深圳西门子授权一级代理商变频器供应商

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1 前言
随着我国电力工业的发展，火电厂的装机容量和单机容量都日益增大，热工保护系统的规模也大幅度上升，对热工保护系统的控制方式、运行水平的要求也越来越高。
热工保护的主要作用是当机组在启停和运行过程中发生危及设备和人身的故障时，自动采取保护或联锁措施，防止事故产生和避免事故扩大，从而保证机组的正常启停和运行。热工保护是通过对设备工作状态和机组运行参数的严密监视，发生异常情况时，及时发出报警信号，必要时自动启动或切除某些设备或系统，使机组维持原负荷运行或减负荷运行。当发生重大故障而危及机组设备时，停止机组（或某一部分）运行，避免事故进一步扩大。
发电机组的性对本机、对电网乃至对国民经济来说都为重要，因此，保护控制系统的性，对机组的稳定运行显得十分关键。
2 原有热工保护系统改造的必要性
保护装置在机组正常运行时是长期不动作的，而一旦出现异常情况却要求的立即动作，因此对于热工保护装置应有必要的监视和试验手段，以确保热工保护装置本身动作的正确和。
机组运行的，不仅依赖于各设备的性能，而且同各类保护控制装置的准确性和性密切相关。电厂原有热工保护装置较落后且投运时间较长，保护系统由继电器组成控制回路，回路硬接线多，加上继电器长期带电工作，继电器触点易老化，导致接触不良，易产生拒动或误动的情况。大修期间需对继电器进行测试，以确保继电器工作正常，大大增加了热工人员的维护工作量。而且随着运行时间的越来越长，故障点相应增多，维护工作量越来越大，严重影响着机组的运行，因此亟待进行改造。
3 热工保护系统改造的设计思想
系统设计的出发点是提供、的产品，有效地提高火力发电厂热工保护系统的控制水平，给发电机组的、经济运行提供，同时实现减员增效的目的。
由于微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，PLC已发展成为新一代工业控制机。它具有编程组态方便、硬件配置灵活、高性和适应工业恶劣环境等优点，已经越来越多的被应用于各个工业控制领域。
新系统采用“上位机+PLC”方式，应用计算机通讯技术和PLC控制技术，对多个输入输出信号实现动态实时监控，具有输入输出信号状态显示、保护动作记录、报表打印、保护联锁试验等功能。
4 可编程控制器（PLC）的特点
4.1 功能丰富
PLC具有丰富的处理信息的指令系统及存储信息的内部器件，可以进行各种逻辑问题处理以及数据的运算。
PLC不仅能完成复杂的控制逻辑，而且也能实现模拟量控制和智能控制；并能实现远程通讯、计算机联网及上位机监控等功能。
4.2 编程方便
PLC是为取代传统的继电器控制逻辑而设计的，它沿用了继电器原理图或梯形图的编程方法，包含有触点、连线和线圈等概念。PLC一般采用梯形图编程，可由非计算机人员在使用现场完成，程序可以在线修改。
4.3 系列化与标准化程度高
PLC在结构、形式、编程语言、通讯等方面大同小异，且各种PLC产品均形成了适用于不同控制要求的系列产品。因此，PLC应用于发电厂的控制系统将使系统的设计及硬件配置为经济合理。
4.4 开放的通讯功能
PLC既具有各PLC之间的协议通讯接口，也具有多种的通讯方式，如:RS232接口方式硬件，经济性好，目前较常用，但传送距离短、速率低；RS485接口方式克服了RS232的一些缺点，传送距离大（大可达1.2Km）； CAN方式接口传送速度快，大1～2M/S，传送距离可达1.0Km，误码率低； 以态通讯方式传送速度非常快（10Mbit/S），同时可以实现远距离的传输，只是硬件和传送介质的成本略高，用户组成大型控制系统时，可根据外围设备进行方便的选择。
4.5 PLC的选择
根据保护系统所需要的输入输出点数、节点容量、系统功能等的要求，采用欧姆龙公司的SYSMAC C200HG PLC对保护系统进行改造，C200HG-CPU63的各项性能指标如下表所示:
项目 功能
存储器 用户存储器（UM） 15.2K字
普通DM 6.144字（DM0000-DM6143）
固定DM 512字（DM6144-DM6655）
扩展DM 0-3000字（DM7000-DM9999）
扩展DM存储器（EM） 6.144字（EM0000-EM6143）
I/O分配 扩展机架 3个机架
I/O单元 单元号0-9，A-F
特殊I/O单元 单元号0-9，A-F
指令执行时间 基本指令 0.156μs
MOV（21） 0.625μs
ADD（30） 16.65μs
I/O刷新时间 0.7ms
通讯方式 RS232C端口
时钟功能 具备时钟功能
5 改造后热工保护系统的主要构成
改造后的保护系统主要由PLC控制器和上位计算机两大部分组成，通过RS232电缆通讯。
C200HG PLC控制器配置包括CPU机架和扩展机架， CPU机架由四部分组成:CPU底板、C200HG CPU、电源单元、I/O单元。扩展机架由三部分组成:扩展底板、电源单元、扩展I/O单元。改造后的保护系统结构示意图如下:
6 PLC与上位机的串行通讯
PLC接收上位机发送过来的开启、停止信号，通过梯形图编制的逻辑回路来控制相应的输出点，从而实现对外部设备和装置的控制。PLC与上位机采用串行通讯格式，ASCII码，7位数据位，2位停止位，奇偶校验位，通讯速率为9600bit/s。通讯连线方式如下图2所示:
7 改造后的热工保护系统特点
a 系统结构简单，组件式插接，便于安装维护。I/O模件卡件式设计，可灵活、方便的进行扩充。
b 保护系统采用双电源供电，确保了系统稳定、连续的工作。
c 对PLC采用梯形图的组态编程方式，可方便的进行组态、监视和修改。通过梯形图编程可实现相应的保护联锁功能和在线编辑，系统工作。
d 采用上位机监控，可实现报表打印、报警查询、状态监视、保护联锁试验记录等多种功能。
e 对输入信号状态进行记录，确认其动作或恢复的时间，给事故分析提供准确的依据。
8 小结
a 改造后的热工保护系统由上位机和可编程控制器PLC组成，对原有的由继电器构成的保护回路进行改造。系统结构合理、性高、易扩展，能满足火电厂热工保护的需要。
b 能对所有输入/输出点进行状态记录，包括各输入点的接通和断开时间，而且热工维护人员可根据所的动作来判断一次元件或现场接线可能存在的问题，事故隐患。
c 系统可实现保护联锁试验、动作记录数据管理、状态监视、系统组态等功能，大大提高了热工保护装置的技术水平，减轻了热工人员的维护量，为事故分析提供了、客观的依据。
d 该系统灵活性高、适应性强、扩展性好，可根据用户需要进行扩展和修改，并提供了与其它控制系统的接口。
热工保护系统肩负着保护主、辅设备，保证机组运行和防止事故扩大的重任，它是机组自动化控制的重要组成部分。随着机组容量的增大，热工保护的重要性已日益为人们所认识。因此，合理地设计热工保护系统，对提高机组自动控制水平，减轻运行人员的负担，增加机组运行的性具有重大意义。

2． 机床对控制系统的主要工艺要求     

 ⑴ 主电机平滑起动，无级调速，运行速度为120-140包/分（约为38-40Hz）。点动速度15-20Hz。    

 ⑵ 低速时有转矩提升，快速制动。   

 ⑶ 机床可以长期运行，要求。   

 ⑷ 机床润滑系统的注油电机每2小时自动注油5秒（时间可调），也可手动加油。    

 ⑸ 干燥鼓两侧电热丝（2＊360W）恒温加热，控制精度 50±0.05度。    

 ⑹ 发生故障时，应该能够显示故障名称以及发生的部位。     

 ⑺ 由于各种原因造成的不合格产品（烟包），应该在同一工位准确剔除。   

 ⑻ 对不合格烟包的处理及停机故障应该区别以下情况。     

  ① 油位低，离合器过载，挤烟等15种故障发生时立即停机。    

  ② 烟支空头，滤咀缺少等故障造成的不合格产品不停机，只发出声光报警信号，到的工位将其剔除。    

  ③ 铝纸漏装，内衬漏装等故障造成的不合格产品，需要立即停机，但可以点动运行并在的工位将其剔除。     

3．控制方案的实现     

    当车间工人把84毫米长的过滤咀码放在烟库内并起动机器，机器就以每分钟120-140包的速度生产出按一定规律排放好的硬盒，然后封装好透明纸贴好金黄色的拉线。尽管机器的生产速度很高，工艺动作要求复杂，只要充分利用PLC本身的特点，再结合生产实践，我们开发了一套简捷周密的逻辑控制方案，满足所有工艺要求。

    系统中使用了35个开关量输入信号，10个开关量输出信号。程序中应用了9种基本指令，10种功能指令（如 INC,MOV,BMOV,CMP,SFTL,ADD等），8个定时器，6个计数器，8个指针，28个数据寄存器（含断电保持型），共1100条语句。整个程序不仅实现了全部工艺要求，而且还增加了许多辅助功能，如生产时间和停机时间的统计显示，故障频次的统计，成品产量与废品剔除数量统计，日期时间显示，日产量班产量报表的生成打印输出等功能。此外还允许操作工人对一部分运行数据进行在线修改，利用人机界面上的触摸开关即可实现。

    由于PLC本身的性高，抗干扰能力强及有在线修改的能力，使我们的控制系统联机调试调整时间大大缩短，几乎省去了现场服务，一般操作工人或维修电工均可胜任调试工作。所以受到了厂家的普遍。     

    空压机系统联控可以根据实际需要自动开机或加载空压机以保持系统压力。有效保持了系统内空气压力稳定。调整了整体的负载平衡，减少了排气放空，节约了多的能源，提高了监控系统的有效性，真正实现了无人自动化操作。

1 引言
    MOCVD（bbbbl Organic Chemical Vapor Debbbbbbbb）（金属化合物化学气相沉积）是一项制备高质量半导体晶体的新技术。此技术的优点在于[1>:可制成各种薄膜结构型的材料；可制成大面积、高均匀性的外延膜；可控制膜的厚度、组成及掺杂浓度；灵活的气体源路控制技术、气体源路的快速切换技术、生长过程全自动控制,使得人的随机因素影响减至小且重复性很好。要使MOCVD的这些特点能够顺利实现，就对工艺参数严格控制。而MOCVD的工艺参数特别多且复杂，这就对控制方法提出了越来越高的要求。因此，有必要采取计算机自动控制。目前MOCVD控制系统大部分依靠国外进口，成本高。研制出具有自主知识产权的MOCVD设备将是发展我国光电子产业的关键环节，意义重大，特别是随着“国家半导体照明工程”的启动，MOCVD的国产化已变得非常紧迫。

    根据MOCVD控制系统的具体工艺要求，我们设计了基于PLC的MOCVD控制系统，该系统采用上位机和可编程控制器实现整个系统的控制和管理，现场试验运行表明该系统性能稳定，响应快速。

2 系统的组成及实现原理
    本系统主要由计算机、Siemens PLC S7-300（控制单元的），温度控制系统、气体处理系统、反应室等组成。控制系统的基本结构见图1所示。

2.1上位机
    选用工业控制计算机作为上位机,利用WINCC 工控组态软件通过MPI 和PLC 进行通讯,从PLC 得到信息,同时向PLC 传送命令，其负责对系统的监控、数据记录、报警记录、数据分析，参数配置。

2.2 PLC
    选用PLC 作控制器,是因为其具有性高、抗干扰能力强、硬件配套齐全、维护方便、适合于恶劣的工业应用环境等特点。PLC作为系统的控制器，负责整个系统运行，包括各种信号的采集、数据的处理以及各种输出信号的控制。输入信号采集包括各类仪表传感器的流量、压力、报警信号等。输出信号涉及电磁阀、接触器、电动机、压力控制器、流量控制器、RF感应加热器等控制量。

2.3 温度控制系统
    温控器、感应加热器、上位机、PLC组成了系统的温度控制系统。这里的温控系统是一个闭环控制系统，温控器通过热电偶实时地采集反应室的温度，由RS232串口反馈给上位机，经过上位机的控制算法处理后，计算出合适的控制量，传送给PLC，由PLC运行程序控制感应加热器来控制反应室的温度。

2.4 气体处理系统
    气体处理系统其硬件主要有经过化学抛光的不锈钢管道、气体纯化器、流量控制器、压力控制器、电磁阀和气动阀等组成。气体控制系统的主要作用是通过控制压力和流量控制器，调节气路上各种阀门的开度，从而达到控制各种气源配比的目的，并通过管道向反应室输送反应剂，为保证反应剂的纯度，要求管道的密封性要很好。

    气路上压力与流量的控制均由压力和流量控制器来完成。传感器将采集来的实际测量值传送给控制系统，控制系统将采集的实际值，实时与设定值比较。如果用户对控制效果不满意，可以采用闭环回路控制，实时修改传送的设定值。

3 系统软件设计
    系统的控制主要指通过PLC对信号进行自动和手动的控制，从而实现对加热系统、气体流量和气体压力、气动阀等的控制。我们设计的MOCVD控制系统有自动控制程序和手动控制程序两种控制方式，自动和手动可以互相切换控制。其子程序主要包括步序控制，模拟量输出控制，模拟量输入控制，数字量输出控制，数字量输入控制。

3.1 步序控制
    在MOCVD控制系统中，根据不同的配方，所控制的步运行时间不同，所要求的循环位置都不同。本系统设计方案的一个设计难点，就是在编写程序的时候，无法预先确知循环体的开始及停止位置，如何编写一个可以供多种不同配方使用的程序。

    针对MOCVD 系统工艺的要求，结合本系统运行流程，采用顺序控制设计法来控制不同步之间的动作和命令，执行不同步序循环控制策略。该方法灵活、准确地采用一个循环控制程序，根据不同配方，在不同循环位置，实现不同功能。其基本的思想是将系统的工作周期划分为50 个顺序相连的阶段，这些阶段称为步（Step），然后用编程元件（存储器位M）来代表各步，每步设定运行开始标志位和结束标志位，进入循环标志位和循环结束标志位，步之间的转换条件可以是外部中断输入“前跳”信号，或者是每步运行的定时器提供的信号。

    对于处理不确定的循环位置问题，在每步结束时,判断该步循环结束标志位是否为1，如果不为1，则直接跳到下一步运行，如果为1 再读取剩余循环次数是否为0，如果为0 则跳到下一步运行，如果不为0 则剩余循环次数减1，跳到进入循环的步序运行。其算法流程如图2 所示。

3.2 模拟量输出控制
    模拟量输出，主要包括8路压力、20路流量以及温度。在模拟量输出中，防止冲击是一项很重要的指标。为了防止冲击，输出时采用爬行渐增的输出控制策略，使模拟量的输出在额定时间内，准时渐增到所需要的输出值，每一次所递增的量要尽量的小，以降低冲击的可能性，保证生长的进行。

    基本思想：每步运行开始时，读取步序号并调用该步的模拟量的目标设定值（IN2），前级步结束的输出值（IN1）及要爬升的步数（D），求出步进量S＝（IN2-IN1）/D,再判断实际值和设定值的大小，决定实际值是加上或者减去步进量，然后再判断实际值是否达到设定值，如果满足则结束本步爬升。分两种情况考虑，步进量为大于等于0或为负，如图3所示为步进量S为大于等于0的程序算法流程图。

    模拟量输出程序主要采用语句表（STL）的编程方法，它是一种类似于汇编的语言，执行速度梯形图，占用内存空间小，能够解决复杂的循环及跳步。针对于本系统多模拟量，步序复杂且循环不定，而CPU内存有限，此方案能很好的解决这个问题。

3.3 模拟量输入控制
    MOCVD 控制系统有29 路模拟输入量，如果全部用模拟量输入模块直接输入，需要29 点的输入。这样设计成本较高，考虑到本系统对模拟量采集实时性要求不高，采用ADG408 译码选择通道，分时输入。每个ADG408 可以接入8 路模拟量信号，使用4 个模拟量通道，就可以输入32 路模拟量，本方案中模拟量输入子系统的成本可以大幅度降低。在系统实时性要求不高的情况下是一种较佳的选择。

    模拟量输入子程序采用多路分时选择输入方案，通过译码器在某一时刻选择其中的一路作为输出传送到模拟量输入模块上的一个通道。ADG408 芯片译码选通和PLC 模拟输入量读数处理，在时序上应该严格区分，避免读数混乱。保证在译码选通和PLC 读数的任何时刻，仅有一路模拟输入量处于选通及输入读数状态。如图4 所示，8 路模拟量AI1—AI8,接入ADG408 中，编写程序输出数字量信号控制ADG408 的使能端EN,信号控制端A2、A1、A0，从而实现分时选择多路模拟量中的一路，将其输入到PLC 的模拟量输入模块中，数据进行相应的存储及处理。

3.4 数字量输出控制
    数字数出量的控制对象主要由电磁阀、接触器、电机、气动阀等。对于数字量输出控制，其程序设计思想，在每步开始的时候，从相应的数据区中，调用本步对应数字量的数据，同时为了实现上位机实时控制的功能，判断上位机监控系统是否实时修改某个数字量的输出值，如果上位机修改了， 则数字量的有效输出值以上位机修改值为准，否则按配方表的配方设定的进行输出。

3.5 数字量输入控制
    数字量输入控制主要指系统的报警及故障处理程序，报警程序设计包括自动和手动。报警信号由传感器检测，传送给PLC，程序根据报警信号做出相应的保护动作，给出触发信号使报警信号灯亮，蜂鸣器响，暂停系统运行，切断感应加热器、或者关闭相应的流量压力控制器。

4 结论
    本文提出的控制系统应用于西安电子科技大学二代MOCVD系统，相对于代MOCVD控制系统，特别在步序子程序设计和模拟量输出控制上有了很大的改进，在步序控制上采用顺序控制设计法来控制不同步之间的动作和命令，相对于代移位控制方法[2>，步序控制法对于解决复杂循环的问题，加灵活、。在模拟量输出控制上采用PLC语句表（STL）的编程方法，编写模拟量渐进爬升子程序，解决了在代系统中，大量的模拟量输出由上位机来计算处理再通过PLC进行控制，造成上位机负载过大，控制延迟，响应速度较慢的问题。系统现场试验运行表明，该控制系统稳定、快速、，满足工艺的要求，具有很高的应用，同时本系统的研制成功将促进国内微电子行业的发展，在国内居于地位。

    本文作者点:本文提出了一种基于PLC的MOCVD控制系统的设计及实现。特别是在软件程序设计上运用了的控制思想，采用顺序控制法解决了MOCVD系统中对于复杂步序的控制，在模拟量输出控制上采用了PLC的语句表（STL）编程方法，来编写模拟量渐进爬升子程序，其处理速度快于梯形图，内存占用少，解决了模拟量输出防止冲击的可能。本系统提出的控制方案，满足了系统工艺的要求。

1  引言
   由于实验室原有的控制系统使用的是十年前的人机界面和PLC，故其硬件均已老化，性能下降，在运行的过程中经常出现死机、黑屏、重启动，甚至某些画面参数不能修改;同时由于无相应的PLC编程器、编程软件和人机界面软件，因此可维修性也差。为了解决这些问题，我们采用西门子S7-200PLC和北京亚控公司的组态王6.05工控组态软件 的控制方案对小丸包衣制粒机的控制系统作了改进。

2  小丸包衣制粒机系统组成
    小丸包衣制粒机系统组成如图1所示。小丸包衣制粒机是专门用于实验室或车间小批量生产的。粉或类似的物料能在流化床中进行干燥、制粒以及包衣等过程。流化床物料容器底部装有筛网，药粉或小丸颗粒等类似的物料被盛放在筛网上。流动的空气经过滤处理后经容器底部的筛网向过，当流速达到一定速度时，颗粒(药粉)就会被空气托起，床内粒子就开始流化起来，形成流化床。流化床内的颗粒(药粉)在容器中剧烈搅动，并延伸到容器的扩展区，细微的粉末或轻微的颗粒则被粘附在袋式过滤器上。为了防止袋式过滤器的堵塞，控制滤袋升降的气缸会有一个间歇的抖动操控。空气经过袋式过滤器、控制风量大小的风门和风道被风机引出室外的大气中。在这个过程中，流化床容器内的微粒能充分的与空气流接触，并且搅动剧烈，因而能够很好的完成充分干燥，良好制粒，精致包衣等制过程。

图1     小丸包衣制粒机系统组成

3  系统主要控制要求
小丸包衣制粒机操作的基本控制要求包括五个方面。
(1) 产品温度控制
通过控制进风温度来控制产品温度。进风温度控制精度为±3℃，产品温度控制精度为±2℃。
(2) 进风风量的控制
控制精度为±40m3/h。
(3) 雾化压力的控制
即喷液装置喷射压力的控制，控制精度为±0.1bar。
(4) 密封压力的控制
产品容器与扩展仓密封，形成一个密闭的流化床反应器。采用油压装置进行密封，密封压力在35-70bar之间。
(5) 滤袋的抖动控制
抖动有单滤袋抖动和双滤袋抖动，有手动抖袋和自动抖袋。

4 控制方案的选择
4.1  两种不同方案的比较
小丸包衣制粒机的改进有两种方案可供选择，见表1:

    在满足控制要求的前提下，控制系统硬件设备的选择应该追求的性能价格比。由于该机器的使用频率不高，平均每月一次，同时环境良好，因此采用PC+PLC的控制方案。当机器不用时，PC机可作它用。换句话说，利用公用PC机即可作人机界面。

4.2  PLC硬件配置
    根据对控制系统的要求，选用西门子S7-200系列PLC。S7-200系列PLC体积小，重量轻、安装方便、功能齐全、配置灵活、运行、编程简单，具有可观的经济性和强的适应性，可以满足上述控制要求。

4.3  人机界面组态软件
    组态软件选择北京亚控公司的组态王6.05。这是一款具有易用性、开放性和集成能力的通用组态软件。组态王使用简单，适合各种简单和复杂的任务。只需要进行填表式操作，即可生成适合于用户的“监控和数据采集系统”，可有效用于控制自动化过程, 组态王6.05版是在bbbbbbs2000的平台上运行的，因此选用组态王是较为完善和方便的选择。整个控制系统的构成如图2所示:

图2     控制系统的构成

5  系统硬件设计
    控制系统选用西门子S7-200系列PLC，选用了处理单元模块CPU224、数字量扩展模块EM223、模拟量输入模块EM231、模拟量输出模EM232、模拟量输入输出模块EM235。其中的处理单元模块CPU224外部接线图如图3所示、输入输出分配如表2所示。

图3     PLC外部接线图

图4     主程序框图

6  系统软件设计
6.1  PLC程序设计
    主程序框图如图4所示，其中子程序0为初始化程序，子程序1为检查扩展模块是否正常，子程序2为模拟量采样子程序，子程序3为对各执行设备输出的采样，子程序4为对各被控量和执行设备异常的报警子程序。由于篇幅所限，各子程序框图在此从略。

6.2  人机界面组态
    组态软件选择北京亚控公司的基于bbbbbbS2000平台的工业控制组态软件“组态王”6.05版。只需要进行正常通信设置和填表式操作即可完成人机界面组态。运行组态画面程序和PLC用户程序，根据小丸机操作的顺序功能，点击组态画面上的各个按钮，通过模块上各输出位对应的发光二管，观察各输出信号的变化是否满足设计的要求。组态画面设计了设备控制、过程控制、过程参数等画面。其中设备控制画面如图5所示。

图5     设备控制画面

     
7  结束语
    由于S7-200系列PLC具有体积小、系统集成度高(电源、主机、机架、开关量输入输出等功能集成一体)、配置灵活、接线简单、安装方便、抗干扰性强等特点，同时与同性能的产品相比，很好的满足了此次系统改造经济上技术上的要求。新系统人机界面友好(全中文界面)，操作简单快捷，运行稳定，受到广大用户的。