西门子模块6ES7222-1HD22-0XA0物优价廉

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80万吨/年argg三机组和气压机组控制系统是triconex公司的ts3000控制系统和ge公司的90-70系列plc系统，如tricon系统见1所示。投用3年后陆续出现烧卡现象，如tricon系统更换主处理器mp和各i/o卡件已有18块之多，eds系统已更换cpu、biu、i/o卡件等达12块（详见表1），造成了一定的经济损失并严重地威胁装置的安全生产。
系统故障的分析研究
一、系统故障涉及的范围
如附表所示，遇到的系统故障现象有以下几个方面：
·卡笼箱故障：tricon、ge90-70plc、3500卡笼箱均更换过。
·系统卡件烧坏：tricon系统更换电源模块、主处理器mp、通讯卡eicm和各i/o卡件已有18块之多；eds系统已更换电源模块、cpu、biu、i/o卡件等达12块；本特立3500系统卡件更换4块；ascc防喘振控制器烧坏等。
·系统通讯故障：eds系统冗余的主副plc出现6次不冗余现象；操作站与plc的通讯故障出现4次。
·仪表设备烧坏：主风机静叶控制器的隔离栅烧毁1次；各类探头和前置器更换累计达30余台/次。
从附表可以看出，在装置和机组的运行期间，维护中对各类故障的处理措施基本上可以分几种情况。系统接地的处理：详细检查接地系统，确保仪表接地符合要求；将系统工作地和安全地分开。电源系统的处理：检查ups的输出电压的精度及各项指标满足要求（由ups厂家配合进行）；将ups输出端三相四线的中性点n相做接地联接；更换ups电源、6台变压器及电源开关。仪表回路的检查：将所有仪表回路做了详细的检查。

图1 tricon系统示意图

二、系统维护中值得思索的几个问题
笔者认为，以下几个方面值得思考。
1、关于系统的工作环境因素
环境因素有温度、湿度、电磁场、空气尘埃等。实际上温度、湿度和空气中的腐蚀性气体及允许尘埃量都符合要求，尤其是和其它机组控制室相比都是一样的。
但交流电磁场的指标却很可能过高。原因如下：
·标准要求是：磁场＜2.5t/m，电场＜8v/m（14khz~1ghz）
·据电磁场的理论可知：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。变化的电场和变化的磁场是相互联系着的一个不可分割的统一体，这就是电磁场。深入理解便是：
①恒定的电场周围无磁场，恒定的磁场周围无电场。
②均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，均匀变化的磁场周围产生恒定的电场。
③周期性变化的电场周围存在同周期的磁场，周期性变化的磁场在周围产生同周期的电场。
·tricon和eds系统柜下面距离约3米处便是高达1万伏的交流动力电源（其它机组没有）。当大电机启动或停运时产生很大的电磁场便会以光速传播到远处。如图3所示。而电子电路长期在这样强的电磁场环境中工作，其性能便会逐渐下降，直至烧毁。这可能就是我们遇到经常烧卡的现象。

图2 电磁场的产生

2、关于系统的可靠性和可用性的问题
众所周知,plc具有很高的可靠性指标，一般公司的plc模块其mtbf（平均无故障时间）都在几万到十几万小时，甚至几十万小时。但是以plc为基础的控制系统的可靠性又如何保证呢？
据美国自动化行业的典型统计， 以plc为基础的控制系统的故障分布率如下：

由此可见，一个控制系统中只有20%的故障可由plc直接诊断，而80%的故障在plc外部,需要用另外的方法解决故障诊断。研究表明，在对一个成套设备或设备的故障检修时，有一半以上的时间花在检查、分隔、和确认故障及其发生地点的工作上。因此，要提高以plc为基础的控制系统的可用性，应在系统设计时充分考虑外部故障的防止和诊断的措施。
1） 选用质量可靠、性能好的输入和输出器件。
2） 充分利用plc的软元件资源(如专为外部故 障检测准备的软元件)，强化plc系统的外部故障检测的功能。充分利用plccpu模块和其它智能模块的自诊断功能，如cpu模块对自身的及对i/o模块的诊断及报警，通信模块对有关通信的诊断，热电偶输入模块对断偶的报警，等。充分认识plccpu的在线更换i/o模块的功能。这时应注意保持被更换的模块所处的状态，直到更换完毕再恢复直接从现场采集输入信号，或直接向现场输出信号。
3）正确选择i/o模块。绝大部分i/o模块都是8个或16个或32个输入/输出点共用1个公共点。特别是对输出模块的输出电流和流过公共点的电流均有限制。如某模块每个输出点的大电流为0.5a，8个点共用1个公共点，流过它的大电流为2a，这意味着只允许同时接通4点，否则会影响模块的安全使用。对于输入模块，则要注意对一个公共点它允许同时可接通的点数（通常为60%）。在安排输入/输出的清单时，千万不能忽略这个问题。
4）正确选择辅助开关电源。注意电源有足够的富裕容量。若安排双电源作并联运行，一定要考虑适当的电路保证负载不会都由其中一个内阻较低的那个电源承担。
现在的模块都采用新的集成电路元器件，元器件数量大为减少，电路板的热设计均可保证在小型化的同时，长期可靠地工作。但是对于电源模块来讲，就比较难以达到这种境地。一般的电源模块相对体积较大。作为系统设计者一定要十分注意这个问题，让电源模块有足够的富裕容量。这种小钱没有必要省，省了小钱可能造成隐患，教训并不鲜见。
5）容错能力。容错能力是一个控制器的主要指标，它能检测出瞬时或固有的故障并对其进行在线修复。它提高了控制器的稳定性。故障诊断程序，一定要在编控制程序的同时，考虑编故障诊断程序。有人把它称为基于plc的嵌入式故障诊断程序。
另外，还要注意输入模块的工作电压足以保证0和1状态正常翻转，切勿把工作电压定在接近0/1电平的下限，不然会产生工作不可靠的情况。
tricon系统采用tmr技术，控制器包括三个完全独立的分电路（电源是双冗余的）。每个分电路与其它两个电路并行处理应用程序，并对所有离散io数据进行三取二的表决，对模拟数据进行取中值的表决。由于每个分电路是与其它分电路完全隔离的，任何一个单点的故障都不会影响其它分电路，如一个分电路发生故障，其数据值会被其它的数据值覆盖，操作员可对其进修复或更换。tricon具有在线诊断与自修复能力，对每个通道、每个模块以及每个功能电路就进行广泛的诊断，并能及时报告错误。允许日常的维护而为中断控制。
3、关于接地的问题
接地是一个相当复杂的问题。特别是我国长期以来在工矿企业中采用来自原苏联的三相四线制，把中线当作零线用。220vac电源取自一根相线和中线。在未大量使用集成电路和微处理器前，并不曾产生很多问题。但随着集成电路和微处理器大量运用于仪表、低压电器、控制系统，甚至交直流传动控制后，正确处理接地便成为一个必须面对的技术问题。
对plc控制系统来讲，接地并不难处理。对一般以开关量为主、兼有一定的模拟量（4-20ma或1-5v等大信号）的系统，大多数情况下可以不接地（即浮空）。因为对plc来讲，按日本jis标准，采用第三种接地，即接地电阻不大于100欧姆。如果你草率接了地，而这个地又是零线，并非真正的地，当三相严重不平衡时，零线的电位可能高达几十伏特，弄不好就会使cpu故障，这方面的教训在国内并不少见。如果系统中有热电偶等小信号，接地的问题就要化点功夫了。为了避免交变感应，在布线时要尽可能远离动力线，或信号线与动力线成正交排列，再加上电容滤波，在交流电源两端接电源滤波器等措施，干扰问题不难解决。
4、关于软硬件的配置问题
现代的plc编程系统都是按iec61131-3的标准建立的。应该说都贯彻了结构化编程的基本方针。tricon系统的编程软件是msw311，笔者用ts1131软件（是msw311的版本）对tricon系统的硬件配置进行了重新组态实验。结果发现主机架的额定功率是175w，而实际组态为185w，超过额定功率10w，组态如图3所示。如果按初的设计实际组态的功率达225w（初用2个eicm卡通讯，现在用2个ncm卡通讯），则过载40w。而2个扩展机架的实际功率均小于额定功率35w和75w，都不过载。
三、典型案例
2003年10月10日早8：30仪表值班巡检发现argg三机组tricon控制系统第2机架4槽di卡报警，fault灯亮。故障诊断信息为“daul—portmemoryerror”，该故障清除不掉。当时的处理措施是：摘除该卡上的停机联锁，在线更换新卡。新卡工作正常后，故障信息可以清除掉。

图3 tricon系统组态画面

表1 系统故障一览表

结论
plc系统能否可靠长周期运行，涉及的范伟很广泛，系统的可靠性、安全性等必须符合设计规范，并注重使用环境，加强定期检测等维护，为平稳生产创造条件。(end)

◆引言
纸浆模塑工艺在我国早应用于纸餐盒、纸托盘的生产，现已越来越广泛的应用于仪器仪表、家用电器等进出口产品的包装中。纸浆模塑制品是一种新型的环保包装材料，具有可重复回收利用、生产过程环保、生产成本低等诸多优点。纸浆模塑制品的生产以废纸或纸浆为原材料，经过调浆碎浆、成型、烘干、整型等工序，成为具有环保、防震、防水性能的优质包装产品。
为了能在低值的纸制制品生产中获取大的效益，进一步降低生产成本，提高整个纸浆模塑生产线的生产管理水平和质量管理水平，通过对原有生产设备进行改造和效能优化，真正实现了全套生产线各个系统的集中自动控制。本文将针对生产线中重要的成型工序的控制进行重点叙述。
◆纸浆模塑成型机生产过程分析
成型工序由水环真空泵、真空泵供水泵、空气压缩机、空气干燥机、成型机等组成。成型机的作用是利用负压将配制好的纸浆吸附在纸浆模具上，经过压模、脱水处理，利用正压使产品从模具上脱落，然后进入下一工序。在生产过程中，成型机对负压稳定性要求较高，一般需要负压维持在-0.05mpa—-0.06mpa之间。负压越低，成型机的模具吸附的纸浆越少，造成产品的厚度过薄，废品率增加；负压越高，一方面容易造成模具堵塞，影响正常生产，另一方面使得产品的厚度过厚，浪费了纸浆和电能。由于成型机的数量已构成一定的规模，所以采用集中供应负压的方式。所需负压由两组真空泵组产生，一组真空泵组包括一台真空泵供水泵、一台水环式真空泵。原有的控制系统全部采用接触器、继电器等手工操作方式。两组真空泵组独立控制，工频运行，不仅控制方式缺乏灵活性，而且负压波动也比较大，废品率较高。每台成型机之间的生产相对独立，因生产品种的不同，需要设定不同的工艺参数，由人工记录生产量并进行统计。
为了保证负压供应的稳定，我们利用plc和变频器对原有设备进行了改造，采用plc的自整定pid功能，简单方便的实现了真空泵组的自动切换和自动变频控制。同时采用modbus总线技术与上位机易控(inspec)组态软件通信，不仅实现了产品生产的网络化实时监控，而且能够自动进行产量统计、提供报表及打印功能。
◆成型机监控系统的设计
成型机监控系统主要包括上位机组态界面、通信协议、plc控制系统三部分。系统结构图如图1所示。组态软件选用北京九思易自动化软件有限公司开发的易控（inspec）。易控(inspec)软件能够支持同时与不同的plc设备的通信。

成型机监控系统组态设计及通信协议
利用易控(inspec)组态软件设计上位机的实时监控画面，如图2所示。通过动画模拟实时的生产状况，使系统便于观察和操作；配制好数据库后，系统会自动保存重要的生产数据、生成实时曲线、统计产量、打印报表；当生产过程出现异常时，会弹出报警画面，自动关闭系统并提示相关处理操作。

上位机与不同类型的plc之间的通信采用不同的通信通道，本系统设置了1通道与台达plc通信，2通道与艾默生plc通信；同种类型的plc之间采用寻址的方式来区分，8台成型机分别对应1~8的地址；总线选用modbusrtu模式，plc通信端口的设置要与上位机通信端口的设置保持一致。
﹡ 真空泵变频控制硬件设计
系统保留了原有的手动控制，方便在系统的测试、维修期间，或者在自动控制出现问题时，作为后备功能启用。真空泵组的手动控制和自动控制由手动/自动转换开关来选择。为了节省成本，在自动控制模式下，采用一台变频器控制两台电动机，变频器根据需要在两台电动机之间进行切换。由plc控制电动机的启停操作。在负压罐的输出管道上，安装有负压传感器，用于获得实际的负压压力。将测得的负压压力与给定的目标值进行比较，通过pid计算得到变频器的输出频率。整套装置组成了一个完整的闭环控制系统，能够根据实际生产的需要，自动调节电动机的输出功率，从而达到稳定负压压力，节约能源和原材料的目的。
控制系统的硬件配置包括：台安n2系列220v/440v22kw变频器1台、艾默生ec20系列可编程控制器（plc）、艾默生ec20系列8ad模块、艾默生ec20系列4da模块、负压传感器、以及空气开关、断路器、防雷器等系统保护性器件，还包括接触器、继电器若干，主要用于plc的继电器输出及变频器在两台电动机之间的切换。系统的原理框图如图3所示：

负压传感器负责在生产过程中实时采集负压压力的信号，然后通过屏蔽双绞线将4~20ma电流信号送到plc控制系统的8ad模块中，与plc中设定的目标值进行比较，差值送入pid计算得到一个控制量，经4da模块转换成0~10v的电压信号，通过改变变频器的输出频率来改变电动机的转速，实现负压压力的自动调节。
在自动模式下，通过变频器实现电动机的软启动，可以有效的减少启动电流对电动机的冲击，延长电动机的使用寿命。两台电动机将依据变频运行的时间（我们定为36小时），轮流作为变频运行的电动机。在电动机变频运行期间，如果变频时间达到规定的时间，为了不影响生产，电动机将继续变频运行，直到下一次启动时自动转换变频运行的电动机。考虑到水环式真空泵存在下限运行频率，把变频器的频率下限设为36hz，频率上限设为50hz。plc首先启动变频运行的电动机，如果电动机连续运行在50hz超过一段时间（我们定为3分钟），负压压力仍然达不到目标值，系统将自动工频启动另一台电动机，并延时一段时间以后再进行判断，避免了电动机频繁启停动作；如果变频频率低至36hz后超过一段时间（我们定为1分钟），系统将会自动停止另一台电动机，防止外部干扰而让电动机产生误动作。电动机的运行频率可以将变频器的频率输出信号通过屏蔽双绞线送至plc的8ad模块中。
﹡ 真空泵变频控制软件设计
本系统中设计的程序块主要分为以下几个部分：初始化配置，主要有plc扩展模块8ad、4da的初始化设置以及特性参数的设置，还有pid各个控制参数的设置；依据变频运行的时间，确定变频运行的电动机和工频运行的电动机；根据负压传感器的反馈信号与设定的目标值比较，进行pid运算，得到变频运行频率的控制量；运行频率判断，根据判断结果，来决定是否启停工频运行电动机及变频运行电动机的运行频率；电动机的运行信号、故障信号检测及过电流保护，变频器的故障信号及复位。艾默生ec20系列plc编程软件自带pid指令向导，改变了以往plc实现pid控制算法难度大的困境，能够非常方便快捷的生成pid配置程序和pid控制程序，减轻了编写程序的负担。下面对程序中几个比较重要的部分进行详细的叙述。
pid控制参数整定。变频控制系统选择了4da模块的0~2000对应0~10v的模式，所以需要设定pid控制的输出上下限有效，并且设定输出下限值为0，输出上限值为2000，与4da模块的输入数字量对应，消除了控制的盲区；采样时间要选择合适，采样时间过短pid指令无法执行，经过现场调试，我们选定的采样时间为100ms；为了使测量值变化平滑，将输入滤波常数定为10%；选择10%的微分增益，可以缓和输出值得剧烈变化；控制系统pid参数的整定根据负压压力的实时曲线来不断的调整，终定出合适的值。
变频运行时间计算及切换。程序流程图及部分梯形图如图4所示。d500、d501、d502分别为停电保持的数据寄存器，d500存储变频运行转换时间为36小时，d501存储18kw真空泵组变频运行的时间，d502存储22kw真空泵组变频运行的时间。x2、x4分别为18kw真空泵组变频运行信号和22kw真空泵组变频运行信号。m30为自动控制模式。m205的常闭触点接18kw真空泵组变频启动信号，m206的常开触点接22kw真空泵组变频启动信号。程序运行的结果，将使m205产生一个以72小时为周期的时钟振荡信号，其中周期的前半周期为0，也即是首先选定18kw真空泵组的电动机变频运行。

运行频率计算。程序流程图及部分梯形图如图5所示。d22为pid计算得到的频率，d32为变频器设定的频率上限，d30为变频器设定的频率下限。t30和t31用的是接通延时计时指令，只有当频率到达设定的值，并持续设定的时间长度d401和d402，线圈m200、m201才会导通。线圈m200、m201、m202分别对应启动电动机、停止电动机、控制变频电动机的操作。

结论
本文利用plc和变频器实现了真空泵组的自动变频控制，改变了以往纸浆模塑生产线中负压压力波动大，废品率高的现状；利用易控(inspec)组态软件优越的组网功能，方便快捷的实现了成型机的实时生产数据监控。实际结果表明，该系统不仅提高了控制系统的响应速度和生产效率，而且节省了原材料和电能，使系统运行的方式更加合理、灵活、可靠