西门子中国代理商-PLC总代理商代理

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1、引言

燃烧控制系统是电厂锅炉的主控系统，主要包括燃料控制系统、风量控制系统、炉膛压力控制系统。目前大部分电厂的锅炉燃烧控制系统仍然采用PID控制。燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制组成串级控制系统，其中燃烧率控制由燃料量控制、送风量控制、引风量控制构成，各个子控制系统分别通过不同的测量、控制手段来保证经济燃烧和燃烧。如图1所示。

图1 燃烧控制系统结构图

2、控制方案

锅炉燃烧自动控制系统的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应外界对锅炉输出的蒸汽负荷的要求，同时还要保证锅炉经济运行。一台锅炉的燃料量、送风量和引风量三者的控制任务是不可分开的，可以用三个控制器控制这三个控制变量，但彼此之间应互相协调，才能工作。对给定出水温度的情况，则需要调节鼓风量与给煤量的比例，使锅炉运行在燃烧状态。同时应使炉膛内存在一定的负压，以维持锅炉热效率、避免炉膛过热向外喷火，保证了人员的和环境卫生。

2.1 控制系统总体框架设计

燃烧过程自动控制系统的方案，与锅炉设备的类型、运行方式及控制要求有关，对不同的情况与要求，控制系统的设计方案不一样。将单元机组燃烧过程被控对象看作是一个多变量系统，设计控制系统时，充分考虑工程实际问题，既保证符合运行人员的操作习惯，又要大限度的实施燃烧优化控制。控制系统的总体框架如图2所示。

图2 单元机组燃烧过程控制原理图

P为机组负荷热量信号为D+dPbdt。控制系统包括：滑压运行主汽压力设定值计算模块（由热力系统实验获得数据，再拟合成可用DCS折线功能块实现的曲线）、负荷—送风量模糊计算模块、主蒸汽压力控制系统和送、引风控制系统等。主蒸汽压力控制系统采用常规串级PID控制结构。

2.2 燃料量控制系统

当外界对锅炉蒸汽负荷的要求变化时，相应的改变锅炉燃烧的燃料量。燃料量控制是锅炉控制中基本也是主要的一个系统。因为给煤量的多少既影响主汽压力，也影响送、引风量的控制，还影响到汽包中蒸汽蒸发量及汽温等参数，所以燃料量控制对锅炉运行有重大影响。燃料控制可用图3简单表示。

图3 燃料量控制策略

其中：NB为锅炉负荷要求；B为燃料量；F(x)为执行机构。

设置燃料量控制子系统的目的之一就是利用它来燃料侧内部的自发扰动，改善系统的调节品质。另外，由于大型机组容量大，各部分之间联系密切，相互影响不可忽略。特别是燃料品种的变化、投入的燃料供给装置的台数不同等因素都会给控制系统带来影响。燃料量控制子系统的设置也为解决这些问题提供了手段。

2.3 送风量控制系统

为了实现经济燃烧，当燃料量改变时，相应的改变送风量，使送风量与燃料量相适应。燃料量与送风量的关系见图4。

图4 燃料量与送风量关系

燃烧过程的经济与否可以通过剩余空气系数是否合适来衡量，过剩空气系数通常用烟气的含氧量来间接表示。实现经济燃烧基本的方法是使风量与燃料量成一定的比例。

送风量控制子系统的任务就是使锅炉的送风量与燃料量相协调，可以达到锅炉的热效率，保证机组的经济性，但由于锅炉的热效率不能直接测量，故通常通过一些间接的方法来达到目的。如图5所示，以实测的燃料量B作为送风量调节器的给定值，使送风量V和燃料量B成一定的比例。

图5 燃料量空气调节系统

在稳态时，系统可保证燃料量和送风量间满足

选择使送风量略大于B燃烧所需要的理论空气量。这个系统的优点是实现简单，可以来自负荷侧和燃料侧的各种扰动。

2.4 引风量控制系统

为了保持炉膛压力在要求的范围内，引风量与送风量相适应。炉膛压力的高低也关系着锅炉的和经济运行。炉膛压力过低会使大量的冷风漏入炉膛，将会增大引风机的负荷和排烟损失，炉膛压力太低甚至会引起；反之炉膛压力高且高出大气压力的时候，会使火焰和烟气冒出，不仅影响环境卫生，甚至可能影响设备和人生。引风量控制子系统的任务是保证一定的炉膛负压力，且炉膛负压控制在允许范围内，一般在-20Pa左右。

控制炉膛负压的手段是调节引风机的引风量，其主要的外部扰动是送风量。作为调节对象，炉膛烟道的惯性很小，无论在内扰和外扰下，都近似一个比例环节。一般采用单回路调节系统并加以前馈的方法进行控制，如图6所示。

图6 引风量控制子系统

图中为炉膛负压给定值，S为实测的炉膛负压，Q为引风量，V为送风量。由于炉膛负压实际上决定于送风量和引风量的平衡，故利用送风量作为前馈信号，以改善系统的调节性能。另外，由于调节对象相当于一个比例环节，被调量反应过于灵敏，为了防止小幅度偏差引起引风机挡板的频繁动作，可设置调节器的比例带自动修正环节，使得在小偏差时增大调节器的比例带。对于负压S的测量信号，也需进行低通滤波，以抑制测量值的剧烈波动。

3、系统硬件配置

在锅炉燃烧过程中，用常规仪表进行控制，存在滞后、间歇调节、烟气中氧含量过给定值、低负荷和烟气温度过低等问题。采用PLC对锅炉进行控制时，由于它的运算速度快、精度高、准确，可适应复杂的、难于处理的控制系统。因而，可以解决以上由常规仪表控制难以解决的问题。所选择的PLC系统要求具有较强的兼容性，可用小的投资使系统建成及运转；其次，当设计的自动化系统要有所改变时，不需要重新编程，对输入、输出系统不需要再重新接线，不须重新培训人员，就可使PLC系统升级；后，系统性能较高。硬件结构图如图7所示。

图7 硬件结构图

根据系统的要求，选取西门子PLCS7-200 CPU226 作为控制，同时还扩展了2个EM231模拟量输入模块和1个CP243-1以太网模块。CPU226的IO点数是2416，这样可以满足系统的要求。同时，选用了EM231模块，它是AD转换模块，具有4个模拟量输入，12位AD，其采样速度25μs，温度传感器、压力传感器、流量传感器以及含氧传感器的输出信号经过调理和放大处理后，成为0～5V的标准信号，EM231模块自动完成AD转换。

S7-200的PPI接口的物理特性为RS-485，可在PPI、MPI和自由通讯口方式下工作。为实现PLC与上位机的通讯提供了多种选择。

为实现人机对话功能，如系统状态以及变量图形显示、参数修改等，还扩展了一块Eview500系列的触摸显示屏，操作控制简单、方便，可用于设置系统参数， 显示锅炉温度等。还有一个以太网模块CP243-1，其作用是可以让S7-200直接连入以太网，通过以太网进行远距离交换数据，与其他的S7-200进行，通信基于TCPIP，安装方便、简单。

4、系统软件设计

控制程序采用STEP7-MicroWin软件以梯形图方式编写，其软件框图如图8所示。

图8 软件主框图

S7-200PLC给出了一条PID指令，这样省去了复杂的PID算法编程过程，大大方便了用户的使用。使用PID指令有以下要点和经验：

（1）比例系数和积分时间常数的确定。应根据经验值和反复调试确定。
（2）调节量、给定量、输出量等参数的标准归一化转换。
（3）按正确顺序填写PID回路参数表（LOOP TABLE），分配好各参数地址。

5、结束语

单元机组燃烧过程控制系统在某火电厂发电机组锅炉协调控制系统中投入使用。实际运行情况表明：由于引入负荷模糊前馈，使得锅炉燃烧控制系统作为协调控制的子系统，跟随机组负荷变化的能力显著提高，风煤比能够在静态和动态过程中保持一致；送、引风控制系统在逻辑控制系统的配合下运行的平稳性和性提高，炉膛负压波动减小，满足了运行的要求；在机组负荷不变时，锅炉燃烧稳定，各被调参数动态偏差显著减少，实现了锅炉的优化燃烧；采用非线性PID调节方式，解决了引风挡板的晃动问题。

采用西门子的PLC控制，不仅简化了系统，提高了设备的性和稳定性，同时也大幅地提高了燃烧能的热效率。通过操作面板修改系统参数可以满足不同的工况要求，机组的各种信息，如工作状态、故障情况等可以声光报警及文字形式表示出来，主要控制参数(温度值)的实时变化情况以趋势图的形式记录显示， 方便了设备的操作和维护，该系统通用性好、扩展性强，直观易操作

0 引言

组合机床是针对某些特定工件,按特定工序进行批量加工的设备。随着PLC的广泛应用和机床电控技术的不断发展,利用PLC实现对组合机床的自动控制,无疑是今后的发展方向,而针对这种控制的PLC程序设计也显得尤为重要。这种控制属于顺序逻辑控制,有多种编程方法与语言可供选择,编程中也有一些技巧与规律可循。下面较为详细的介绍一组合机床自动控制的PLC程序设计实例。

1 实例工作过程及程序设计思路

本文给出的实例是一台立卧三面镗床,有右头、左头及上头三个工作头,有自动循环(三头同时加工)和单头调整四种不同工况。三头同时加工时,一个自动工作循环过程如图1所示。其特点是多头同时加工和多工步,体现在控制要求上是:工步之间转换条件较复杂,存在并行同步问题,记忆、连锁等问题也较多。鉴于此,应采用顺序功能流程图的程序设计方法:根据对工作过程的分析对各步、转换条件及路径进行定义,确定各步的动作,然后按照控制要求,运用指令对各步和转换进行编程。

图1 自动工作循环过程

步的定义可由顺序功能流程图描述,图2所示为本例主功能流程图。它从功能入手,以功能为主线,将生产过程分解为若干个立的连续阶段(步) 。

分解的各步可以是一个实际的顺序步,例如步1,对应的动作是起动主泵电机,也可以是生产过程的一个阶段,例如步2为自动工作过程,其功能流程图见图3。

从这两个功能流程图可以看到,它将各步的操作、转换条件以及步的推进过程简单明了地显示出来了,并体现出了具有单序列、选择序列、并行序列几种基本结构。例如步25至步27是单序列,实现了多工序的顺序工作;步12、步13、步14及步15构成了四分支选择序列结构,可实现三头同时加工、右头调整、上头调整、左头调整四种工况的选择;而步28至步30、步31至步34、步35至步38则形成了三个并行的分支,实现的是三头同时加工过程;步21、步22与步23、步24间也是并行关系,实现了工件上位降中位与主轴定位两个工序并行工作。该两个并行的过程间有同步问题,即步21 (工件上位降中位)与步23 (主轴定位)同时开始,但不同时结束,需要用并行序列的合并来同步(等待两个动作均结束) ,使之同时转入步25。三头同时加工时也有此问题。在顺序功能流程图的描述中,注意要说明各步间的转换条件、各步对应的命令与动作及相应运行状态。

图2 主功能流程图

2 程序实现方法

接下来的二步则需要用某种编程语言的指令对上述功能流程图进行编程,以实现其中的功能和操作。

目前已有提供直接功能流程图编程的PLC,但对于不具有该编程语言的PLC,可采用功能流程图编程的方法,这里所说的是采用梯形图、指令表等常见的编程语言实现编程的方法。根据功能流程图的描述,可将该复杂的结构分解为单序列、选择序列、并行序列几种基本环节,找出这些基本环节各自的规律、编程规则,化整为零分块编程。这样程序为结构化模块形式,编程的思路清楚,程序设计为规范。各种基本环节的程序实现可采用通用逻辑指令、置位与复位指令或移位寄存器,这几种实现方法有一个共性就是要考虑如何一步、保持该步、又如何停止一步,如果用步进指令来实现,这些问题就考虑,程序也简洁的多。下面给出运用步进指令实现的对图2、图3的编程,并就关键问题进行分析。

图4为主功能流程图的梯形图,图5为自动工作功能流程图的梯形图(只给出了一部分) 。先看步25到步27的单序列,其各步的控制规律为:若某步为活动时,则当它与下步间的转换条件一旦成立,该步即变为非活动步,而下一步成为活动步。当步为活动时,相应的动作和命令才执行,非活动步相应的动作和命令不被执行。这样步25是活动步时,会发右头快进指令(使Y442得电) ,直到快进到位(行程开关SQ4受压,转换条件X412满足) ,步25成为非活动步,右头停止快进(使Y442失电) ,步26成为活动步,工件开始从中位降下位(使Y447、Y552得电) ⋯⋯。选择序列各步的控制规律为:分支时,若一个前级步是活动的,则当它与多个选择后续步之间的哪个转换条件满足,哪个后续步就成为活动步,而前级步成为非活动步。合并时,若多个选择前级步之一是活动的,当该活动步与一个后续步之间的转换条件满足,则后续步就成为活动步,前级步成为非活动步。实例中步11为活动步时,四个分支的转换条件哪个成立则哪个分支步就会成为活动步。如果按动自动加工起动按钮,使转换条件X403满足,则会进入步12,开始自动加工过程,直到转换条件X424满足,分支合并循环到初始步,开始一个新的轮回。按照控制要求,整个加工过程中主泵电机需要一直处于运转状态,所以在步11中使用了置位Y430指令,而在步11成为非活动步后, Y430并不失电。并行序列各步的控制规律为:分支时,若一个前级步是活动的,则当转换条件满足,则多个并行的后续步同时成为活动步,而前级步成为非活动步。合并时,若多个并行的前级步均是活动的,当转换条件满足,则一个后续步成为活动步,多个并行的前级步同步成为非活动的。实例中步20为活动步时,执行装件指令,装件完毕,转换条件X425满足,步21、步23同时成为活动步,即停止装件,开始工件上位降中位和主轴定位动作。由于这两个动作不同时结束,因此插入了两个没有动作和命令的空步——步22、步24 (梯形图中相应的步进接点没有连接输出继电器) ,用于分别停止两个前级步,结束相应的动作,并等待两个动作均停止的时刻,一旦时刻来到(条件X410·X427满足) ,两并行步合并转换到步25。三头同时加工时,也有类似的同步问题,在此不再赘述。

一 散装机的工作原理及控制流程
1 散装机的组成结构
SZ系列固定式水泥散装机是由进料接头、伸缩下料套管散装头、下料锥斗、卷扬装置（包括松绳开关装置、料满控制器）、收尘系统、除尘系统、卸料阀、气源阀、闸门等零部件组成。散装机既可安装在库底也可安装在库侧同相应的卸料装置配套使用。库侧散装机使用时配备空气输送斜槽(含高压离心风机)，库底散装机使用时配备短斜槽输送部分(含高压离心风机)，以适应工艺布置的需要。
2 散装机的原理及流程
水泥罐车抵达位置后，按控制装置上的“下降”按钮使散装头下降到罐车入料口进入准备装料状态。按“装车”钮进行装车。此时高压离心风机工作，使物料在打开卸料电磁阀后能输送斜槽；同时气源电磁阀打开，接通气源；收尘风机同时启动，收尘电磁阀开启驱使气缸动作推动外壳内翻板并使翻板处于导通状态，此时除尘电磁阀处于关闭状态，储气罐储存气体，收尘系统进入工作状态；同时料位风机和活化灰风机打开。0.5秒后卸料电磁阀开启，驱使气缸控制卸料阀门打开进行装料。装载容器内的含尘气体通过伸缩套管中的夹层通道由收尘接口抽到配套的收尘器中，使含尘气体吸附到布袋上，工作现场可实现无尘作业。当物料装到预先调定的高度或容器已经装满时，装载容器内的物料会堵住散装头下方的风管接头，产生料满报警并自动关闭卸料电磁阀停止装料。卸料电磁阀关闭1分钟后活化灰风机关闭，再过30秒后收尘风机关闭，收尘电磁阀关闭，此时外壳内翻板处于关闭状态，除尘电磁阀打开清灰2~3分钟左右自动停止，料位风机和高压离心风机停止，气源停止。后按“上升”钮使散装头上升至预定位置。灌装结束。

二 PLC控制的优点
目前国内水泥散装机的电控部分大都是以大量的时间继电器和中间继电器组成的实序逻辑控制电路来控制各个阀门、电机的启停时间和顺序，在整个工作流程中各元器件动作很频繁，尤其是时间继电器在现场环境比较恶劣的条件下是容易损坏，故障率高。经常造成装车工作被迫中断，降低了工作效率。而采用PLC控制系统则大大避免了上述问题。PLC控制系统与继电器控制系统相比有如下优点：
2.1 控制方式
继电器的控制是采用硬件接线实现的，利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。 而PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，方便快捷。
2.2 控制速度
继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。
2.3 延时控制
继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大。 PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。
2.4 上传数据
现在水泥厂的自动化程度越来越高，对设备DCS的要求也越来越高，因此在电气方面我们要实现如下功能：
⑴能自动实现从开启除尘器设备到水泥罐车装满的全过程。
⑵运行过程中，能将各设备的运行信号反馈到中控室。
⑶中控室接到备妥后可以实现远程启、停设备。
⑷停车状态下，提供设备的备妥信号。
⑸运行过程中若出现故障，可向中控室提供故障信号。
⑹实时监控水泥罐车内水泥的多少。

三 PLC控制的具体实现
基于以上几点，我们选用德国西门子公司生产的S7-200可编程序控制器作为控制，通过对其编程实现各设备的运行。
1 系统硬件组成
主要构成如下：西门子S7-200系列CPU一台、数字量扩展模块EM223一台、模拟量扩展模块EM231一台，我们将各个电机和阀门的状态及控制信号接入PLC，由PLC对这些设备进行控制；EM231可接收罐车重量信号4-20mA电流信号。我们也可以将这些信号通过EM277模块按照 PROFIBUS-DP协议将系统连接到全厂PROFIBUS-DP总线上，将系统升级为一个PROFIBUS-DP从站，实现中控室对散装车间的控制。

1 引言
随着工业自动化的发展，PLC、变频器在工厂设备改造中得到了广泛应用。桥式起重机由于工作环境比较恶劣，而且重载下频繁起动、制动、反转、变速等操作，还要求有一定的调速范围，所以传统的继电控制和串电阻调速已呈现出许多的缺点，对这一类生产机械的改造已十分必要。

2 原设备的基本情况
某石油化工炼油厂焦化车间的抓斗式桥式吊车用于石油焦堆放场，将石油焦从地面抓放到停放在附近的列车上。桥式吊车电气传动共有大车电机2台，小车电机1台，抓斗电机1台，抓斗提升电机1台，均为绕线式交流电动机，采用转子串电阻的方法启动和调速。由于工作环境恶劣，粉尘和有害气体对电机滑环、碳刷及21个接触器腐蚀较大，加上任务重，操作程序难以保证，冲击电流大，触头消蚀严重，碳刷冒火，电机及转子绕组所串电阻烧损、断裂故障时有发生，平均每月发生较大的故障2.5次，对生产影响较大.转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时，转速也变化，调果差，所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低，因此要从根本上解决桥式吊车故障率高的问题，只有利用PLC作为控制装置以及改变绕线式电机串电阻调速方式。

3 改造后系统的基本情况
3.1 系统的组成
在现代工业控制中，PLC由于具有性高，抗干扰能力强，适应性强，应用灵活，编程方便，易于使用，控制系统设计、安装、调试、维修方便，维修工作量少等一系列的优点而得到了广泛的应用，由于本系统主要是一些逻辑控制，所以以PLC作为控制，整个系统的输入26点，输出点27点，可选用三菱FX2N-64MR，该型号是PX系列中功能速度快的PLC，它有32个输入点，32个输出 点，内置用户存储器为8K步，系统的组成原理图，如图示1。

图1系统原理图

对于桥式吊车抓斗的开合、提升、大车、小车电机分别用四台FRNIC5000G7型变频器拖动；对抓斗的开合电机、提升电机由原来45KW的绕线式电机改为30KW鼠笼型电机，大车小车的配用电机不变，但将转达子绕组引出线短路，去掉碳刷和滑环；为使工作和，防止因停电、变频器跳闸或制动单元失灵而导致起吊物下砸出现危险，原械抱闸制动装置仍保留。

3.2 调速系统的工作情况
桥吊中电机所带负载都为恒转矩负载，抓斗开合、大车、小车电机都运行在1、3象限，均为电动状态，抓斗提升电机可运行在1、3、4象限，采用变频调速，机械特变硬，当负载转矩变化时，电机转速基本不变。

桥式吊车的速度调节可利用变频器的多级频率选择功能，将FWD、CM接通则正转，REV、CM接通则反转，将X1、CM，X2、CM，X3、CM三对端子分别接通，或其中两对或三对同时接通，可得7种频率，从而可方便地得到桥吊所要求的正反两个方向各6种速度。

应现场工作人员的要求，为照顾操作习惯，桥吊的转速控制仍采用原来的主令控制器和凸轮控制器。利用主令控制器的五对触头，来得到变频器输出的6种转速。电机 加减速的时间可以通过变频器的设定来进行改变。

3.3 PLC控制接线及程序设计
整个系统有五台电动机、四台变频器，PLC的输入输出点数较多，各变频器与PLC的连接情况类似，为说明问题，在此仅以抓斗提升变频器与PLC的连接为例，说明其工作情况。系统中PLC的部分I/O分配如表1所示。

表1 部分I/O分配表

PLC与提升电机变频器的连接情况如图示2。

图2提升电机变频器与PLC 的接线

由于系统中五台电机（其中M3、M4是并联运行，两者控制情况一样）的运行情况主要由输入直接控制，所以系统的梯形图程序的设计可以根据各输入和电机的运行关系采用经验法设计，利用起保停电路直接由输入信号得到各电机和制动电磁铁的得电和失电情况，程序设计比较简单，在此不作详细介绍。

4 结束语
经过实际应用，改造后的系统性能得到了很大的改善，主要体现在以下几个方面：用结构简单、性高的鼠笼式电机取代绕线式电机，避免了因滑环、碳刷磨损或腐蚀引起接触器不良而造成电机损坏或不能起动的故障；交流接触器的数量由原来的21个减速少到5个，电机主电路实现了无触点化，避免了因频繁动作而烧损，以及由于触头烧损而引起的电器故障；采用变频调速，运行，节能；机械特性硬，负载变化时，各档速度基本不变，轻载时不会因操作不当而出现下降变为上升的失控现象；可根据现场情况，很方便地调整各档速度和加速时间，使吊车操作加灵活，反应