长沙西门子中国一级代理商变频器供应商

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 0.引言

    随着国民经济的发展,电网容量和用电负荷的日益增长,电力系统对自动化和性的要求越来越高。电力系统自动化对性的需求,使人们注意到“PLC”(可编程逻辑控制器)这种高性和强抗工业干扰的技术。90年代以来,PLC发展迅猛且应用的局域网技术日趋成熟,产品不断向系列化、标准化发展,在自动化控制领域中,新一代的PLC改名为PCC已逐渐跃居主导地位,成为实现自动化控制的关键技术,在电力系统也不例外。

    PCC(ProgrammableComputerController)是一种可编程计算机控制器,它是专为在工业环境下应用而设计的工业计算机,采用“面向用户的指令”,因此编程方便；它直接应用于工业环境,具有强的抗干扰能力、高的性、广泛的适应能力和应用范围；大容量的存储能力、标准通信接口,基于过程总线的系统互联、语言开发和运行环境,自诊断能力,都使得PCC在电力系统的应用具备了出色的友好“平台”。

    1.PCC系统CPU的特点

    继承了PLC与微机技术的PCC技术形成代自动化软硬件平台结构,采用32位CISC和RISC的CPU,多处理器结构。图1为本系统所用的CPU模块结构。图中除了主CPU外,I/O–Processor即I/O处理器主要负责立于CPU的工作。DPR-Controller即双向口控制器主要负责网络及系统的管理。一个模块上的3个处理器,既相互立,又相互关联(通过DPR),从而使主CPU的资源得到了合理使用,同时又大限度地提高了整个系统的速度。    

图1CPU模块结构

    2.PCC在发电厂监控中的应用

    以某热电厂机组设备改造为例,介绍应用PCC实现的智能分布式数据采集与监控系统。该热电厂有大小机组7台,装机容量194MW,现准备对主要的4～5号机及整个电气系统进行监控系统改造。

    2.1设计原则

    系统按分布式结构设计,采用开放系统、分层控制等的计算机设计思想,将计算机技术、通信和网络技术、数据库技术、图形和图像技术、多媒体技术、数据采集和自动控制技术地结合在一起,技术成熟,运行经验丰富,能够满足近期的功能要求和远期的发展需要。整个设计遵照90年代IEC1000系列标准,满足ISO9001标准。

    (1)整个系统分为5个采制站,计有4号机组监控、5号机组监控、35kV出线监控、同期控制、01/1～3号机/6kV监控。两个操作员工作站。

    (2)通过计算机对励磁调节器(KFD)、发电机有功进行遥调。在4、5号机控制屏上设有手操有功调节和KFD无功调节及与汽机联系指挥信号。

    (3)不含同期点的出线,原控制回路取消,采用计算机控制。含有同期点的出线,应用成熟的计算机同期装置,采用计算机控制。

    (4)事故音响,预告信号原回路取消,功能由计算机系统实现。

    (5)厂用电BZT功能由计算机实现,对4、5号机强行励磁及主变风扇启动控制均由计算机来进行判别控制。

    2.2系统结构

    系统的网络结构系统配置如图2所示。    

图2系统配置框图 2.3系统管理层

    操作员工作站、工程师工作站和通讯服务器组成智能分布式系统结构的管理层。  管理层通过PROFIBUS网络与5个PCC采制单元相连,各工作站务器分别相当于PROFIBUS网上的一个立的结点。

    管理层采用多机及双网络方式运行,各工作站及通讯服务器之间还组成一个小的局域以太网,实现数据的传输与共享,互为备用,提高了系统的性;软件平台采用32位多任务、多进程设计,可支持bbbbbbs95/98/NT操作系统软件,配有多种应用软件接口,并支持OEM开发,为用户提供了二次开发平台；硬件平台可采用小型机、微型机或工作站等设备。

    通讯服务器完成与地调、模拟盘、GPS天文时钟接收装置以及电厂已有的几台RTU设备的通信；还通过HUB与该厂的MIS网相连,实时监控系统与管理信息系统结合在一起,实现了实时信息的管理。

    若用户具备与Internet连接的条件,管理层还可以提供PVI浏览器方案,实现远方读取数据。

    2.4系统控制层

    PROFIBUS网上的各采制单元组成智能分布式系统结构的控制层。控制层按照机组或线路等监控对象的不同分别组屏,可以使各单元组合置于过程对象附近,减少电缆投资。各监控单元分别完成相应监控对象的模拟量、数字量采集以及数字量的输出控制。模拟量采集采用交流采样。

    系统具有可扩充的模块化结构,电源、CPU、网络板、I/O板、模拟量输入板、通讯板等都是立的模板以总线方式连接在底板上,它取代了标准的框架装配的局限性,可在标准的DIN轨道上任意拆装、组合。

    每个单元都有一电源模块。系统电源是系统性与完整性的保证,PCC的输入电压有AC、DC两种,可实现交/直流切换。

    系统配有当地调试通信口,便于对不同的数据采集与控制设备进行跟踪与调试,方便了参数设置及运行监视的维护。带电插拔采集板件使得现场维护变得简单方便。

    在软件支撑环境方面,PCC采用语言编程,为用户提供透明的服务接口,同时,也支持直流采样,使得功能实现、系统增容都十分方便灵活。

    操作系统为实时多任务系统,在操作系统中一个任务的循环周期可根据任务的级确定。操作系统主要分三层：

    (1)操作系统核。

    (2)PCC软件包。包括：系统管理、系统任务、功能库、一般任务、高速级、通讯软件。

    (3)应用程序。包括：循环任务、非循环任务。操作系统为保系统的高提供了监视和的功能,包括:模块、系统结构、栈溢出、I/O、循环周期检测、硬件等。

    由于PCC的CPU采用68000+RISC的32位微处理器,具有强的运算处理能力,可使大量运算、控制功能、保护功能分散在各智能单元,大大提高了站内通信网的利用率,使整个系统效率达到。另外,系统软硬件方面良好的自诊断功能,可把故障范围减至小。

    2.5现场层

    智能分布式系统结构的外围层为现场层,包括采集层使用的传感器、二次控制回路等。

    现场层根据现场总线网络传输速率快(≥500kbps),软硬件实现简单的特点,可以用CANBUS

    (或RS485)来连接厂内的其他自动化装置如保护单元、故障录波、无功补偿设备等的主干网,并通过现场总线网络连接到采集层,与上一层进行必要的数据通讯。

    2.6网络通信

    采用的PROFIBUS(ProcessFieldBus)网络是一种高速数据链路,是具有标准通讯能力的开放式现场总线,用于PCC与PCC之间,或与其它接到本网络上的智能设备(如显示单元、上位机等)间传送数据和系统状态。PROFIBUS网络作为传输速度快的现场工业总线(500kbit/s～10Mbit/s),物理连接方式简单,既可以用双芯屏蔽通讯电缆,也可以用光纤等；多主多从的“PeerToPeer”方式,采用TokenRing结构,网上多可连入多达128个结点,大传输距离达4800m；与三方系统通讯方便,兼容性能；可任意的增加和删除网络结点,而对其他结点和整个网络没有影响,性高。PROFIBUS网络协议符合德国DIN19245。

    系统的CPU模块、的网络模块和通讯模块(本系统未使用)提供了多种标准通信接口(TTY,RS422,RS232,RS485等),使得CPU的局部I/O总线扩展、远程扩展I/O(通过RS485电缆)以及CPU间的现场总线组网非常灵活,从而方便地实现系统纵向或横向集成。

    3.系统改造后效果

    应用PCC实现的电厂机组设备改造,充分发挥了可编程编辑控制器(PLC)的标准控制功能和工业计算机的分时多任务操作系统的集成优势,不仅方便地实现了各机组、厂变、出线及同期控制单元的开关量和模拟量的采集,而且其双网络结构的管理层、具有大型机分析运算能力的PCC模块组成的控制层均为实现发电机有功调节、同期控制、强行励磁、备自投等回路的自动控制提供了的保,从而使该电厂的自动化管理水平登上一个新的台阶,为建立全厂信息监控和管理系统打下良好的基础,为电厂节能增效、提高供电质量开辟了广阔的空间。

    4.结束语

    总之,开放式系统平台是当今电力系统自动化发展的方向。现代的PCC与微机的发展相互渗透,它已是一种可提供诸多功能、成熟的用户应用控制系统,而不是一种简单的逻辑控制器,它已被开发出多的接口与其它控制设备进行通信,生成报告,多任务调度,可诊断自身故障及机器故障。基于现场总线的智能分布式的新型控制思想,基于标准化的开放性和兼容性,通用性和高度化的融合,这些优势使PCC可以实现电厂的各种运行、分析与控制功能,能够满足当今的电厂实现生产、管理自动化的需要,而且具有很高的性能价格比。PCC应用为电厂提高管理水平和经济效益提供了广阔的前景,是一种值得推广的可行性方案。

   随着当代工业制造技术的发展和革新，质量、效率和成本这些词语越来越频繁的被提出来并贯彻在自动化项目的实施过程之中。在运动控制领域，传统变频器以及伺服驱动器在一些需要位置控制的应用场合，已经很难在精度和效率上满足要求了。如无轴印刷机的套色系统、全电动注塑机伺服系统以及一些灵活的CNC应用项目中，因此，一些站在业界技术发展的公司研发并推出了一系列被称为智能伺服驱动器的产品。

    ACOPOS以及ACOPOSmulti系列产品，是由来自奥地利的贝加莱工业自动化公司推出的新一代智能伺服驱动器产品，它的出现为和的运动控制提出了一种全新的解决方案。    

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    ACOPOSmulti系列智能伺服驱动器和传统伺服驱动器相比，具有以下一些特点：

    1、内置了的DSP处理器，胜任高速的处理运算，能有效提高轴的性能以及控制能力。

    2、可以通过插卡式扩展实现高速的数字量和模拟量输入，新的ACOPOSmulti驱动器支持16位模拟量的输入，信号刷新周期仅为50微秒。

    3、通过不同的插卡支持多种的位置反馈方式，包括增量式（INC和SSI）和式编码器（Endat），其中Endat式编码器，分辨率可以达到500万线，具有单回转和多回转多种型号配置，可以满足几乎所有需要定位需要的应用场合。

    4、配合使用驱动器内置的诸多函数运算模块以及信号采集处理逻辑模块技术（SmartProcessTechnology），所有函数块以及由其组成的逻辑功能组合的处理循环周期仅为400微秒，而新一代的ACOPOSmulti的扫描周期是提高到了50微秒，几乎可以满足所有苛刻的应用计算。

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    由于ACOPOS系列智能伺服驱动器具有以上一些特点，使得它在印刷、多轴包装、全电动注塑、玻璃切割成型等应用场合得到了广泛的使用，特别是在印刷行业的套色控制系统中的应用，得宜与其直接输入模拟量反馈的技术，结合其内部高速函数模块运算处理功能，达到了的控制目标（稳态套色精度达到0.01mm@200m/min）。下面，就以套色控制系统中的色标信号采集处理功能为例，向大家详细介绍一下ACOPOS驱动器直接输入模拟量反馈技术。   

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    无轴印刷机中的套色控制系统，是在印刷机生产过程中，通过连续检测印刷完毕的材料上的图形的位置，计算出印刷误差，再通过对连续旋转印刷版辊的相位进行微调，使的在接下来的生产中相应的图案能够被印刷到正确的位置。要达到这个控制目的，就要的检测图案的位置，一般印刷的过程如图所示，印刷完毕的材料边缘的不同颜色的色标，就是用来检测各种颜色位置的标志，由于被印刷的图案和承印物（纸张或者塑料薄膜）之间通常都会有一定的色差，利用这一点，我们就可以通过检测颜色的深度，来确定是否有图案，因此，我们所说的用来检测色标的色标传感器（俗称光电眼）其实是一种高速模拟量传感器，它可以在承印物高速运动的情况下，辨识出承印物上不同的颜色，并转换成时域下的电信号。

    按照印刷业界的标准，在不同场合下印刷的，使用的色标形状也有所不同，有矩形、三角形、梯形等不同形状，其中矩形标细的一种仅为2mm，所以当印刷速度为200m/min时，2mm的标经过光电眼的时间仅为，生产速度越高，标形越细，对于标的辨识就越困难，换句话说，能否大限度的提升机器的生产速度，并能生产具有各种形状的标形的产品，很大程度上来说就是依赖于是否能到这类高速的模拟量信号。

    贝加莱新的ACOPOSmulti系列智能伺服驱动器内部集成了的模拟量反馈接入端口，其具体的性能参数如下：

    端口为单路模拟量输入，输入方式支持差分方式或者单跳沿两种，驱动器端内置光电隔离，具有好的抗干扰能力，输入信号电压值±10V（到15V），信号测量的同步周期为50us，模数转换精度16bit，并内置30khz的输入滤波功能。

    

    对于ACOPOS系列产品来说，是通过AC132插卡的方式来接入高速模拟量信号的，并且受限于其400us的循环扫描时间，在为苛刻的条件（印刷版辊的色标宽为2mm）下，生产速度为300m/min时，单个色标经过传感器的时间仅为400us，可见，当速度再进一步提高时，驱动器将无法辨识；而新的ACOPOSmulti系列产品，在其本体上就直接集成了1路高速的模拟量输入端口，而且其循环扫描时间仅为50us，和原来的方案相比，信号辨识能力得到了数倍提高。因此，由于ACOPOSmulti内部循环扫描时间的提高，即使印刷速度进一步提到300m/min甚的情况下，只要色标经过传感器的时间大于50us，理论上就能够被驱动器辨识到，所以具备了这样高速的模拟量直接输入技术的ACOPOSmulti伺服系统能适应高的印刷速度；其次，由于其内部的模数转换为16bit，并内置了频率高达30khz的输入滤波器，意味着能的发挥出传感器的色彩辨识能力，从而可以辨认出接近于承印物的颜色。因此，具备了模拟量直接输入功能的ACOPOSmulti智能伺服驱动系统将能好的适应各种苛刻的工业应用环境，并为客户提供为灵活，高速和的运动控制解决方案，和客户携手一起实现的自动化。

  一、方案概述

    主机控制信息系统（1＃、2＃机组）的DCS设计为冗余双环环网的拓扑结构，划分为1＃机组、2＃机组，机组DCS系统以千兆（KWES40016）工业交换机双环网和百兆（KWES40016(百兆光口模块)）工业交换机双环网的网络架构，网络上连至工作站、工程师站、应用服务器以及SIS系统等。

    二、网络拓扑

    网络拓扑采用两层冗余双环网的总体架构。考虑到I/O站点的个数，如果不够可以通过交换机的级联来实现扩张或者环网上加KWES40016。如下网络拓扑图

    三、方案说明和特点

    主机控制信息系统（DCS）控制网络使用环型结构冗余千兆光纤以太网，通过以太网交换机（KWES40016）光纤接口连接，以实现在机炉集中控制室集中监视和控制。交换机连接操作员站、数据库服务器、各I/O站及SIS等。

    本网络方案根据现有的I/O布局和拓扑结构，采用与交换机隔离的冗余双环网百兆以太网结构，使网络在发生不同故障点（线路、交换机）的情况下仍然能够正常工作，网络主干交换机采用KWES40016(千兆光口模块)工业交换机，确保了整个网络系统的稳定性。其个案特点主要表现在以下几个方面：

    （1）DCS中的骨干交换全部为千兆交换（通过KWES60008的千兆光口模块实现）。有力的保了数据交换传输的实时性和性和性

    （2）在DCS系统中不但接入了上位操作员站和工程师站，而且应用了数据库服务器和系统服务器，使得DCS系统的控制和监视功能具丰富性和灵活性，也为日后附加功能的升级提供了方便。如果需要千兆电换机可以添加KWES60008(8个千兆口)加入到环网中

    (3)针对于各个机组的I/O分布的具体情况，低层交换采用了百兆的KWES40016(加百兆的光模块)，在保证效率的同时，对于日后终端I/O的扩展和增容可以级联KWES12016的扩展电口。

    (4)考虑到交换的负载，I/O层的网络与层分开。从而使得低层交换机接入时负载加均衡，缓解了交换压力。两者之间通信通过前置机数据交换，如果需要千兆电口可以换成KWES60008交换机（8个千兆口）

    (5)所采用的KWES系列以太网交换机均属于工业级以太网产品。冗余电源的设置，牢靠的重负荷设计，电磁兼容性、工作温度、防震等指标符合工作现场的要求。

    (6)KWES40016支持IGMP和VLAN和PortPriority（端口级）设置，从而可以地限制网络上的广播和组播信息，提高网络的性和工作效率。还可以对端口的流量进行设置，确保网络的数据可控。网络安装和故障诊断比较方便。KWES40016系列交换机带有SNMP管理单元，而且还集成有基于WEB的管理系统，这为快速地进行网络组态、诊断、故障和管理提供了方便。千兆口的冗余时间也小于20ms

    四、总结

    国内火电行业中的DCS系统，大多采用百兆双环网架构或者采用一层千兆双环网架构。相比而言，本方案采用两层冗余双光纤环架构，同时还可以增加KWES60008产品，应用和数据库服务器来丰富完善DCS系统的千兆电口需求功能，I/O层和层有效隔离。因此从系统的性，性，还是性价比方面都处于。

 PCB数控钻铣床是一种典型的点位运动控制系统，是印制电路板精密导通孔加工的关键设备。随着电子产品向微型化、小型化方向发展，印制电路板对导通孔的孔径、线宽、线距的要求越来越高。相应地，PCB数控系统正朝高速、、高性、系统集成化、柔性化、智能化程度高的开放式方向发展。

    MPC08经济型四轴运动控制器以其的性能，广泛应用于PCB数控钻床。

    ，PCB数控钻床的运动方式主要是点位运动，其关键技术指标要求是高速度、。MPC08主要完成点位运动控制，能在瞬间快速准确定位、下钻，然后上提时在离开PCB板面后可以一边上提一边快速移动到下一定位孔，从而大大提高PCB数控钻床的工作效率。MPC08的输出频率4MHZ，满足PCB钻床所需要的高速度要求。

    其次，PCB钻床需要大量IO通道监测各种设备状态和控制输出信号，而每张MPC08运动控制卡能控制16个通用输入和16个通用输出，同时有17个输入通道，在不需要时也可以改为通用输入通道使用，满足PCB钻床对I/O通道的需求。

    另外，MPC08还向用户提供了二次开发接口，满足用户特殊功能开发的需求。

 PCB数控钻铣床是一种典型的点位运动控制系统，是印制电路板精密导通孔加工的关键设备。随着电子产品向微型化、小型化方向发展，印制电路板对导通孔的孔径、线宽、线距的要求越来越高。相应地，PCB数控系统正朝高速、、高性、系统集成化、柔性化、智能化程度高的开放式方向发展。

    MPC08经济型四轴运动控制器以其的性能，广泛应用于PCB数控钻床。

    ，PCB数控钻床的运动方式主要是点位运动，其关键技术指标要求是高速度、。MPC08主要完成点位运动控制，能在瞬间快速准确定位、下钻，然后上提时在离开PCB板面后可以一边上提一边快速移动到下一定位孔，从而大大提高PCB数控钻床的工作效率。MPC08的输出频率4MHZ，满足PCB钻床所需要的高速度要求。

    其次，PCB钻床需要大量IO通道监测各种设备状态和控制输出信号，而每张MPC08运动控制卡能控制16个通用输入和16个通用输出，同时有17个输入通道，在不需要时也可以改为通用输入通道使用，满足PCB钻床对I/O通道的需求。

    另外，MPC08还向用户提供了二次开发接口，满足用户特殊功能开发的需求。

    1.项目简介

    承钢5号高炉炼铁车间的规模为一座2500m3高炉及其所属辅助设施。主要工艺包括：2500m3高炉主体工艺设施，其中炉采用无料钟串罐方式，热风炉系统采用3座燃式热风炉和2座预热炉的方式；高炉循环水泵站；高炉喷煤制粉站；高炉除尘设施；槽上供料设施,鼓风机站,空压机站,锅炉房等。本项目的控制范围涉及上述工艺系统及其所属辅助工艺设备。工艺总貌如图1所示。

    承钢5号高炉的基础自动化控制系统是典型的电仪合一的大型高炉控制系统，具有较高的控制水平，系统包括：矿槽控制系统、炉控制系统、高炉本体控制系统、热风炉控制系统、出铁场控制系统、布袋除尘控制系统、水冲渣控制系统、煤粉制备控制系统、煤粉喷吹控制系统、高炉水处理控制系统、鼓风机站及其水处理控制系统、煤气柜控制系统、锅炉控制系统等。

    2.控制系统构成

    本工程的控制系统考虑了SIEMENS公司“全集成自动化”的理念，不仅选用了标准的PCS7控制控制站和操作站及相应软件，还选用了SCALANCE系列的网络产品，其中包括冗余AS控制器4套，标准AS控制器11套，具有热插拔功能的ET200M单元62套，Y-bbbb耦合器1套，OSSERVER硬件及软件1对（套），OSCLIENT硬件及软件10套，OS单站硬件及软件14套，ES工程师站硬件及软件9套，SCALANCE各系列交换机21台以及网络附件若干。控制系统配置图如图2所示：（公辅系统从略）

    各控制站、控制站与操作站之间采用工业以太网连接。其中，高炉主体部分为1000M光纤环网，操作站为SERVER/CLIENT结构，设有冗余SERVER对和工程师站，在PlantBus和TerminalBus环网中选用了SCALANCEX414-3系列的1000M冗余管理型交换机；其它公辅系统以100M光纤星型方式接入主环网，该部分选用了SCALANCEX200系列的交换机。

    控制器部分，对于矿槽系统、炉系统、高炉本体系统、热风炉系统等高炉主体部分选用AS417-4-2H组件包（双电源模块、双CPU模块，双以太网通讯模块、双PROFIBUS通讯网络），其它公辅系统选用AS414-3组件包。ET200MI/O部分选用带有热插拔功能的有源背板和具有的接口模块IM153-2HF，对于热备系统则选用双电源模块、双总线接口模块。

    工程师站、操作员站（包括SERVER、CLIENT、单站）均选用预装有PCS7软件的SIEMENSIL43系列工控机。

    对于热备系统的PROFIBUS网络，选用Y-bbbb将具有PROFIBUS接口的传动装置和编码器接入并实现切换的功能。本系统还留有于二级系统的网络接口，通过SCALANCEX200系列交换机连接至主环网并通过SCALANCES硬件防火墙隔离

    3.控制系统完成的功能－用户自定义功能库

    在PCS7所提供的功能库的基础上，我们对其进行了延伸和扩展，开发了适合冶金特别是高炉控制方面的自定义功能库。通过使用该功能库，工程师一次性的编程即可完成如下工作：

    AS控制器中运行的过程控制回路控制算法；

    针对控制回路在上位机中相关画面下对应的监视回路图标；

    控制回路在上位机中对应的操作及参数设置子画面；

    控制回路对应的相关报警信息、趋势归档及用户操作记录等。

    所示的矿槽系统流程图中包括了各种电机、电磁阀、电动阀等69个电气回路，都是通过在CFC中调用自定义功能库中相应类型的功能块并编译OS自动上传至流程画面的。下面结合不可逆电机块MOTOR_NR介绍自定义功能库实现的功能。

    3．1．AS中的功能块类型（blocktypes）

    需要定义功能块的特性、声明功能块参数和本地变量。在这部分中，我们注重考虑了功能块头和功能块参数中报警和OCM（operatorcontrolandmonitor）这两个属性，以便可以将需要的变量状态和报警消息显示在blockicon或faceplate上。例如电机的运行状态、连锁状态、处于何种被控方式、是否处在报警状态等，都可以通过定义功能块管脚的OCM属性上传。还定义了功能块管脚的文本属性，从而可以在功能块实例对应管脚的属性对话框中组态用于在OS上显示的文本。如图4中所示，由于在声明参数属性的代码中定义了参数MONITOR、TIME_ON的文本属性，因而可以在MONITOR管脚的的属性对话框中定义当MONITOR=0时显示“监视切除”，当MONITOR=1时显示“监视投入”；在TIME_ON管脚的属性对话框中定义其用于显示的标签名“监视时间”和单位“秒”。这样使得大量用于显示的信息都可以在AS中组态和修改，很好地保AS/OS的一致性，并大量节省HMI的工作。

    通过调用SFC6（RD_SINFO）读取到相关的OB信息，实现了功能块的初始化和异步启动及容错处理。例如，当读取到CPU暖启动时（OB100），我们编写了某些重要参数的初始化程序，当读取到中断信息（OB80、OB86），则编写了错误中断或循环中断处理程序。另外，通过定义SAMPLE_T管脚并配合编译时的”UpdateSamplingTime”功能，可以自动采集调用当前功能块的循环OB的时基值，省去了改变功能块调用OB后的手动改写，既方便又减少了由于忘记改写而带来的错误。

    通过调用Alarm_8p功能块，组态了用户定义功能块中的报警消息，将该功能块中需要显示的报警消息上传至OS，如电机故障、运行时故障等。AS控制器从Stop状态到Run状态的过程中，CPU需要处理相关的初始化代码，建立与上位机的通讯连接等。系统启动后再开始执行循环程序，如果在启动初期，系统各控制回路同时有很多的报警消息需要上传到OS，势必导致此时的CPU负荷偏大。因此，在功能块的代码中考虑了报警抑制部分。此代码在系统启动初期（或该功能块被调用的前几个循环中）抑制该回路的报警输出。完成了Alarm_8p功能块的组态和报警抑制代码的编写之后，还需要完成该功能块的报警组态。在报警组态对话框中，定义了功能块的报警类型、级、区域、来源等特性。特别是利用功能块相关报警定义的报警属性可以应用于该功能块类型的所有实例。如图5所示，定义了MOTOR_NR功能块的3条报警消息的消息文本，通配符$$BlockComment$$代表功能块实例中Comment字段中组态的内容，因而可以根据不同的块实例自动生成对应的报警消息，而不用逐条组态，该功能对于组态具有大量相同回路流程的报警非常方便。

    3．2．OS中的监控图标（BlockIcon）和面板（Faceplate）

    功能库中每一种在OS上需要操作、监控的功能块都会对应有自己的监控图标BlockIcon和相应的面板Faceplate。这些BlockIcon和Faceplate被存储在项目的相应文件中。当进行OS编译时，Create/UpdabbbockIcon选项后，系统就会根据功能块的块名自动从这些图库中相应的BlockIcon放入到对应的图形页（Picture）中，并连接好相应的变量和配套的面板。我们开发了较为丰富的BlockIcon库，而且根据不同现场的需要针对同一个功能块还对应了多个BlockIcon，用于不同的显示风格。如图6所示MOTOR_NR块就对应了6种BlockIcon。属性关键字为A、B、C的代表大图标，Am、Bm、Cm为小图标，A代表：灰色－电机停止；－电机运行；红色－电机报警，B代表：红色－电机停止；－电机运行；黄色－电机报警，C代表：－电机停止；红色－电机运行；黄色－电机报警。具体的功能块实例对应的BlockIcon则可以通过属性关键字的方式组态。

    在一个项目中，同类型的功能块实例在画面中都会生成与之对应的BlockIcon实例，但却只拥有一套Faceplate模板。在监控画面下，点击某个功能块实例对应的BlockIcon时，系统会执行相应的脚本从对应的BlockIcon实例中该功能块实例的相关属性，并基于通用的Faceplate模板创建相应的Faceplate实例进行监控。由于同一个功能块类型只对应一套Faceplate，在具有大量相同回路的流程中就省去了大量弹出子画面的重复、单调的制作。如图7所示MOTOR_NR块主要有3个可以切换的面板：

    操作面板－用于电机各状态显示、设备诊断和常规操作（带有操作记录功能）；

    设定面板－用于设置某些重要参数（通常带有权限）；

    报警面板－用于显示和处理于本电机回路有关的报警。

    3．3．其它功能

    除上述功能外还开发了如下功能：功能块的在线帮助功能：与系统提供的功能块类似，用户自定义功能库同样可以通过选择对应功能块并点击F1键的方式自动聚焦到该功能块的帮助主题上，使用起来方便灵活。所需要做的是为功能块创建帮助文件（＊.hlp）和目录文件（＊.cnt）并制作注册表文件。

    功能块的发布：创建了用户自定义功能库后，需要将库发布方可被其它工程师使用。发布后的功能库可以打包成一个可执行文件安装在其它机器中，同系统提供的功能库一样被其它工程师使用。所发布功能库的安装文件包含AS功能块、BlockIcon、Faceplate和在线帮助系统。

    功能库的新：由于建立了基于多项目的主数据库，所以主数据库中的功能库修改后可以通过清晰、明确的新向导新每个子项目中的功能块实例，这样便于统一维护程序库，集中新，保证了多项目数据的一致性。而BlockIcon和Faceplate的新则可通过将修改后的文件拷贝到相应目录下并编译OS来实现。

    4.项目运行

    承钢5号2500m3高炉项目于2006年12月5日出铁投产成功。投产后，系统运行稳定，特别是热备控制器性能较好，象矿槽系统、炉系统等程序量较大的部分在热备条件下，CPU的扫描周期仍在40毫秒左右。由于合理的规划了工程结构，特别是开发了基于多项目的符合生产工艺的用户自定义功能库，该工程从编程、调试到投产只用了两个来月的时间。对同等规模的高炉来说，可节省十几个人月的人工时。这也正是PCS7系统标准化工作的成效在承钢高炉工程中得到了初步的体现和验证。

    5.应用体会

    工程中借助PCS7平台，有利于我们编制出为标准化、集成化的用户自定义功能库。该软件从形式上将编程软件、软件、网络组态软件集中在同一平台，从功能上将控制器功能块的各种信息通过编译OS（compileOS）的方式上传到OS的WinCC项目中，并自动生成变量标签（Tags）、调用动态图标（blockicons）及其对应的弹出面板（faceplate）、生成报警消息（Message）、趋势（Trend）等，甚至连静态、动态的文本信息也可以直接由AS块编译后在OS中生成，这样OS部分的工作非常简便，大部分的工作都集中AS上，便于统一维护程序库，集中新，保证多项目数据的一致性，省去了原先AS、OS两部分握手的大量工作。目前各大PLC系统生产商都相继推出了类似功能，例如Schneider公司的UAG软件，Rockwell公司的Logixview软件等，但与PCS7平台提供的有关软件功能相比，上述软件基本是在PLC编程软件和HMI组态软件之外添加了三套软件，用于完成PLC与HMI的握手。这样就增加了在不同软件界面间的导入、导出或是派生的过程，可操作性较为复杂，程序层次与画面结构的联系得不到较好的体现。

    用户自定义功能库中的AS功能块、OS中的blockicon和faceplate是相互联系紧密的整体，所以在编写程序的前期，对功能库中的各部分做一个的规划和较为细致的设计是非常必要的。比如在设计AS侧的BlockType时，我们较为充分的考虑了操作员需要监控的输入、输出及输入输出接口，以及所需的操作方式等，并结合系统属性（OCM相关）来对各个端口进行定义，以便这些端口可以在OS上正常、灵活的显示与操作。对于相关参数的选择我们考虑了如下方面：

    为了获得设备清晰的状态信息，操作员需要监控什么类型的数据； 用何种方式显示这些变量；

    哪些变量可以被操作员控制；

    操作时需要哪级操作权限；

    有没有与过程变量相关的权限连锁；

    各个变量将在什么视图窗口中显示；

    使用PCS7中的用户自定义功能库编程设备类型规整且同类设备众多的项目确实非常方便，但对于一些规模较小、设备类型较杂、接口较多的项目也存在一些不灵活方便的地方。比如PCS7中不建议直接在流程画面中使用WinCC提供的控件来对过程变量进行操作，象按钮、I/O域等。使用此方法系统将不会进行授权确认，而且不会为这些操作产生操作员记录（OperatorList）。而在实际的工程项目中会经常出现增加一些位操作的情况，对于这些操作目前我们正在摸索如何能够产生操作记录的方法，同时也希望PCS7软件能够不断完善，提供给我们为灵活、简便的工具来解决这些问题。

  一、引言

    在工业生产和产品加工制造业中，风机、泵类设备应用范围广泛；其电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的7%～25%，是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不断深入，市场竞争的不断加剧；节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。而八十年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统运行的目的。八十年代末，该技术引入我国并得到推广。现已在电力、冶金、石油、化工、造纸、食品、纺织等多种行业的电机传动设备中得到实际应用。目前，变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。的调速性能、显著的节电效果，改善现有设备的运行工况，提高系统的性和设备利用率，延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。

    二、综述

    通常在工业生产、产品加工制造业机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。而常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。泵类设备在生产领域同样有着广阔的应用空间，提水泵站、水池储罐给排系统、工业水（油）循环系统、热交换系统均使用离心泵、轴流泵、齿轮泵、柱塞泵等设备。而且，根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。这样，不仅造成大量的能源浪费，管路、阀门等密封性能的破坏；还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，严重时损坏设备、影响生产、危及产品质量。风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用变频调速器（简称变频器）易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点；因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n=60f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术，电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。

    三、节能分析

    通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。以一台水泵为例，它的出口压头为H0（出口压头即泵入口和管路出口的静压力差），额定转速为n0,阀门全开时的管阻特性为r0,额定工况下与之对应的压力为H1,出口流量为Q1。流量-转速-压力关系曲线如下图所示。在现场控制中，通常采用水泵定速运行出口阀门控制流量。当流量从Q1减小50%至Q2时，阀门开度减小使管网阻力特性由r0变为r1，系统工作点沿方向I由原来的A点移至B点；受其节流作用压力H1变为H2。水泵轴功率实际值（kW）可由公式：P=Q·H／（ηc·ηb）×10-3得出。其中，P、Q、H、ηc、ηb分别表示功率、流量、压力、水泵效率、传动装置效率，直接传动为1。设总效率（ηc·ηb）为1，则水泵由A点移至B点工作时，电机节省的功耗为AQ1OH1和BQ2OH2的面积差。如果采用调速手段改变水泵的转速n，当流量从Q1减小50%至Q2时，那么管网阻力特性为同一曲线r0，系统工作点将沿方向II由原来的A点移至C点，水泵的运行也趋合理。在阀门全开，只有管网阻力的情况下，系统满足现场的流量要求，能耗势必降低。此时，电机节省的功耗为AQ1OH1和CQ2OH3的面积差。比较采用阀门开度调节和水泵转速控制，显然使用水泵转速控制为有效合理，具有显著的节能效果。另外，从图中还可以看出：阀门调节时将使系统压力H升高，这将对管路和阀门的密封性能形成威胁和破坏；而转速调节时，系统压力H将随泵转速n的降低而降低，因此不会对系统产生不良影响。从上面的比较不难得出：当现场对水泵流量的需求从**降至50%时，采用转速调节将比原来的阀门调节节省BCH3H2所对应的功率大小，节能率在75%以上。

    与此相类似的，如果采用变频调速技术改变泵类、风机类设备转速来控制现场压力、温度、水位等其它过程控制参量，同样可以依据系统控制特性绘制出关系曲线得出上述的比较。亦即，采用变频调速技术改变电机转速的方法，要比采用阀门、挡板调节为节能经济，设备运行工况也将得到明显改善。

    四、节能计算

    对于风机、泵类设备采用变频调速后的节能效果，通常采用以下两种方式进行计算：

    1、根据已知风机、泵类在不同控制方式下的流量－负载关系曲线和现场运行的负荷变化情况进行计算。

    以一台IS150-125-400型离心泵为例，额定流200.16m3/h，扬程50m；配备Y225M-4型电动机，额定功率45kW。泵在阀门调节和转速调节时的流量－负载曲线如下图示。根据运行要求，水泵连续24小时运行，其中每天11小时运行在负荷，

    13小时运行在50%负荷；全年运行时间在300天。则每年的节电量为：

    W1=45×11（**－69%）×300=46035kW·h

    W2=45×13×（95%－20%）×300=131625kW·h

    W=W1＋W2=46035＋131625=177660kW·h

    每度电按0.5元计算，则每年可节约电费8.883万元。

    2、根据风机、泵类平方转矩负载关系式：P/P0=（n/n0）3计算，式中为P0额定转速n0时的功率；P为转速n时的功率。以一台工业锅炉使用的22kW鼓风机为例。运行工况仍以24小时连续运行，其中每天11小时运行在负荷（频率按46Hz计算,挡板调节时电机功耗按98%计算），13小时运行在50%负荷（频率按20Hz计算，挡板调节时电机功耗按70%计算）；全年运行时间在300天为计算依据。则变频调速时每年的节电量为：

    W1=22×11×[1－（46/50）3>×300=16067kW·h

    W2=22×13×[1－（20/50）3>×300=80309kW·h

    Wb=W1＋W2=16067＋80309=96376kW·h

    挡板开度时的节电量为：

    W1=22×（1－98%）×11×300=1452kW·h

    W2=22×（1－70%）×11×300=21780kW·h

    Wd=W1＋W2=1452＋21780=23232kW·h

    相比较节电量为：W=Wb－Wd=96376－23232=73144kW·h

    每度电按0.5元计算，则采用变频调速每年可节约电费3.657万元。某工厂离心式水泵参数为：离心泵型号6SA-8，额定流量53.5L/s，扬程50m；所配电机Y200L2-2型37kW。对水泵进行阀门节流控制和电机调速控制情况下的实测数据记录如下：

    流量L/s时间（h）

    消耗电网输出的电能（kW·h）

    阀门节流调节

    电机变频调速

    47233.2×2=66.428.39×2=56.8

    40830×8=24021.16×8=169.3

    30427×4=10813.88×4=55.5

    201023.9×10=2399.67×10=96.7

    合计24653.4378.3

    相比之下，在内变频调速可比阀门节流控制节省275.1kW·h的电量，节电率达42.1%。

    五、结束语

    风机、泵类等设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项推广技术，受到国家的普遍重视，《人民共和国节约能源法》39条就把它列为通用技术加以推广。实践证明，变频器用于风机、泵类设备驱动控制场合了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期。直接和间接经济效益十分明显，设备一次性投资通常可以在9个月到16个月的生产中全部收回

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