西门子模块6ES7223-1BH22-0XA8功能介绍
1引言
众所周知变电站是电力系统中不可缺少的重要环节，由于它担负着电能转换和电能重新分配的繁重任务，对电网的安全和经济运行起着重要的作用。现存的许多老式变电站由于存在安全性、可靠性不能适应电力系统实时控制等一系列缺点而无法满足电力系统现代化的各项要求。提出一种安全、可靠、能提高电力系统运行、管理水平的变电站综合自动化设计方案已成为一项十分紧迫的任务。目前，已经实际运行的综合自动控制系统有：LAS系统、基于CAN/LON网的分散分布式变电站控制系统等，它们在实际应用中取得了较好的成效，但也存在着技术和经济上的各种缺点。本文在研制智能型有载调压变压器监控系统的基础上，从变电站综合自动化发展的大方向(即从集中控制型向分散(层)网络型发展;从专用设备向平台发展;从传统控制向综合智能方向发展)出发，提出了一种新型的变电站综合自动控制系统结构设计方案，可应用于变电站综合自动控制系统中，有着广泛的应用前景。
变电站综合自动化包括的内容很多，它是将变电站的二次设备(控制信号、测量保护、自动装置及远动装置等)利用计算机技术、现代通信技术经过功能组合和优化设计，对变电站执行自动监视、控制和协调的一种综合性的自动化系统。以下仅以变压器有载调压监控系统为例，说明PLC分级递阶控制这种结构体系在变电站综合自动控制中是有效、可行的。
2PLC分极递阶控制系统的结构
可编程控制器(PLC)被称为现代工业控制的三大支柱(PLC、机器人和CAD/CAM)之一，具有可靠性高，易于控制，编程使用简单，，环境适应性强等特点，已被广泛地应用于控制领域，在变电站综合自动控制中也已有应用。PLC在数据、信息处理与图象显示等方面仍显不足，还无法与计算机相比，未能充分发挥其强大功能，一般只是用PLC对开关量进行控制。但近年来随着PLC通信网络功能的不断增强，已可以方便的将PLC与计算机连接。利用计算机运算速度快，信息处理方便，显示性能高的优点，将其作为上位机，行使管理功能，与PLC形成一个优势互补的分级递阶控制系统。这样，PLC就可以执行复杂的控制职能，从而可以对变电站进行优综合控制。
分级递阶控制思想的实质是将一个大的控制系统按功能或结构进行层次分配，将全系统的监视和控制功能划属于不同的级别去完成，各级完成分配给它的功能，并将有关信息传递到上一级，接受上一级管理。综合控制功能由高一级决策执行，各级的工作相互协调，力求整个控制系统达到佳效果。
分级递阶控制依据“层次越高，智能越高，控制精度越低;层次越低，智能越低，控制精度越高”的拟人的原则进行设计。基于PLC的分级递阶控制系统共分为三级：组织级、监控/协调级和执行级。其系统结构框图如图1所示。
(1)组织级(OrganizationLevel)这是整个系统的，其智能程度高，执行组织管理决策的智能，对下进行指导和监控。该级对上通过人机接口与管理人员进行友善的人机对话，执行管理决策的职能。对下监视、指导协调级的所有行为。其智能程度高，但精度不高，宜粗不宜细，以便进行宏观指导。该级还可以根据实际生产过程和环境等信息，采用人—机结合的方式自动或半自动的提出合理的控制目标或指标，形成相应的命令或任务向低层下达。这部分通常由高功能的计算机来完成。
(2)监控/协调级(CoordinationLevel)该级主要根据组织级的命令协调下位PLC的运行，避免下位PLC发生冲突，并将下位PLC的信息传输到上位计算机。监控/协调机既可以是工业控制计算机也可以是主PLC或PLC终端，可根据控制要求进行选择。
(3)执行级(ExecutiveLevel)这是控制系统的低级，执行现场控制功能，是自动控制系统中控制的关键级。该级智能低，但可靠性、控制精度和实时性要求高，PLC正是佳选择。该级的PLC可通过现场总线与上位的监控协调级连接进行实时的在线控制和协调。现场总线技术一般采用塌陷结构，使用开放系统互连(OSI)参考模型的低层协议，结构简单，实时性强。
上述结构，利用计算机运算速度快，信息处理功能强大的优势，使计算机集中管理各控制子系统，对现场信息进行综合处理，给出优解决方案。控制级计算机可以通过局域网与其它计算机相连，既可以实现资源共享，又可以使不同系统在统一调度下，协调工作，减少资源浪费。下位PLC或远程工作站分散后进行连网，这样，执行级各控制器件就可在现场实现分散控制，并通过网络将信息传递到上位控制机，使上位机进行集中管理。下位PLC或远程工作站个别设备出现故障，也不会导致整个系统的瘫痪，整体性能好，运行可靠。
3PLC分级递阶控制系统在变电站综合控制系统中的应用
当前，已有变电站将PLC引入控制系统中，仅仅利用PLC对开关量进行控制，如对有载调压变压器分接开关的调节，并联补偿电容器的投切等。远没有充分发挥PLC的强大功能。
3.1在变电站综合控制系统中PLC分级递阶控制系统的结构
利用本文上面提到的分级递阶控制结构，我们可以按照三级机构设计变电站综合控制系统。
(1)组织级的设计
组织级是本系统的，承担着优决策的功能。当前变电站综合控制大部分仍是按照传统的九区控制方法，利用电压和无功功率双参数将变电站运行状态分为九个区，根据各个区所对应的控制方案进行调节。在该控制系统中，无功调节判据是一个与电压无关的平行于电压坐标轴的固定边界，没有充分考虑无功调节与电压调节相互间的协调关系。根据“保证电压合格，无功基本平衡，尽量减少调节次数”的变电站电压和无功综合调节的基本原则，无功调节边界应当是一个受电压状态影响，且在一定范围内服务于电压调节的模糊边界。我们对传统的控制策略也作了改进，引入了无功调节判据,提出了模糊边界的无功调节。基于电压与无功的相互影响,对电容器组的投切判据建立如下数学模。
式中：U0为标准电压;Q0为每组电容器的容量;U为电压实时值;Q为实时功率值;α1，α2为权重系数。
根据上面推导出的数学模型，可以得到修正后的电压无功双参数调节的模糊边界,如图2所示。
我们利用计算机进行模糊推理，得到优控制策略，形成控制规则表，将其传递到下级进行协调控制。该级为操作人员提供了良好的人机界面，将电压、电流、有功、无功等信息以曲线图、柱状图等形式实时反映出来，并且在出现异常情况时可进行声光报警，使操作人员可以及时全面的了解系统运行情况，并可对生产过程进行调节和控制。该级计算机装有专家知识库，在变电站内出现故障时，可在专家系统的引导下，尽快解除故障。定时召唤打印功能和无人抄表功能可以方便的使变电站综合控制实现无人职守。根据各变电站的实际运行情况和不段的电压、无功波动情况，还可以通过控制级计算机设定电压整定值和灵敏度参数，根据控制要求还可以由功能按钮直接对有载调压变压器的分接头和补偿电容进行控制，以增加控制的灵活性。
该级的计算机还可以通过Ethernet、ARCNET等局域网进行联网，实现信息共享，对某一区域进行综合控制，这样既可以从整体上进行控制，更有利于提高整个地区的供电质量，还可以减少资源的浪费。
(2)监控/协调级的设计
该级的主要功能是完成组织级下达的命令，负责执行级PLC的协调工作。该级可由计算机或主PLC构成，随着PLC性能价格比的不断提高，一般变电站的监控/协调级都可由主PLC承担。在变电站中，多变压器的同步调节主要由该级负责，它还负责执行级现场信息的传输，在整个分级递阶控制中起着桥梁作用。
在小型的变电站中，为了节省投资，也可以将组织级和监控/协调级集成在一个高性能的计算机中。
(3)执行级的设计
执行级的智能程度低，但控制精度和实时性要求高。由于变电站电磁干扰严重，常规的控制器件难以达到**控制，可靠性高、实时性好、性能价格比高的PLC是佳选择。由于PLC与计算机联网，可以将优控制结果下载到PLC，利用PLC实现各种优控制。对于主要器件如主变压器，可以采用PLC的冗余技术更提高可靠性。所谓PLC冗余技术即正常运行时，一台PLC作为主PLC进行控制，其它的PLC作为备用，监视系统运行。当主PLC发生故障时，由PLC协调器件指定一台PLC作为主PLC，控制系统运行，将有故障的PLC换下维修。由于PLC发生故障的几率十分小，采用冗余技术后的故障率几乎为零。
现在的PLC大多提供了现场总线技术，利用组态软件可以方便的将现场的多台PLC组成现场总线局域网。现场总线采用开放式的标准总线结构，可以十分方便的将分散的智能化设备连接起来，有利于彻底的实现分布式控制，有利于各台PLC的协调动作，提高了系统的可靠性。
3.2通信口的设计
C系列的C200H配有HOSTbbbb通信模块，对上可与计算机通信，进行组网连接;对下可通过RS-232、RS-485等实现近程或远程的通信，实现对生产线各个监控点的监控。本系统中链接的PLC不多，故可采用“轮询”式的工作方式，依次对链接的PLC进行数据传输。上位机对来自现场的数据经特征识别、分析判断后，针对不同的状态，再经过通信口给下级下达命令。操作人员还可经PLC终端对PLC的工作进行可视性监控，通过触摸屏开关下达命令。整个系统运行的正常与否和通信口的设计关系极大。为保证通信畅通可靠，在编制程序时应注意以下几点：
(1)波特率的设定应与HOST bbbb单元的SW3的设置保持一致;
(2)为保证传输可靠，对指令帧每一字符进行“异或”逻辑运算，形成通信指令检验的FCS码;
(3)对由HOSTbbbb单元返回的响应帧在判读其相应位为“00”后处理，若FCS校验错或响应帧相应位不为“00”，显示错误信息，重新发送指令。
基于PLC分级递阶控制的变电站综合自动控制系统既吸取了集散控制系统“信息集中，控制分散”的优势，又保留了PLC所固有的可靠性、灵活性及性能价格比高的优点，大大降低了传统集散控制系统的成本，提高了系统性能，以低成本来完成高技术的自动化。
该控制系统各级之间既有分工又有联系，协调工作。按照现场实际控制需要，将执行级的PLC采用分散控制结构，将各个PLC分散后进行联网，一方面可将变电站的全部信息通过网络传至组织级计算机以实现信息集中管理，另一方面可避免因个别设备出现故障而造成整个系统的瘫痪，提高了可靠性。
由于控制系统采用模块化结构形式，各变电站可依据自己的需要选择不同数量、不同规格的PLC模块，整个系统采用分级分散的网络结构形式，使增加或去除某些单元不会影响整个系统的功能。PLC可以实现在线编程，根据不同的需要对设定值进行整定，而不需要改变整个系统结构，大大提高了系统的灵活性。
4结论
本文将PLC分级递阶控制的先进思想引入变电站综合控制中，提出了一种先进、可靠、有较高性能价格比的变电站综合自动控制系统结构设计方案。其基本思想是：通过通信网络将PLC可靠性高、灵活性好、性能价格比高的优势与计算机信息处理快、显示性能强的优势相结合，实现了变电站“管理集中，控制分散”的集散式控制。将模糊控制与专家系统等智能技术引入变电站综合控制，可以有效减少分接头和补偿电容器的动作次数，减少变压器故障，提高电压质量。现场实验证明本设计可靠性高，成本低，实用性强，符合变电站综合控制向网络化、智能化发展的方向。
一、概述
国家体育场(“鸟巢”)为2008年第29届奥林匹克运动会的主体育场，是奥运会场馆的代表，它在设计、施工和运行中所体现的“绿色奥运””科技奥运”理念，场馆和相关设施严格执行节能环保设计标准，在可再生能源与新能源利用、建筑节能、水资源保护和利用等方面采取了一系列有力措施。
“鸟巢”在设计中包含了一套规模很大的雨水深度处理回用系统，体育场内70%的供水由回用水代替，其中23%来自系统处理后的雨水;更引人注目的是，“鸟巢”使用了地源热泵，从土壤中吸收能量，用于补偿体育场空调系统等。地源热泵是一种使用可再生能源、节能、环保的系统，通过地埋换热管，冬季吸收土壤中蕴含的热量为“鸟巢”供热，夏季吸收土壤中存贮的冷量向“鸟巢”供冷。
二、地源热泵空调简介
地源热泵机组是一种利用再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型水冷式空调机组，由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置和其它制冷附件组成，是一种可以全天候运转的空气调节设备。地水源热泵利用地能或浅水层一年四季温度稳定的特性，冬季把地能作为热泵供暖的热源，把高于环境温度的地能中的热能取出来供给室内采暖;夏季把地能作为空调的冷源，通过能量转换地下热源转换成冷源。其原理是通过极少量的电能，实现能量的搬运转移。
由于于地下的温度在恒定在10—25度的，地源热泵机组的工况优于传统的空调的工况它能够更轻松的达到室内的温度要求和效果，地源热泵机组的能效比更高。地源热泵空调更节能。
三、系统描述
国家体育场(“鸟巢”)为2008年第29届奥林匹克运动会的主体育场，地下3层，地上7层,国家体育场地源热泵大型中央空调项目总体设计冷负荷为14533kw，采用地源热泵和冰蓄冷结合的形式。鸟巢地源热泵中央空调采用采用烟台冰轮和顿汉布什的制冷设备及系统，其电气控制主要采用施耐德的Micro和Twido PLC，以及XBTGT触摸屏。
“鸟巢”地源热泵大型中央空调系统包含地源热泵机房控制系统和两台全封螺杆地源热泵机组。
四、电气控制系统结构与构成
控制系统网络结构如上图所示，为三层网络结构。
地源热泵机组选用Twido系列 PLCTWDLCAA40DRF及扩展模块，它本身所带的一个通讯口和XBTGT触摸屏相连。可以根据来自源热泵机房控制系统的给定信号进行启/停和能量自动调节，控制程序据负荷变化及变化率自动控制滑阀上载卸载，实现制冷能量无级调节，大限度降低设备能耗。通过人机界面可以设定压缩机的工作方式和运行参数，检查压缩机的运行状况，查看机组故障情况等。每一个PLC扩展一个通讯口，做MODBUS从站，连在MODBUS总线上，实现和源热泵机房控制系统PLC的通讯。
源热泵机房控制系统PLC选用MICRO系列PLCTSX3721001。MICRO系列PLC的通讯功能非常强大，支持MODBUS，UN-bbbWAY，以太网TCP/IP等多种通讯协议。控制系统完成制冷系统及相应循环水系统的控制，如制冷/制热模式切换，对冷媒水供水和回水的温度及压力，冷却水供水和回水的温度及压力，冷却水泵，冷媒水泵等的监控，系统PLC扩展一个TSXSCP114通信卡，做MODBUS主站，通过MODBUS网络和TwidoPLC通讯，自动控两台制地源热泵机组开停，使空调系统按程序高效节能运转。
MICRO PLCTSX3721本身带两个通讯口，其中一个通信口和触摸屏连接，一个通信口和施耐德工业以太网模块TSXETZ410相连。TSXETZ410模块在此起到一个网桥作用，一端通过系统PLC交换数据，另一端通过TCP/IP以太网联接到鸟巢建筑智能系统上，从鸟巢建筑智能系统可以监控整个地源热泵中央空调系统的运行状况。
地源热泵机房控制系统控制柜的PLC为Micro系列, 配置为：CPU:TSX3721101+2块TSXAEZ801+2块TSXDMZ28DR+TSXDEZ32D2+TSXSCP114通讯卡+以太网模块TSXETZ410
地源热泵机组制冷工况冷水设计温度为5/13度，制热工况热水设计供回水温度为55/50度。地下热源部分，冬季的设计供回水温度为5-2度，夏季为27/32度。每台压缩机制冷机组包含2台压缩机，共有一个制冷回路，由Twido PLC核心进行控制的，通过数字量模块和模拟量模块采集传感器信号，可以实现根据负荷状况实现自动能量调节。配置为：TWDLCAA40DRF+TWDDRA8RT+6块TWDAMI2HT+TWDNAC485D+触摸屏XBTGT2110
五、结束语
地源热泵等环保节能技术和设备，在奥运场馆中的成功应用，紧扣“绿色奥运”、“科技奥运”的主题，会促进在各个领域中充分推广利用。在国家体育场地源热泵大型中央空调系统中，使用了施耐德Micro和Twido序列PLC和XBTGT触摸屏,除了实现各工艺控制功能，网络通讯灵活且实现方便，具有开放的远程联网等是一大亮点，提高整个系统的性能，降低了操作维护成本。
1.引言
在塑料挤出中，熔融物料温度控制的效果直接影响了挤出制品的质量，例如制品表面的残余应力、收缩率及制品质量的稳定性。
现有一台单螺杆挤出机，由于较早购置，挤出机的温控系统采用分离仪表控制方案。其加热方式为加热瓦分区加热。根据工艺要求，各区设定不同加热温度，采用温控仪表加继电器的温控方式。由于温控电路结构复杂，故障率较高，温控表为断续控温方式，各加热区温度波动较大，塑料制品的加工质量难以稳定。
针对上述情况，我们设计了以PLC为控制核心的多回路不等温塑料挤出机温度控制系统。经试验，该系统控温精度高，硬件简单可靠，塑料制品加工质量稳定。
设备概况如下：
单螺杆挤出机，D=120mm，L/D=25，大产量450Kg/h，12个加热段，固体输送段3个，熔融段4个，熔体输送段3个，机头2个。采用风冷方式冷却。
2.系统硬件配置
本系统采用德国 SIMENS公司的 S7-3002可编程序控制器为控制核心，可实现温度的采集与自动调节。系统要求实现12路温度控制，每一回路均为设定固定值控制。根据实际要求选用相应的功能模块。
其中CPU模块选用CPU-314IFM，其带有一个MPI接口，集成有20个数字输入端、16个数字输出端、4个模拟输入端、1个模拟输出端，内部集成PID控制功能块，可以方便的实现PID控制。
数字量输出模块选用SM322，DO8 ×230VAC。模拟量输入模板选用 SM331，AI8 ×12位，参数通过模板上的量程和STEP7设定;通道按两路一组划分。
温度传感器选用K型热电偶，其测温围适中，线性度较好，将SM331模块量程置于“A”。采用内部补偿温度补偿方式。
电源模块选用PS307。
上位机通过适配器与 PLC 组成MPI连接。PLC与上位机之间可相互通信，实现对温度的实时监控。
系统硬件配置如下：
图1系统硬件结构组成
3.系统工作原理
本系统是一个闭环反馈控制系统。在一个采样周期内，温度传感器(热电偶)将检测到的料筒与机头温度信号，经模拟量输入模块SM331，由CPU读取。CPU将读取的数值PV与设定值SP进行比较，得到偏差e=SP—PV。根据偏差的大小和温度控制策略进行计算，得到控制输出，即继电器在一个采样周期中的导通比，经过脉宽调制，后得到继电器在一个采样周期中的导通时间。通过控制继电器在一个采样周期中的导通时间即可控制加热器的加热时间，或者冷却风机的工作时间，从而达到控制温度的目的。
4.温度控制策略
在进行PID调解时，比例调节反映系统偏差的大小，只要有偏差存在，比例调解就会产生控制作用，以减少偏差。微分调节根据偏差的变化趋势来产生控制作用，它可以改善系统的动态响应速度。积分调节根据偏差积分的变化来产生控制作用，对系统的控制有滞后的作用，可以消除静态误差。增大积分时间常数可提高静态精度，但积分作用太强，特别是在系统偏差较大时会使系统超调量较大，甚至引起振荡3。本系统中，我们智能PID温控策略。
图2 温度变化示意图
图2中，Tm为机筒或机头某一段的设定温度，±△T1，±△T2，为、第二温度区间值。
热电偶测的温度用T表示，控制策略如下：
(1) 当T
(2) 当Tm-△T2
(3) 当Tm-△T1
自适应PID控制如图3所示，当温度T>Tm+ξ且在采样周期中，温度持续上升，则继电器断开(a→b，g→h)，停止加热;T
图3.温度自适应控制
注意，由于在加料段和熔融段，物料控制的精度要求相对低一些，在这两段的死区阀值ξ=△T1，在熔融输送段和机头，物料控制的精度要求高，死区阀值ξ=0.7△T1，ξ的大小根据实际情况决定。
(4)当T>Tm+△T1时，接通风机，强制冷却。
由于物在料挤出机的不同区段状态不同，所设定的温度也不同，不同的区段控制精度也不同。
在固体输送段，物料为固态颗粒，物料与机筒之间的作用力是摩擦力。在摩擦力作用下，电机的机械能转化为热能，物料被挤压成固体塞。物料温度升高，软化，该段的设定温度低于物料的熔融温度，温度控制精度较低。
在熔融段，与机筒内壁接触处的物料达到熔融温度区域，物料开始熔融。物料逐渐由固态熔融为液态。该阶段物料需要吸收大量的热，又要防止物料温度过高分解，该段温度控制精度较高。
在熔体输送段，该段又被称为均化段。在这一段一是要保证物料成分均匀混合，也要保证物料温度均匀分布。该段的温度控制结果决定了终的温度控制结果，这一段的温度控制精度高。
5.PLC编程
本系统采用STEP75.3，选用梯形图编制温度控制程序。由于本温控系统中每一回路采用的控制策略及所完成的功能均相同，采用结构化程序设计方法设计温度控制程序。比例调解功能块FB用于计算，每一个加热段对应一个相应DB数据块。程序运行时，FB调用相应的DB块进行计算，得出各加热段相应的输出量。
(1)比例调解功能块FB3，它主要由功能块FB41和FB43组成。由FB41根据温度偏差进行PID运算，计算出输出量(即继电器在一个采样周期中的导通率)，再由FB43将其转化成脉冲信号，完成脉宽调制。程序在一个采样周期中多次调用功能块FB来实现各回路的温度控制计算。本系统中比例调解功能块FB通过OB35中断调用。OB35是定时中断组织块，在程序中设定20s间隔运行。
(2)功能块FB41完成PID控制算法。FB41中P、I、D以位置式验算参与工作。比例(P)、积分(I)、微分(D)作用以并行结构的形式相连接，通过激励软件跳选开关可组态成为P、PI、PD和PID控制器。FB41中的用户参数如设定值、过程变量、操纵变量、比例增益、积分时间、微分时间、采样时间、量化处理、功能选择等存储在各加热段相应的DB数据块中，可在线或离线修改。
(3)功能块FB43完成脉宽调制，脉冲输出时间 采用如下计算公式：
式中PER_TM——脉冲输出周期，等于功能块FB41的采样时间20s，INV——功能块FB43的输入参数，等于FB41的输出值。
(4)与上位机通信的设计与实现
PLC与上位机的通信主要通过读取和改变 PLC的DB来实现，包括实际温度数据块、设定温度数据块、加热继电器信息数据块、冷却继电器信息数据块、各中间继电器报警信息数据块等。
(5)PID参数的整定
先采用 Ziegler-Nichols4方法获得系统的 P、I、D 参数，在现场用试凑法加以修正。
Ziegler-Nichols方法整定参数 PID 参数具体方法如下：
给系统施以阶跃激励(全功率加热)，根据阶跃响应曲线测量出系统的放大系数 K、等效时间系数 T 、纯滞后时间 t ,按Ziegler-Nichols 公式计算出 PID 算法中所需的比例参数、微分参数Ti、积分参数Td，见表1。
表1 Ziegler-Nichols整定公式
6.上位机监控系统
人机监控界面采用西门子组态软件WinCC6.05。通过读取PLC的DB块，在上位机上可显示各加热段实际温度，加热器或风机的开闭状态等。下面阐述监控系统的功能及实现方法。
6.1主屏功能与实现
主屏主要显示各加热区实际温度，加热器及冷风机的开闭状态等，通过图形编辑器和相应的标签管理来实现。
6.2温度趋势图的设计与实现
温度趋势图主要显示各加热区的历史温度和当前温度，通过WinCC将时间取样数据和事件记录在数据库，通过曲线的变化反映温度的历史记录。