产品描述
6AV6648-0DE11-3AX0安装调试
一、引言
中国铝业公司采用的160kA大型预焙阳中间下料电解槽,提供直流电流的整流系统采用110kV直降式有载调压整流变压器和二管整流电路,共有四套整流机组,单机组额定输出直流为1150V、56kA;正常为四套机组同时运行,各输出40kA、1150V的直流电,共输出直流为 160kA、1150V;当有一套机组退出运行后,其余三套机组各输出53.3kA、1150V的直流电用以满足铝电解的正常生产。整流系统的整流器采用二管三相桥式同相逆并联整流电路,变压器采用分段中性点调压变压器和整流变压器组合,具有±35级调压,稳流控制采用有载调压开关进行粗调,饱和电抗器进行细调的控制方式。由于电解铝厂的整流供电系统通常要求是终端变电站,监控和继电保护设置比较单一、简单,但性强,程度要求很高。因此,项目采用了微机监控保护装置和综合自动化系统,对稳流部分采用了PLC控制的方案。本文主要介绍自动稳流控制部分的组成及控制特点。
二、系统配置
为了立于保护和监控系统而自成一体,避免相互干扰和影响,稳流系统全部采用AB公司SLC-5/04系列PLC组网,该PLC具有的DH+通讯网,通过板卡直接可与服务器相连。PLC之间的信息交换通过DH+网络通讯来实现,图1为网络结构。
PLC组成的网络结构稳流控制PLC按照N+1的原则配置,对4台整流机组各配置PLC,以实现小闭环控制;配置一套总调PLC,以实现大闭环控制。整流机组小闭环控制PLC用于单台机组的稳流控制,其目的是用PLC的PID控制器实现单台机组的直流输出与给定值相一致,以达到单台机组的稳流,并通过调节饱和电抗器偏移绕组的电流来实现同一台机组两个整流柜之间输出电流的平衡。采用一套总调PLC完成大闭环控制,调节所有的整流机组,大闭环总调的 PID输出作为整流机组小闭环PID的给定值,使所组的直流输出相同。当产生阳效应时,可同时调节所组饱和电抗器的控制绕组电流,如无法满足稳流要求时,可自动判断降档升压。另外,大闭环还可实现恒安时控制、大需要控制、整流机组启停等功能。SLC-5/04 PLC具有PID运算功能和指令,可对系统做动态控制;有DH+和RS-232两个通讯口;机内配有高速计数器,以适应对机外高速信号的计数要求,CPU带有两个计数频率达 2kHz的高速计数器,每个计数器可用程序复位,并可设置成加法计数、减法计数或相位差90°的两个脉冲序列;为系统备有的数字扩展模块(EM),可以很方便的对系统的输入输出点做扩展;具有灵活的中断输入,以快的速度响应中断请求信号。
三、自动稳流控制
1、信号取样由于目前国产直流互感器的温漂做的不好,信号失真大,磁放大时间常数太长,不利于即时准确的控制等原因,稳流系统小闭环反馈信号取自于整流一次侧交流信号;稳流系统大闭环反馈控制信号取自于总直流互感器,经变送器把小信号传至总调PLC;整流系统总的输出电流由上位计算机系统通过通讯方式来设定。
2、控制功能在自动稳流系统中,PLC主要完成整个系统的逻辑顺序控制及所有PID回路控制。
其主要包括以下几个部分:
(1) 恒流控制
恒流控制是将机组的直流输出电流经变送器变换后反馈到PLC的输入端,与给定信号作比较后送给PI调节器进行控制。控制转换成控制输出脉冲并经功率放大后,去触发晶闸管整流电路的占空比,改变饱和电抗器的控制电流,从而达到机组电流稳定的目的。
(2) 平衡控制
由于饱和电抗器的特性不一致,经常造成机组之间以及同一台机组两个整流柜之间输出电流有较大的差别,使整流机组达不到额定出力。因此,把一台整流柜(A柜)的输出电流作为PLC的给定,另一台整流柜(B柜)的输出电流作为PLC的反馈,两者比较的结果通过PI调节器调节后,去改变A柜饱和电抗器的控制电流(B柜的控制电流保持不变),使两个整流柜的直流电流始终保持平衡。此时,PLC输出2个4~20mA的信号,分别控制整流机组的A/B柜稳流。
(3) 总调控制
前已提及,电解槽所需总的直流电流等于几台单机组输出电流之和。由于单机组稳流可实现单机组输出电流稳定,为了使电解槽所获得的总电流加稳定,将总电流经互感器反馈至PLC输入端,与上位计算机的给定值进行比较计算,输出的作为单机组稳流的分调给定,从而提高整个电流稳定精度。总调PLC输出4个4~20mA的信号,同时用于控制4个整流机组的总调给定。一般饱和电抗器的控制深度为60V左右,当其饱和或截止时,PLC能自动调节变压器有载开关的升降,从而使总电流不论在多大的电压波动情况下,均能达到稳流的目的,扩大了调压范围。
(4) 恒安时控制
每3分钟实测一次电解电流值,并将在1小时内实测的电解电流值累加,累加结果与设定值进行比较,根据所求差值与小时剩余时间自动调整设定电流,以达到安时偏差自动控制。
3、控制方式稳流系统采用了四种控制方式。
(1) 自动/总调方式
在此方式下,有载开关升降档指令均由计算机控制。有载开关升降操作是通过饱和电抗器控制电流来确认有载开关的升与降,这个动作不影响系统的单个有载开关位置。如果机组的一个有载开关发生升或降的要求,这要求将送入计算机并引起所组有载开关同时升或降。
(2) 手动/总调方式
这种方式允许操作员进行总调,同时动作向上或向下,有载开关升降档通过外部按钮来实现。机组总的调整与自动/总调方式相同。
(3) 自动/分调方式
此方式用于单个机组与其他机组有不同基准的情况下。此时,本机组有载开关升降不起作用。
(4) 手动/分调方式
此方式用于单机组与其他机组有不同基准的情况下,希望由本机组有载开关升降来调整本机组的电流。总之,不管是何种控制方式,都是通过调整饱和电抗器控制绕组的控制电流对整个整流系统进行细调。判断是否需要调控有载开关,是通过检测4台机组的有载开关档位来确定应动作哪台机组的有载开关。当需要升压时,动作级;当需要降压时,动作。通常是4台机组有载开关联动。
四、结束语
原有稳流系统采用了模拟电路控制饱和电抗器来调节电流的方法,致使调试工作量大,控制精度低,在实际运行中时常发生进线闸乱动,动力变莫名其妙跳闸,数据报表与实际不符等现象。我们将原有稳流部分采用PLC控制后,使系统显示出以下几个特点:
(1) 性和稳定性得到了很大的提高,故障率明显下降;
(2) 由于PID调节器由PLC软件实现,使得整个系统的接线简单,易于安装,维护量减小;
(3) 不需同步信号,无相序要求,系统变得易于调试;
(4) 饱和电抗器的控制特性是非线性的,PLC能自动识别其工作范围,从而自动改变控制参数,提高了输出电流的稳流精度(单机组稳流精度达到了0.5%);
(5) 操作简单,可方便地与计算机或其它设备通讯。
地址域
消息帧的地址域包含8Bit(RTU)。可能的从设备地址是0...247(十进制)。单个设备的地址范围是1...247。主设备通过
将要联络的从设备的地址放入消息中的地址域来选通从设备。当从设备发送回应消息时,它把自己的地址放入回应的地址域
中,以便主设备知道是哪一个设备作出回应。0是用作广播地址,以使所有的从设备都能认识。当Modbus协议用于高
水准的网络,广播可能不允许或以其它方式代替。
如何处理功能域
数据域是由两个十六进制数集合构成的,范围00...FF。根据网络传输模式,这可以是由一RTU字符组成。从主设备发给
从设备消息的数据域包含附加的信息:从设备用于进行执行由功能代码所定义的所为。这包括了象不连续的寄存器地址,
要处理项的数目,域中实际数据字节数。例如,如果主设备需要从设备读取一组保持寄存器(功能代码03),数据域了起
始寄存器以及要读的寄存器数量。如果主设备写一组从设备的寄存器(功能代码10十六进制),数据域则指明了要写的起始寄
存器以及要写的寄存器数量,数据域的数据字节数,要写入寄存器的数据。如果没有错误发生,从从设备返回的数据域包含
请求的数据。如果有错误发生,此域包含一异议代码,主设备应用程序可以用来判断采取下一步行动。在某种消息中数据域
可以是不存在的(0长度)。例如,主设备要求从设备回应通信事件记录(功能代码0B十六进制),从设备不需任何附加的信息。
三、DLL函数说明
modbus.DLL是王俊于2007年新开发的基于施耐得modbus rtu 通讯协议的串口通讯链接库。modbus.DLL版实现了对保持寄存器40001~4XXXX区数据读写(FCN03:读、FCN16:写,FCN06写单个数据);对逻辑线圈00001~0XXXX的 读写(FCN01:读取一组线圈,FCN05:强置单线圈,FCN15强置多线圈);对输入状态10001~1XXXX的读(FCN02);对输入寄存器30001~3XXXX的读(FCN04)。
DCS为分散控制系统的英文(TOTAL DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM)简称。指的是控制危险分散、管理和显示集中。60年代末有人研制了作逻辑运算的可编程序控制器(Programmable Logic Controller)。简称PLC。主要应用于汽车制造业。70年代中期以完成模拟量控制的DCS推向市场,代替以PID运算为主的模拟仪表控制。提出DCS这样一种思想的是原制造仪表的厂商,当时主要应用于化工行业。后又有计算机行业从事DCS的开发。
70年代微机技术还不成熟,计算机技术还不够发达。操作站、控制器、I/O板和网络接口板等都是DCS生产厂家自行开发的,也就是所有部件都是的。
70年代初,有人用如PDP/1124这样的小型机代替原来的集中安装的模拟仪表控制。连接到控制室的电缆很多。如用小型机既作为控制器、同时把连接小型机的CRT又作为显示设备(即人机界面)。一台小型机需接收几千台变送器或别的传感器来的信号,完成几百个回路的运算。很显然其危险有点集中。和模拟仪表连接的电缆一样多,并且一旦小型机坏了,控制和显示都没有了。数字控制没有达到预期的目的。
后有人提出把控制和显示分开。一台计算机完成控制计算任务,另一台计算机完成显示任务。另外,一个工艺过程作为被控对象可能需要显示和控制的点很多,其中有一些还需要闭环控制或逻辑运算,工艺过程作为被控对象的各个部分会有相对立性,可以分成若干个立的工序,再把在计算机控制系统中立的工序上需要显示和控制的输入、输出的点分配到数台计算机中去,把原来由一台小型机完成的运算任务由几台或几十台计算机(控制器)去完成。其中一台机器坏了不影响全局。所谓“狼群代替老虎”的战术,这就是危险分散的意思。把显示、操作、打印等管理功能集中在一起,用网络把上述完成控制和显示的两部分连成一个系统。当时有人把这种系统称为集散系统。
危险究竟要分散到多少算合适呢?这与当时的计算机技术的发展水平有关。70年代中期,分散就是一个控制器完成一个回路的运算。当时由于人们对数字技术不太熟息,习惯于模拟仪表,70年代末、80年代曾经风行回路控制器,把数字控制器做成和原来模拟仪表在外观上几乎一样,不改变操作习惯 ,内部把PID运算数字化。一块仪表(一台计算机)完成一个回路的控制任务。其价格较为昂贵,但危险是分散了。然后用通讯网络把各个控制器和以CRT为基础的人机界面连成一个系统。这时网络结构通常都是星形结构。回路的控制器的制作成本太高,价格/性能比不好。后来为了减,就有两回路的、四回路的控制器, 它的价格/性能比稍好一些。对于一个大中型系统来说,DCS的价格/性能比比回路控制器组成的系统要好。有些特殊地方还是要用到一些回路控制器。
如果所要完成的回路太多,如一个控制器采集几千点、完成几百个回路的运算,危险又太集中。在这种情况下,危险必需分散。随着计算机技术的发展,计算机的运算能力、存储容量和性不断提高,一台计算机所完成的任务也可以增加。完成的任务也可集中一点。另外,控制器、网络等冗余技术也得到了发展,控制运算也可集中一些。
从目前的DCS来看,一个控制器完成几十个回路的运算和几百点的采集、再加适量的逻辑运算,经现场使用,效果是比较好的。这就产生控制器升级的问题了。有时控制器和检测元件的距离还是比较远,这就促进现场总线的发展。如CAN、LOONWORKS、FF等现场总线,以及HART协议接收板等都用到DCS系统中。
DCS分为三大部分,带I/O板的控制器、通讯网络和人机界面(HMI)。由I/O板通过端子板直接与生产过程相连,读取传感器来的信号。I/O板有几种不同的类型,每一种I/O板都有相应的端子板。
l 模拟量输入,4-20毫安的标准信号板和用以读取热电偶的毫伏信号板;4-16个通道不等;
l 模拟量输出,通常都是4-20毫安的标准信号,一般它的通道比较少,4-8个个通道;
l 开关量输入;16-32个通道:
l 开关量输出,开关量输入和输出还分不同电压等级的板,如直流24伏、125伏;交流220伏或115伏等;8-16个通道不等;
l 脉冲量输入,用于采集速率的信号;4-8通道不等;
l 快速中断输入;
l HART协议输入板;
l 现场总线I/O板;
每一块I/O板都接在I/O总线上。为了信号的和完整,信号在进入I/O板以前信号要进行整修,如上下限的检查、温度补偿、滤波,这些工作可以在端子板完成,也可以分开完成,完成信号整修的板现在有人称它们为信号调理板。
I/O总线和控制器相连。80年代的DCS由于控制器的运算能力不强,为了增加I/O点数,把控制器的任务分开,实际上是有三种类型的控制器。即:完成闭环运算的控制器、模拟量数据采集器和逻辑运算器。它们分别有自己的I/O总线,各种DCS的I/O总线各不相同。如果要求快速,采用并行总线。一般采用串行总线比较多。尤其是RS485总线较多,模拟量数据采集器和逻辑运算器的I/O点数可以多一些。
闭环控制器、模拟量数据采集器和逻辑运算器可以和人机界面直接连在通讯网络上,在网络上的每一个不同的控制器作为网络上的一个立结点。每一个结点完成不同的功能。它们都应有网络接口。有的DCS为了节省网络接口,把所有的过程控制用的设备即闭环控制器、模拟量数据采集器和逻辑运算器预先连在控制总线上,称为过程控制站。这可以增加过程控制站能接收的I/O点数,又能节省接口。然后再通过接口连到网络上,与人机界连。随着计算机计术的发展,控制器的运算能力不断增强,如PC机做的一个控制器能力很强,既可接收模拟量运算,也接收开关量逻辑运算。一个控制器成为网络上的一个结点。通过网络与人机界连。
控制器是DCS的部件,它相当于一台PC机。有的DCS的控制器本身就是PC机。它主要有CPU、RAM、E2PROM和ROM等芯片,还有两个接口,一个向下接收I/O总线来的信号,另一个接口是向上把信号送到网络上与人机界连。ROM用来存贮完成各种运算功能的控制算法(有的DCS称为功能块库)。在库中存功能块,如控制算法PID、带死区PID,积分分离PID,算术运算加、减、乘、除、平方、开方、函数运算一次滤波、正弦、余弦、X-Y函数发生器、前-滞后;比较的算法有史密斯预估,C语言接口、矩阵加、矩阵乘;逻辑运算有逻辑与、逻辑或、逻辑非、逻辑与非等。通常用站功能块不仅把模拟量和开关量结合起来,还与人连系起来。功能块越多,用户编写应用程序(即组态)越方便。组态按照工艺要求,把功能块连接起来形成控制方案。把控制方案存在E2PROM中。因为E2PROM可以擦写,组态要随工艺改变而改变,所以把组态存在E2PROM中。不同用户有不同组态。组态时,用户从功能块库中选择要的功能块,填上参数,把功能块连接起来。形成控制方案存到E2PROM中。这时控制器在组态方式,投入运行后就成为运行方式
控制器中安装有操作系统,功能块组态软件和通讯软件。
为了系统运行,闭环控制器一定是冗余运行的,一用一备,并且是热备。为了使冗余成功,应注意以下几点:两个控制器的硬件、软件版本必需一致;检查发送-接收的芯片是否完好;冗余的芯片是否完好。两个模件的设定是否一样、还要检查有没有带手操站等。
通讯网络把过程站和人机界面连成一个系统。通讯网络有几种不同的结构行式。如总线式、环形和星形(见图)。总线形在逻辑上也是环形的。星形的只适用于小系统。不论是环形还是总线形,一般都采用广播式。其它一些协议方式已用的较少。通讯网络的速率在10M和100M左右。
人机界面有4种不同形式的结点,它们是操作站、工程师工作站、历史趋势站和动态数据服务器。
u 操作站安装有操作系统、软件和控制器的驱动软件。显示系统的标签、动态流程图和报警信息。
u 工程师工作站给控制器组态(),也可以给操作站组态(作动态流程图)。如果软件作图能力很强,作图工作可以由软件立完成。工程师站的另外一个功能是读控制器的组态,用于控制器升级,查找故障。我们称之为逆向工程师站。
u 历史趋势站用于存储历史数据,一般用磁盘阵列(称为RAID技术)。
u 动态数据服务器是DCS和MIS系统的接口,也是DCS和Web的隔离设备。
DCS和PLC的设计原理区别较大,PLC是由摸原继电器控制原理发展起来的,70年代的PLC只有开关量逻辑控制,应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令;并通过数字输入和输出操作,来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求,并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行,以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器,在程序运行过程中,每执行一步该计数器自动加1,程序从起始步(步序号为零)起依次执行到终步(通常为END指令),然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC,循环扫描周期在1微几十微秒之间。程序计数器这样的循环操作,这是DCS所没有的。这也是使PLC的冗余不如DCS的原因。DCS是在运算放大器的基础上得以发展的。把所有的函数、各过程变量之间的关系都作成功能块(有的DCS系统称为膨化块)。70年代中期的DCS只有模拟量控制。如TDC2000系统,一个控制器一秒钟内能完成8个PID回路的运算。应用的是化工行业。DCS和PLC的表现的主要差别是在开关量的逻辑解算和模拟量的运算上,即使后来两者相互有些渗透,但是还是有区别。80年代以后,PLC除逻辑运算外,也有一些控制回路用的算法,但要完成一些复杂运算还是比较困难,PLC用梯形图编程,模拟量的运算在编程时不太直观,编程比较麻烦。但在解算逻辑方面,表现出快速的优点,在微秒量级,解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理,16位(也有32位的)为一个模拟量。而DCS把所有输入都当成模拟量,1位就是开关量。解算一个逻辑是在几百微秒至几毫秒量级。对于PLC解算一个PID运算在几十毫秒,这与DCS的运算时间不相上下。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。不同型号的DCS,解算PID所需时间不同,但都在几十毫秒的量级。如早期的TDC2000系统,1秒钟内完成8个回路的控制运算。随着芯片技术的发展,解算一个算法的时简在缩短。解算一个算法所需时间与功能块的安排方式和组态方式有关。
在接地电阻方面,对PLC也许要求不高,但对DCS一定要在几欧姆以下(通常在4欧姆以下)。模拟量隔离也是非常重要的。在有爆炸危险的地方,应配置本质栅。
相同I/O点数的系统,用PLC比用DCS,其成本要低一些(大约能省40%左右)。PLC没有操作站,它用的软件和硬件都是通用的,所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器,可以接收几千个I/O点(多可达8000多个I/O)。DCS的控制器,只能几百个I/O点(不过500个I/O)。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少,采用PLC较为合适。如果主要是模拟量控制、并且函数运算很多,采用DCS。DCS在控制器、I/O板、通讯网络等的冗余方面,一些运算、行业的特殊要求方面都要比PLC好的多。PLC由于采用通用软件,在设计企业的管理信息系统方面,要容易一些。
特别要指出的是,DCS的操作站,不是天经地义的。它是由历史原因形成的。DCS厂家如再不开放操作站,与工厂的管理信息系统连网,个别DCS就有从市场中消失的危险。
随着新技术的诞生,负面影响也跟着而来。新操作站的开放,病毒和容易侵入到系统。在作设计时,在操作站上设置密码,系统多加隔离和防火墙。把负面影响减到小。
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