南通西门子PLC模块变频器供应商

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随着我国经济建设的发展，能源的开发和利用也显得日益紧张起来。3月份以来，我国多地出现淡季“电荒”现象，而电能利用效率低下是导致“电荒”的重要原因之一，在这种情况下，提高电能效率迫在屠睫。而随着城市路网建设的不断发展，路灯数量增多，使得人们对电能节约以及路灯的管理要求也越来越高。采用技术节约能源以及提高路灯自动化控制与管理水平，已成为城市照明系统建设的当务之急。

1 路灯照明管理现状

1）照明设施开关灯统一性差，智能化水平低，不具备远程修关灯时间，不能根据实际情况修关灯时间，能源浪费大，增加了财政负担；

2）路灯设备分散，管理人员少，管理困难，不能实时、准确、地监控设备运行状况，缺乏灵活的控制手段；

3）人工巡检工作量大，效率低，成本高，浪费人力、物力、财力，缺乏有效的故障预警机制。

2 ZigBee简介

ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低耗功、低传输速率、的双向无线组网通讯技术。它是一种介于RFID（Radio Frequency Identification，无线射频识别）和蓝牙之间的技术。

3 GPRS简介

GPRS通用分组无线业务是一种新的承载业务，提供了一种、的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁的。GRPS永远在线，接入速度快，用户可随时与无线网络保持连接，可使远程数据采集的效率大幅提高。

4 PLC简介

PLC即可编程控制器，是一种带有指令存储器，数字或模拟输入/输出接口，能够完成逻辑，顺序、定时、等功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

5 系统工作原理

运用组态软件作为上位机的控制平台，通过GPRS与现场控制器PLC通讯。软件通过GPRS网络向各个现场控制器发送动作指令，使现场控制器完成各种配置和数据采集工作，并对现场控制器发送上来的数据进行分析和处理。现场控制器通过ZigBee无线通讯设备接收单灯控制器所发送来的信号，进行分析处理并通过GPRS通讯系统向监控发送信息，以此来实现对路灯的远程无线控制。

6 系统组成

系统由3部分组成：现场控制器、单灯控制器、监控。

6.1 现场控制器

由PLC立控制模块、GPRS通信模块、ZigBee无线通信模块等组成，完成数据采集、控制输出、数据通信、故障报警等功能。现场控制器通过GPRS与照明管理监控服务器相连，通过ZigBee无线通信模块与单灯控制器相连，以此实现实时通信。

6. 2 单灯控制器

每盏路灯都装有单灯控制器，由ZigBee无线通信模块、完成电量采集和模块遥信功能的单片机模块组成。ZigBee无线模块具有网状拓扑结构，这样ZigBee子网就有内置冗余保，如果网络中有节点脱离网络，无法工作，节点数据将自动路由到一个替换节点保证系统的、稳定。单灯控制器是路灯监控系统中控制功能的执行部分，控制路灯的状态并监测路灯运行的电流、电压、功率因素等，将这些参数通过无线方式传送到现场控制器，同时接收来自现场控制器的所有控制指令，从而实现远程控制功能。

6. 3 监控

监控由软件、GPRS通信模块组成，对整个照明系统进行集中控制。软件可实现远程监控、采集数据、建立数据库、数据分析等功能，通过GPRS通信模块实时扫描各路灯电量数据和输出状态，也可将软件发送的各种有效指令发送给现场控制器。遇到报警信息，通过GSM短信方式送至巡检人员手机。

7 软件介绍

组态软件是用于数据采集和过程控制的软件，本系统采用组态王作为开发工具，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发等优点，能充分利用图形编辑功能，为用户提供了友好的可视化界面。

软件是整个路灯监控系统的控制，它负责跟控制现场中的监控终端进行远程通信，对的数据进行处理，主要功能如下：

1）查询功能现场控制器将单灯的电压、电流、功率、设备运行状态等参数通过无线信道发送回监控，监控主机对这些数据进行分析、处理后，以直观的报表或图表形式管理人员，为决策准确的依据。

2）控制功能手控与自控相结合，提供灵活、的开关控制功能，通过“设置参数”里的开关灯方案及开关灯时间，下发给现场控制器，让现场控制器按的方案运行。

3）设置参数监控可自动或手动执行全控开关灯，也可控制任一单灯执行开关灯，可随意设置半夜灯或全夜灯模式，并对设置的参数和要求进行保存。

4）报警功能当现场控制器主动报警或检测单灯控制器时发现有故障，软件发出声光报警信号提醒工作人员，并在画面上显示故障报警位置状况和类型，保存报警的同时以短信息的方式通知现场巡检人员。

5）数据统计与报表统计备采集参数的数据信息，形成报表，便于分析研究，可打印报表。

8 结束语

本系统从路灯控制的具体要求出发，建立了友好的可视化界面，集无线通讯技术、自动化控制技术、监控系统组网于一体，有效的解决了路灯控制的灵活性、实时性、性、经济性等问题，抗干扰力强，通信稳定，上位机给监控终端发出的命令能准确到位。不仅大大节约了铺设通信电缆的费用，达到了节能能源的目的。

摘  要 油田伴生气增压回收系统是利用工业压缩机将油田伴生气压缩到一定的压力后，再通过切换阀门以及管道回收利用的系统。系统包括了压力、温度检测、阀门切换以及变频控制等控制过程。目前对此系统主要有两类控制器，一类是采用单板机制作的控制器，此控制器可以较好的实现控制功能，但在性以及维护性方面都存在较大的问题；还有一类是采用PLC作为系统的控制器，PLC的性会大大强于单板机控制器，并且有丰富的通讯接口，易于组网。在监控方面，系统一般包括现场触摸屏监控以及GPRS远程监控系统。和利时公司的LK系列PLC不仅有很高的性还有丰富的通讯接口，系统组网加容易，此外还具有SD卡程序下装功能，系统的升级维护加方便，因此LK系列PLC在此类系统中的应用前景加广阔。

1 引言

伴生气又称为油田气，是与共同储藏在地层深处的一种能源，其主要成分为甲烷，其中还有乙烷、丙烷、丁烷等少量气体。早期国内外大部分油田没有对伴生气进行有效的回收利用，多采取燃烧、排放等简单的处理方式，这些处理方式不仅污染环境，而且造成的浪费。随着企业节能减排意识的提高以及自动化控制技术的不断提升，越来越多的油田开始致力于伴生气回收系统的开发。不同的油田所产生的伴生气浓度与压力是不同的，为了能够将伴生气回收利用，需要将压力不足的伴生气进行增压，油田伴生气增压回收系统就是在此背景下应运而生的。

近些年，随着自动化控制技术、网络通讯技术的快速提升，油田伴生气增压回收系统的功能也越来越强大，由早是单机控制系统，发展到现在的带有无线网络的集中智能控制系统，这就需要控制器具有较强的通讯扩展能力。目前采用的控制器主要有两大类，一类是基于单板机的控制器，还有一类是基于PLC的控制器。基于单板机的控制器可以较好的实现控制功能，但在性以及维护性方面都存在较大的问题，其中一些控制器的网络接口也没有统一的标准，不易进行网络扩展；另一类采用PLC作为系统的控制器，PLC的性大大强于单板机控制器，此外PLC的通讯扩展能力也比较强，可以比较方便的实现复杂的网络。本文所述的油田伴生气增压回收系统就是采用PLC作为控制器的，本系统采用的是和利时公司LK系列PLC，这款PLC不仅具有很高的性，还有丰富的通讯接口，非常易于组网，利用CPU自带的RS485接口以及宏电的GPRS DTU模块，系统实现了基于GPRS的远程监控功能。此外系统还支持SD卡程序下装功能，用户只需通过带有程序的SD存储卡就可完成程序的下装，此功能特别适用于对此类所在地点偏僻、不便于使用电脑对控制系统进行升级与维护的应用场合。下面就详细介绍一下采用和利时公司的LK系列PLC搭建的油田伴生气增压回收系统。

2 油田伴生气增压回收系统工艺

该系统主要由以下三个子系统组成，分别是增压系统、喷液冷却系统以及立润滑油系统。下面分别对这几个子系统进行简要说明。

增压系统

增压系统用于伴生气增压，可根据入口气体压力情况自动进行启动停止，其装置为双螺杆压缩机，压缩机采用变频工作方式。控制器根据设定的出口气体压力与实际出口压力作比较，采用PID算法计算出变频器的运行频率，实现对双螺杆压缩机的动态能量调节。

喷液冷却系统

压缩机汽缸采用喷淋冷却的方式，冷却液采用油田中的，与套管气混合后进入冷却器，经冷却后的油气作为喷淋液进入压缩机。

立润滑系统

立润滑系统由油泵、油箱、润滑油过滤器、润滑油分配器等组成，分别向压缩机的轴承、机械密封、同步齿轮提供润滑油。润滑系统设置油压连锁控制等功能，保证主机得到良好润滑和封闭。

油田伴生气增压回收系统工艺结构主要包括压缩机、变频器、润滑油分配器、冷却器、加热器、油泵以及一些阀门开关等。图中部分即为立润滑油系统，润滑油采用，经加热后由油泵打入冷却器中，再进入润滑油分配器，加热是避免油温过低时阻塞油泵。图中红色部分为喷液冷却系统，经冷却后作为冷却剂进入压缩机。图中蓝色部分为增压系统，伴生气在符合一定压力条件下进入压缩机，压缩机变频工作使压缩后的伴生气稳定在设定压力上。

3 油田伴生气增压回收控制系统设计

系统结构

此系统采用和利时公司的LK系列PLC作为控制器。控制系统结构如图3-1所示，在控制层每个采油站配置一个现场控制站，现场控制站包括一套LK PLC、一个触摸屏以及一块GPRS远程通讯模块，PLC负责现场工况信号的采集、处理以及向现场设备发送控制信号，触摸屏用于现场监控与调试，GPRS远程通讯模块将现场控制站以无线的方式接入公网，通过GPRS网络即可将现场控制站的状态与报警信息传输到监控的操作员站上。网络层采用星型网络，以公网为，操作员站通过网线连接到公网，公网再通过GPRS网络与现场各工作站交换数据。在操作层采用了2个操作员站，其中一台操作员站具备工程师站的功能，用于操作以及监视此控制系统，两个操作员站采用热备的方式，当其中一台操作员站出现故障时，可以使用另一个操作员站对系统进行操作，从而不会影响系统正常工作。两个操作员站通过工业以太网交换机进行数据交换，打印机负责打印日常报表。

PLC硬件配置

本系统采用和利时公司的LK系列PLC，LK系列PLC的CPU上集成了丰富的通讯接口，包括冗余的Profibus-DP接口、太网接口，一个RS232接口以及一个RS232\485接口，不用另外扩展通讯模块即可组成复杂的通讯网络，既能满足客户的通讯需求，又为用户节约了投入成本。单个子站控制系统硬件清单如下：

表  3-1单个子站控制系统硬件清单

硬件清单 

型号 说明 总数量 单位 生产商 

LK910 电源 2 个 和利时 

LK202 CPU 1 个 和利时 

LK101 主背板 1 个 和利时 

LK231 通讯模块 1 个 和利时 

LK610 16通道数字量输入模块，

12/24V DC，漏型 1 个 和利时 

LK710 16通道数字量输出模块，

晶体管输出 1 个 和利时 

LK411 8通道电流型模拟量输入模块 1 个 和利时 

LK511 4通道电流型模拟量输出模块，通道间隔离 1 个 和利时 

LKC131 占空模块 4 个 和利时 

HT6600C 5.6英寸，CSTN 1 个 和利时 

H7710 GPRS DTU RS485 1 块 宏电 

上位机操作系统

上位机操作系统采用和利时公司的HollyView进行开发，实现对各PLC控制站的监视与控制。为了通过GPRS与各子站进行通讯，操作员站申请了域名，通过HollyView虚拟串口功能与各DTU建立连接。数据库采用SQL2000，通过连接SQL2000数据库进行运行状态信息的保存、读取以及报警数据的记录等工作。为了保证系统的性，本系统采用两台PC机互为备份，并实现数据库同步，确保监控系统的不间断运行。

触摸屏操作系统

触摸屏可以在现场对设备进行监视与控制，以及在设备调试时使用。触摸屏系统中包括了参数设置、系统控制、系统状态监视、报警信息记录等功能。

4 应用特点

基于LK的伴生气增压回收系统具有如下特点：

性

本系统采用和利时公司的大型PLC产品LK系列PLC，LK系列PLC主要针对大型或对性要求高的控制系统，产品设计借鉴了和利时公司DCS产品的成功经验，在恶劣的工作环境下仍然可以保证长时间的工作，LK系列PLC还通过了UL和CE两大。上位机系统采用两台PC互为热备，当一台PC机出现问题的时候，另一台PC机可以立即投入工作，从而不会影响系统正常运行，可以看出本系统在控制层与操作层都有相当高的性。

系统功能强

LK系列PLC性高，运算速度快，逻辑控制容量大，支持SD卡程序下装，支持LD、ST等多种语言混合编程，特别适合伴生气增压回收系统这样算法比较多的控制系统。LK编程软件中带有增量PID功能块，通过配置参数就可以很方便的实现PID运算功能。此系统被控对象所处位置偏远且分散，对此采用了基于GPRS网络的远程监控系统，不仅节省了布线成本，新建的子站也可以很容易的加入现有系统中。

数据库记录完善

上位机操作系统采用HollyView组态软件连接SQL2000数据，可以实现系统监控以及系统状态信息、报警信息的记录功能，触摸屏所做的操作界面同样具有报警信息记录等功能，用户可以在现场随时查询报警信息。

5 结束语

油田伴生气增压回收系统在保护环境、节能减排上有着深远的意义，此类系统也将成为控制领域新的研究方向。LK系列PLC以其高性、易用性很好的完成了此系统的控制任务，这也预示着国产PLC的迎头赶上。GPRS远程监控系统的成功搭建也给系统监控提供了新的思路。

计算机集散控制系统(DCS)从广义上讲，有仪表型、PLC型和PC型3种类型。其中，PLC由于具有非常高的工业性而被广泛应用，特别是90年代以来，许多厂商的PLC增加了模拟量处理及PID控制功能。因而使其具有竞争力，针对工业合成革生产DMF回收过程，设计开发了基于PLC-IPC结构的计算机集散式控制系统，并在实际应用中了良好的效果。然而，由于DMF回收工艺的特殊性，使得某些关键的工艺参数基于PID控制算法的控制效果并不理想，模糊控制在PLC上的实现方式基本分两种：一是通过的硬件实现，但其价格昂贵，并且需要使用编程设备，另一种实际采用较多的是通过软件实现，把模糊控制程序作为整个PLC控制程序的一个子程序，包括数据的读取、模糊推理和控制信号输出，通过中断调用子程序完成模糊控制。

本文针对DMF回收过程中蒸发罐液位控制不稳定的现象，采用模糊控制方案，设计了一种通用的模糊控制器，利用STEP7软件，采用模块化编程方法，使用梯形图及语句表编制程序实现模糊控制算法，使模糊控制策略在s7-300PLC上得以较好地实现，

一、DMF回收工艺过程 

DMF回收过程属于典型的化工精馏过程，一般采用双塔精馏，包括脱水塔、蒸发罐和精馏塔等主要设备。采用原料预热、常压脱水、一段浓缩、汽相进料、真空精馏的工艺过程。

从工艺流程来看，蒸发罐处于两个塔之间，其内部状态受两塔影响较大。其恃点是工艺参数关联程度大，非线性程度高。对于蒸发罐的液位控制，从目前的情况来看，常规PID控制难于做到实时有效的监控，经常会出现控制不稳定、成份标的情况。针对这种情况，设计了模糊控制方案，以此来提高控制效果。

二、PLC一I制系统

DMF回收过程计算机控制系统以Siemens S7-300 PLC作为控制站，实现工艺过程参数的数据采集和控制算法的实施，采用IPC(工业控制计算机)作为上位机，在工业组态系统环境下实现对控制系统的监控操作。系统组成分为4部分:处理单元(CPU)、信号模块(SM)、通讯处理器(CP)、功能模块(FM)。

SM334为模拟量输入/输出模块，实现模拟参数的数据采集和输出;SM321为数字输入模块，采集现场开关参数数据;FM355C为智能控制模块，实现参数的PID控制。

三、模糊控制器的设计

DMF回收过程蒸发罐液位的模糊控制器主要由模糊化接口、知识库、模糊推理、清晰化接口4部分组成，蒸发罐液位模糊控制器以液位偏差E和偏差变化率EC作为输入变量，它们能够比较严格地反映受控过程中输入变量的动态特性，同时控制器设计简单，规则容易理解。输出控制量为U(阀门开度)，采用增量式算法。

模糊化接口通过尺度变换，将输入参数变换到各自的论域范围，再对其进行模糊化处理，基于对现场数据的分析以及液位的控制经验，E、EC的论域设计为[-6，-5，……，+5,+6],U的论域为[-7,……，+7]，均分为7个档级[NB，NM，NS，O，PS, PM，PB]。采用三角形函数作为隶属函数确定模糊语言变量的隶属度，可分别得到模糊变量E、EC和U的隶属度赋值表。

清晰化接口把模糊量转为执行机构可执行的量，采用大隶属度法，即μ(u*)≥μ(u)，u∈U ，μ是u的隶属度函数，u*是与大隶属度对应的模糊控制量的值。

知识库由数据库和规则库组成。控制规则采用基于IF-THEN(条件-结果)的产生式规则，其结构简单，易于修改和掌握，比较适合PLC编程，如: if E=NB and EC=NB then U=PB表示为:R1=NBE×NBEc×PBu。

总结液位控制经验，得出7×7=49条控制规则。

总的模糊关系为：R=R1∪R2∪…∪R49，R是模糊关系矩阵，"∪"表示取大。采用合成推理法U=(E×EC)oR，"×"表示求值积，"0"是合成运算符，这里采用大-小合成法。整个模糊推理过程计算量大，比较烦琐，借助计算机完成，后获得模糊控制量查询表。

    四、STEP7实现的模糊控制算法

Siemens s7-300PLC的编程系统STEP7提供了丰富的功能模块，为模糊控制算法的实现提供了方便。为了简化程序编写量，提高程序的通用性并且方便调试，PLC程序设汁采用了模块化编程方法。编程语言采用梯形图(LAD)和语句表(STL)结合的形式。主模块OB1实现对子程序块的调用和数据的传递，0B35为中断服务程序模块。FBl模块为模糊控制器，完成整个模糊控制功能。它由FCl～FC4 4个子程序块组成。其中FCl完成e(液位偏差)和ec(偏差变化率)的计算;FC2进行模糊化处理，即完成量e，ec到模糊量E，EC的转换;FC3完成控制量表的查询功能;FC4完成模糊控制量U到量u的转化，并输出u。FBl依次调用4个子模块完成模糊控制各部分的功能，并实现他们之间的数据传递。FBl模糊控制器编制完成后，保存在STEP7标准库中，其具有很强的灵活性和通用性，如同STFP7中PID控制器(FB41)一样，方便调用。针对不同的被控变量，只要对FBl输入输出端进行正确的组态即可对变量进行模糊控制。数据块DB2作为FBl的背景数据块，存储量化因子Ke、Kec、Ku及其他参数。

整个程序设计的关键是模糊控制量表的查询部分，即FC3子程序块。在编程之前，将模糊控制量表中U的值按由上到下，由左到右的顺序依次置入数据块DBl中。数据类型为WORD型。地址为DBWO，依次为DBW2、DBW4、…、DBW336(U的个数是13×13)。采用指针寻址的查表方法。为了简化设计，将输入模糊论域的元素[一6，…，+6]转化为[0，…，12]。控制量的基址为0，偏移地址为2×(l3×EC＋E)，由EC和E可以确定控制量的地址为0+2×(13×EC＋E)。

通过指针变量获得地址中存储的U的模糊值。

以下给出主要程序部分示例:

OB1主循环程序：

L PIW256//从SM334读入液位数据，外设地址为PIW256//

T MD0//将采集的液位数据存入M存储区//

L DB2.DBD14//把DB2中量化因子Ke存入M存储区//

T MD8

L DB2.DBD18//把DB2中量化因子Kec存入M存储区//

T MD12

L DB2.DBD22//把DB2中量化因子Ku存入M存储区//

T MD16

……

OB35中断子程序：调用FB1实现模糊控制

CALL FB1，DB2//调用FB1//

Fuzzy_On：=1

DB_No:=DB1

N:=6

PV:=MD0

SP:=MD4

Ke:=MD8

Kec:=MD12

Ku:=MD16

HLM_e:=1.000000e+001//误差上限值//

LLM_e:=-1.000000e+001//误差上限值//

……

e:=MD20//液位误差值存入M存储区//

ec:=MD24//液位误差变化率存入M存储区//

u:=PQW258//把控制量的值输出到SM334，地址为PQW258//

……

FC3子程序：实现模糊控制量表查询功能

L  P#0.0 //利用指针寻址//

L  #q4 //q4中存放控制量的地址//

SLD 3

+D

T#P1

L DBW [#P1]

T MW 10 //将控制量U的值存入MW 10//

后由FC4功能块实现控制量U从模糊量到量的转换，即U乘以量化因子Ku再经过限幅，将终计算送到模拟量输出模块实现控制作用。

应用了基于PLC的模糊控制器，蒸发罐液位控制效果较以前有很大改善，整定时间缩短，调量缩小，控制稳定。

五、结 论

基于SIEMENS PLC实现模糊控制算法，既保留PLC控制的、灵活等特点，又提高了控制系统的智能化程度。采用离线计算在线查询的方法将复杂的模糊控制计算融进查询表中，在实际控制中节省计算时间，使得控制算法简单明了。对于那些非线性、大滞后、数学模型难以建立的控制系统，基于PLC的模糊控制不失为一种较理想的可选方案.