（机械工程专业论文）运用plc改造大型鼓风机监控系统的研究.pdf

摘要 该文首先对现代可编程控制技术的应用现状、发展趋势作了较为详细的介绍，然后简要介绍 了利用p l c 对焦炉煤气加压机控制系统改造的背景和思路。接下来简单概括了煤气加压机系统的 总体方案设计，详细讲述了加压机控制系统主体软件硬件的研制过程和设计方法，对自动控制系 统中p i d 控制器参数整定也做了详细介绍。对于工业控制现场不可避免的电磁干扰现象也作了一 定的介绍，提出一些在该系统中使用到的抗干扰措施。最后讨论的是现代工厂的自动化网络的现 状与分类井提出了该系统组网的简单设想及对于该系统今后的一些改进措施。此外，文中对该系 统整体的设计思想和一些关键的技术以及所获得的经验都进行了介绍和讨论。该设计中综合运用 了1 二控机、可编程控制器( 即p l c ) 、变频器等现代控制部件，所做的研究和开发工作对同类设各 以及一般的工业控制都有参考价值。 关键词：可编程控制器，工控机，网络通讯，煤气加压机 i i a b s t r a c t t h et e x tf i r s tt oi n t r o d u c e st h ep r e s e n tc o n d i t i o n sa p p l i e da n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fm o d e m p r o g r a m m a b l ec o n t r o lt e c h n i c a l ，t h e ns i m p l yi n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n dt h ew a yo ft h i n k i n ga b o u t m a k i n gu s eo fp l c t or e f o r m a t i o n a n dt h e ng e n e r a l i z e st h et o t a lp r o j e c td e s i g na b o u tt h eg a sc o m p r e s s y s t e m ，t e l l si nf u l lt h em a k i n gp r o g r e s sa n dt h ed e s i g n i n gw a ya b o u tm a i ns o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h e g a sc o m p r e s s e rs y s t e r m ，r e l a t e dt ot h ep a r a m e t e ro fp i dc o n t r o l l e ri na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi nd e t a i l a i s om a k e sc e r t a i nf n t r o d u c t i o na b o u tt h ep h e n o m e n o no ff n e l u c t a b l ee l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c ei n i n d u s t r i a lc o n t r o ls p o t ，p u tf o r w a r ds o m ea n t i - i n t e r f e r e n c em e a s u r eu s e di nt h a ts y s t e m f i n a l l yw h a tt o d i s c u s si sp r e s e n tc o n d i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no ft h ea u t o m a t i o nn e t w o r ko fm o d e mf a c t o r y , a n dt h e n p u t sf o r w a r d t h et h i n g k i n go fs y s t e m ss e t t i n gn e ta n ds o m ei m p r o v e m e n tm e a s u r e i n a d d i t i o n ， i n t r o d u c e sa n dd i s c u s s e st h ew h o l ed e s i g na n dt h ek e yt e c h n i q u ea n ds o m ee x p e r i e n c eg o tf o rt h e s y s t e m s i nt h i sd e s i g nm a k e st h et o t a lu s eo fi n d u s t r i a lc o m p u t e ra n dp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e ra h d t r a n s d u c e re t c m o d e mc o n t r o lp a r t s ，t h er e s e a r c ha n de x p l o r ew o r kh a sd o n eh a v er e f e r e n c ew o r t ht o t h es a l p kk i n do fe q u i p m e n t sa n dg e n e r a lo fi n d u s t r yc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ，i n d u s t r i a lc o m p u t e r ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，g a sc o m p r e s s o r i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 李另灸哆 时间： 知衫年月9 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 毒穆萌 彳硼辱 时间： 渺年月9 日 时间：们护年月日 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 宣钢焦炉煤气东气西输”工程，管道中途设置了煤气加压机，以满足末端用户压力需求。煤 气加压机是武汉鼓风机有限公司生产的d 2 0 0 3 2 型离心鼓风机。作为监视、控制生产工艺的仪表 自动化装置，主要选用了9 0 年代的智能化仪表。整个仪表系统基本具有检测、控制、保护等功 能，但由于产品技术上的局限性，仍然存在着以下不足： 1 作为系统的重要参数煤气出口压力未采取自动控制方式，人工操作滞后大，不能准确、及 时地跟随压力变化，造成压力波动影响用户使用。 2 连锁保护功能不完善，且线路复杂，故障率高，不利于维护。加压机润滑系统的主辅油泵 未实现联锁切换，若油压突降会直接导致停车。 3 各项工艺参数无历史趋势记录，对机组的运行方式是否经济无法分析，发生故障后不便于 查找原因。 根据目前p l c 的现状，由p l c 构成的监控系统完全可以应用到大型离心鼓风机控制中，并且 能够实现显示、控制、报警、历史趋势、自动报表等功能，从而进一步提高生产效率、保障生产 安全和降低工艺能耗。 1 2 可编程控制技术的现状及发展趋势 作为通用工业控制计算机，3 0 年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线 逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小 到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。今 天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。 1 2 1 可编程控制技术的现状 1 可编程控制器的定义 可编程控制器，简称p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，是指以计算机技术为基础的 新型工业控制装置。在1 9 8 7 年国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r i c a lc o m m i t t e e ) 颁布 的p l c 标准草案中对p l c 做了如下定义： “p l c 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制 程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指 令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。p l c 及其有关的 外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。， 2 p l c 的特点 ( 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强 中国农业大学硕上学位论文 第一章绪论 高可靠性是电气控制设备的关键性能。p l c 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的 生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的f 系列p l c 平均无故障时间高达3 0 万小时。一些使用冗余c p u 的p l c 的平均无故障工作时间则 更长。从p l c 的机外电路来说，使用p l c 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比， 电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，p l c 带有硬件故 障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件 的故障自诊断程序，使系统中除p l c 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统 具有极高的可靠性也就不奇怪了。 ( 2 ) 配套齐全，功能完善，适用性强 p l c 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业 控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代p l c 大多具有完善的数据运算能力可用于各种数字控 制领域。近年来p l c 的功能单元大量涌现，使p l c 渗透到了位置控制、温度控制、c n c 等各种 工业控制中。加上p l c 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用p l c 组成各种控制系统变 得非常容易。 ( 3 ) 易学易用，深受工程技术人员欢迎 p l c 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为 工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路圈相当接近，只用p l c 的少 量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原 理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 ( 4 ) 系统的设计、建造t 作量小，维护方便，容易改造 p l c 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的 周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成 为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 ( 5 ) 体积小，重量轻，能耗低 以超小型p l c 为例，新近出产的品种底部尺寸小于l o o m m ，重量小于1 5 0 9 。功耗仅数瓦。由 于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 3 p c c 的应用领域 目前，p l c 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、 交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 ( i ) 开关量的逻辑控制 这是p l c 摄基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制， 既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、 组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 ( 2 ) 模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟 2 量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量( a n a l o g ) 和数字量( d i g i t a l ) 之间的 a d 转换及d a 转换。p l c 厂家都生产配套的a d 和d a 转换模块，使可编程控制器用于模拟量 控制。 ( 3 ) 运动控制 p l c 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量i o 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服 电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要p l c 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用 于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 ( 4 ) 过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，p l c 能编制 各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。p i d 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。 大中型p l c 都有p i d 模块，目前许多小型p l c 也具有此功能模块。p i d 处理一般是运行专用的p i d 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 ( 5 ) 数据处理 现代p l c 具有数学运算( 含矩阵运算、函数运算、逻辑运算) 、数据传送、数据转换、排序、 查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参 考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。 数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统：也可用于过程控制系统，如造纸、 冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 ( 6 ) 通信及联网 p l c 通信含p l c 间的通信及p l c 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自 动化网络发展得很快，各p l c 厂商都十分重视p l c 的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近 生产的p l c 都具有通信接口，通信非常方便。 4 p l c 的国内外状况 世界上公认的第一台p l c 是1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 研制的。限于当时的元器件条 件及计算机发展水平，早期的p l c 主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻 辑控制及定时、计数功能。2 0 世纪7 0 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器， 使p l c 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了 方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯 形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的p l c 为 微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 2 0 世纪7 0 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程 控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模 拟量运算、p i d 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。2 0 世纪8 0 年代初，可编程 控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、 高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 2 0 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说， 这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元。用于 压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产晶的配套能力来说，生产了各种人机界面 单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在 机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备 中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了p l c 的应用。目 前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的c f 系列、杭州机 床电器厂生产的d k k 及d 系列、大连组台机床研究所生产的s 系列、苏州电子计算机厂生产的y z 系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡 岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的p l c 生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深 入，p l c 在我国将有更广阔的应用天地。 1 2 2 可编程控制技术的发展趋势 2 1 世纪，p l c 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控 制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上 看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看产品的品种会更丰富、规格更 齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看， 各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市 场的局面会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制 计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统 d e s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o s y s t e m ) 中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发 展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在_ t 业及工业以外的 众多领域发挥越来越大的作用。 1 3 研究内容 根据控制对象和控制要求，拟选用p l c 对原控制系统进行改造，实现逻辑控制、过程控制、 运动控制三电一体，达到工艺参数集中显示、报警与联锁保护、自动控制压力的目的。 监控系统实现的目标功能： ( 1 ) 显示功能 分画面实时显示各机组的过程参数与运行状态，主要包括进出口煤气压力、油压、油温、电 机定子温度、轴温、轴振动、转速、变频器输出频率、进气阀阀位等过程参数，以及风机、油泵、 电加热器运行状态。 ( 2 ) 控制功能 启车：设置启车逻辑画面，当油温、油压、电源等工艺条件满足要求后，人工点击启车按钮 d 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 后，p l c 系统进入自动启车程序，并根据送气压力自动调憨风机转速，风机开始正常运行。 停车：当工艺条件超限或人工点击停车按钮时，p l c 系统发出开关信号至电气设备，实现紧 急停车，同时关闭进气阀。当送气压力较高时，p l c 系统输出控制电机转速为零，关闭进气阀， 油系统与变频器不停止工作，以备启动。 油压：当风机主油泵压力达到一定数值时，辅助油泵自动停止；当风机主油泵压力低于定 数值时，辅助油泵自动启动。也可手动操作。 油温：当油温低于工艺要求时，自动启动电加热器，达到上限后停止。 进气阀：进气阀操作在上位机实现，当发生停车时，自动关闭，启车时自动打开。 送气压力：依据加压机出口压力采用常规p i d 控制，若效果不理想，将末端压力作为前馈信 号构成前馈一反馈控制系统，提高控制精度。 ( 3 ) 报警功能 对超过限定值得参数进行声光报警，并记录。 ( 4 ) 历史趋势 对所有参数实现历史记录，设定时间为t 个月。 ( 5 ) 报表功能 根据工艺要求设计报表，并定时打印。 5 第二章宣钢焦炉煤气加压系统改造方案设计 2 1煤气加压系统简介 2 1 1 原系统简介 2 0 0 4 年，随着宣钢焦化厂3 、4 # j n 4 3 - 8 0 型焦炉投产，东区焦炉煤气供应能力火于煤气用户 的需求，导致煤气放散量增大：而与此同时，西区一轧热带加热炉及今后新建的项目均需要充足 的焦炉煤气供应为后盾。这在客观上要求对公司焦炉煤气资源进行优化配置，焦炉煤气东气两 输。工程正是在这样的背景下立项实施。新建焦炉煤气管道全长6 5 公里。由于管线长。压力损 耗大，在中途设置了煤气加压机，以满足末端用户压力需求。煤气加压机共有三台，是武汉鼓风 机有限公司生产的d 2 0 0 - 3 2 型离心鼓风机。目前采用开一备二运行模式，根据工艺压力要求，也 可以采用开二备一运行模式。 d 2 0 0 - 3 2 离心鼓风机的性能规范： 进口容积流量 q j = 2 0 0 n m 3 m i n 进口压力p j = i o i 5 2 8 k p a 进口温度t j = 4 0 5 0 进口介质比重 rj = o 4 5 3 k g m 3 介质焦炉煤气 升压 = 1 - 6 一1 8 6 k p a 所需功率 n = 8 6 k w 主轴转速n = 2 9 0 0 r m i n 采用电机型号y b 3 1 5 m 一2 电压3 8 0 v 额定容量 1 3 2 k w 转速2 9 8 0r m i n 鼓风机驱动电机电源由施耐德公司生产的a t v 3 8 系列变频器提供，通过4 - 2 0 m h 信号来控制 变频器输出频率，改变电机及鼓风机转速，进一步改变系统煤气供出量，保证整个管网稳定。 作为监视、控制生产工艺的仪表自动化装置，主要选用了9 0 年代的智能化仪表。压力变送 器采用了日本横河e j a 系列产品，其优点是精度高( 达0 7 5 ) ，稳定性好( o 1 6 0 个月) ，适用 范围广( 量程比达hi 0 0 ) ，具有自诊断功能与通讯功能，维护、调整简便。操作室采用了j p k 一2 型控制柜，盘装仪表采用了武汉市精达仪表厂的数字显示仪与操作器，其主要特点是显示值可设 置、自动校验等。 控制柜基本技术指标： 电源：单相a c 2 2 0 v 电源输入 6 中国农业大学硕士学位论文第二章宜钢焦炉煤气加压系统改造方案设计 配三相a c 3 8 0 v 电源输入端子 输入：温度传感器：p t l 0 0 输入，振动输入，压力输入 输出：温度显示输出0 1 5 0 0 ，4 2 0 m a 压力显示输出0 0 4 m p a ，4 2 0 m a 振动显示输出o 2 0 m m s ，4 、2 0 m a 其它状态指示开关量输出 控制柜主要由以下部分组成： 状态指示灯：综合故障指示，综合停机指示。 控制柜电源开关：用于控制控制柜仪表电源。 温度控制变送器：l l t 一52 26 型温度控制仪，用于风机轴承温度、电机轴承温度、电机 绕组温度和液偶进、排油温度的监测控制及温度信号再发送。并在风机或电机轴承温度过热时自 动输出故障报警或停机信号。 压力控制变送仪：x m b 一5226 型压力控制仪，用于液偶油压控制报警及压力信号再发送， 并在压力出现异常时自动输出故障报警或停机信号。 风机轴承振动仪：用于风机轴承振动监测及报警。 手动操作器：用于风门调节及液偶转速调节及反馈指示。 变频过程控制：用于变频器远程操作和工作状态显示。通过仪表进行手动输出，指示灯显示 变频器t 作和故障状态。 2 1 2 原系统存在不足 宣钢焦炉煤气”东气西输”工程，管道中途设置了煤气加压机，以满足末端用户压力需求。煤 气加压机是武汉鼓风机有限公司生产的d 2 0 0 3 2 型离心鼓风机。作为监视、控制生产工艺的仪表 自动化装置，主要选用了9 0 年代的智能化仪表。整个仪表系统基本具有检测、控制、保护等功 能，但由于产品技术上的局限性，仍然存在着以下不足： 1 作为系统的重要参数煤气出口压力未采取自动控制方式，人工操作滞后大，不能准确、及 时地跟随压力变化，造成压力波动，影响用户使用。 2 连锁保护功能不完善，且线路复杂，故障率高，不利于维护。加压机润滑系统的主辅油泵 未实现联锁切换，若油压突降会直接导致停车。 3 各项1 二艺参数无历史趋势记录，对机组的运行方式是否经济无法分析，发生故障后不便于 查找原因。 4 控制出口压力是控制目标，但最终用户的末端压力、流量在系统中没有显示；用户的流量 会影响末端压力的变化，在用户流量突然发生变化时系统反映迟钝。 根据目前p l c 的现状，由p l c 构成的监控系统完全可以应用到大型离心鼓风机控制中，并且 能够实现显示、控制、报警、历史趋势、自动报表等功能，从而进一步提高生产效率、保障生产 7 安全和降低工艺能耗。 2 2 系统控制改造总体设计 2 2 1 电控部分改造思路 宣钢焦炉煤气鼓风机驱动电机电源由施耐德公司生产的a t v 3 8 系列变频器提供，通过4 - 2 0 m a 信号来控制变频器输出频率，改变电机及鼓风机转速，进一步改变系统煤气供出量。控制变频器 转速的4 - 2 0 m a 信号由武汉市精达仪表厂生产的x m t s 0 0 0 系列仪表控制，采用手动给定信号。这 次改造，把电控系统，尤其是变频器操作和指示全部引入工控机操作界面，由p l c 集中控制，不 在单独设置电气操作柜。 电控部分对两个环节进行改动，一是把变频器起、停信号，变频器转速的4 - 2 0 m a 信号等由 操作台按钮改为p l c 程序控制，如图2 - 1 中，变频器4 - 2 0 m a 接受信号端子a 1 2 与p l c 输出卡件 相接，转速反馈信号h o l 也发给p l c 输入卡件。二是对变频器的运行即鼓风机电机的运行与系统 压力实现连锁，利用p i d 调节，根据煤气系统管网压力自动调整，实现自动控制。 详细控制设计参见第三章控制系统改进设计。 l l 口u 2 2 2 控制系统改造思路 图 1 加压机电控系统图 了解鼓风机工艺控制要求，充分利用西门子s 7 3 0 0 产品功能特点和s t e p 7 、w i n c c 编程软件 结合煤气加压机系统需要，进行编程组态，实现控制系统最大自动化，保证设备安全稳定运行。 8 3 1p l o 选型 3 1 1 概述 第三章控制系统改进设计 在众多的自动化设备中选择一种合适的产品是第一步，d c s 价格比相同点数的p l c 贵3 0 9 6 以 上，d c s 一般为容余系统，适宜模拟量的连续控制，和p l c 的逻辑控制相比没有优势，在p l c 方 面，p l c 已经深入的工业控制的各个领域，高可靠性，软件使用简单、与其他装置配置连接简单、 便于构成控制系统，编程方便、易于使用，环境要求低等特点以被业内人士所认可，在加压机的 控制上能够完全满足功能要求。 p l c 的厂家众多，国外s i e m e n s 、m o d i c o n 、a - b 、o m r o n 、三菱、g e 等，国内上海东屋电气有 限公司生产的c f 系列、杭州机床电器厂生产的d i c k 及d 系列、大连组合机床研究所生产的s 系 列、苏州电子计算机厂生产的y z 系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应 用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的p l c 生产厂家。 最终用什么产品，产品的等级是什么系列都是需要考虑的，在宣钢动力厂的应用中，在7 5 吨锅炉自动上水、煤气洗涤、除氧、煤气网络中采用了s i e m e n s 的2 0 0 、3 0 0 系列产品，a v 7 1 风 机的布袋除尘系统中应用的是o m r o n 产品。用户对西门子的产品有着教深入的理解和编程经验、 技巧，选用3 1 5 2 d p 为控制器c p u 、c p 3 4 1 通过工业以太网为上位机和下位机通讯是最佳方案， 以后的维护用户更得心应手、备品备件的互换性有利于节余库存。 西门子工业软件在全世界为自动化项目开创了先例。通过汇集专业技术和资源，西门子提供 给用户一个单一来源的全集成的自动化。 全自动化不止是连接不同的自动化部件，它提供一个共同的软件环境使得所有的部件和任务 集成为一个任务。当用户进行组态和编程时，西门子软件将你的所有数据放在一个中央数据库中， 所有的工具都可以访问该数据库。这就意味着，每个软件工具通晓其它工具的功能，并能和其它 编程任务结合起来工作。 3 1 2s 7 3 0 0 功能简介 西门子s 7 系列主要有s 7 2 0 0 、s 7 3 0 0 、s 7 4 0 0 产品，其中$ 7 - 2 0 0 系列p l c 属于整体式结 构，它将所有的模板都装入一个机体内，构成一个整体，体积小，成本低，安装方便。主要针对 低性能要求的模块化小控制系统，虽大可以扩展7 个模板，i 0 点限制在1 0 0 点以下。 s 7 3 0 0 4 0 0 属于模块式p l c ，主要由机架、c p u 模块、信号模块、功能模块、接口模块、通 信处理器、电源模块和编程设备组成。s 7 4 0 0 用于中等到高级性能要求的强大控制系统，可以扩 展2 1 个机架，3 5 8 个模块。s 7 3 0 0 属性界于2 0 0 与4 0 0 之间产品，适用于中型控制系统其结 构如图3 - 1 。本t 程改造中，选择了s 7 3 0 0 系列p l c 进行控制。 s 7 3 0 0 的c p u 模块( 简称为c p u ) 都有一个编程用的r s 一4 8 5 接口，有的有p r o f i b u s b p 接 口或p t p 串行通信接口，可以建立一个肝i ( 多点接口) 网络或d p 网络。 9 功能最强的c p u 的r a m 为5 1 2 k b ，最大8 1 9 2 个存储器位，5 1 2 个定时器和5 1 2 个计数器 数字量最犬6 5 5 3 6 ，模拟量通道最大为4 0 9 6 。有3 5 0 多条指令。计数器的计数范围为1 9 9 9 ， 定时器的定时范围为l o m s 9 9 9 0 s 。 只需要扩展一个机架，可以使用价格便宜的i m3 6 5 接口模块对。数字量模块从0 号机架的 4 号槽开始，每个槽位分配4 个字节的地址，3 2 个i 0 点。模拟量模块一个通道占一个字地址。 从i b 2 5 6 开始，给每一个模拟量模块分配8 个字。模块具有诊断和中断功能： ( 1 ) 模块诊断功能 可以诊断出以下故障：失压，熔断器熔断，看门狗故障，e p r o m 、r a m 故障。模拟量模块 共模故障、组态，参数错误、断线、上下溢出。 图3 1 s 7 - 3 0 0p l c 1 电源模块2 后备电池3 2 4 v i ) c 连接嚣4 模式开关5 状态和故障指示灯 6 存储器卡( c p u3 1 3 以”7 | p i 多点接u8 ，前连接器9 前盖 ( 2 ) 过程中断 数字量输入信号上升沿、下降沿中断，模拟量输入超限，c p u 暂停当前程序，处理o b 4 0 。 s 7 3 0 0c p u 的分类 i 紧凑型c p u ：c p u3 1 2 c ，3 1 3 c ，3 1 3 c p t p ，3 1 3 c - 2 d p ，3 1 4 c - p t p 和3 1 4 c 2 d p 。各c p u 均 有计数、频率测量和脉冲宽度调制功能。有的有定位功能，有的带有i 0 。 2 标准型c p u ：c p u3 1 2 c p ub 1 3 ，3 1 4 ，3 1 5 ，3 1 5 - 2 d p 和3 1 6 2 d p 。 3 户外型c p u ：c p u3 1 2i f m ，3 1 4i f m ，3 1 4 户外型和3 1 5 2 d p 。在恶劣的环境下使用。 4 高端c p u ：3 1 7 - 2 d p 和c p u3 1 8 2 d p 。 5 故障安全型c p u ：c p u3 1 5 f 。 根据煤气加压站环境和其它要求，选用了标准型c p u 3 1 5 - 2 d p 。 3 1 38 7 - 3 0 0 编程工具 西门子工业软件分为三个不同的种类： 1 0 中国农业大学硕士学位论文 第三章拄制系统改进设计 ( 1 ) 编程和工程工具：包括所有基于p i a g 和p c 用于编程、组态、模拟和维护的控制解决方案 所需的工具。 s i m a t i cs t e p7 是用于s i l i a t i cs 7 3 0 0 4 0 0 ，c 7p l c 和s i m a t i cw i n a c 基于p c 控伟4 产品 的组态、编程和维护的项目管理工具。 s t e p7 现在已是第5 代，它完全符合i c e1 1 3 1 3 国际标准。i c e 标准帮助用户在建立程序 时，增加重复可用性，减少错误，并能提高编程和用户的效率。用户编程人员可选择不同的编程 语言，除了梯形图( l d ) 和功能图( f b d ) ，s t e p7 还包括指令表( i l ) 编程语言。i c e1 1 3 1 编 程语言还有其它选择例如高级语言：结构文本s 7 一s c l 或顺序功能图s 7 一g r a p h 。该语言用非常 有效的方法或图形来描述顺序控制系统。 整个工程系统的先进性包括先进的系统诊断能力，过程诊断工具，p l c 模拟仿真，远程维护 和项目文件。 ( 2 ) 基于p c 的控制：该类软件包括基于p c 而不是传统的p l c 的解决方案，使用户的应用或 过程自动化。 基于p c 控制即为视窗自动化中心( w i n a c ) 产品生产线。w i m c 是集成在同一个平台上运行 的控制，h i m 网络和数据处理的解决方案。根据功能区分，可分为两部分： w i n a c 控制部分允许用户使用用户的个人计算机做为可编程控制器( p l c ) 运行用户的过程。 w i n a c 提供两种p l c ，一种是软件，它是在用户计算机上做为视窗任务运行，另一种是插槽p l c ( 在用户计算机上安装一个p c 卡) ，它具有硬件p l c 的全部功能。这些基于p c 控制的引擎通过 p r o f i b u s 分布式u o 进行通讯。 w i n a c 计算可视部分提供所有通过标准应用( 如m i c r o s o f te x c e l ，v i s u a lb a s i c 或任何其 它用于操作员控制和监视的删i 软件包) 浏览过程以及修改过程数据所需的开放接口。这些解决 方案与s i m a t i cs 7 一p l c1 0 0 兼容。因此，同样的组态数据，同样的程序，同样的i l o 可立即使 用。 ( 3 ) 人机接口( h m i ) ：该部分为用户自动化项目提供人机接口和s c a d a 系统，支持大范围的 平台。 西门子提供的h m i 软件适合任何工业应用，在许多工业中。包括汽车、纺织、仪器与饮料、 化工和医药工业中都能看到我们的软件。s i m a t i c 删i 产品设计为：当对过程进行操作时，用非 常容易读取的方式显示过程信息。特别是当过程停机时，s i 妣t i c 肼i 产品能帮助减少停机时间， 以确保更有效的生产过程。 p r o t o o l 软件用于机器级应用 p r o t o o l 适用于大部分s i m a t i ch m i 硬件的组态，从操作员面板到标准“现货”p c 。用集成 在s t e p7 软件中的p r o t o o l 可以非常有效地完成组态。从p r o t o o l 中可以非常容易地访问s t e p7 符号数据库。 p r o t o o l l i t e 软件用于s i m a t i c 文本显示的组态，如：o p 3 ，o p 7 ，o p l 7 和t d l 7 。这些组态 软件很容易开发： 中国农业大学硕士学位论文 第三章控制系统改进设计 屏幕信息( 屏幕层次，任何文本信息，输入和输出域) 报警系统( 屏幕具有报警信息暂存能力) 配方管理( 显示，修改和上下查找过程参数的数据记录) 打印机接口( 生成连续报表) 连接如s i m a t i cs 7 ，s 5 ，5 0 5 ，或其它厂商的p l c 的通讯接口 p r o t o o l p r o 软件用于组态标准“现货”p c 。 p r o t o o l p r o 不只是组态软件，也是运行软件。除了具有p r o t o o l l i t e 和p r o t o o l 的特点外， p r o t o o l p r o 设备选型还提供其它工具用于开发： 内建于图形编辑器的图形 在线和历史曲线 集成的a c t i v ex 对象 数据存档并将过程数据和报警信息按c s v 格式输出到e x c e l 文件中 v b 脚本接口特别用于扩展功能，如：算术功能 p r o t o o l p r o 组态可以非常容易地用于内建的模拟器进行离线测试 w i n c c 软件适用于监控级应用 w i n c c 是一个“真正开放的”m i is c a d a 软件，可在任何标准的“现货”p c 上运行。w i n c c 完全支持分布式系统结构，它的设计适合于广泛的应用，可以连接到已存在的自动化环境中，有 大量的通讯接口。全面的过程信息和数据处理是非常重要的。 3 2 控制系统设备选型 3 2 1 控制系统结构 如图3 - 2 。在该系统中采用了互相冗余的两套w i n c c 操作站通过交换机分别访问p l c 自动 控制器，使用两个机架即主机架和扩展机架，此外在用户末端还使用了一个p l c 控制器用来发送 信号。 1 2 w l n c c w i n c c 3 2 2 主要元件选型 图p 2 控制系统结构 参考西门子p l c 选型手册，主要元件选型如表3 - 1 。 表3 - 1 主要元件选型 序号名称型号规格 订货号单位数量 l 电源模块 p s3 0 75 a6 e s 73 0 7 - l e a 0 0 一o a a 0台 i 2 电源模块 p s3 0 7 1 0 a6 e s 73 0 7 - 1 k a 0 1 _ o a a o 台 l 3c p u 模块c p u3 1 5 2 d p 6 e s 73 1 5 2 a f 0 3 0 a b 0l 4模拟量输入a 1 8 * 1 6 b i t 6 e s 73 3 1 - t n f 0 0 - 0 a b 04 5 模拟量输入 a 1 8 * r d t6 e s 73 3 1 - 7 p f 0 0 0 a b 04 6 数字量输入 d i l 6 d c 2 46 e s 73 2 1 - 1 b h 0 2 一o a a o2 7 模拟量输出a 0 4 * 1 2 b l t6 e s 73 3 2 - 5 h d 0 1 一o a b o台2 8 数字量输出 d 0 1 6d c 2 4 v0 5 a6 e s 73 2 2 1 b h 0 l 一0 a a o2 9接u 模板e t 2 0 06 e s 73 6 0 3 a a 0 l 一0 a a 01 1 0 接口模板 e t 2 0 06 e s 73 6 卜3 c a 0 卜0 a a o1 u 连接电缆2 5 m6 e s 73 6 8 3 b c 5 卜0 a a o1 1 2 通讯处理器 c p 3 4 3 1 6 g k 73 4 3 1 e x l l 一0 】( e 0l 1 3 工业以太网卡e s m6 g k l1 0 5 3 a c 0 0 台 1 1 3 中国农业大学硕士学位论文第三章控制系统改进设计 1 4前连接器2 0 针 6 e s 73 9 2 一l 凡j 0 0 0 a a 0 个 6 1 5 前连接器 4 0 针6 e s 73 9 2 一l a m 0 0 0 a a 0个8 1 6d i n 导轨 8 3 0 m n6 e s 73 9 0 1 a j 3 0 0 从0 根 2 1 7 计算机 2 1 8组态软件w i n c c 6 0r t + c s2 5 6 点套1 1 9 编程软件s t e p 75 2 + s 7 一p i z s i mv 5 2套 l 2 0机柜砸1 2 l u p s 电源梅兰日兰p u l s a rd x 3 0 0 0台 l 2 2继电器d e l i x im y 4 n2 4 v d c个5 0 2 3 操作台面l 3 2 3 工程师站、操作站设备选型 加压机系统要求有高的可靠性，自控系统的故障会直接影响轧钢加热炉、一炼高炉热风炉经 济效益，恢复生产的时间和打断正常生产给宜钢大规模生产中造成的整体影响更是巨大的。 在自动化设备中，p l c 相对稳定，操作站故障率较高，对于这一问题的解决办法一是操作站 相互冗余，一是二个操作站通过工业以态网都直接访问c p u ，前一种方法在其他的系统中有应用， 通过串口或网卡实现数据的同步，如果和p l c 的连接中断冗余就不能实现，在西门子中操作站冗 余具体的是w i n c c 的冗余，必须有相关的授权才能实现：后一种方法是借助于令牌及c p u 可以有 多个连接通过交换机对c p 3 4 3 通讯，交换机对二个操作站通讯只要交换机和连接上位机和下位 机的网线正常，二个操作站就可以单独运行，交换机是最容易发生故障的环节，我们选择了 h a n s m a n 的产品。 在系统正常运行时，工程师站可以作为普通操作站来使用。 3 3 控制系统硬件组态 安装一个s 7 的步骤如图3 3 。 3 3 1 硬件组态规则 i 第一个模板一般为电源模板，在c p u 右边可以安装不超过八个的模板( s m 、f m 、c p ) 。 2 装在一个单模板机架上的全部模板的s 7 背板总线上的全部电流不超过以下数值： 一1 2 a ( 除安装有c p u 3 1 2 ，c p u 3 1 2 c 和c p