西门子模块6GK7343-1GX31-0XE0详细说明

西门子模块6GK7343-1GX31-0XE0详细说明

2.1服务器

为了利用过程参数，本系统配置了DELL服务器，系统平台为bbbbbbsNT。配置了ProcessLogixServer后，服务器具有了实时数据库和功能完善的功能模块。用户可以用ContorlBuilder组态和优化用户控制程序，用DisplayBulder制作HMI。同时，用户可方便地用C语言编写自己的特殊功能模块。同时，服务器还完成打印报表的任务。在操作站出现特殊情况时，服务器还要兼操作站的所有功能，服务器是通过CONTROLNET网从控制器收集数据和向控制器发送命令，通过乙太网向操作站传送数据和接收命令。

2.2操作站

操作站由研华工控机和基于bbbbbbsNT系统平台上的STATION软件组成，通过总貌图、控制图、报警图、过程状态图、过程历史图这些丰富的人机界面，操作员可以设定、查看过程参数或状态，察看故障报警明细。由于整个操作界面采用“向导式”的结构，从而大大方便了操作员的操作。

2.3控制站

控制站采用PLX系统，用于完成对加热炉的热工控制和过程参数检测。该系统的处理器1757PL*52A是Rockwell专用处理器，具有8MRAM，高速底板与网络融为一体，I/O模块可带电插拨，并可以任意安排。在该系统中，控制站共设有一个主机架和二个扩展机架，完成了整个加热炉的6段温度控制、60多点的模拟量检测及20多个开关量的输入和输出。系统模板采用如下：4个756OF6CI/A模块、9个1756IB16D/A模块、2个1756OW16I模块、4个1756IF6I/A模块、5个1756IR6I/A模块、4个1756IT6I/A模块。为提高本系统的可靠量，所有AI、DI和DO均与现场进行了隔离，AI模板还选用了通道和通道间均有隔离的双隔离模板。按照确定的控制规则进行编程，根据加热炉的工况选择使用。将现场信号采样﹑燃气流量模糊控制回路﹑空气流量模糊控制回路﹑温度模糊控制回路编成子程序，模块化，在主程序中调用，以利于调试和控制功能组态。

2.4CONTROLNET网络与现场仪表

该网络属于无源的高性能多元总线，5M的传输速度。采用确定性的传输方式，大大减少了量，现场仪表控制阀采用耐高温的控制阀，执行机构采用气动执行机构，压力和差压变送器采用FISHER3051变送器。从而保证了具有苛刻时间要求的加热炉控制应用环境。

三、系统主要功能及策略

加热炉控制主要包括炉膛温度控制、燃烧介质压力控制、燃烧介质流量控制及部分设备保护控制。调整燃烧控制软件中的温度模糊控制程序和流量模糊控制程序参数：采样/控制周期，偏差模糊化因子，偏差变化率模糊化因子，输出量化因子，同时对模糊控制参数表进行了初步优化。

3.1炉温控制

炉温控制是加热炉的核心控制部分，其目的是通过控制燃料——煤气和助燃剂——热空气的流量，使炉温的动态性能指标和静态性能指标满足工艺要求。

6段炉温检测、控制(含残氧分析)，6段煤气、空气流量比例调节，6段煤气流量/累计及空气流量记录。

加热炉每段设二支热电偶测量炉温，经断偶检测器检定后送DCS系统的温度控制器，温度控制器的设定值由操作员设定。在炉子烟道内设有氧分析仪，对烟气的含氧量进行在线分析，信号送DCS系统中，自动参与空燃比修正。温度控制器送出的信号经过双交叉限幅控制、氧量反馈校正等环节后分别送给空气和燃气流量控制器，构成温度流量串级回路，调节空气和燃气的流量，以达到控制炉温的目的。为此我们采用条件判断语句模式，根据温度误差大小及其变化趋势对交叉限幅模式进行优化，从而使流量控制器的设定值准确。大大改善了温度控制效果。

为了克服双交叉限幅控制升降温时间较慢的缺点，控制中采用二自主度型前馈调节器技术以达到快速升(降)温的目的。采用这些先进的控制策略的目的是达到充分的燃烧和提高加热质量，以及作为轧机延迟时温度控制，并确保燃烧自动控制的稳定性。由于系统软件上存在的干扰问题，曾造成多次计算机死机、画面参数刷新缓慢等问题。经过优化，完全解决了存在的隐患，同时对空燃比自动寻优器进行了进一步的优化，调整了控制表中的一些具体控制参数，提高了控制精度，节约了燃料，满足了生产的要求，炉温控制精度在±5℃，升降50℃仅需12分钟。煤气压力扰动时温度曲线见图2。   

3.2炉压控制

炉压控制对保护炉膛炉壁和炉门，控制炉内合理的气氛有重要的意义。炉压控制采用单回路控制策略，它是通过调整烟道百叶窗的开度，从而调节烟囱的吸力，进而控制炉膛压力。因为炉压点位于出料端，出料炉门的开闭对炉压的测量有一定的干扰，编制控制应用软件对其进行修正是必要的。

3.3煤气和空气压力控制

煤气和空气的压力是否稳定，对于其流量控制十分重要，进而影响到炉温的控制。煤气和空气的压力控制采用单回路控制策略，它是通过煤气总管调节阀和助燃风机进风中的调节阀进行控制的。

3.4设备保护控制

由于加热炉温度高，燃料是易燃易爆的高焦炉混合煤气，因此采取必要的保护措施是必须的。本系统的保护措施包括换热器的保护、冷却水管保护及安全联锁控制保护。

（1）换热器的保护

换热器的保护是通过烟道掺冷风、放散预热空气进行的。烟道废气温度过高会烧坏换热器。通过测量换热器前的废气温度，当其超过报警预定值时，控制系统自动打开稀释风机。混入稀释冷风，达到降低烟气温度、保护换热器的目的。稀释风量根据烟气温度，由设在稀释风机出风口的自动控制阀进行控制。预热空气温度过高时，控制系统自动放散热空气，达到保护换热器的目的。

（2）冷却水管保护

炉内每个冷却水回路上均配有温度检测开关和流量检测开关，温度开关可在超温时报警，流量开关可在流量低限时报警，从而可对炉内每个水管进行间接监视，达到了保护的目的。

（3）安全联锁控制

本加热炉设有完善的安全联锁装置。在空气或煤气在低压或断电事故发生时，控制系统可报警并安全地切断煤气供应，同时对煤气总管和各段煤气实行隔断保护。

四、控制系统的软件设计

该DCS是目前先进的仪表过程控制系统，不但能完成自动化要求的各种过程监视、回路控制、顺序控制、逻辑控制、而且还具有运算、分析，统计、管理、专用燃烧控制算法等多种功能。DCS软件主要包括控制组态软件和监控组态软件两部分，根据工艺要求及设备编制加热炉实时控制应用软件，主要有：6个炉段的燃烧控制程序，每个炉段的燃烧控制程序包括：1个主程序，温度/空气流量/煤气流量控制子程序各1个；每个温度/空气流量/煤气流量控制子程序又各包括4个自寻优子程序；画面包括：①运转准备监视，②参数修改画面，③运转状态与故障状态监视，④报警画面，⑤操作指导画面，⑥控制流程画面，⑦仪表回路画面，⑧实时趋势画面﹑历史趋势画面记录画面。

五、效果及结论

由于该系统及现场仪表设计合理，控制策略及软件实施科学，致使加热炉的升温和降温都比常规控制策略和PID算法快，一般每升降50℃大节约需要18分钟；炉温控制精度大大提高，一般控制在±8℃范围内。钢坯断面温差在10～20℃，沿长度方向上，坯两端与坯中心温度差为20～30℃，满足了美国Morgan公司引进的高速轧机的要求。本系统的不足是根据氧化锆的测试结果修正空燃比，效果不太理想。我们将探索和实验在没有热值仪的情况下真正能在现场运行良好的寻优算法去实现空燃比在线寻优。

1、引言

大型轴承内、外套上的分度、打孔是轴承中的关键工序 ,它的工艺水平和质量的高低直接影响轴承的质量、寿命和制造成本。目前轴承行业大型轴承内、外套的分度方式普遍采用人工分度方式 ,其分度精度低、累积误差大 、工作效率低、工人劳动强度大，对轴承性能的提高造成很大的影响。我们所研制的大型数控分度头,采用PLC可编程控制器 ,控制步进电机驱动蜗轮蜗杆对执行工件进行自动分度， 结构简单、制造费用低，较好地解决了生产中的实际问题。

2、总体设计方案

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。其重要特点是只有周期性的误差而无累积误差。步进电机的运行要有步进电机驱动器这一电子装置进行驱动，这种装置就是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说: 控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。因此，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速;控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。

在我们所设计的数控分度头中，就是利用这一线性关系，用PLC进行电气控制、编写分度算法程序，控制脉冲信号的频率和脉冲数，步进电机驱动蜗轮蜗杆对执行工件进行精确分度，并可实现调整、手动分度、自动分度等多种电气控制。

电气控制方案为PLC+步进电机及可细分驱动器+数显尺。PLC选用DVP20EH00T，AC220伏供电20点 200HZ晶体管输出类型;根据分度精度要求考虑，选用可细分驱动器及步进电机，考虑分度时对工件的扭矩M=FR=fNR ,计算出最大扭矩为27Nm。按矩频特性选取步进电机 ,选130BYG350A型三相混合式步进电机及配套细分驱动器MS-3H130M。

PLC的I/O配置如下表：

I0.0	调整/分度	Q0.0	脉冲数
I0.1	急停	Q0.1	花盘上升
I0.2	步进转位	Q0.2	花盘下降
I0.3	花盘卡紧/松开	Q0.3	故障指示
I0.4	花盘上升/下降	Q0.4	方向
I0.5	自动分度	Q0.5
I0.6	调整启动/结束	Q0.6
I0.7	驱动器信号	Q0.7
I0.10-I0.13	孔数设置

该数控分度头在径向安装数显尺来控制径向分度尺寸;由PLC控制步进电机轴向分度。操作人员启动电源 ,输入分度数后 ,调整/分度开关置于分度位置即可实现手动或自动分度。在自动分度中可实现分度机构的松开、上升、分度、下降、卡紧再松开的顺序控制

3、分度算法

设总孔数为D2,总脉冲数D0，分度脉冲可计算为 :D0/D2=D4 +D5(余数)。若D5=0时 ,步进电机每转动一次,电机转角控制脉冲均为D4。若D5≠0时 ,将D5与孔数的一半(D2/2=D8)进行比较，若小于孔数的一半，步进电机先按D4个脉冲分度，步进电机每转过一个分度角，余数D5累积一次，当累积数大于D8时，步进电机则按D4+1个脉冲分度一次，此时累积数减去D4+1脉冲的余数即D2-D5，然后再按D4个脉冲分度，依次类推直至分度完毕;若余数大于孔数的一半，步进电机先按D4+1个脉冲分度，余数按D2-D5累积，当累积数大于D8时，步进电机则按D4个脉冲分度一次，此时累积数减去D4 脉冲的余数D5，然后再按D4+1个脉冲分度，依次类推直至分度完毕。这样的分度算法，使孔与孔之间的分度误差始终小于一个脉冲当量，可以实现在3600 转角误差为0的分度精度要求。

4、结束语

该大型数控分度头应用于1000mm～2000mm的轴承内、外套的分度 。主要优点为 :(1)分度精度高。驱动器在最高细分10000工作状态下，孔孔之间分度误差可控制在7.3μm, 可以实现3600转角误差为0的分度精度要求，满足了工件的分度要求。(2) 工作效，分度速度快。选用的PLC最高频率为200HZ，在自动分度工作状态下，50个孔的分度工作不足十分钟即可完成。(3)操作灵活、简便。该数控分度头实现调整(不分度)、手动或自动分度等电气操作。人工分度方式需要测量、画线等费工费时 ,由PLC控制的步进电机自动分度方式只需输入分度数 ,即可实现分度的多种控制。 (4)该数控分度头经济、实用。投入使用后，较好地解决了以往大型轴承内、外套的分度存在的问题，提高了轴承产品质量 ,降低工人劳动强度。

一、前言：

随着近年来行业的蓬勃发展，国内很多化工厂都相继上马年产10万吨的双加压法生产线，而四合一机组就是生产线的心脏。可编程控制器（PLC）以其在操作、控制、效率和精度等各个方面所具有的无法比拟的优点，迅速占领了工业生产中的各个领域，在旋转风机的控制中也占有的位置。尤其旋转风机本身具有喘振特性，要求控制系统迅速作出反应，这就更加凸显了PLC控制的优势。这里以四合一机组的控制为例子，对GE公司的90_70系列PLC在此领域的应用做一个介绍。

二、工艺要求：

四合一机组由轴流压缩机、NOX压缩机、尾气透平膨胀机、汽轮机、变速箱，和配套辅机，包括润滑调节油站和相关阀门等件组成。四合一机组中，轴流压缩机、NOX压缩机为耗功设备，尾气透平膨胀机、汽轮机为原动机，共同驱动轴流压缩机、NOX压缩机。轴流压缩机是工程的原料压缩机，轴流压缩机所压缩的空气与混合后进入氧化炉，进行氧化反应，生成的氧化合物混和气经废热锅炉进行热交换，然后进行速冷，温度降至60℃，经脱水后进入NOX压缩机，经过压缩的气体进入吸收塔，制成，从塔顶逸出的尾气经预热、过热后进入膨胀机做功，回收能量，尾气做功后经烟囱排入大气。

自控系统要求检测系统过程参数，计算后对作用到执行机构上，使过程参数符合工艺要求；对各个工艺变量进行实时检测，防止系统由于工况异常而出现事故,特别是当机组出现喘振的趋势，系统要能迅速作出反应，对机组进行控制，防止喘振的发生；当工艺变量异常时，系统能够报警、停车。

三、设计选型：

系统硬件选用美国GE_Fanuc公司的90_70双机热备系统作为PLC主站，VersaMax系列作为系统I/O子站，上位使用DELL工控机，配备20’宽屏液晶显示器。

90_70系列PLC是GE公司推出的针对中等规模PLC控制系统的一系列产品，这里选用其中的IC697CGR772型号，采用96MHZ主频，1M用户内存，特别支持双机热备。双机热备系统中两个PLC主站互为备用。正常工作时其中一个对系统进行控制，另一个作为备用，在主机架出现问题的情况下，无扰切换到备用机架，以保证系统的正常运行，让客户可以从容对问题机架进行维护。

VersaMax系列作为GE的低端产品，主要应用在小型控制系统上，这里选用这个系列的I/O模块产品作为下位的I/O子站，主要是出于成本考虑，其在较低价格的基础上性能能够完全满足客户需求，并且具有结构紧凑、易于安装、兼容性好等优点。

在90_70和VersaMax系列I/O子站之间使用Genius总线进行连接。Genius总线每层局部网络最多可以支持31个装置，装置之间最大通讯距离为7500英尺，传输速率最大为153.6kbps。每个90_70机架上选用2块专门的总线控制模块IC697BEM731,配合下位I/O子站的IC200GBI001，构成冗余Genius总线通讯系统。冗余系统能够在其中一条Genius总线出现故障的时候，保证系统通讯正常，确保生产过程的安全性。

上位工控机特意选择20’宽屏液晶显示器，主要是为了让现场工作人员能够长时间观察系统画面不至过度疲劳。

在90_70控制站和上位工控机之间使用以太网进行连接，控制站上选用专门的以太网通讯模块IC697CMM742，通过交换机，和上位工控机进行数据交换。

由于系统还要和专门的旋转机械设备本特利3500系统进行通讯，所以在90_70控制站上还安装了编程协处理器模块IC697PCM711，专门和本特利3500进行数据交换，保数据的及时、准确。

为了和工艺上的DCS系统进行通讯，系统还在90_70控制站上安装了通讯协处理器模块IC697CMM711，保证通讯畅通

四、设计过程：

目前控制系统普遍采用如下模式：

现场操作人员<====>上位操作画面<====>PLC<====>现场监控设备

PLC通过现场设备读取各种现场数据，通过编制好的程序，进行逻辑判断，传递给现场的设备进行动作。同时现场的操作人员可以通过上位机读取数据、对相关设备进行操作。

其中主要的工作重点，一个是PLC内部程序的编制，要求能完全满足工艺的要求，确保设备安全、稳定的长期运行。另一个就是上位画面的绘制组态，要求能够符合现场工作人员的习惯，操作尽量简洁、明了。

⑴下位机编程：

下位编程使用GE公司的CIMplicity Machine Edition软件（简称ME），它是GE公司开发的让用户可在个人电脑上进行控制程序开发，然后通过以太网或其他方式下载到PLC中的新一代编程软件。其内置大量先进、实用的公共编程工具，让用户使用最少的时间去学习软件的使用，把更多的精力用于控制程序的开发。

编程过程主要是将下位I/O子站传输上来的各种信号经过变换、计算后，得到我们需要的信号或数据，在此程序中主要包括如下几个方面：

量程变换

在编程过程中，首先将所有模拟量输入信号进行量程变换，使其在上位机显示出实际值。由于现场来的模拟量信号都为4～20mA信号，经过AI模块转换后，对应到相应AI为0～32000的数字值，所以为了得到该信号代表的实际值，需要将该数值除以32000再乘以量程，最后加上量程下限，得到实际值。

例如：压力量PI6501量程是0.5MPa~1.5MPa，如果此时输入的模拟信号为16mA，则在PLC中认为该AI为等于24000的一个数值，24000/32000×（1.5-0.5）＋0.5＝1.25MPa，这才是该点的实际值。

机组启动

四合一机组的启动需要满足很多条件，包括润滑油压力、调节油压力、盘车电机解锁、油箱液位、两个防喘阀开度都为最大等等，这些条件必须同时满足，才能允许机组启动。

停车连锁

为了整个机组的安全，当某些条件一旦出现，机组必须停车，避免发生事故。比如润滑油压力低、冷凝泵同停、轴振动高、轴位移高、速关油压力低、调节阀过高而转速低等等，这些条件的任意一个都需要使机组停车，而机组的停车操作需要进行诸如关闭速关阀、开防喘阀、开尾透出口阀、关尾透进口阀等一系列操作，这些操作必须及时、准确的达到设计要求。

防喘振

喘振是各类压缩机、鼓风机等大型旋转设备特有的机械现象。一般表现为：快速的流量波动、迅速的压力振荡，喘振会导致风机的流量和压力极其不稳定。由于喘振同时伴随有反向的轴向推力和反向介质流动，从而造成风机的间隙改变，降低风机的效率，缩短风机的寿命，对风机造成严重危害。

四合一机组共有两个需要喘振调节的设备：NOX压缩机和空气压缩机，他们的控制原理是一样的，只是喘振线的数据不同。当PLC检测到喘振即将发生时，会通过PID算法控制喘振阀进行“快开慢关”的操作，达到防止喘振发生的目的。喘振线和防喘振线都由风机的生产厂家在现场进行试验后提供。

汽轮机热井排水阀、回水阀调节

通过PID计算，对汽轮机排水阀、回水阀开度进行控制，对热井液位进行调节，使其保持在现场工作人员设定的数值。

低压设备控制

控制包括润滑油泵、油加热器、事故油泵、冷凝液泵、盘车电机等设备在内的8个低压控制设备，使其工作状态能够显示在上位画面上，并且在旋钮开关打到自动状态下时，能够在上位机画面上进行相应设备的启停操作。

调节在上位画面上对静叶开度、尾透进口阀、出口阀等设备进行控制。

编程过程力求安全、全面，要尽量全面的考虑可能发生的各种情况，并设计出相应的处理方法，同时尽量使程序简洁，加快运行速度。

⑵上位机画面

上位机画面采用GE公司的iFix3.5，该软件也为GE_Fanuc公司产品，提供了大量实用绘图工具，让上位画面的绘制简单、快捷。PLC与上位画面之间使用以太网进行通讯，保证了通讯质量。画面主要是让操作人员感觉操作简洁、明了、习惯、快捷。一般的操作都可在3次操作内完成。

五、总结

系统自投运以后，一直运行正常，从未因自控系统造成过系统故障停车，保证了产量，也就保证了企业的效益。

此系统的优越性体现在以下几个方面：

速度快，能够满足防喘振对“高速处理”的要求

通过Genius总线和以太网通讯，能够满足“高速通讯”的要求

热备冗余系统保证了系统稳定性，方便在不影响生产的同时对系统进行硬件

易于扩展，同第三方模块的融合

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