200M IM 153，带两个信号处理模块(DI 16/DO 16 和 AI 4/AO 2)，PROFIBUS-DP 用于SIMATIC PLC主站与PLC从站之间的通讯。锅炉控制参数和状态模拟量(例如液位、流量、压力、温度等)及开关量(例如继电器、接触器、指示灯等)通过PLC的模拟量和数字量输入输出模块分别连接到PLC主站DPM1和从站DPS1，再通过以太网和监控级交换信息。

3 电热锅炉控制系统实验装置

电热锅炉控制系统实验装置模拟日常生活中的热水锅炉控制系统，将变频器调速技术、计算机和智能控制技术相结合，完成生活中热水锅炉对进水、出水、电加热装置通断时间比的自动控制，使锅炉的进水流量、出水流量、水温、水位保持在状态。实现热水锅炉系统、、稳定运行和达到节能降耗的目的。电热锅炉实验装置主要由微型电热锅炉、固态继电器电加热装置(DGT)、变频器(MMV)及相关的检测装置、变送器和执行机构等过程控制仪表组成。
3.1 过程控制实验
电热锅炉控制系统是一个复杂的多输入多输出(MIMO)的系统。执行机构有:变频器、电动阀、电磁阀和固态继电器电加热装置;被控对象有:进/出水流量、进/出水压力、锅炉液位和锅炉水温。所以在此基础上可以设计流量系统控制实验、压力系统控制实验、液位系统控制实验、温度系统控制实验等过程控制实验。其实验原理框图如图2所示，被控对象输出记为y，变送器得到输出的4～20mA的电流反馈信号yf，由PLC的AI模块经A/D转换成数字信号，输入PLC，再与从上位机键盘输入的设定值yr比较，得到偏差信号e，PLC根据偏差信号e，执行控制器算法程序，计算出控制量，经AO模块D/A转换成4～20mA的电流控制信号u，控制广义对象的输出y，使其跟踪设定值yr。

图2 过程控制实验原理框图

3.2 耦合控制实验
电热锅炉与一般的锅炉系统一样，只是其结构相对简单，电能取代了风煤作为燃料，但是仍然存在流量、液位、温度以及压力的耦合作用。与其它多输入多输出(MIMO)系统一样，一个输入信号的变化会使多个输出量发生变化，每个输出也不只受一个输入的影响。而工业过程控制则要求系统能够稳定运行，有较好调节能力，能以较小的误差跟踪设定值的变化，并使误差为零。解耦控制一直是过程控制中的一个难点，为了达到高质量的控制性能，进行解耦设计，构成解耦控制系统。电加热热水锅炉系统的解耦控制原理框图如图3所示，其中yr1和y1分别对应电热锅炉的温度给定值和输出值;yr2和y2分别对应电热锅炉液位的给定值和输出值。控制器C1、C2的控制算法可以选择常规PID、神经网络PID、模糊自适应PID等算法。

图3 对角矩阵解耦控制系统的原理框图

3.3 智能控制算法实验
在PID控制中，一个关键的问题就是PID参数的整定，且一旦整定计算好后，在整个控制过程中都是固定不变的。而锅炉系统具有很大的延时，并且参数实时变化，难以建立的数学模型，常规的PID是难以实现准确的控制。解决这些问题的方法是采用比PID为有效的智能控制技术—模糊控制方法和神经网络控制方法。
模糊控制算法具有阶跃响应速度快、度较高、对参数变化不敏感以及整定为容易等特点。应用模糊
集合理论建立PID参数与偏差量e、偏差变化量ec间的二元函数关系: 。显然能根据不同的e和ec在线调整PID的三个参数，使系统尽可能获得性能。其控制原理框图如图4所示:

图4 模糊PID控制原理框图

人工神经网络具有自学习特性，用神经网络修正PID控制器的参数，并将其应用于压力、流量、液位、温度以及解耦控制系统，通过自学习算法，在线(或离线)调整网络权值，实现PID控制器参数自整定，提高控制精度及控制器的适应性，满意的控制效果。其控制原理框图如图5所示。

图5 神经网络PID控制原理框图

4 BP神经网络PID控制算法及实现

基于BP神经网络PID控制由两部分组成:常规PID控制算法和基于BP神经网络的多变量学习算法。
4.1 常规PID控制算法
采用增量式数字PID控制的算法为:


式中， u(k)为当前时刻的控制量;
u(k-1)为上一时刻的控制量;
分别为比例、积分、微分系数;
e(k)为给定量和当前时刻的检测量的偏差;
e(k-1)为给定量和上一时刻的检测量的偏差;
e(k-2)为给定量和两个时刻前的检测量的偏差。
4.2 神经网络多变量学习算法
BP神经网络多变量学习算法由前向传播算法和反向传播算法两部分组成。设BP神经网络是一个3层BP网络，输入层节点为3个，分别为输入设定值、偏差信号e和偏差变化量ec;Q个隐含层节点;输出层节点为3个，分别为PID控制器的三个可调参数。
(1) 前向传播算法
神经网络输入层的输入为:

式中，为隐含层加权系数，上角标1、2、3分别表示输入层、隐含层和输出层，f(x)取正负对称的Sigmoid函数。
神经网络层的输入为:

式中，为输出层加权系数，由于不能为负，所以g(x)取非负的Sigmoid函数。
(2) 反向传播算法
多输入多神经网络PID控制器是一种无教师信号的自学习控制，需要引入性能指标函数:

依速下降法修正网络的加权系数，并附加一加速收敛全局小的惯性项，则有:

式中，η为学习速率;α为惯性系数。

由于未知，则近似用符号函数取代，由此带来计算不的影响可以通过调整学习速率η来补偿。
由式(1)和式(4)，可求得:

由上述分析可得网络层权值的学习算法为:

同理可得网络隐含层权值得学习算法为:

5 结束语

本实验装置已用于自动化的实验教学，运行状况良好。通过这套实验装置可使学生对计算机网络控制系统结构有一个直观、深刻的认识。并使学生了解生产过程中的参数检测与控制，以及多种的控制策略和算法。该系统结构模式不仅可以用于实验教学，也可以应用于复杂的工业生产过程控制中，完成对压力、流量、液位和温度等过程参数的实时监测与控制。

1 引言

汽机保护系统是一个汽轮机监控及辅机联锁系统，它能在汽机正常工作、启动和停止运行方式下，连续监视汽机的运行参数及状态，并且进行逻辑运算和判断，通过联锁装置使设备按照既定的合理程序完成必要的操作或未遂事故，以保证汽轮机的。它在防止运行人员操作事故及系统故障情况下引起的事故方面起着非常重要的作用。
常规的保护是用继电器用硬接线连接，性较低，信号的改动比较麻烦。PLC是采用积木式结构，以及模块化的软件设计，使得系统安装和现场接线简便，并可按积木方式扩充和删减其系统规模。由于它的逻辑、控制功能是通过软件完成的，因此允许设计人员在没有硬件的情况下进行“软设计”工作，从而缩短了整个设计、生产、调试周期。工厂在1#、2#气轮机的大修改造中对气轮机的保护使用了PLC。

2 系统方案设计指导思想

(1) 高性 系统采用西门子S7系列PLC为，硬件集成度和系统性高。
(2) 电源冗余化
l 直流电源 24V DC电源采用双套高频开关型直流电源，其过流等保护功能齐全，允许输入电压波动范围大，输出稳定性好;各单元单供电，进一步提高供电性，一旦工作电源出现故障，另一路电源立即无间断自动投入运行，不会对系统正常工作产生影响。
l 交流电源 系统允许输入两路交流电源，一路来自厂用UPS电源，一路来自厂用电(保安段)。
(3) 冗余化设计 系统采用冗余化设计，用户可以在不改系统任何配线的情况下增加功能:采用双PLC配置，实现自动切换。
(4) 系统的基本功能 开关量输入/输出、内部中间继电器、锁存继电器、计时/计数器、移位寄存器、四则运算、比较运算、二进制与十进制转换、跳转和强制I/O等。
(5) 应用灵活 其标准的积木式结构，以及模块化的软件设计，使得系统安装和现场接线简便，并可按积木方式扩充和删减其系统规模。由于它的逻辑、控制功能是通过软件完成的，因此允许设计人员在没有硬件的情况下进行“软设计”工作，从而缩短了整个设计、生产、调试周期。
(6) 外围支持设备完善 具有完善的外围支持设备，如编程器、计算机和打印机等。
(7) 操作方便，维修容易 系统采用电气操作人员习惯的梯形图编程，使用户能够方便的读懂程序，操作人员经过短期培训就可以通过操作面板实现对系统的全部操作。
(8) 缓冲隔离 系统各种设备的I/O接口均采用光电隔离技术进行缓冲隔离。
(9) 高开放性 系统可扩展上位机进行事故追忆，逻辑图、模拟图、棒图、趋势图及相关控制参数的显示，键盘、鼠标、触摸屏操作等。

3 系统结构

系统采用管理层—控制层—设备层的递阶控制网络结构，如附图所示。设置有:
(1) 管理层:工程师站
(2) 控制层:汽机控制站
(3) 设备层:汽机仪表检测设备及执行机构。
管理层是基于bbbbbbs环境下开发的开放式、模块化、可扩展的系统，选用控制主机/服务器，提供管理软、硬件平台，通过接收来自控制层的信息，汇集和检测汽机的各种实时数据，并对它们进行相应计算，实现控制策略，发布命令下达到控制层对现场设备进行控制。
控制层主控设备采用西门子S7系列PLC，实现回路控制，通过I/O模块立完成包括保护、监测、控制和事故纪录等多项功能，在系统内按要求整理“情报”，实现系统的“上传下达”。
管理层、控制层以及设备层之间除通讯外，各自立，无电气上的连接，实现的各种功能立。因此，即使系统中的某一部分出现故障，也不会影响系统其它部分的工作，从而使整个系统具有高性，真正实现分层分布式优化控制。

4 系统功能

以往的继电器连锁方式无法提供形象的信息给操作人员，只能在出现故障后把相关的连锁点都检查一遍，处理时间长，影响生产进程，对隐含故障点无法判断。现采用PLC控制则避免了上述问题，还可同时增加打印功能，完善系统，为经后的系统扩展做好充分的准备。具体功能如下所述:
(1) 控制保护功能
· 当汽轮机转10%时，同时操作面板提示汽机速，并提醒操作人员进行检查速原因;当汽轮机转12%时，操作面板再次提示汽机速，并提示操作人员通知技术人员进行检修维护，技术人员可根据实际情况确定是否停机或速运行;当转15%时，汽轮机自行逐步减速，同时提示减速原因，1小时后汽轮机停机，同时操作面板上显示汽机速停机，打印机打印出停机原因:汽机速停机。

附图 控制系统网络结构图

· 当汽轮机轴向位移大于Ⅰ值(临界值)时，报警并提醒操作人员与同技术人员进行检查速原因;当汽轮机轴向位移大于Ⅱ值(隐患发生临界值)时，1小时后停机。同时操作面板上显示原因，打印机打出停机原因:轴向位移大停机。
· 当润滑油压Ⅰ值时，报警并提醒操作人员与同技术人员进行检查速原因;当润滑油压Ⅱ值时，启动交流油泵;当润滑油压Ⅲ值(危险临界值)时，停机。同时操作面板显示停机原因，打印机打印停机原因:润滑油压低停机。当润滑油压Ⅵ值(设备损坏临界值)时，停盘车。
· 当轴承油温Ⅰ值时，报警并启动油温冷却系统;当轴承油温Ⅱ值时，1小时后停机;同时操作面板显示停机原因，打印机打印停机原因:轴承回油温度高停机。
· 当轴承轴瓦温度Ⅰ值时，报警并启动油温冷却系统;当轴承轴瓦温度Ⅱ值时警报连续提示，停机;同时操作面板显示停机原因，打印机打印停机原因:轴承轴瓦温度高停机。
· 当电气送来发电机故障信号时，停机;同时操作面板显示停机原因，打印机打印停机原因:发电机故障停机。
· 当主汽温度Ⅰ值时，报警;当主汽温度Ⅱ值时停机，同时操作面板显示停机原因，打印机打印停机原因:主汽温度低停机。
(2) 记忆功能 在自动主汽门跳闸后，由操作面板显示出导致动作原因，以便于进行事故分析。
(3) 保护投退功能 在操作盘上设置保护投退开关，以便运行人员和检修人员试验和维修，防止在试验或维修过程中，以及汽轮机启动过程中，由于某个条件不满足而引起的系统误动作。
(4) 打印功能 系统能够实时打印保护投退开关的投退时间及内容、所有保护动作的时间和内容。

5 结束语

1#、2#汽轮机大修投产后，通过集中监控系统对汽机运行参数的实时监控，使其生产。实时快速、准确报警，捕捉事故前兆，减少直至重大事故，同时也减轻工人的劳动强度。

1 引言

汽轮机危急跳闸系统(ETS)是汽轮机保护重要的一环，它是汽轮机电跳闸的出口，其运行与否直接影响到汽轮机的运行。ETS监测汽轮机的一些重要参数，如:润滑油压力、凝汽器真空、汽机转速、转子振动、轴向位移等，当这些参数越，输出跳闸信号到跳闸电磁阀，跳闸电磁阀卸掉保安系统的保安油，使汽轮机的主汽阀和调节阀关闭，完成汽轮机跳闸的功能，使汽轮机紧急停机，处于状态，以避免发生严重的后果。
过去的汽轮机危急跳闸系统是由继电器、触发器等立电气元件组成简单的逻辑回路，由分离电子元件组成电子线路板接收模拟量输入(转速)等来实现系统控制功能，其特点是:线路复杂、体积庞大，功能有限;性低，常出现“拒动”或“误动”;稳定性和灵活性差，不利于系统维护工作。因此，对其进行改造。
以耒阳电厂为例, 在2号机组(200 MW)DCS改造过程中，对的汽轮机危急跳闸系统也进行了改造，淘汰了以往的危急跳闸联锁保护柜, 采用了以可编程逻辑控制器(PLC)为的ETS。此次ETS改造是由笔者负责安装、编程、调试的, 现在介绍PLC在汽轮机ETS中的应用情况。

2 系统组成

耒阳电厂的2号机组(200 MW)的ETS系统是以可编程逻辑控制器PLC为的控制柜、执行机构、声光报警和一次、二次外围元件组成，系统装置如图1所示。ETS控制柜里主要有双PLC、报警继电器、跳闸继电器、保护投切盘等。每一路输入、输出通道都有与之相对应的指示灯，可以检查某一通道的动作情况。且系统具有在线试验功能。

图1 ETS系统装置图

借助DCS系统的强大功能，使ETS系统的人机界面成为DCS系统的一个子系统。可以方便地对整个ETS系统进行直观的状态监视分析，对系统状态和众多过程量设置声光报警。并且把汽轮机跳闸的出原因送进了事故追忆系统(SOE)，可以方便的查找汽轮机跳闸原因。这样丰富和完善了对ETS系统的检修、维护手段，提高了自动化水平。
ETS选用了西门子公司的S7系列PLC，选用了电源模块、CPU模块、DI模块和DO模块。由PLC的处理单元CPU完成所有输入信号的逻辑处理和输出信号的逻辑控制。由于系统对该装置的性要求特别高，即保证在任何可能发生的紧急情况下，都能准确无误地使汽轮机组停机，所以该套装置设置为双PLC运行方式。由于双PLC是并列运行，互不干扰，并具有“或”的关系，不需要在线热切换，所以不存在切换扰动的问题。若其中任意一套发生故障，另一套可编程控制器还是正常运行，此时，汽机运行的保护功能仍是完整的。这种双PLC控制方案比通常所讲的双冗余控制方案的性高一些。

3 程序设计

输入信号要求设定并组合，如三选二(确保误停机现象)、四选二(适用于需要在线试验的情况)，编程过程中可编程逻辑控制器的特点尽大可能的发挥。通过编写功能“子程序”、“中断”程序等，达到控制功能完整，运行快捷的目的。传统控制方式中某一功能的触点的性受器件的限制，而改用可编程控制器后，该功能的触点就变成控制器的一个内在虚拟的，它的使用可以根据需求来确定。
输出信号选用带隔离、立回路的DO输出卡件，输出触点的带负载的能力满足系统中执行元件的要求。

4 系统性能特点

应用PLC的ETS系统具有如下性能特点:
(1) 正确性、性高
正确性、性是汽轮机ETS系统的关键，本系统采用了双PLC运行方式，确保整套装置在任何情况下，都能正确地实现汽轮机跳闸功能。以往装置中关注的汽机“拒跳”或“误跳”的情况，在设计过程中得到充分合理的处理，这在技术上保证了系统的高性。在PLC选型方面，充分利用质量的产品，选用了有实力的西门子公司的S7系列PLC，这在硬件上保证了系统的高性。
(2) 系统功能强
由于可编程逻辑控制器体积小，集成化程度高，运算速度快，逻辑控制容量大，所以整套程序中除了状态报警、遮断停机等常规功能外，还添加了在线试验功能。该功能的作用在于:在机组正常运行时, 检查压力开关、电磁阀等外围元器件的状态, 提高整套装置的自身系数。
由于原控制系统具有、灵敏，但抗干扰性差的特性，部分强电输出的控制部分无法直接完成，而可编程逻辑控制器在器件的选配方面已充分考虑到这一点，所以在ETS系统中增加了这部分功能。
增加汽机跳闸出原因记忆功能，帮助运行人员在时间知道停机的起因，避免了以往或者显示面板上有多项报警指示，分析不出起因，或者随着现场情况的瞬息变换，指示灯的熄灭，也找不到起因。同时，该功能的存在也为事故追忆系统(SOE)的提供了验手段。该功能通过程序编写完成，不需要增加任何硬件设备，而且应用编程技巧。在没有发生停机条件时，该功能不需要执行，不占用系统监测的时间，使系统的监测、停机功能得到的实现。
(3) 自动化程度高
对于信号处理，如“延时”等功能，原来要求运行人员一直“按着”的按钮，现变成“按一下”软按钮，蜂鸣器一响即可，原来需要持续若干秒的要求可在程序中通过“秒脉冲”逻辑完成。该功能可多处使用，编程时不存在“资源紧张”的问题。同样的还有“定时器”、“RS触发器”、“PID调节器”等分离元件所具有的器件功能。这些器件在PLC中均成为虚拟器件，能充分完成这些功能的要求。对该系统而言它们的使用数量是微不足道的，可以尽情使用。编程逻辑控制器中DI、DO卡件面板上的状态指示灯上，各种状态一目了然，故障排查简便易行。
(4) 制作程序化
整套装置的硬接线部分只涉及到确定所需输入和输出可编程控制器的信号，而控制逻辑部分固化在EPROM中。对于功能增减的要求，通过修改程序后，下载程序，完成在EPROM中的内容修改即可。监视整个装置的工作情况，包括信号的状态模拟、控制逻辑功能的“脱机”或在线调试等，均可在PC机上完成。

5 结束语

经过改造之后，耒阳电厂的2号机组(200 MW)的ETS系统的设计性可以达到大机组(300MW以上)的水平，应当说是很完善的系统设计。现在该系统已经运行一年半了，出现过任何问题，效果非常好。