石家庄西门子中国一级代理商变频器供应商

石家庄西门子中国一级代理商变频器供应商设计背景
船舶在海洋中的摇摆姿态、船体的抗风浪性能对船舶的航行的稳定性、性具有的意义。船体在海洋中的不同运动姿态：横倾、纵倾、上下代表不同的海况等级，船舶的适航等级适海洋船舶的一个重要指标。因此，在设计船舶时，尤其是远洋船舶、海洋船舶的设计，要经过科学计算其船体的抗风浪等级。但计算仅仅是理论值，要经过多次的海风浪试验加以修正。这样的试验不仅费时、费力，还浪费了大量的财力。有些单位为了减少开支，将海风浪试验降低到的次数，不仅影响了测试数据的完整性，而且有些数据不一定完整。为了避免这种现象发生，使远洋和海洋船舶设计的为科学、省时、省力、省经费，我们利用了菱电自动化的大型实用型PLC　AnSH以及经济紧凑型FX2NPLC，FR－E540变频器，并采用CC－bbbb现场总线，开发了一套长50米、宽30米、深6米的水池造波系统，可以模拟实时海况的风浪，实现了船舶设计的半实物系统平台，不仅可以提供给船舶设计单位以及船舶认证单位进行半实物的实时试验，为船舶设计提供接近实际海况的测试现场数据，还可以为海洋开发单元进行波能发电装置的开发研究。这样的半实物分布式平台系统在国外90年代就已成型，在我国船舶设计单位目前正在展开试制工作。

2　　系统组成与设计
2．1　　系统组成
为了实时模拟海况的风浪，水流、浪程和浪高等，本造波系统有如下分系统组成
1） 造波分系统：水池配有三套双推板大功率的造波机和小功率的造波机，大、小造波机不同的组合能产生纵向传播的长峰波，大波高可达0.3米，由计算机进行程序控制，可以产生模型试验所需要的规则波或不规则波。
2） 造流系统：水池配有一套高压喷水造流系统，在池墙两侧均匀密布喷水管，水泵从粗管吸水加压后从密布的喷水管中喷出，在水池中造成均匀的水流。该系统能产生纵向流和横向流，大流速为0.1米/秒。此外，还配置了局部造流系统，以适应高速水流以及不同流向试验的需要。
3） 造风系统：配置一套可移动式鼓风机造风系统。大风速可达5米/秒，通过计算机控制系统可进行风谱的模拟。
4） 拖车系统：在拖曳试验时可以进行迎浪、顺浪和横浪的拖曳试验，也可对x、y方向调节进行斜浪的拖曳试验。
5） 水池过滤系统：水池配械过滤系统。
6） 消波系统：在造波机对岸设有一定倾斜度的格栅式消波滩，借以吸收波能防止产生反射波。
2．2　　系统设计
为了实现上述功能，系统采用分层、分单元的概念，将系统实现真正的分布式控制。其中，造波分系统、造流分系统以及造风分系统分别可由两台PLC控制，海况的波浪有大海浪、小海浪、纹波海浪，为了真实模拟海况的特性，高头较大的海浪由AnS　PLC控制，小海浪、纹波海浪由FX2N　PLC控制。造流分系统与之类似。只有这样，才能模拟海况中的两个大浪潮中含有许多的小高头的浪潮。浪潮产生的过程为：由PLC的模拟输出功能模块输出0～10V的控制信号控制FR－E540型变频器的输出频率，变频器实时控制三相异步电机的转速，电机带动造波器的浆液片打击水面，电机的转速不同，造成两个波头之间的波程和波峰的不同，这样，三相异步电机不同的转速与不同的波头、波程、波峰相对应，因此，两个三相异步电机不同的转速组合便可实时再现模拟不同的海况。造流系统同样由AnSH　PLC和FX2N　PLC组合控制各自的动力水泵，形成不同的水流能量。造风系统由AnSH　PLC控制大功率的风机实现。
为了提高性，本控制系统中还设计了手动备用调速系统，以保在计算机故障时不影响造波。当计算机故障时，切换装置不需人工干预，自行切换到手动备用调速系统，操作人员可以通过电位器调节变频器转速来维持正常的造波过程。三个由AnSH　PLC、FX2N　PLC以及FR－E540变频器和三相异步电机组成的三个现地控制单元和由PC组成的服务器、人机交互服务器架构的系统配置见图1所示。AnSH　PLC、FX2N

2．2．1　　AnSH　　PLC特性及配置
A1SJHCPU是AnSH系列中经济的CPU经的CPU组件。A1SJHCPU的特之处在于它的CPU，电源和基板集为一体，从而显著地降低了制造的成本。AnSH采用了三菱专为顺序控制和数学运算而开发的“三菱顺控处理器芯片”(MSP)。AnSH不但速度比AnS快，而且增加了CC-bbbb的指令，原先的指令仍然得到保留(包括PID运算，浮点运算和三角函数等)。同时内置的性能诸如锂电池、后备RAM、用户存储器、实时时钟和一个灵活的通信口，使AnS系列能适应广泛的应用场合。其特殊功能组件的完整，使AnSH可的适用于过程控制、定位控制和其它各种类型的控制。与同类产品相比，其性价比较高，这正是我们选用AnSH的理由。其中

图2　　　AnSH　　PLC配置
1） A1SH42数字输入/输出模块：主要控制一些控制继电器、接触器的开闭状态、与继电器配合控制电机和变频器的电源的开闭状态。
2） A1SJ61BT11　CC－bbbb现场总线通信适配器：主要用于与系统服务器中的CC－bbbb主控模块通信，实时传递AnSH　PLC监测各量的状态与参数、同时接收服务器传来的控制指令。
3） A1S66ADA模拟输入/输出模块：实时监测水池的水压变化趋势(反应了海况的级别)，给FR－E540变频器提供模拟控制量，使变频器的输出频率变化，达到控制三相异步电机转速的目的，从而控制、模拟海况的风浪和浪高、浪程。
4） A1SD62D高速计数模块：实时监测三相异步电机的转速，以便A1S66ADA模块对电机的转速进行PID调节。
2．2．2　　FX2N　PLC特性与配置
FX2N系列是PLC　FX家族中的系列，它大范围的包容了标准特点、程序执行快、了通信功能、适合不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，可以为工厂自动化应用提供大的灵活性和控制能力。因FX2N　PLC具有良好的性价比，它不但具有硬件上较好的配置性能和功能性能，还有丰富的软件功能指令集，是目前小型PLC中的代表，同时它拥有无以匹及的速度、的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入/输出的多种应用的选择方案。其灵活的配置、高速运算、的寄存器容量、丰富的元件资源、尤其适合小点数的过程控制。其中

图3：FX2N　PLC配置

1） FX2N－64MT－D主控模块：其数字输入/输出模块控制一些控制继电器、接触器的开闭状态、与继电器配合控制电机和变频器的电源的开闭状态。
2） FX2N　－32CCL　CC－bbbb现场总线通信适配器：主要用于与系统服务器中的CC－bbbb主控模块通信，实时传递FX2N－64MT监测各量的状态与参数、同时接收服务器传来的控制指令。
3） FX2N　－4AD模拟输入模块：实时监测水池的水压变化趋势(反应了海况的级别)；
4） FX2N　－2DA模拟输出模块：给FR－E540变频器提供模拟控制量，使变频器的输出频率变化，达到控制三相异步电机转速的目的，从而控制、模拟海况的风浪和浪高、浪程。
5） FX2N　－1HC高速计数模块：实时监测三相异步电机的转速，以便FX2N　－2DA模块对电机的转速进行PID调节。
2．2．3　　服务器配置
CC－bbbb为主从模式，因此，在中控室内的主控服务器内插放一块主模式的CC－bbbb通信适配卡：A80BD－J61BT11。为提高其控制的实时性，通信速率选用了2　.5M，操作系统选用bbbbbbs　NT4.0＋SP4。系统的编程开发环境为Visual　C＋＋　Ver6.0。并安装有SQL　Server　V7.0，用于人机交互、CC—bbbb网络组态、实时数据库访问、历史数据回放、控制命令的传递和下放等任务、三维图形的显示等。
2.3　　CC－bbbb现场总线
CC-bbbb是Control&Communication　bbbb　(控制与通信链路系统)的简称，是一种开放式现场总线，以设备层为主的网络，其数据容量大，通信速度多级可选择，而且它是一个复合的、开放的、适应性强的网络系统，能够适应于较高的管理层网络到较低的传感器层网络的不同范围。可实现从CC-bbbb到AS-I总线的联接。CC-bbbb具有高速的速度，达可达10Mbps。CC-bbbb的底层通信协议遵循RS－485，一般情况下，CC-bbbb主要采用广播一轮询的方式进行通信，CC-bbbb也支持主站与本地站、智能设备站之间的瞬间通信。
CC-bbbb。具有性能、应用广泛使用简单节省成本等优点。
2．4　　系统性设计
PLC输出模块内的小型继电器的触点很小，断弧能力很差，不能直接用于厂级～220V～380V电路中，用PLC驱动外部继电器，用外部继电器的触点驱动～380v的负载。同时较多的AC220V～380V电磁阀内部有与其线圈串联的限位开关常闭触点，电磁阀线圈通电，阀芯动作后，是用阀内部的触点来断开电路的。在这种情况下，要选用触点较小的小型继电器来转接PLC的输出信号。本系统中用到了大功率可控硅装置，PLC应远离强干扰源。PLC不能与高压电器安装在同一个开关柜内，在柜内PLC应远离动力线(二者之间的距离应大于200mm)。与PLC装在同一个开关柜内的电感性元件，如继电器、接触器的线圈，应并联RC消弧电路。PLC的I/O线与大功率线应分开走线，如要在同槽中布线，信号线应使用屏蔽电缆。交流线与直流线应分别使用不同的电缆，开关量、模拟量I/O线应分开敷设，后者应采用屏蔽线。不同类型的线应分别装入不同的电缆管或电缆槽中，并使其有尽可能大的空间距离
另外，由于本系统CC－bbbb要完成所有数据通信，因此对通信电缆要求性高应选用CC－bbbb并提供的电缆。

3　系统特性
在本系统中，可以进行多种船舶半实物试验和海洋能量的开发试验：
1） 新型海洋工程结构物的开发研究、船舶部件受力的分析和模型试验技术，
2） 可以进行波能发电装置的开发研究。
3） 海浪、海流、浪流交互作用下波态的模拟及其分析处理技术，海洋环境数值预报的模拟验证，海洋浮标、海洋水文仪器的设计、校验、标定。
4） 各类船舶的设计、结构强度及流体动力性能的研究。

4　　系统软件设计
系统控制软件是本系统设计的关键所在，同时也是难点。包括上位机人机交互可视化软件及PLC　控制软件2　大块，人机交互可视化软件主要由人机界面程序模块、数字信号处理程序模块、数据库程序模块等组成，均采用Visual　C＋＋编程，在控制过程中，主程序可随时通过DAO　利用SQL　查询语句读写数据库中的相关数据。在试验结束之后，可以进行工艺阐述数据统计操作，可以任意选择统计开始时间和结束时间，计算机自动对该时间段的所有测量数据进行分类统计。并可以用三维动画形式直观的显示出来，相关数据可以进行备份、删除、导出、打印报表等操作，以利于人机交互操作。
在服务器上，由于要进行大量的数据分析、图象处理、人机交互，因此选用了bbbbbbs　NT作为操作系统，完成数据的分析、通信、海况模拟拟合以及评估。系统软件的整体结构见图2所示。

5 应用体会
在本系统中，系统硬件选型是关键，如何选用、性能的硬件平台应该是本系统平台的设计关键之一，系统的性设计也是本设计的。
1） 菱电公司的AnSH和FX2N型PLC在工业控制中是市场占有率较高的PLC，以其应用的品质、较高的性价比和抗干扰性能强而著称，这两款PLC的应用使得系统的性和经济性得到了保证。
2） 与其他产品相比，三菱PLC指令简洁，给用户编程，维护都带来大方便，降低了生产成本，可较大缩短开发周期。
3） CC－bbbb现场总线传输速率较高，性好，保证了本系统大量数据的传输，使得系统的实时性、性得到了保证。同时，CC－bbbb的应用大量减少现场布线，使得系统的可维护性得到了提高。
4） 系统采用真正的分布式概念，使得平台相互之间的相关性减少，便于了系统的设计、分析和应用。
5） 系统由现地手动和远程计算机自动控制两种方式，增加了系统的灵活性。

除盐水生产线自动化控制系统设计由两级网络组成，一级是过程控制级，二级是基础控制级。

级——过程控制。以S7-400PLC系统作为主要控制,由两台上位机、PLC控制单元加以太网卡等组成工业以太网，监控站利用组态软件WinCC实现对工作现场进行监督控制，处理器采用CPU416，I/O系统采用ET200M，通过ET200分布I/O通讯对流量、液位、pH值、出口压力等参数进行采集，上位机将实时数据库的数据送到服务器的关系数据库中，进行保存和数据处理。过程控制级通过工业以太网将上位机系统和现场监测与控制点紧密的结合为一个整体，从而实现对整个控制系统的计算机在线远程诊断功能。

二级——基础自动化。PROFIBUS-DP网络是网络集成的底层，主要是连接现场设备。主站S7-400 PLC通过PROFIBUS-DP网与从站通信，一方面主站将控制数据电机速度设定、温度、压力设定、接触器吸合及断开等发送到传动装置；另一方面传动装置的电机转速、传感器流量、温度、压力、接触器触点的通断等数据通过通信传送到主站PLC的寄存器地址。Profibus-DP主要用于工业自动化系统的高速数据传送，实现调节和控制功能，是一种高速通讯，用于设备级控制系统与分散式I/O的通讯，是计算机网络通讯向现场级的延伸。


3.2 软件设计

计算机操作系统采用bbbbbbs 2000 Professional 中文版本，上位机软件采用Wincc 6.0组态软件来实现。

3.2.1 操作系统软件bbbbbbs 2000 Professional中文版提供了一个快速、的多用户、多任务操作系统环境，是目前使用广泛的工控系统。

3.2.2 Wincc 6.0软件实现了对整个系统的开关量、模拟量的采集和处理，并显示在监控画面上，在对多台重要水泵的控制中的物理量如电流、主回路运行、频率设定，有无故障等都实时显示在系统画面上，方便操作人员及时掌握系统的运行情况。

3.2.3 采用Step7 对西门子可编程序控制器进行配置、编程，它可以利用IEC-1131标准中八种编程语言中的六种（STL、LAD、FBD、CFC、SFC、SCL）进行编程。


4 系统功能实现

根据除盐水生产工艺，监控系统的功能主要是实现对工业新水的加药、过滤、滤、反渗透技术、阴阳离子置换、酸碱作用等控制工序，大致可分为过滤系统、滤系统、反渗透系统、阴阳离子置换系统、与酸或碱结合系统5个子系统4.1 画面显示功能:该画面通过wincc 6.0软件组态编辑实现动态模拟显示整个除盐水制备的过程。利用数据链接技术使得画面上的元件实现实时动态、闪烁、变色等功能,让画面上的工艺参数以数字、棒图的形式实时显示,并对故障进行实时诊断。

4.2 数据处理功能:对系统采集的各种类型信号,利用各种计算功能、数据变换功能等实现,模拟量信号有流量、压力、浓度及PH值,数字量信号有水泵的运行状态、故障和启/停信号.

4.3 系统操作功能:有自动和手动两种工作方式，正常运行时采用自动方式，故障和调试时采用手动方式。它由PID控制回路实现对一些重要的模拟量数据的控制，以达到期望值。

4.4报表功能与历史趋势功能:生产中的一些参数，需要及时打印，可形成报表。报表分为班报、日报、月报，可定时打印，也可手动任意时间打印。一些重要参数，我们对其进行历史数据存储，形成历史趋势，可以随时进行查看。

4.5报警记录功能：实时地发出所有发生故障的参数的声光报警，提醒值班人员采取相应的措施

5 主要生产设备的控制

生产设备的主要控制方式为自动/远程手动/机旁手动三种方式。

自动控制： 自动完成水泵变频启动的所有相关过程，压力传感器将水泵出口压力信号送至PLC，作为泵出口压力单闭环控制的反馈值（给定值根据实际工况设定），通过PLC对水泵出口压力信号变换和处理。为变频器提供频率给定，实现频率的自动调整.

远程手动：操作人员可根据现场设备运转状况，通过监控站进行单机设备操作，实现除盐水生产的控制工序，作为联锁调试用。

机旁手动：作为单机检修或现场调试用。


5.1 水泵的控制与联锁

因为除盐水的生产不是连续生产方式，并且其产水量经常根据锅炉系统的负荷调整进行调整，所以生产设备（水泵）的控制方式应该能够适应多种情况下的生产方式，如一用一备、两用一杯等不同工况

滤装置的运行主要是对5个电磁阀控制的阀门进行控制：进水阀、产水阀、反洗进水阀、正冲排水阀、反洗排水阀。这5个阀门的状态决定了滤装置的工作状态：运行、备用、反洗。

运行：滤在运行状态下，进行正冲操作，正冲完成后滤装置的进口和出口电磁阀得电，进、出口阀门打开，滤装置投入运行；

备用：滤装置在备用状态下，滤装置的进口和出口电磁阀失电，进、出口阀门关闭，滤装置投入备用；

反洗：滤反洗有两种方式，定时反洗和定压反洗。定时反洗是根据滤运行的时间进行固定时间间隔的反洗，定压反洗是根据滤装置的进出口压差进行反洗，当进出口压差达到一定数值则滤装置也进行反洗。现在的滤反洗一般采用定时反洗。


5.3反渗透装置的控制

反渗透工艺是一种在压力驱动下，借助半透膜的选择截留作用，将溶液中的溶质与溶剂分闪的分离方法。在水处理工艺运用中，将水中无机离子、细菌、病毒、物及胶质等杂质去除，以获得高质量的水。系统对反渗透装置的控制有三种工作状态：运行、备用、冲洗。反渗透装置有3个由电磁阀控制的阀门，反洗进口阀、产水排放阀、浓水排放自动阀

一、电机分批自启动技术在石油化工等连续生产企业中有着广泛的用途。以PLC为控制单元的电机分批自启动系统具有以下功能及特点：
1、能够实时地监控电机的运行状态；

2、记忆电网波动前电机的运行状态，只有在电网波动前处于运行状态而且在电网波动时停机的电机才具备电机自启动条件；


3、准确及时地捕获电网电压信息。

4、分批自启动的电机按照工艺流程需要，在PLC中预先设置，同时为避免多台电机在自启动中对电网的影响、电机分批自启动中采用分批延时处理方式；

5、具有多路输入和多路输出功能，实现多台电机自启动集中控制；

6、具备远程通信接口，实现与上位机或DCS系统的通信，在上位机或DCS系统中方便地对该系统进行监控和维护。

洛阳石油化工总厂的2套PLC电机分批自启动设备，采用西门于S7-300系列PLC，它以CPU313为处理单元，每执行1000条二进制指令约需 0.7ms。S7—300同时具备128点数字量输入/输出和32路模拟量输入/输出，12KB的RAM，20KB的负载存储器；能够满足电机状态和 系统电压的实时监控和及时实现电机分批自启动的要求。
二、系统组成

2套PLC电机分批自启动系统根据变电所供电方式，每一段低压母线采用l台PLC。系统硬件主要分为外围电路和单元2部分。外围电路主要完成母线电 压、电机运行状态等信号的采集、处理和转换以及电机启动指令的驱动等。单元(即PLC)主要完成信号处理，发出电机驱动指令。

2.1外围电路
外围电路主要包括以下几个部分：

1、母线电压采样监测。它通过1个电流型电压变送器将0—380V交流母线电压转换为4*20mA直流信号。

2、电机运行状态信号监控。电机运行状态信号通过电机控制回路中的1个干接点输入到PLC的输入模块。所有信号的输入都经过光藕隔离，以提高抗干扰能力。

3、电机驱动单元。电机启动信号由PLC发出，输出单元不直接驱动电机，而是通过1个220V、10A AC的中间继电器带动电机操作回路。这样一方面提高了驱动能力，另一方面使得电气操作回路和PLC控制回路分隔，提高了系统的性。

2.2单元
根据系统的要求，其PLC主要有以下几部分：

1、CPU313及系统软件。它完成电压和电机运行状态监测，实时进行逻辑判断，发出电机分批自启动指令。CPU313有4种操作选择：RUN—P、RUN、STOP和MRES运行方式。

2、模拟量输入模块SM331(8路输入)。它把电压变送器输入的4-20mA的模拟量转换为数字信号，并将数字信号送到PI，C的控制单元，以供PLC做出电压判断。

3、数字量输入模块SM321。16路输入2个，32路输入1个，完成62台电机运行状态监测和PLC电机分批自启动系统运行、调试状态监侧，电机运行状态信号通过电机操作回路中的接触器辅助接点接至该模块。

4、数字量输出模块SM322(输出8路)。接受PLC控制单元的指令，完成电机驱动信号输出，通过出口中间继电器，驱动电机操作回路，完成电机分批自启动。

三、系统软件设计

电机分批自启动系统软件主要为：

1、完成系统初始化；

2、正常状态下的数据监测；
3、电网电压出现波动后，即电网电压降至70%，所有电机都会因为电气保护装置而强制退出运行，在此之前，程序已经做出判断并锁存电机状态信号；

4、当电力系统恢复正常（3s内，母线电压恢复至95%）时，程序依据故障前保存的电机状态信号、对具备白启动条件的电机。按照顺序分批发出启动信号，使其恢复运行；

5、无论在正常状态下或是在电机自启动过程中，PLC均实时监侧母线电压；

6、通信接口程序。包括系统监测数据和故障信息，PLC将采集的母线电压信息、电机启动状态信息传输到上位机或DCS系统，便于维护人员实时了解设备运行状况。