西门子6ES7231-7PB22-0XA8方法说明

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1 引言  
　　工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水liuliang使其与蒸发量保持动态平衡，维持汽包水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。若水位过高,影响汽水分离的效果,使用气设备发生故障;而水位过低则会破坏汽水循环,严重时导致锅炉爆炸，所以锅炉汽包水位必须严加控制。为了确保锅炉生产的稳定、可靠和经济运行，我们设计采用了性能先进的永宏FBs-PLC、变频调速器、计算机应用等自动化设备组成的锅炉PID自动控制系统。该控制系统通过检测水汽压力、温度，汽包液位等运行物理量，在运行过程中全自动调节，保证了工业锅炉的安全稳定高效运行。
2 工业锅炉相关工艺介绍
　　蒸汽锅炉是厂矿重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。为此，锅炉生产过程的各个主要参数都必须严格控制。而利用余热气体作为热交换介质的余热锅炉在全国占有很大的比例，其节能降耗效果尤为明显。某化工厂硫酸余热锅炉就是利用沸腾炉出来的炉气(主要是SO2)温度过高，将其作为热交换对象，通过余热锅炉副产中压蒸汽供各生产分厂使用，既保证了生产需要，也达到了节能降耗的目的。锅炉是一个较为复杂的调节对象，为保证提供合格的蒸汽以适应负荷的需要，与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。余热锅炉工艺流程如图1所示。

3 控制难点分析
　　锅炉计算机控制是近年来开发的一项新技术。它是微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。它的被调量是汽包水位，而调节量则是给水liuliang，通过对给水liuliang的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内，虽然锅炉汽包水位对蒸气liuliang和给水liuliang变化的响应呈积极特性，但是在负荷(蒸气liuliang)急剧增加时，表现却类似逆响应特性，即所谓的虚假水位。造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面大的汽包中位线附近，以tigao锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双冲量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。所谓三冲量调节系统就是把给水liuliangW，汽包水位H，蒸汽liuliangD三个变量通过运算后调节给水阀的调节系统。具体调节过程方框图如图2所示。

   先通过蒸汽liuliang变送器和给水liuliang变送器取得各自的信号乘以相应的比例系数，通过比例系数可以调节蒸汽liuliang或给水liuliang对调节系统的影响力度。通过差压变送器取得水位信号作为主调节信号H。如果水位设定值为G，那么在平衡条件下应有D×Dk-W×Wk+H-G=0的关系式存在。其中Dk为蒸汽liuliang系数Wk为给水liuliang系数。如果再设定时，保证在稳态下D×Dk=W×Wk那么就可以得到H=G。此时调节器的输出就与符合对应，给水阀停在某一位置上。若有一个或多个信号发生变化，平衡状态被破坏，PI调节模块的输出必将发生变化。当水位升高了，则调节模块的输出信号就减小，使得给水调节阀关小。反之，当水位降低时，调节模块的输出值增大，使给水阀开大。实践证明三冲量给水单极自动调节系统能保持水位稳定，且给水调节阀动作平稳。锅炉给水系统中还有一个比较重要的控制回路是给水压力回路，因为汽包内压力较高，要给锅炉补水必须提供更高的压力，给水压力回路的作用是tigao水压，使水能够正常注入汽包。但在蒸汽liuliang未达到满负荷时，对给水liuliang的要求也不高。在老式的锅炉系统中一般采用给水泵一直以工频方式运转，用回流阀降低水压防止爆管，现在一般采用通过变频器恒压供水的方式控制水压。锅炉给水量通过汽包液位调节。汽包液位测量选用浮筒液位计。为有效利用转换废热，降低消耗，减低劳动强度，有利于整体工艺稳定，要求汽包液位自动控制，正常生产时波动应小于±5％。PID调节蒸汽出口阀可以很好的控制汽包压力。开车正常后波动范围不大，可以不考虑。转化负荷波动、出预热器锅炉给水温度变化、锅炉负荷波动、排污量变化这几个因素对汽包液位的影响必须考虑。以汽包液位为主调参数、以给水liuliang为副调参数、以蒸汽liuliang为前馈，但调节效果很差。引起汽包液位的大起大落。考虑到该废热锅炉控制参数耦合小，流程简单，产汽量也较稳定，我们从操作人员的操作中得到启发，认为减少给水量的波动从而稳定给水温度成为该废热锅炉液位控制的要点。因此我们选用“以汽定水＋液位前馈”比值控制方案，方案框图如图3所示。

   其中系数K为汽水损失率(给水liuliang与蒸汽liuliang的比值)，范围为1.1～1.2。PID参数为P＝300％、I＝0.4、D＝0。这组PID参数可以使阀位波动幅度不大而回路有较快的跟踪效果。液位前馈系数与锅炉额定负荷密切相关，一般是额定负荷越大前馈系数也越大。本项目废热锅炉的额定负荷为35t／h。前馈系数按表一给定，见附表:
　　                                附表 前馈系数表

   投运时首先投运给水liuliang单回路，调节平稳后，再切换为蒸汽liuliang比值控制，液位前馈同时起作用。以汽定水＋液位前馈比值控制方案调试投运简单方便，投运后经负荷扰动(产汽量变化)、液位扰动(排污量变化)实验，抗扰动性能良好，投运以来运行平稳，达到工艺要求。图4为2.5h实时液位记录曲线，其中记录了负荷扰动情况。液位波动范围＜±3％。

 4 永宏PLCPID控制系统分析
4.1 带PID控制功能的FATEK可编程控制器
　　PID控制及其控制器或智能PID控制器(仪表)已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，作为国产PLC企业，永宏电机股份公司一直致力于PLC的研究开发工作，带PID控制功能的FATEK可编程控制器(PLC)就是利用其闭环控制模块来实现锅炉汽包液位的PID控制，在异常情况下，如液位偏离正常值较大时，通过PLC控制系统控制，可以快速恢复水位，保证锅炉的安全稳定运行。当水位控制和主蒸汽温度控制发生矛盾时，可根据矛盾的主要方面进行两者的协调控制。它包含给水liuliang控制回路和汽包水位控制回路两个控制回路，实质上是蒸汽liuliang前馈与水位－liuliang串级系统组成的复合控制系统。当蒸汽liuliang变化时，锅炉汽包水位控制系统中的给水liuliang控制回路可迅速改变进水量以完成粗调，然后再由汽包水位调节器完成水位的细调。图5是有永宏PLC组成的控制系统示意图。

4.2 汽包水位PID控制设计优点
　　 (1) 减少干扰对主回路的影响，可由副回路控制器予以校正。
　　 (2) 由于副回路的存在减少了相位滞后，从而改善了主回路的响应速度。
　　 (3) 对控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性。
　　 (4) 副回路可以按照主回路的需求对对象实施jingque控制。
　　实际PLC的控制程序采用主副回路进行串级控制，即主回路的输出做为副回路的设定值，经副回路输出作用于被控对象。也可以不用副回路只用主回路形成单回路调解，或手动操作完成。一般常见的过程控制应用，开环回路控制就可以满足大部份的应用要求，但随着使用时间、组件特性变化或受控负载或外界工作环境的变化，开环回路控制因为没有真实将受控程序的实际量反馈到控制器，因此控制结果可能与实际期望的结果会有些落差，闭环回路PID过程控制是用来克服并解决上述缺点的选择。FBS-PLC提供软件数字化的PID数学表达式，对于一般反应的闭环回路过程控制就可应付，但对于工业锅炉这样的需要有快速反应的闭环回路控制要使用本功能需要事先评估是否可行。典型的闭环回路程控示意图如图6所示。

    根据应用要求，用户将PID控制器设定成比例+积分+微分控制器，其控制器的数字化数学表达式如下:
　　
　　 Mn:“n”时的控制输出量
　　 D4005:增益常数，默认值为1000;可设定范围为1～ 5000
　　 Pb:比例带(范围:1～5000，单位为0.1%; Kc(增益)=D4005/Pb)
　　 En:“n”时的误差=设定值(SP)-“n”时的过程变数值(PVn)
　　 Ki:积分常数( 范围:0～9999，相当于0.00～99.99 Repeats/Minute)
　　 Td:微积分时间常数(范围:0～9999，相当于0.00～99.99Minute)
　　 PVn:“n”时的过程变数值
　　 PVn-1:“n”时的上一次过程变数值
　　 Ts:PID运算的间隔时间(范围:1～3000，单位:S)
　　 Bias:偏置输出量(范围:0～16383)
　　加上微分项的控制器，目的在于消除程控系统的过度反应，进而使程控系统能够平稳缓和达到稳定。虽然微分项有上述优点，但因其对输出量的贡献相当灵敏，大部分的应用不必使用微分项而将Td设定为0。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下:
　　 (1) 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;
　　 (2) 仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;
　　 (3) 在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
   除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行自动化控制系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，这是必不可少的，以免锅炉发生重大事故。
5 结束语
　　由于采用了PLC进行控制，系统功能完善，结构先进合理，能耗小，扩展灵活，便于维
　　护，并且可靠性高，而且还极大地tigao了企业的生产效率和经济效益。该系统自动化程度较高，大大降低了操作者劳动强度，降低了成本，经过近2年的运行，用户给予了很高评价，认为利用国产永宏PLC开发的控制系统功能完善，综合性强，人机界面友好，实用性好。随着国产可编程控制器和高速计算元件的快速发展，锅炉控制系统将会更加完善。

1 . 前言：
      现在很多车间都采用生产目标管理板在生产线上进行产品生产的管理，可以直接进行生产目标的设定，动态显示实际生产实绩数。很直观的进行目标与当前产量的对照；更能促进生产的进程。由于管理板控制较为简单，所以基本上都采用单片机来实现。但在工厂的环境下，往往存在很多干扰信号，导致管理板不能正常地、稳定的工作。这样对生产会造成直接的影响。所以为了tigao产品的可靠性，采用PLC来进行控制改造，将很有效的tigao管理板的稳定性。

2. 传统生产管理板简介
      传统的生产目标管理板都采用一块大面板来显示，集成单片机控制电路，LED显示；以及操作手柄。通常采用悬挂方式。 

 

                          图1 传统生产目标管理图示

      而操作手柄主要用来设定相关的参数，如生产目标数，定时器时间以及管理板的启动等。而计数信号一般由生产线的相关传感器提供。常见的操作方式有纯按键式，或者按键结合拨码开关方式。在拨码开关设定值方便，更能方便、直观的操作。
目前有如下一个生产管理板：
使用按钮进行参数的设定，【设定】、【选位】、【+1】和【－1】
目标值按钮：【目标复位】、【目标暂停】
实绩数按钮：【实绩复位】，另外还有连接生产线的【实绩＋1】输入开关。生产管理设定过程如下“：

 

     根据流程图,系统的参数设定主要通过按键来操作.步骤显得繁琐.设定速度较为缓慢.在一定程度上制约着生产效率的tigao.而且单片机控制的管理板若在生产系统化的集中管理,就很难发生数据,以便ERP等管理中心进行数据的采集.所以,为提供系统的稳定性,以及适应当前工厂管理模式,对其改造势在必行.现就以台湾永宏电机公司生产的FBs系列PLC对其进行改造。永宏PLC提供LED显示控制的专用模块FBs-7SG1/2.对生产管理板的改造提供相当便利的条件，无论从配线还是控制方式上，都大大的简化，从而更能tigao系统的稳定性与可靠性以及控制的便利性。

3. 永宏PLC硬件配置
      根据上述系统配置，控制系统都集中在开关量输入和LED显示两个单元。若考虑到后期的系统升级，如做生产数据的采集等与尚未机通讯，只需再增加一块通讯板即可实现。所以在选择PLC时，选择永宏经济型主机FBs-MA系列就可以，永宏PLC主机小点数为10点，大为60点；但由于LED先必须采用扩展模块才能实现控制输出，能带扩展模块的主机至少为20点，所以这里要选择FBs-20MA主机。(详细主机介绍请参考永宏公司相关产品手册)。主机为12点输入和8点输出；可以扩展到3个通讯口，自带一个编程口。下面重点介绍一下永宏PLC提供的LED显示输出模块FBs-7SG1/2.
FBs-7SG 有7SG1 与7SG2两种机型，它们内部分别具有1个或2个可显示8个数字7段数码管或者4个16段数码管，下图是以FBs-7SG2为例的示意图。 

       FBs-7SG 内部具有专用的七段LED显示IC，用来作为1～ 8个七段或1～ 4个16 段LED显示器的多任务扫描显示。用户只需要用一条16 芯的扁平排线连接就可以得到8位数的数字显示或64 点独立的灯号显示（ 一个数字显示可分为8个独立点显示或可以选择数字与独立点混合显示） 或4位数的文数字显示。每一片7SG 模块会在I/O 寻址上占用3～ 8个数字输出缓存器的地址(R3904～ R3967)，因此一个主机多可控制192个7段数字显示或64个16段米字型文数字显示或1024个独立点LED 显示。
       下图为FBs-7SG 内部显示IC 的输出驱动电路结构图，对一般用户而言， 并不需要特别
去计算LED 的压降， 只需要按照下列Jumper 表格调整适合的电压， 使它不至于发生过电压
驱动（ O.V.） 现象就可以。 

 

                                图3 FBs-7SG驱动电路图示

驱动电压
      因为显示IC 为40mA定电流源，故其功率消耗完全由跨接在它上面的电压降VIC（ PD =40mA × VIC） 的大小决定， 如上图所示VIC = VIN− VLED − 0.8V， 也就是VIC 受到驱动电源电压VIN 及七段显示器顺向压降VLED 的影响，因显示IC的安全功率消耗在恶劣周围温度条件下必须限制在0.8W 以下， 也就是它的VIC 必需小于2V。VIC过低将造成显示亮度不足或者无法显示， 过高则将造成不正确的显示（ 不该亮也点亮） 或损坏显示IC。
      由于不同尺寸的LED 显示器其工作所需的驱动电压不同，因此应用本模块时需先设定适当的驱动电压。驱动电压大小的正确选择，通过调整电压跳线来进行调整。
模块底部有个高电压驱动跳线JP1，提供7.5V,10V和12.5V电压选择，出厂设定在7.5V。
      面板上面还提供JP5/8跳线，为LV和HV电压选择。当在LV位置时，驱动电压范围为：2.4V-4.2V；若在HV位置则才是7.5V-12.5V.
       另外还提供JP6/9和JP7/10两个微调跳线。JP6/9调整0.6V的压降；JP7/10调整1.2V的压降；通过这些跳线来获取LED允许的电压驱动。
        为了能让驱动IC 的CE 间端电压VI C控制在2V 以下，FBs-7SG 设计有过电压驱动显示LED，以供用户检视是否有过电压驱动现象，在面板上提供“O.V.”指示灯。通过JP3来测试模块是否过压显示，在所有灯节都会被点亮后，通过JP3来测试，将JP3置放在N 位置，当O.V.灯属于熄灭状态，表示未过压驱动；反之则表示过压，再做电压的调整。这样起到对模块的保护作用。
     结合FBs-7SG显示模块，永宏公司还提供配套使用的LED显示板。有7段显示以及16段显示，尺寸有0.56寸～4寸的选择。这样，客户可以直接定购相应尺寸和显示段数，就能轻松的完成LED显示的输出，无需自行进行繁琐线路焊接与调试。下面图示为7段LED显示板的原理图。

 

 

 

                      图4 DBx.xLEDR显示原理图
       7段LED显示板( 一片多八位数)右边一位数对应到SEG0~SEG7 输出，再往左下一位数为SEG8~SEG15，左位数为SEG63~SEG56，一片7SG2共可以推动16 位数7 段数字LED 显示器。
       16段米字型显示板(一片多四位数)右边一位数的D0~D15灯节分别对应到7SG2 模块的SEG0~SEG15输出，再往右下一位数为SEG16~SEG31，左一位数位为SEG63~SEG48。一片7SG2 共可接两片16 段文数字型LED显示模块。

          

    图5 7段与16段LED原理图
解码与非解码
在FBs-7SG模块上，还提供一个解码/非解码模式的显示选择跳线JP2.此模式基本上使用在7段LED上.
       非译码显示： 各个灯节的暗亮， 独立由用户的应用控制.在此模式下FBs-7SG2 总共使用了8个输出缓存器来控制128灯节的显示，每一灯节分别由对应的1个位来控制，当位值为1时对应灯节会点亮，各灯节与输出缓存器的对应关系如下表所示，其中OR为模块占用的个输出缓存器，每一输出缓存器的内容分两次输出每次输出一个字节数据(8 个灯节)， 各字节数据分别送到对应的P/D7~A/D0 输出。
      例；每2个显示LED(7段)由一个OR控制输出。若我们将CH0通道的低2位(对应寄存器R3904)显示:”4.2”字样时，那么将R3904的寄存器设定值如下. 

                        表格1：非解码模式下对应驱动位 

 

程序控制如下：

 

      只需该条指令即能显示:”4.2”字样。其他非解码的数字对应驱动寄存器位请参考《永宏PLC使用手册》2的第16章节。
译码显示： 直接以内定字型编码显示其对应的字型灯节
        在此模式下FBs-7SG2总共使用4个输出缓存器来控制8 位数字显示，每一位数分别由对应的4 个位来控制，此外8位数的小数点也利用1个输出缓存器来控制，每一数点分别由对应的一位来控制，各位数字与小数点与输出缓存器的对应关系如下表所示，其中OR为模块占用的个输出缓存器。
如上面例子显示:”4.2”的控制方式如下 

      注：在对应的16进制位上，填写F时，LED无显示输出。若对直接对寄存器做显示的话，中间则需要对寄存器做BCD码转换(FUN20功能指令)，才能显示为人眼可识别的0～9数字。
4.  控制程序编写
      我们就依照上例做PLC程序上的变换。PLC程序比单片机程序更加直观，更易懂。对于略有电气基础的技术人员就能进行修改，调试。可以大大降低维护的成本。
目标数设定
      这里，我们对目标设定值的设定方式进行改造，采用4位拨码开关来输入设定值，这样使得设定操作更为方便。 

 

 

图6：8421码拨码开关
      永宏PLC有支持拨码开关输入的专用指令，这样无论在PLC的配线，或者获取对应输入值时，都相当的方便。拨码开关指令为FUN78功能指令。使用4位数输入时，共需占用4个输入点和4个输出扫描点。PLC配线如下图：

     在编写程序时，调用一个FUN78功能指令块，然后根据配线图，做相关参数设定。“IN”输入点占用X0~X3，“OT”输出点占用Y0~Y3。我们将拨码开关输入值送到R10。D10为其内部工作寄存器，指令占用，其他地方不要重复使用。整个指令如下。

 

                                                    

      如上所示就能完成目标数的设定。这时在设定完毕后我们将设定值送到显示FBs-7SG2模块做显示。
      这里显示模块使用FBs-7SG2.共有2个通道，一个通道显示8位7段LED。我们对显示模块采用译码码模式。LED显示单元为了配合程序更好设计。我们这样编排： 

  
      这时，我们可以通过搬移指令将R0值直接送至R3905。因为拨码开关输入的即为BCD码。所以在送到R3905时，不必再做BCD码转换。

 

     对于实际计数部分，我们现在以一个输入开关来实现。这里占用X5输入点，以一个计数器C0来计数当前生产的实绩数。因为显示只为4段，即数目为0～9999.所以当计数满10000时，要进行清零。计数程序如下。

 

 

 

      这时，我们再将实绩数送往R3906做显示。因为C0为二进制码，要在LED显示为人眼所能识别的文字格式，必须做BCD码转换。所以要先对C0做BCD码转换再送到R3906显示。

后，将目标数减去实绩数，得到差异数。再做BCCD码转换后送到R3907显示。

 

 

5. 结束语
     上述程序即能完成生产管理板的改造，硬件上，比单片机控制方式运行得更加可靠、稳定；扩展性比单片机更优越。软件上，设计程序比单片机更能容易编写和修改；后期的调试、维护更加的便利。因为PLC尚有剩余输入点和输出点，只需在配线增加输入开关和做输出点输出，就能更好的完善生产管理板的升级。若上位机要采集数据则扩展个通讯端口，读取对应的寄存器值即可完成生产线与管理系统的连接。