西门子一级代理商电缆总代理商代理

西门子一级代理商电缆总代理商代理

1  概述
PLC自问世以来，发展异常迅猛。时至今日已拥有门类齐全的各种功能模块和强大的网络通讯能力，其应用范围可以覆盖现代工业的各个领域，满足各类受控对象的不同控制要求。变频调速技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，它以其特的控制性被广泛应用在速度控制领域。将PLC与变频器结合可大大优化传统的供水系统。
传统的供水系统，大体有两种：一种是采用高位水箱，另一种是采用恒速泵打水。前者造价较高，投资成本大。后者使泵满负荷运转，无法调节水量，因此浪费电能。以上两种方式还有着共同缺点，就是管道中水压不稳，时高时低。
如今，供水系统已越来越多地采用变频恒压供水。例如，某化工厂的废水处理采用循环系统，将生产车间的废水收集至废水池，经一系列物理、化学处理后，回送至车间使用。该控制系统主要由两部分组成，即水处理系统和自动恒压供水系统。自动恒压供水系统可根据生产车间瞬时变化的用水量，以及与其对应的压力两种参数，通过PLC和变频器自动调节水泵的转数及台数，来改变水泵出口的压力和流量，使车间的用水压力保持恒定值。
2  系统构成
供水系统如图1所示。P1、P2为加压泵，用于向车间加压供水，F1、F2为手动阀门，F3、F4为止回阀。正常供水时，F1、F2为开启状态，只有在检修时才关闭。蓄水池内设有液位控制，当蓄水池内水位过低，它会向PLC发送信号使系统停机，以泵抽空。该系统设有选择开关，可选择系统在自动和手动状态下工作。当选择手动状态时，可分别通过按钮控制两台泵单在工频下运行与停止，这主要用于定期检修临时供水。当选择自动状态时，可实现恒压变量供水。
 

图1  系统供水示意图

3  工作原理
系统工作原理如图2所示。PLC利用变频器软启动一台加压泵，此时安装在管网上的传感器将实测的管网压力反馈给变频器，与预先通过变频器面板设定的给定压力值进行比较，通过变频器内部PID运算，调节变频器输出频率。
具体地说，在某一压力下，当用水量增大时，管路压力下降，产生偏差，该信号被送入控制器进行处理，控制器产生一定的电信号控制变频器升频，水泵转速升高，供水增加，压力恢复。反之，用水量减少时，工作机理同上所述。由于整个过程压力偏差较小，调节时间较短，系统表现为恒压。实际上，这是一个动态调整过程。
 

图2  控制系统图

在用水量较大时，变频器输出频率接近工频，而管网压力仍达不到压力设定值，PLC将当前工作的变频泵由变频切换到工频下工作，并关断变频器，再将变频器切换到另一台泵，由变频器软启动该泵，实现一台工频一台变频双泵供水。随着用水量减少，变频器输出频率下降，当降至频率下限，而压力仍能达到压力设定值时，PLC将工频工作泵切除，只由剩下的单泵变频供水。系统无论单泵变频工作，还是双泵一台工频一台变频工作，始终控制管网压力与给定压力值保持一致，实现恒压供水。
 

图3  水泵切换示意图

水泵切换程序如图3所示，是根据设定的压力与压力传感器测定的现场压力信号之差△P来控制的。当△P＞0时，增加输出电流的大小，提高变频器的输出频率，从而使变频泵转速加快，实际水压得以提高；当△P＜0时，则变频泵转速降低，实际水压减少，△P减少。经过多次调整，直至△P=0。由此，实际压力在设定压力附近波动，保证压力恒定。如果实际压力太小，某台调速泵调整到大供水量仍不足以使△P=0，则该台变频泵切换至工频，而增加下一台泵为变频工作；如果实际压力过大，本台调速泵调整到小供水量仍不足以使△P=0，则关闭上次转换成工频的水泵，再进行调整。这样每台泵在工频和变频之间切换，做到先开先停，后开后停，即所谓的循环调频。各泵均衡运行，合理利用资源，延长泵的使用寿命，减少维护量和维护费用。
4  系统设计
4.1  变频器硬件设计
变频器选用日本三菱变频器FR-E540-4K产品，适配电机4kW。该变频器基本配置中带有PID功能，通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值，压力传感器反馈来的压力信号（0～10V）接至变频器的辅助输入端作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速，控制管网压力保持在给定压力值上。
4.2  PLC硬件设计
PLC选用日本三菱公司的FXo4MR产品。加压泵P1、P2可变频工作，也可工频工作，共四个工况，需PLC的四个输出信号控制。变频器的运行与关断由PLC的一个输出信号控制，蓄水池水位过低及声响报警分别占用PLC一个输入点和一个输出点，加压泵P1、P2的过载信号进PLC的两个输出点，变频器限频率的检测信号占用PLC一个输入点，有紧急情况和发生供电相序故障等，需要紧急停车时，系统设有一个急停按钮，占用PLC一个输入点，以控制整个系统全线停车。系统分自动和手动工作方式，由一个选择开关K控制，它连接PLC一个输入点。
该控制系统中，安装在管网上的压力传感器将0～0.4MPa范围的压力对应转换成0～10V电信号，反馈给变频器，作为压力反馈。该传感器性好，还可设定水压的上、下限压力值。它们分别设在给定压力值上下两侧与给定压力略有偏差处。当管网压力处于上、下限位置，传感器分别输出开关信号进PLC两个输入点，与变频器的限输出频率信号一起，通过PLC控制泵的变频与工频切换以及控制工频工作泵的切除。
系统所需的输入/输出点数量共为14个点，FXo4MR PLC共有8个输入点，6个输出点，能够满足系统的控制要求。FX系列PLC具有抗干扰能力强，性高等特点，可长期在恶劣的工业环境下工作。
4.3  系统参数的确定
该供水系统的用水量变化较大，要求系统具有快速反应能力及良好的稳定性。因此在确定PID参数时要兼顾系统的稳固性和灵敏度，P参数尽可能大，以保证系统有良好的稳定性，在集中供水时保证系统压力在设计要求的恒压范围内；I、D参数的选取应保证系统具有良好的灵敏度和抗干扰性。经过反复试验得出各参数的取值，P:60～80；I:10～15；D:1～3。
变频到工频的切换采用时间原则，即水泵电机变频工作到额定转速后，撤销变频，自由减速一定时间，待转速略有降低后立即投入工频工作。时间的长短要使工频接入时其启动电流在额定电流的150%内，而且保证电机与变频器连接的接触器断开。
5  应用效果
该系统于2001年7月正式投入运行。运行结果表明该系统有以下优点：
①  节能通过调整频率来改变泵的转速，使泵处于运行状态，实现节能约35%。
②  延长电动机的使用寿命 由于电动机的启动电流为额定电流的5～7倍，冲击转矩很大。变频启动是一种软启动方式，可避免对电机的机械冲击，且保护了管路系统。
③  有的保护措施 高性是PLC的特点之一。由于变频器自身设置过流、过压、欠压保护，了电机因过载或单相运行而烧坏电机的现象，确保了生产。
④  减少设备的磨损 由于电动机的转速一般都降至额定转速以下，水泵电机工作电流下降，电机温升明显下降，使泵及管路的磨损程度大大减少，维修工作量也大大减少。
⑤  提高了工作效率 系统能自动控制泵的启停，不需专人启动泵及调节阀门开度。因而工作效率大为提高，节约了人力资源成本。

PLC执行程序的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。

1．输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映象寄存器中，此时输入映象寄存器被刷新。接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其它阶段，即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。

2．程序执行阶段 在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映象寄存器中。对于元件映象寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。

3．输出刷新阶段 当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段里，PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。 因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入程序执行阶段后输入端将被，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。 在用户程序中如果对输出多次赋值，则后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。这种方式称为集中输出。 对于小型PLC，其I/O点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的性。 而对于大中型PLC，其I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式。

从上述分析可知，当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这种现象称为PLC输入／输出响应滞后。对一般的工业控制，这种滞后是允许的。应该注意的是，这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成，主要是PLC输入接口的滤波环节带来的输入延迟，以及输出接口中驱动器件的动作时间带来输出延迟，同时还与程序设计有关。滞后时间是设计PLC应用系统时应注意把握的一个参数。

西林钢铁集团公司90平烧结机的生产流程由原料、二次配料、混合制粒、烧结、冷却、成品筛分等工序组成。该车间采用一台90平烧结机，是一座现代化的烧结车间，采用了许多的工艺设备和技术，基础自动化系统配置由PLC和软件组成的控制系统，具有较高的控制水平，而且采用数据库存储历史数据，为将来生产制造执行系统提供数据基础。

控制系统构成
西钢90平烧结机控制采用PLC+软件的方式构成三电一体化控制系统，下位机是施耐德公司的Quantum系列PLC，软件使用Inbbtion公司的iFIX软件，完成工艺数据的采集、处理、回路控制、监控、报表、操作记录等。既有分布控制优点，又有非常强的信息集成能力，使系统自动化和信息管理达到较高水平。

西钢90平烧结机控制系统架构
设备控制级
设备控制级共有三套PLC，分别安装在主控室、配料电气室和环冷控制室，利用工业以太网交换机组成环网，该环网将三台PLC连在一起，通过140NOE77100以太网通讯模块实现与过程控制级计算机通讯。



过程控制级
采用Inbbtion公司的软件完成生产过程各参数的
采集、集中显示、记录、报警、回路控制、画面操作、报表、监控、历史趋势图、实时趋势图和操作记录等。

软件配置
■ 系统软件：工作站均采用bbbbbbsXP操作系统。
■ 软件：采用Inbbtion公司的iFIX，它支持网络和终端服务器、内嵌有VBA、支持面向对象的图形。技术人员都能很容易使用它“编制”成各种符合工艺控制要求的画面，完成过程可视化功能。iFIX还具有较好的数据管理功能，其性比较。同时，该软件很少发生死机的情况。大量的现成的控件与IFIX能很好的集成，提高工程的速度。
■ 可编程控制软件：采用Concept 2.6，它支持IEC标准的5种语言。

系统主要功能
数据采集
模入处理：对模拟量信号进行单位变换、数字滤波、线性修正和热电偶的冷端温度补偿，并可设置上下限报警。对流量信号进行温度、压力校正。时间信号在线监测。
开入处理：对必要的开关量信号进行记录，并存盘；各种历史数据可按照设定时间存储。

模拟量控制
模拟量控制部分主要包括：可完成控制系统中各种自动调节系统、参数设定均可在操作员站完成。
顺序控制部分：可以完成各种主保护（连锁）、辅助保护（报警）等功能。
CRT屏幕功能：iFIX的图形功能很强，支持多种图形格式，其追加的图形库，内容丰富，解决了原来图形过大的问题。组态中提供树形结构图，能够浏览所画画面中的所有图形对象，组态信息，提供的全局性的变量组态方案，供画面组态调用，从而实现了一改全该的功能，而且全局性的变量不占用TAG点，对于画面中group组内的对象组态并不改变，使状态变化丰富多彩，点数的扩展功能很强有解决扩展点的报警、报警记录、历史记录的方法，有查找替换功能可以替换整个图画以及画面中的对象属性、组态点信息，对于同类型物体，避免重复组态。内嵌VBA，具有自己的内部函数，又有广泛的VB函数，功能扩展为有利。支持双向OPC，支持所有类型的ActiveX、OLE，对不健全的控件所引发的错误进行保护，对控件的属性操作控制。编辑与运行是可切换的，这有利于对现场生产的；有立的报警监视程序，支持在线修改，具有画面分层功能，运行时可以根据程序很方便的换对象的连接数据源，可以使控制为灵活。

主要完成控制功能
烧结车间控制系统通过画面即可达到操作、监视全部系统的目的，将电控和仪控统一考虑设计在一个画面上，与工序浑然一体，由于有了友好的人机画面，使操作得心应手，操作为流畅。为了叙述方便，这里应将烧结车间控制系统分为顺控和仪控两部分来描述。

电控部分
根据烧结生产工艺流程的特点和电器联锁关系，同时考虑便于生产操作的要求，将与生产工序有联系的部分控制系统划分为四个生产控制系统，即：

配料系统
为便于生产和配料系统特殊控制要求及交叉配料要求，该系统包括一混、二混两条大皮带，和16个配料设备。完成同起、同停、顺起、顺停，保证配料起停时，正确配比。各种料量的设定值在画面上实现，同时设定值下传到下位机进行PID调节输出直接驱动变频器，由变频器控制下料。


配料系统工艺流程

混合系统
系统设计了双料线控制，两个料线可以同时生产又可以单生产。保证二次混合料槽料位相对稳定。

烧结机系统
烧结机系统包括了烧结、冷却、铺底料及冷返矿，该系统是烧结车间的主要生产流程，连续性生产。系统以追求质量和大产量为目标。


烧结机系统工艺流程

排灰系统
根据现有工艺资料，放灰系统包括机头、机尾、环冷排灰、道进入烧结系统。
由于各排灰操作要求不同，要求系统具有灵活多样的操作方式，操作方式应以满足生产需要和现场调试为准。
排灰系统卸灰装置采用定时启动，间断工作方式。除尘器灰斗放灰根据上下料位信号决定，当灰尘达到上料位时卸灰阀开始动作，直到下料位时停止。道卸灰阀动作可根据现场情况而定。




排灰系统工艺流程

仪控部分
仪表测量和控制点较多，现介绍几个典型的控制系统。

配料控制
配料控制是一个三电一体化的控制系统，其原理系统图所示。


配料控制原理

图中，M1：圆盘变频电机，驱动圆盘，控制圆盘速度，以控制下料量。M2：电子皮带秤变频电机。皮带秤采用变频电机，主要是考虑配料秤的使用范围较宽，当在低料量使用时，由于皮带速度快，皮带上的料层很薄，影响测量精度。采用变频电机，使皮带速度与给料速度同步，提高测量精度，达到提高控制精度的目的。
WE：称重传感器。SE：速度传感器。该两个信号同时输入到称重控制器中。
称重控制器的功能：将称重信号PV1和速度信号PV2进行计算成单位时间的流量信号，并变换成4－20mA的标准信号PV3上传到PLC系统中，进行配料量实际测量值的显示。
PLC的功能是调节流量，PLC接受上位机来的流量设定值SV，并对SV与PV3的偏差进行PID运算，计算出控制输出值,该信号通过网络下传到变频器中，作为变频器速度设定值，以改变下料量。当下料量设定值时，变频器输出频率增加，圆盘加速旋转，以增加下料量。当下料量设定值时，变频器输出频率减小，圆盘减速旋转，以减小下料量，直到下料量与设定值基本保持一致时，变频器维持输出不变。

铺底料控制
通过调节5转1速度，来调节铺底料量，维持铺底料槽料位到某一控制线。控制方案多种，现*下列步进式方案。5转1胶带机速度根据烧3机头下铺底料斗料位确定，当料位为基准线（矿槽的50％）时，5转1按给定速度运转8分钟后，如料位基准线，则加大5转1速度，幅度为调速范围的10％，8分钟后如仍基准线则再加大10％，直到过基准线。如料位达到上限（矿槽料位的70％）时，则5转1减速10％，5分钟如仍上限，则再减10％，直到上限。料位达到限（矿槽料位的85％）时，立即停止5转1，待料位返回基准线时，再以给定速度自动起动。

混合料水分自动控制系统
混合料的添加水量以一次混合为主，它与原料量及原料的含水量有关。一次混合加水，在二次、三次混合中还需加适当的水量，三次混合中还需加入蒸汽，以便混合料成球，保证烧结时的透气性。
一次、二次、三次混合料的加水量都与原料的重量和含水量有关，因此，在自动控制一、二、三次混合加水时都需要用水份测量值与设定值进行自动跟踪。当系统输出一、二、三次加水量为0时，即调节阀全关时，发出指令，关闭一、二次加水阀门。当上料皮带停止时，关闭截止阀，停止加水。若二次目标水分值与混合料仓水分值之差过一定范围并延续到规定的时间时，则自动显示异常状态。
由于原料重量和原料含水量的检测点到混合料的加水点以及从混合机加水点到混合料仓测水点的时间较长，因此该系统使用前馈控制和反馈控制组成。

点火器空然比调节系统
该监控画面包括，三个趋势图；分别是温度操作器，趋势图；煤气流量操作器，趋势图；空气流量操作器，趋势图。
温度操作器包括测量值（PV）显示棒状图，温度设定值（SV）显示棒状图，调节输出值（MV）棒状图，以及相应的数字显示；同时，还有温度设定值输入窗口，手动/自动切换按钮，输出值控制增加按钮，减少按钮，串级/非串级按钮等。
煤气流量操作器包括煤气流量测量值（PV）显示棒状图，煤气流量设定值（SV）显示棒状图，调节输出值（MV）棒状图，以及相应的数字显示；同时，还有煤气流量设定值输入窗口，手动/自动切换按钮，输出值控制增加按钮，快增按钮，减少按钮，快减按钮等。