石家庄西门子中国授权代理商CPU供应商

石家庄西门子中国授权代理商CPU供应商目前，空压站的自控系统通过西门子S7-300可编程控制器，将部分空压机的实时运行数据通过RS422/485通讯接口采集进PLC控制系统，并将数据传送到现场控制室计算机上进行显示，以代替传统仪表。但是没有对空压机进行控制。
空压机设备自带的CMC控制器已经能很好的控制单台空压机，但是不具备对空压系统的整体调控能力。在空压系统中，相对单台空压机的调整，空压系统的整体自动调控具有重要的意义：
■ 单台空压机无法保证空压系统整体供气压力的稳定，而空压系统的整体自控可以有效保持系统内空气压力稳定。
■ 整体的负载平衡，减少排气放空，可以节约多的能源，节省人力成本。
■ 可以实现无人操作，根据实际需要自动开机或加载空压机以保持系统压力。
■ 可以定时间断地记录空压机运行数据和报警，如跳车、喘振、通讯故障、压力等。
在已有的PLC系统中，没有实现空压系统的整体调控功能。由于空压机自带的CMC控制器提供了RS422/485通讯接口，所有的数据采集和控制功能都通过通讯接口来实现，对比原有的控制系统，不需要增加硬件设备的投资，只需要改进和增加控制软件即可实现空压系统的整体控制。
除空压机设备外，还可以将与空压机配套的冷冻式干燥器集成到RS422/485网络中来，实现空压供气设备的自控。
空压站其他系统的自动控制
除空压供气系统外，空压站的其他系统也需要进行自动控制，如水循环冷却系统等。这些系统的控制方法与空压供气系统不同，主要是采用传统控制模式。使用仪表采集需要的运行参数，进行数据处理和分析运算后，输出控制信号给执行机构就可以实现系统的自动控制。
自动控制具有以下优点：
■ 操作简单，可以实现无人值守；
■ 良好的实时调节，防止了人为因素滞后；
■ 具有高性；
■ 减轻工作人员负担；
■ 节省人力成本。
需要控制的参数和可能的控制方式
空压站需要的控制需求；⑴高、低压供气压力控制（机组自动开停控制）； ⑵系统自动排水控制； ⑶循环水液位控制和自动加药控制； ⑷所需压缩空气温度、循环水温度等参数控制等等。
空压系统的整体自动调控一般可以使用以下2种方法之一来实现：
⑴采用PLC系统进行通讯和控制。
⑵可以采用英格索兰公司或自己编制的控制软件。
种方法性高，适用于工业控制系统。当监控计算机出现故障时，PLC还可以按照设定的程序进行自动控制。
二种方法是通过控制系统的计算机进行单的分析运算进行控制，它具有较好的灵活性，但缺点是如果出现如计算机死机等故障时，有可能影响系统的正常运行。好在计算机的一般恢复往往不需要太多的时间。
除空压供气系统自控外，空压站可与制冷站、热力站系统一起建立设备控制网络，实现集中控制，或与工厂控制联网，由控制的控制器实时远程监控，实现真正的无人值守。
系统构成
对于以上讨论，如果需要实现空压站的整体自控，又许多成熟PLC自控系统可以选用，现以ZH公司的PLC自控系统为例。
该自控系统选用西门子S7-300系列可编程控制器，带有RS422/485网络接口，支持MODBUS等相关网络通讯协议。该系统可以采用工业通讯网络技术实施远程联网。空压站自控设备可根据生产实际情况和各设备的特点，以及可能存在的问题，综合各方面因素后确立分级控制网络的实施方案，如图1所示。
■ 硬件配置
现场仪表，受控设备、执行器、带有串行通讯接口的设备（如空压机，冷干机等），PLC和监控计算机。
■ 软件功能
选用的工业组态软件（如WINCC或iFIX）用来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通讯、显示及报表管理等功能，各设备控制器自成一子系统，其应用程序功能包括：信息，设备控制，故障报警，连锁保护，以及数据处理和通信传输。
在系统实施过程中，还可引入故障检测和故障诊断的处理程序，能够提高系统的智能化程度，有利于进一步改善自控系统的有效性和性，通过优化调度策略，软件连锁保护等自动控制功能模式的应用，有望将自动化水平提升到高层次，可以为确定空压机设备状态检修点提供依据，并由此获得大的效益。
结论
总之通过自动化控制可以克服由于人为因素造成的调节滞后等不利因素，减少运行参数的波动，达到减少用工和节约能源的目的。对于提升天纺控股有限公司的整体技术水平是相当重要的。

1　引言

随着我国经济的不断发展，社会高度信息化，新的高科技技术不断应用到建筑中，使得建筑的智能化已成为一种发展的必然趋势。众所周知，智能建筑主要由建筑设备自动化系统(BAS)、通信自动化系统(CAS)和办公自动化系统(OAS)三大系统组成。智能建筑也往往是从建筑设备自动化系统开始。本文主要阐述，智能建筑中的空调(冷冻站)系统的PLC控制设计。

2　系统及工艺简介

现介绍如下：通常大型建筑都有两套(或两套以上)空调系统，由三台冷却水泵、三台冷冻水泵、两台冷却塔风机、两台冷水机组等主要设备组成两套制冷系统，其中冷水机组是由设备生产厂成套供应的。它一般是根据空气调节原理及规律等由微处理器自动控制的。冷水机组由压缩机、冷凝器与蒸发器组成。压缩机把制冷剂压缩，压缩后的制冷机进入冷凝器，被冷却水冷却后，变成液体，析出的热量由冷却水带走，并在冷却塔里排入大气。液体制冷剂由冷凝器进入蒸发器蒸发吸收热量，使冷冻水降温，然后冷冻水进入冷风机盘管吸收空气中的热量。

如此循环不已，把物里的热量带出，达到降低环境温度的目的。因此，空调冷冻站系统的工艺控制要求为：

(1)测量冷冻水供回水温度及流量，从而计算空调实际的冷负荷，根据实际的冷负荷来决定冷水机组的开启台数，达到节能状态。

(2)各设备的程序联动

启动：冷却塔风机冷却水泵冷冻水泵冷水机组。

停止：冷水机组冷冻水泵冷却水泵冷却塔风机。

当其中一台冷却水泵/冷冻水泵出现故障时，备用冷却水泵/冷冻水泵会自动投入工作。

(3)测量冷冻水系统供回水管的压差△P=P1－P2控制其旁通阀(TV)的开口度，使其维持压差。

3　PLC应用

空调冷冻站控制系统有3种控制方式：早期的继电器控制系统、直接数字式控制器DDC以及PLC(可编程序控制器)控制系统。继电器控制系统由于故障率高，系统复杂，功耗高等明显的缺点已逐渐被人们所淘汰，直接数字式控制器DDC虽然在智能化方面有了很大的发展。但由于DDC其本身的抗干扰能力问题和分级分步式结构的局限性而限制了其应用范围。相反，PLC控制系统以其运行可*、使用与维护均很方便，抗干扰能力强，适合新型高速网络结构这些显著的优点使其逐步在智能建筑中得到广泛的应用。

3.1 　PLC的选型及设置

为了满足以上所介绍的空调工艺要求，整个控制系统需要可编程序控制器的输入、输出点分别是112点和32点，其中模拟量输入、输出为6点和4点。根据PLC的I/O原理使用原则，即留出一定的I/O点以做扩展时使用，以及系统设计中实际所需的I/O点数。

选用华光电子工业有限公司的SU－5/B型。
主　　机：SU－5/B
输入模块：U－25N、U－01AD
输出模块：U－05T、U－01DA

这种机型的I/O点数为256点，有RS－422通讯端口，其编程指令有143条，并配有相应的编程软件S－62P，不仅可以通过手持编程器对其编程。而且可以通过PC机对其进行编程输入。该软件还能在PLC运行时监控其运行状况。

3.2 　软件设计

1＃、2＃制冷系统的启动/停止是用于制冷系统的手动启动/停止控制。也可以通过温度设定，依据冷负荷的需要自动开启制冷系统。每台设备均设有自动、手动、备用三种运行状态，自动用于联锁集中控制；手动用于调试或检修；备用状态用于热备用。

三台水泵二工一备。其中备用泵循环轮换，提高设备的保养率。

各台设备按工艺要求顺序自动启动/停止时，采用每台设备启动后经15s左右延时，再启动下一台设备。一是考虑水泵稳定运行有个过程，二是避免数台电动机同时启动，冲击变压器，影响供电质量

图1 分级控制网络示意图

2.2 硬件配置
现场控制室——操作站计算机PC，主控制器0#SLC（SLC-504）带有标准RS-232C /DH+ /8针圆形接口，共3个网络接口。配置模拟量输入/输出模块，开关量输入/输出模块，共计128点，所有开关量输出均采用继电器隔离。0#SLC控制各设备子站以外的系统测点和阀门。
空压机子站——1#-6#SLC可编程控制器（SLC-504），分别配有包括模拟量输入在内的64点I/O模块；通过DH+接口连接到上层设备网。
干燥器子站——1#-8#M1200微型可编程控制器（Micrologix 1200 自带24点I/O），配接12点模拟量输入I/O模块，通过NET-AIC通信模块接入DH-485下层设备网。PV-500彩色触摸屏也由通信模块的9针插头连接到DH-485网。
2.3．软件组成和工作程序
网络连接软件RSLinx 它在车间级设备与各种应用软件之间提供通讯功能，它可组态网络的通讯协议（即选择PLC控制网络的协议，如DH-485协议，DH+协议），传输波特率，驱动程序等，完成网络的初始化和令牌管理。
编程软件RSLogix 500 可使用户在DH-485网或DH+网上对控制器（SLC 500、Micrologix 1200）进行编程，网络上的任一个工业终端可以用来对网络上的所有控制器编程。用户既可以将程序下载到有关设备中，又可以从设备上载已有的程序，调试程序，的运行。
工作站组态软件RSView 32 设在现场控制室的操作站用来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通讯、显示及报表管理等功能，
各设备控制器自成一子系统，其应用程序功能包括：信息，设备控制，故障报警，联锁保护，以及数据处理和通信传输。
通信传输工作程序如图2所示。在本案例中，从控制控制器经现场控制室操作站到7#SLC通信控制器，均采用自上而下的方式读/写目标控制器的数据区数据，由数据传送指令完成数据通信，实现信息集成和远程控制。

图2 通信传输工作流程示意图

3．难点问题和解决方法
整个控制系统随同设备于2003年7月初步完成安装调试工作，进入试生产。2004年2月正式投产，满负荷运行，情况良好，达到设计的预期目标。期间出现过的主要问题为：
1）通信故障引起远程监控失效两次（上层设备网）。分析可能的原因，通信电缆使用了带屏蔽的普通信号电缆而非控制设备规范要求的双绞线屏蔽电缆，易受现场干扰；软件方面对通信异常未设置必要的处理程序。
解决方法——将原来115.2KBps通信传输速率降低到57.6KBps ，以提高的性；软件方面做了相应的改动，此后未再出现过类似通信故障。
2）通信传输延时，实时控制滞后（下层设备网）。经分析获悉，DH-485令牌总线网络结构的工作模式使得7#SLC通信控制器需要多个循环才能对下层网各设备控制器扫描一遍，加之网络传输速率相对较低，在传输数据量较大时，出现控制延时达7-8秒。
解决方法——由于系统结构已定，硬件无法改变，所以在软件方面加以进。速率提高到上限19.2KBps；再软件程序，采用控制操作指令的策略，控制滞后的操作可得到改善。

4．小结
·控制系统网络化可有效实现空压站远程监控，无人值守。本案例的成功实施是一个很好的示例。
·分级控制网络的实施，分散了故障危险，可提高网络运行的有效性和性。
·综合分析生产实际情况，以及评价控制设备的各项性能指标，有助于制订经济性的控制方案，从而降低投资成本，提高经济效益。
改进方向：
1）引入故障检测和故障诊断的处理程序，系统的智能化程度可得到提高，有利于进一步改善自控系统的有效性和性。
2）优化调度策略，软件联锁保护等自动控制功能模式的应用，有望将自动化水平提升到高层次，并由此获得大的效益

随着社会经济的发展，尤其是国家对环保要求的日益提高，造纸竞争日趋激烈，原有的小型造纸设备很难适应邀烈的市场竞争，应运而生的大型造纸精浆机的地位便显示得尤为，对大型造纸精浆机控制系统的设计是精浆设备设计的关键所在。正是基于这种情况，本研究采用PLC作为控制元件，实现对大型造纸精浆机打浆工艺的过程控制，并实现了对多种型号精浆机进行高质、、自动控制的目的。

2 系统简介

根据控制工艺要求，综合控制点数，我们选择了西门子公司的S7-200系列CPU214型PLC，它包括输入、输出、程序存储器和处理器4部分，具有指令执行速度快、性高、中断灵活、内置计数器以及对输入/输出的直接查询和赋值等功能。

触摸屏采用西门子TP27-10型，它是基于PLC的软硬一体人机界面，能以图形界面形式实现各种工作状态的显示，并具有使用方便、人机对话界面友好、组态技术易掌握、与P轲进行良好通讯以及能适应车间工作环境等特点。通过触摸屏可以实现对精浆机具体工艺动作的操作控制。

系统的总体结构如图1所示，主要工艺动作过程如下：

主机启动之前，启动液压泵电机，确认冲水清洗磨室后进纸浆，为系统正常工作提供浆压。接着，主机启动，快速进，由待机停位进到位置，再慢速进到正常工作状态位。根据具体的工作需要，断浆之后可以实现人工或自动退到停位，正常退之后，系统给出是事冲水清洗的提示，确认冲水完毕，即可实现整机停车。当遇到特殊情况时，可以先紧急停车，退之后，再停止液压泵工作。

精浆机磨盘的实际工作间距非常小，要求在快速进之后，控制好进的速度，避免盘之间产生直接磨擦，损坏盘。进控制包括两个方面：快速进和慢速进，快速进是为了节省进时间提高生产效率，慢速进则是为了对进量进行准确控制，以满足盘之间对距离的严格要求。主机开始启动之前，要求在盘之间存在一定的压力，这个压力由纸浆溶液来提供，因此要启动液压泵电机，为系统提供所需的启动压力。如果压力差值太小或者为零，容易引起动态盘与静态盘的直接接触，导致盘报废，甚至磨盘主轴扭断等严重后果，为避免产生这种现象，需要对纸浆压力信号进行监控，在主机启动之前，要确认浆压值是否达到实际工作要求的范围。为提高系统的性，浆压达不到要求范围时，主机不能启动。

3 系统功能设计

3.1 控制指标及控制模式的确定

根据对纸浆纤维和造纸品种的工艺要求，计算所需的有效打浆能耗，然后，求出具体的打浆控制功率，以恒功率的形式对主电机的功率输出进行控制。结合具体的应用场合，具体的控制策略实现形式会有所差别。

磨盘之间的距离是一个动态变量，在压力的调节过程中，会随着纸浆压力值的变化而变化，当浆压恢复到预先设定值的时候，磨盘之间的距离也会达到理想需求值。系统设定的参考控制指令值，与浆压和流量有着直接关系。理论上主电机输出功率的控制目标值是随浆压和流量变化的，进而控制磨盘之间距离的进给调整。但由于实际系统中浆压的波动比较缓慢，幅度较小，而且，声波流量计通常比较昂贵。考虑到这两种实际情况，在该控制系统中可采用以下两种不同控制策略：（1）根据纸浆种类、打浆质量要求以及压力和流量的实际变动范围，确定相对固定参考功率值，实行恒功率控制，同时监控有关的浆压和流量信息，实行恒功率控制，同时监控有关的浆压和流量信息，实行范围报警操作；（2）采用真正的有效能耗控制，根据实时检测的浆压和流量信号实时调整主电机输出功率指令，保流量大小和浓度值达到工作要求。

浆压与间隙的对应关系，由具体的工作要求确定。浆压值大小则由采样计算得到的平均值确定，当浆压偏离设定值时，PID中断子程序将进行自动调节，直到浆压达到正常设定值。

3.2 PLC程序设计

应用编程软件Step7 Micro/Win32完成系统控制程序的编制工作。该编程软件具有梯形图、语句表和功能逻辑块图3种输入方式相互转化的能力，本研究采取语句表（STL）和梯形图（LAD）在开发PC机上混合编程的方式，提高了编程效率。由屏蔽通讯电缆将PC的RS-232串行端口和PLC的RS-485通讯端口联接，实现PC与PLC之间的通讯。

在该控制系统中，采用增量输出、数字式PID调节器控制方法，其实质是根据输入的偏差值，按比例（Proportional）、积分（Integral）、微分（Differential）的函数关系进行运算，其运算的增量用以输出控制。图2给出了数字式PID调节器结构框图。由比例系数直接决定控制作用的强弱，适当调节可减少系统的稳态误差，提高系统的响应速度；在比例调节的基础上加上积分控制可以系统的稳态误差，只要偏差存在，积分所产生的控制量是用来稳态误差的；而微分控制产生前校正作用，用于减少调，克服振荡，使系统趋于稳定，改善系统的动态性能。

在PID的运算过程中，需要确定控制周期的值。微分和积分是两个比较灵敏的数学运算，采用如下的计算公式：

整个程序包括主程序、初始化子程序和中断调用程序三部分，主程序完成对两个子程序的调用，实现对各个具体动作的控制，如进退、主机启动停止以及紧急停车等；子程序完成对各变量的初始化，定义参数值、溢出值和对参考值进行设定；中断程序是整个系统的部分，进行模拟量采样平均值及其差值的计算，具体实现PID调节器的整个控制过程。中断流程图如图3所示。下面给出中断程序中模拟量采样以及平均值计算程序的部分语句，示例整个程序的编制过程。采样次数、采样时间间隔由子程序定义。

MOVW AIW0，VW12 //模拟量采样值，采样

LD SM0.0 //SM0.0总为1

LDW>=VW12,+0 // 检查输入信号

MOVW +0，VW10

NOT

NOVW 16#FFFF，VW10 //把输入值转换成双字，则VD10=当前模拟量采样值

LD SM0.0

+D VD10,VD14 //采样值累加

INCW VW156，+n //若定时中断计数器数值>=预置定时中断个数

MOVD VD14，VD18 //采样和备份

ENCO 16#4，AC1 //计算移位数

SRD VD18，AC1 //用移位实现除法，即求得采样平均值

MOVD +0，VD14 //采样和清零

MOVW +0，VW156 //计数器复位

NOT

CRET1 //否则返回

3.3 触摸屏组态概述

由Protool组态软件完成在触摸屏上变量输入、信息显示和操作画面的定义，并实现其操作功能，从某种意义上讲，组态的实质既是功能的实现。举两个简单的例子。表1列出了部分已定义的全局变量。全局变量带有PLC链接，是实现触摸屏和PLC之间的数据交互通讯的联系纽带，它在PLC上占据一个已定义的存储器地址，可以在操作器单元上对该地址的变量进行读写访问。

变量VAR_1的地址M0.1与PLC的“主机启动”输入节点I0.1相对应，因此需要将其定义为“Button”功能，即通过该按钮可实现主机的启动。变量VAR_Q5的地址Q0.5与PLC的输出节点Q0.5相对应，用来实现浆压报警信号的输出，因此只需要将其功能定义为“输出显示”即可。

变量VAR_Kp的地址VW118对应PID控制器的“比例调节系数”，因此需要将其功能定义为“比例调节系数的设定”，它将要求工程技术人员设定合适的比例调节系数。同样，变量VAR_Kd分别定义为积分和微分调节系数的设定。

对触摸屏的整个组态工作主要包括“主机启动”、“口令保护”、“系统定义”、“参数设置”、“系统控制”和“PID控制”6个操作界面，以及各种操作按钮、显示画面和功能键等。其组态原理与上述两列相似，所不同的是组态的具体操作过程和组态工作的复杂程度。

4 结束语

可编程控制器和触摸屏在该控制系统中的结合应用是较为成功的，该系统具有功能完善、维护方便、操作简单、控制等特点，它已经应用在大型双盘精浆机和锥形磨浆机的系统控制中，控制对象既包括普通低压电机，又包括800kW的1万伏高压电机，均达到了打解浆、质量好的预期要求。其中，淄博轻工机械股份有限公司在承担的国家技贸引进技术课题DD-720双盘精浆机中，应用了本研究的控制系统，该计贸引进技术课题已经通过了技术鉴定。