西门子中国授权代理商-变频器总代理商公司

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1 引言
工业锅炉是我国一次能源的消费大户，目前运行的工业锅炉不仅热效率很低，而且性较差，已不适应目前能源形势的状况。锅炉汽包水位高度关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量，也是确保生产的重要参数，为克服以上缺点，我们开发了一套适用于中小型工业锅炉的给水控制系统，该系统按“蒸汽锅炉技术监察规程”供水的有关要求而进行研制，可直接安装在现行的给水系统上，大的提高了锅炉的热效率和稳定性。
2 控制系统总体方案
该系统控制装置由单片机和PLC组成，执行机构由切向调节阀和电动执行机构两部分组成。锅炉蒸汽量频繁波动时，将引起水位与调节阀开度的不平衡，单片机采集水位信号和阀位反馈信号，将数据进行处理后送出到PLC，PLC通过模糊控制算法产生相应的输出，电动执行机构将根据控制器的输出调节自动给水执行机构的位置，改变调节阀的流通面积，增减给水以达到调节锅炉水位的工艺目的，使锅炉水位与阀位达到新的平衡状态，锅炉水位在变化工况下始终保持在“规程”规定的正常范围内，从而实现锅炉给水量随蒸发量变化的自动调节。
3 控制系统硬件结构设计
本系统采用单片机与PLC相结合的设计思想，在不改变系统性能的前提下大的降低了系统成本。硬件结构图如图1所示。

先通过单片机对数据进行处理，再把信号以二进制编码的格式送入PLC，这样PLC只需要较少的输入点，就得到了较多的状态。在系统性方面也有周密的考虑，现场水位计来的高低保护信号直接接入PLC，即使单片机受现场干扰造成“死机”，当实际汽包水位威胁到锅炉运行时，可以直接通过PLC去实现停炉操作，了设备的运行。并采用两个水位计冗余技术，避免了单片机稳定性差的缺陷。由此可见，整个系统的性、经济性都是较高的。
3.1 水位测量原理
水位计测量元件是均匀分布，间距为5mm的干簧管，测量范围是-100mm～+100mm，磁浮筒对干簧管产生磁场作用，使相应的干簧管吸合，对应生成相应的水位信号，以89C2051为的信号采集电路，将这些开关信号采集且转换成对应的水位值，并通过RS485通讯将水位信号送到控制室。
3.2 控制箱设计
控制箱主要由8031为的单片机系统和PLC(CPMIA-30)组成，RS485的通讯过程和信号的输入、输出如图2所示。

8031通过RS485方式与现场两个水位计通讯，RS485采用平衡驱动，差分接收的方式，抗干扰能力强，远传输距离为1200m，能驱动32个接收/发送对。数据的读写控制由P3.7来完成，当P3.7为高电平时RS485的DE端有效，则允许数据发送，当P3.7为低电平时RS485的有效，则允许数据接收，这样在半双工的方式下实现了数据的发送与接收。8031单片机有4个8位双向并行I/O端口，每个I/O端口除可作为字节的输入/输出外，每条I/O线也可以单地用作输入/输出线，设计中充分利用这一特性，将P0口作为输入口，接收现场的状态，P1和P2口作为输出口，完成报警、水位、阀位信号的输出。
4 控制系统软件设计
单片机程序采用模块化设计的程序设计方法，既方便程序的修改和调试，又能实现软件的自诊断，提高了软件的易理解性和易维护性。对PLC采用梯形图的组态方式，通过CPT编程可实现相应的保护联锁功能和控制算法。整套系统组态灵活、修改方便。
4.1 RS485通讯程序设计
通讯程序的设计包括:通讯协议的约定、报文的信息格式、通讯的任务、多机通讯的实现方法、通信的校验方法、编程方法。
(1) 通讯协议:
本系统采用主从式的通讯方式，主机为8031，从机为两台89C2051，地址分别设为00H和01H，数据格式为1位起始位，8位数据位，1位停止位，传输速率为:1200bps。多机通讯的实现方法是:8031发送地址主动联络2051，两台2051同时收到地址与本机地址比较，若相同则将本水位计采集的水位值发送出去，若不相同则不反应，主机和从机都采用中断方式接收，这样提高了程序的执行效率并避免了通讯错误发生时死机。
(2) 报文信息格式:

主机与从机都采用这样的信息格式发送数据，@字符作为报文起始位，状态位用来标识单片机的运行状态，校验位为位异或的结果，回车符作为报文结束标志。
(3) 通讯出错处理办法:
RS485通信具有高抗干扰能力，但由于系统所处环境干扰较严重，为增强系统通信的性，软件设计中主、从机间的通信采用关键字重发的方法。通讯错误主要有两种:接收不到水位计的数据和接收到错误的数据，接收不到数据时，主机将重新发送地址，如果还是收不到返回的水位信息且次数达到3次，则主机认为这台水位机出现故障;接收的数据如果校验位不正确，则说明接收的数据错误，则主机要求从机重新发送数据，若错误次数达到3次则主机认为水位计有故障。
4.2 模糊控制策略的实现
锅炉是典型的复杂热工系统。锅炉建摸与控制问题一直是人们关注的焦点。工业锅炉汽包水位的主要动态特性包括:非线性、非小相位特性、不稳定性、时滞和负荷干扰，以及汽水分离器动态的不稳定性等。若采用单一的水位反馈控制或能够反映动态特性的三冲量给水系统，由于锅炉水位控制系统的动态特性不断变化，采用各种自校正措施会使系统结构复杂，整定困难，同时仍然存在误差，在现场工况变化后难以适应控制要求。本系统基于现场操作经验，运用模糊控制策略控制复杂的工业锅炉汽包水位，从而获得了良好的控制效果。
(1) 模糊推理过程
现场操作人员用以调整汽包水位而观察的对象过程参数为:(a)汽包水位实际水位值;(b)汽包实际水位与水位设定值偏差;(c)调节阀开度。操作人员基于以上参数观察一下水位，估计一个入水量与蒸汽流量间的平衡关系，然后操作主控入水阀以决定入水量是否需要增加或减少。调整操作之后。操作人员再进一步观察运行效果，以决定是否需要进一步调整，模糊控制器的设计正是要体现以上反映人的思维的经验过程。
(2) 模糊推理规则
本系统中，根据水位变化趋势和水位测量值来调节主控入水阀开度校正量和泵的起停，“+1”表示水位上升，“-1”表示水位下降，其控制规则如附表所示。

以水位的上升为例，调节阀与泵的动作过程如下:水位在-20mm到+10mm之间为正常范围，此时A泵开，B泵关，当水位过+10mm时开始关阀，若关阀后水位继续上升，达到+70mm时开始满水报警，达到+80mm则关掉A泵，若还是上升，达到+95mm则停炉。这一控制规则，充分体现了现场操作人员的经验，实现起来简单、方便，在实际应用中控制效果良好。
5 结束语
本文提出了一种利用单片机和PLC组成的锅炉汽包水位控制系统。本系统采用人模糊控制策略，用于中小型工业锅炉的技术改造，了良好的控制效果。本系统既可以大幅度地提高劳动生产率，改善劳动条件，提高热效率，节约能源，降;又具有结构简单，价格，使用方便，投资少，的优点。

1 引言
火力发电机组的热工保护系统是保证机组运行的逻辑控制系统。它连续监视机组的运行状况，当出现危及设备和人身时，按适当的程序停用相应的设备，甚至停机。由此可见，其误动和拒动都会带来重大损失。
125MW火电机组多建于80年代，其热工保护装置采用继电器硬线逻辑，系统复杂，故障点多，发生故障时系统不易恢复，可维护性低，严重影响机组的运行。
采用PLC改造热工保护系统，有如下优点:
(1) 系统构成简单，性大大提高;
(2) 具有灵活的扩充能力，动作逻辑完善;
(3) 系统可维护性提高;
(4) 具有强大的事故分析能力。
为提高老机组热工保护系统的性，完善其功能，我们对湖南金竹山电厂的#6机组(125MW)进行了改造，系统通过一年多的运行考验，了圆满的成功。

2 总体设计
2.1 热工保护系统原理
热工保护系统通常由四个部分组成，参见图1，即运行人员控制盘、逻辑控制系统、执行机构和检测元件。
(1) 操作控制盘:包括指令器件和信息反馈器件，如操作按钮和信号灯等。控制盘逐渐由CRT代替。

(2) 逻辑控制盘:热工保护系统的。它根据操作命令和检测信号进行综合判断和逻辑运算，其结果用于驱动执行机构或送运行人员控制盘。
(3) 执行机构:机组的驱动机构。包括:各种电磁阀、控制阀、变频器、接触器等。
(4) 检测元件:热工保护系统的基础。其主要作用是将反映机组状态的各种参数变为系统可接受的开关量信号。元件包括:反映执行机构位置的限位开关;反映诸如压力、温度、流量、水位是否正常的传感器，如压力开关、温度开关、流量开关等等。
2.2 检测信号处理
为减少中间环节，充分利用PLC资源，将所有汽轮机跳闸、联锁回路，包括汽轮机后备速保护、真空低保护、润滑油压低保护、轴向位移保护、高压缸胀差保护、低压缸胀差保护、发电机断水保护、发电机差动保护、汽轮机振动保护、电速保护、润滑油压低联动、高加水位高保护、抽汽联锁、后汽缸喷水、给水泵联锁等信号直接接入PLC。
对于重要参数，如汽包和高压加热器水位、汽轮机位移和差胀、真空等采用三选二逻辑。对于变化频繁的参数，加延时处理。因现场信号均为无源节点，不经过隔离直接输入到PLC摸件。本课题的输入点约80点。
2.3 输出信号处理
执行机构包括:主汽门，电速保护，发电机断水保护，1-5段抽汽门保护和信号，甲、乙给水泵，后汽缸喷水保护和信号，#5、#6高加水位高Ⅱ值信号，高加事故放水门动作，#5、#6高加水位高Ⅲ值信号，切除高加(1)、(2)、(3)磁力断路油门，中压调速汽门，油开关，#5、#6高加出水电动门，#5、#6高加进汽电动门，高加旁路门等等，共52点。
综合考虑执行部分设备容量和系统性，PLC输出全部采用中间继电器隔离。
2.4 PLC配置
在老机组热工保护的PLC改造中，相对于检测元件和执行机构而言，PLC的性是的，故本课题未采用PLC整体冗余结构。仅对于其重要的I/O点，采用PLC的模件冗余方式解决。
对于PLC的输出模件的选择，考虑到现场的共摸干扰达200-300V，采用继电器方式的模件。根据上述原则，选择MODICON TSX Premium PLC。
2.5 系统电源
系统电源是PLC运行的基本保证。系统供电的两路UPS电源分别来自不同的回路，减少了事故状态下UPS失电的可能，两路UPS互为备用，先投入者为工作电源，另一路为备用电源。
3 控制逻辑
在热工保护PLC改造中，其逻辑功能如下:
(1) 基本功能，完善并实现原继电器所有逻辑;
(2) 保护系统投入、退出时间记录，用于保护系统投入情况考核;
(3) 原因记录。

当热工保护动作后，要指出引起动作的原因，以便处理和分析事故原因，跳闸记忆逻辑就是根据这一条原则的。对于保护动作时间记录，由于一些保护动作时互为因果的关系，其动作的先后次序的记录对运行事故分析有相当的参考，因此要求记录的小分辨率达到10ms，每套保护记录系统复位后动作的那一次时间。对于某一套保护的逻辑梯形图如图2。
图2中:%Mi为动作条件;MFT代表保护动作; MF↑表示上升沿有效。
当动作条件出现，保护动作;在保护动作瞬间将原因写入状态字，同时记录动作时间。
4 结束语
采用PLC改造火电机组的热工保护系统，具有性高、功能较完善、投资少等特点，而且易于扩展。该系统投入运行后，未发生过误动和拒动情况，动作准确，受到用户，正在该厂的其它机组上推广应用。

1 引言
国内自行设计的6m焦炉移动机械已实现机械化作业，但由于其电控系统采用继电器-接触器控制，使用的继电器数量多，线路复杂，投产后故障频繁，很难保证机械设备功能的实现。我们在广泛吸取国内外经验的基础上，在武钢7#、8#焦炉推焦车、拦焦车上采用了PLC控制，进行了硬件和软件自行开发和设计，实现了分单元的自动化操作。
推焦车生产过程按照工艺流程划分为12个作业单元，拦焦车为10个作业单元，均采用“5-2串序推焦”和“一次对位”工艺。推焦杆或导焦栅对准炉位后，既可控制炉门又可清扫炉框。这种工艺与原有“9-2串序”工艺相比，由于减少了车辆移动次数，每出-孔焦可缩短3～4min，虽然增加了控制系统的难度，却提高了作业效率。为满足多种作业同时进行的复杂操作，控制系统设计采用了“单元自动操作”和“手动操作”两种方式。
2 焦炉PLC控制系统的构成
推焦车、拦焦车电控系统均选用美国MODICON公司的984-680PLC控制器，采用800系列模块、智能I/O模块、S908远程I/O驱动器、J890远程I/O接口处理器和打印机等设备。
推焦车控制部分由1个本地站构成，配置有4个I/O机架和31个I/O模块,如图1所示。拦焦车控制部分由1个本地站和1个远程站构成，各配置有2个I/O机架和17、11个I/O模块。供电系统设计采用了隔离变压器和UPS电源。

3 推焦车、拦焦车控制系统功能
3.1 基本控制功能
焦炉移动机械的检测元件，由于受高温、粉尘的条件限制，基本上采用限位开关、行程开关，而液压系统用的电磁阀也不具有位置信号反馈功能，无法直接判断输出信号的执行情况，因此在软件编程时采用了重做、跳步、时间检验等设计技巧。按照行程或时间原则，以间接的方式实现这一目的。其程序由设备状态检测、联锁检查、控制方式选择、单元自动控制、单步手动控制、信号显示、故障部位和过程数据检测、数据打印8个程序块组成，层次清晰，结构简单，便于调试和维护。这里以推焦车控制为例进行说明,拦焦车控制功能基本相同,不再重复。图2示出推焦车自动控制系统流程。

(1) 单元自动控制
按照作业性质划分单元，实现取门、推焦，平煤、炉框清扫等分单元的自动操作。单元间彼此立，也可通过的联锁控制，实现多单元的同时操作。
(2) 手动控制
每一作业单元又划分成若干控制步，通过单的操作按钮，实现控制步骤的立手动操作。
(3) 重做功能
在单元自动方式操作时，可能由于某种原因，代表一个动作完成的开关未能按规定的行程或时间动作。为了正确判断这些开关是否属于不可恢复的故障，根据自动重做申请后的人工确认，将自动执行重做功能，如重做成功则程序向下执行，否则进行故障报警。
(4) 跳步功能
运行过程中，有些控制动作虽未能在规定的行程或时间内完成，但对整体功能的实现并没有太大的影响，则采用跳步方式跳过这段程序，继续向下执行。
(5) 时间校验功能
用时间原则来判断一个动作指令是否完成。根据设备运行的速度和移动的距离计算出校验用的时间设定值。动作指令发出后，如在此时间内完成即为正常，否则判断为设备故障．时间校验功能又因同一控制过程中控制因素的变化而分成单时间和双时间校验功能。
(6) 减速校验
推焦杆运行至前进端或后退端时，减速环节是否能正确投入，对推焦杆和焦炉炉体的是至关重要的。减速校验就是根据减速校验开关的动作状态，判断涡流制动是否投入，如未投入，即切断控制回路。
(7) 平煤次数选择功能
根据工艺要求分为长行程和短行程平煤两种方式，每种方式又可有若干种不同的选择。程序设计上采用了长、短行程各有0～9种，可任意组合．只要事先选择好开关位置，程序即可按规定的方式和次数自动进行平煤。
3.2 监控功能
(1) 设备状态监控功能
程序中利用“STAT”功能块来检测控制器中的各种设备运行状态信息，这些信息有CPU运行状态、存储器保护状态、后备电池工作状态、AC电源状态等，当这些设备状态正常时，程序允许执行各种控制功能，如异常，立刻产生报警，切断控制回路，并进行数据打印。
(2) 联锁检查
联锁检查分单元自动初始条件检查、单元自动运行条件检查和单步运行条件检查。通过联锁检查，将确保在多单元同时作业时的运行，杜绝设备事故的发生。
(3) 推焦电流数据、处理和记录功能．
(4) 状态显示和报警功能
生产过程中设备运行状态，可通过灯光和音响按正常、重故障、轻故障状态分别进行显示，并在故障发生时，根据故障性质采取相应的控制措施。
(5)过程数据检出和打印功能
向操作和维护人员准确的操作信息和维护数据是操作稳定和系统运行的重要保证．在每次作业中，当“重做”、“时”、“跳步”、“联锁欠落”等故障发生时，均实时将发生故障部位的各种信息检出，并通过内部总线传送到智能I/O模块中，进行数据处理后，自动打印出相关数据．这些数据包括运行方式、单元号、数据类型和具体故障部位的设备代码．
4 运行效果
本系统在武钢7#、8#焦炉一次试车投产成功，实现了全部软件设计功能，仅投产2个月就达到了推焦间隔10min的综合设计指标，创造了国内同型号焦炉开工顺产、达产的新水平。与国内设计的继电器控制的6m焦炉相比，具有下列优点:
(1) 推焦车每炉位动作时间为405s，其作业效率提高了10%。
(2) 清门、清框、炉台清扫、头尾焦处理均实现了自动化操作，大大降低了工人的劳动强度。
(3) 系统性高，投运以来运行正常，与本厂4.3m焦炉相比，其月平均电气故障时。
间比为1:10，故障率大大降低。
5 结束语
实践证明，PLC控制系统在武钢7#、8#焦炉移动机械系统使用中具有显著的经济效益和社会效益，并具有较高的推广，为今后焦炉移动机械采用PLC控制创造了条件。

1 引言
目前，高校建设的PLC实验室普遍存在着缺乏控制对象的问题。我校PLC实验室从上海新奥托实业有限公司购买了列车模型来作为PLC的被控对象。列车模型在轨道上运行，列车轨道提供0～10V电压供列车模型使用，轨道电压的大小可以调节列车运行速度，电压的性可以控制列车运行的方向。配置的光电位置检测开关可以检测列车的当前位置，对轨道的叉道进行控制可以改变列车的行进路线。可以看出，在列车模型上可以进行数字量、模拟量控制。而且，如果在列车轨道上同时运行多辆列车，则可以优化控制算法。本文主要介绍列车PLC控制系统的设计与调试，为将来控制算法的优化提供一个平台。

2 对象与控制要求分析
本次设计所使用的列车，是由上海新奥托实业有限公司提供的。该模型由工作台、列车轨道、列车模型、光电位置检测开关、驱动电路板、蜂鸣器、红绿灯以及其他一些附件组成。在列车轨道上设置了2个车站(1＃站、2＃站)，列车轨道分为3段(外围轨道、1＃站轨道、2＃站轨道)，每段轨道的电压大小、电压性可以分别进行控制。为了使列车沿不同路线行进，在该模型中还设置了6个电动叉道。此列车PLC控制系统共有22点开关量输入信号、23点开关量控制输出信号和3路模拟量输出信号。
为了确定列车模型在轨道上的位置，在列车上设置了22个光电位置检测开关，当列车模型经过该检测开关时，该光电开关输出信号“1”，否则输出信号为“0”。这22个光电位置检测开关作为PLC控制系统的开关量输入信号。
该列车PLC控制系统的23点开关量输出信号的分配如下:12点用于轨道电动道叉控制(每个叉道正、反控制共需要2点);6点用于三段轨道的电压性控制(每段轨道正、反控制共需要2点);1点用于控制火车鸣笛的蜂鸣器;4点用于车站的红、绿灯(1＃站、2#站)。
该列车PLC控制系统的3路模拟量输出信号分别控制火车三段轨道的电压(0-10V)，进而控制列车在该轨道上的运行速度。
在进行控制系统设计时，发现光电位置检测开关工作不正常，经过我们的努力该问题得到了完满的解决。这个问题具有一定的典型性，我们有必要对它进行一定的分析。光电位置检测开关信号处理电路如图1所示，此电路图大体可以分为三部分:放大电路、比较电路和输出电路。当列车经过该光电开关时，发光管发出的光被列车挡住，接收不到发光管发出的光;当列车离开该光电开关时，光敏元件则可以接收发光管发出的光。在这两种状态下A点电压信号的变化值为1V左右。A点信号经放大级放大后进入比较器“＋”，调节比较器“－”端门槛电压为合适的值，则列车挡住和不挡住该光电开关时，比较器翻转，可以得出光电开关的状态。
在实验时，发现处理电路的OUT端输出的并不是期望的高电平或低电平信号，而是一列方波信号(此时，处理电路中B点未加滤波电容)。经过逐级分析，得出了原因的所在:处理电路中的光敏元件由于受到外界杂的影响，A点信号中存在一定的交流分量，该交流分量经过放大级的放大后引起了比较器的连续翻转，故在输出级OUT端出现方波信号。可以看出，在电路中增加滤波环节来滤除进入比较器之前的交流分量是可用的方法。我们对该处理电路进行了改进，在B点增加了一个4.7μ的滤波电容，改进后的处理电路工作非常正常。

我们采用OMRON C200HG PLC来作为该列车的现场控制装置。PLC与上位机之间以RS-232进行通信，在上位机上用组态王编制控制系统的监控画面，监视模型的运行状态并可以用监控系统对模型进行远程控制。在该列车的轨道上有两列列车同时运行，基本的控制规则分析如下:
(1) 列车进站前鸣笛，以提醒工作人员接站;进站时速度按照预定的速度曲线减慢，直至停下。
(2) 一次只能有一列列车进站停车，若有列车停在站内，其他列车只能在站外等候进站。
(3) 以红绿灯作为列车能否出站的标记:绿灯通行，红灯不通行，出站时亦要鸣笛。
(4) 若有列车停在车站，其他不用进站的列车可以绕道而行，避免发生撞车。
(5) 用监控系统来调度列车的运行。如可以在监控系统中设置某列列车应该在某个车站停车，以及停车时间等。
(6) 在监控界面上反映列车的位置及运行状况。

3 控制系统硬件、软件设计
该列车PLC控制系统的输入/输出点数比较少，在选择输入输出模块时没有采用高密度模块，而是选用了常用的16点或8点输入/输出模块。控制系统共有22点开关量输入信号，都是布置在轨道上的光电位置检测开关，选用两块ID212模块(2×16点)来处理开关量输入信号。开关量输入信号类型单一，比较简单，在这里不再详述。

表1 开关量输出信号分配情况

该列车PLC控制系统有23点开关量输出信号。从对象实验得出，所有的被控点都是高电平(24V)有效，这样一来，输出模块的COM端应该接24V。从以析可知，OD系列的输出模块不能在这里使用，故这里选用了OC225(16点)和OC224(8点)两个开关量输出模块。表1详细的给出此系统开关量输出点的分配情况。该PLC控制系统有3路模拟量输出信号，分别控制火车三段轨道的电压(0-10V)，进而控制列车在该轨道上的运行速度。在这里我们选用DA003模块，该模块具有直接输出0～10V电压的能力。

控制规则由PLC软件来实现。其中，列车的进出站控制是列车运行控制中重要而难以解决的问题。在系统调试过程中，发现列车进出站过程中是两列列车容易发生事故的地方，解决该问题是为重要的。列车进出站的程序框图如图2所示。

4 结束语
在列车的自动控制系统中选用OMRON C200HG PLC为现场控制装置。经过一段时间的运行、调试后，本系统能、准确地完成该实验模型的控制任务，对列车实现自动控制。用组态王开发地监控系统可以对实验模型进行准确地监控。该控制系统的成功设计为列车的下一步完善奠定了基础。