西门子6ES7211-0AA23-0XB0传授代理
1. 公司介绍
本项目的设备制造商为高安公司，该公司为规模较大的化纤机械生产厂，FA产品有着广泛的应用，在行业中也有一定的度。该设备用于5000吨纤维后处理生产线项目，其业主方为某日资化纤厂。
2. 设备说明
该设备用于化纤多次拉伸、卷曲前处理生产，主要由导丝架、八棍导丝机、热水槽、牵伸机、水浴槽、第二牵伸机、蒸汽箱、第三牵伸机、叠丝机、张力架、卷曲机、卷曲侧板电机、油泵电机、振动电机、循环水泵、振动检测等设备构成。I/O控制规模为103点，其中开关量输入点为61点，开关量输出点为39点，模拟量输入点为3点。主要控制要求为：化纤丝的速度、牵伸比、蒸汽及水温、相关的连锁逻辑控制等。本系统控制的关键是要保证导丝、一牵、二牵、三牵、卷曲五台电机的速度同步。
3．系统配置
如图，系统采用三菱公司的Q系列PLC作为主控制器，传动控制为艾默生公司的EV2000系列变频器，人机界面为F940GOT。
系统主要配置如下：
●主控制器：Q00CPU：速度和牵伸比给定，通过I/O模块，检测现场各机台急停，限位等开关量及模拟量信号，完成连锁控制及报警功能。
● 输入模块：QX40：完成现场的开关量控制采集，
● 输出模块：QY10：完成开关量输出。
● 模块量输入：Q64AD：以完成现场的模拟量检测。
● 串行通讯模块：QJ71C24N-R4：构成变频器通迅链路。
● 传动驱动单元：艾默生公司的EV2000系列变频器。
鉴于篇幅的原因，本文主要描述系统控制的关键设计和实现，即保证导丝、一牵、二牵、三牵、卷曲五台电机的速度同步。客户基于成本的因素，传动驱动单元选用艾默生公司的EV2000系列变频器，并要求主控制器和其构成一个以RS485为通讯介质的低速廉价通讯链路。导丝、一牵、二牵、三牵、卷曲5台变频器采用共用直流母线运行方式，并安装增量式编码器构成转速闭环以提高速度精度，卷曲机变频器还外加张力传感器以稳定控制拉伸张力，提高纤维质量，在设备起停过程特别是在运行过程中调整运行速度和牵伸比等工艺参数时低速通讯链路的实时性的问题就表现出来了。
在设计上，一个通讯模块可以组成485网络，但因为通信量很大，我们必须实时发送电机的速度指令及起停信息，还要不断读取变频器的工作电压、电流、频率等参数，如果采用一块模块的话，通信周期将增大，也就达不到实时的作用。我们选用两块485通讯模块，即四个通讯口对一牵、二牵、三牵、卷曲四台变频进行通讯，而导丝和一牵共用一个通讯口，在下一周期通讯。考虑到通讯协议帧长度长为18个字节，在19200Bit/s传输速率下，各速度指令响应的大时差为20ms左右，当大车速为200M/Min时，导丝略有滞后，但在工艺上是可以接受的。该方案可以有效地解决速度指令的同步能力，实现开车起步和停车过程中按指令同步升降速以及运行中速度调整时五台电机速度的同步和纤维拉伸张力的均匀。
4．调试情况和体会
在实际调试过程中，系统基本符合我们预想。但在通讯调试中，我们发现Q系列PLC在搭载多通讯模块系统时，通讯的稳定性和PLC的扫描周期的长短有关。随着功能的不断增强，程序的不断完善，扫描周期也随之加大，当大扫描周期大于25ms时，通讯开始有不稳定现象出现。
现象：我们用QJ71C24的专用通讯指令来接受通讯数据，当扫描周期大于25ms时，在通讯的4个口中，排在程序的后一个口偶尔会有通讯错误，当接受标志位已跳变为ON，表示数据已接受完毕，但接受数据区中却无数据。我们对通讯的四个口的程序次序颠倒过来发现情况依旧，错误只发生在次序排在后的一个口。
分析原因：我们认为是通讯时序出现了问题，系统接受标志位的跳变和系统数据的传递不同步，即系统内部通讯标志建立时，通讯缓冲区的数据尚未来得及传送完毕。故我们判断扫描周期延长会影响系统通讯的时序。解决办法：精简程序来缩短扫描周期或更换高速PLC。但由于本系统程序量较大，后为了保证系统的可靠性我们将CPU从Q00更换为Q02，提高了系统处理速度，把扫描周期降低至10ms以下，问题得以解决。
5．用户的反馈
本系统已正常投产三个多月，目前系统运行非常稳定、可靠，技术指标完全达到了设计效果。
1 概述
镇海9E燃气蒸汽联合循环机组由两台GE公司生产的MS9001E燃气轮机，两台余热锅炉和汽机组成的联合循环机组。其汽机凝汽器采用海水冷却，循环水泵房共设有两台1000kw循环水泵，供汽轮机凝汽器循环冷却用水。由于循泵房距离主厂房较远，原有控制系统为杭州源正电子技术有限公司的YZCK－11型循环水泵控制系统，该系统主要以microPLC控制器为核心，按工艺对循环水泵，循泵出口蝶阀，旋转滤网和冲洗水泵的中间逻辑进行处理，实现较为简单的自动控制，故障检测及声光报警。控制方式为PLC程控硬手操，无工控机。
由于原设计，设备选型的原因，自投运以来故障较多。随着设备运行年限的增长，故障趋于频繁，跳泵故障屡次出现，严重影响燃机的正常运行。主要问题如下：
（1）电源设计不可靠，易引起循泵冷却水压低跳循泵；
（2）循泵出口蝶阀程控不完善， 易引起控制回路故障， 失电， 蝶阀不能自保而关闭， 联动循泵跳闸；
（3）报警系统不完善，无报警记录与历史趋势，难以故障分析；
（4）设备老化，操作复杂，对设备运行的监控及事故的快速反应和处理不利。
这些问题的存在严重影响燃机机组的安全正常运行，不利于机组的稳发满发，有必要对整个控制系统加以改造。
2 系统组成
循环水泵是燃机电厂的主要辅机之一，其正常出力对电站的安全正常运行有重要意义循环水泵的控制历来是电站控制中的重要问题。
燃机循泵系统由以下结构组成，如图1。
图1 燃机循环系统
两台循环水泵分别抽取通过栏污栅的海水，并入一根循环水母管，经过二次滤网过滤，送入汽机凝汽器循环水系统。由于循泵出口无法安装逆止阀，每台循泵后都有出口液压蝶阀作为循环水管和循泵的隔离，防止倒水。循泵的冷却水用于循泵电机冷却，采用闭式循环，经过冷却水箱，通过3台2运1备的冷却水泵分两路分别对循泵电机进行冷却。
可编程控制器（Programmable LogicController），简称为PLC，由于其高可靠性，便捷的通讯接口，简易方便的安装设计等特点，广泛的应用于各种工业逻辑控制领域。燃机循泵控制系统也采用了以微处理为基础的可编程控制器和工控机构成监控系统。控制方式采用CRT操作员站进行监视控制，通过CRT画面和键盘对整个工艺系统进行监视和控制，实现对循环水系统的数据采集，处理，图象显示，报警，制表和自动顺序控制，完成相关辅助系统的调节功能及局部系统的逻辑控制和联锁保护。根据目前的运行管理情况及考虑今后的管理发展方象，程序控制系统及被控设备均按有人和无人化值班方式设计和配置，并预留远程通讯接口以备今后与其他控制系统实现数据通讯和远方监控。
考虑到循泵系统对机组的重要性，PLC采用双机热冗余主机进行控制。经过多方调研，对各种双机热冗余的PLC进行性能价格比较后，采用美国GEFANUC系列90－30系列的PLC为双冗余控制设备。其具有以下优点：
（1）提供先进的编程特性，易于组态便于安装。
（2）CPU具有强大的功能，如内装PID，结构化编程，中断控制，间接寻址及各种功能模块能完成复杂的操作。
（3）高性价比的双机冗余性能。
上位机界面软件采用IFIX3.5。系统共配置两台上位机监控系统，一台操作员站兼工程师站和一台操作员站进行控制程序编程，界面软件组态和生产过程的监控管理，包括：显示工艺流程，控制各设备的自动化运行，显示历史趋势曲线，进行报警管理等。
整个控制系统组成如图2所示。
图2 循泵控制系统
PLC1和PLC2分别为两个GE FANUC90－30系列PLC，通过Genius总线控制器利用Genius总线网连接，以实现双机热冗余。考虑到系统成本，在远程I/O中，选用了versamax通用扩展式I/O结构，利用Genius网络接口单元，挂到整个Genius总线网中，为远程控制提供灵活的I/O结构。由于90－30系列PLC支持以太网通讯，在系统中增加一个8口以太网HUB,PLC和上位机分别将以太网线接入HUB，实现上位机与现场的高速通讯。
3 系统的实现
在改造中，通过以下几点实现了系统的PLC控制。
3.1 双机热冗余的实现
GE FANUC系列90－30系列的PLC实现双机热冗余由GEFanuc系列90-30PLC硬件与热备软件max_on构成的，90-30 Max-ON系统的冗余硬件部分是由两套90-30PLCCPU控制器组成，主控制器通过Genius网络总线与其备用控制器和I/O系统的通讯实现其热备冗余功能，一旦主PLC控制器或通讯出现故障；所有控制功能将平稳地切换至备用控制器以确保工艺装置正常运行。系统具有参数同步化，I/O总线冗余和系统诊断等功能。软件上90-30Max-ON提供方便灵活的组态方式。组态软件基于bbbbbbs平台，采用对话框方式对系统进行组态，例如：网络结构，同步参数以及模拟量输入转换等。完成双机配置后,可在系统的程控组态软件versapro中引入其配置文件,使两个PLC都置于运行模式,这样其冗余特性就挥发生作用，其主从切换的标志位在PLC的存储器中可以看到。
a. %M1017 CPUA标志位；
b. %M1018 CPUB标志位；
c. %M1019 CPU处于运行模式标志位；
d. %M1020 CPU为主机标志位；
e. %M1021 所有数据同步标志位。
这样,可以方便的在程序中通过对PLC存储器位操作来判断其冗余工作状态,从而判断控制器所处的主从地位,主控制器参与设备的控制,从控制器同样进行数据的采集,运算,并监视主控制器的运行状况,如有异常,立刻平稳的切换为主控制器。
3.2 PLC远程I/O结构的实现
镇海燃机循泵系统的就地信号的采集和设备的控制采用高通讯速率的versamax远程I/O结构。VersaMax是唯一具有“三合一功能的系列产品，它既可以作为单独的PLC控制机，具有可接受的价格和优越的性能；又可以作为I/O子站，通过现场总线受控于其它主控设备。具有以下特点：
（1）I/O模块和通讯模块都可带电插拔；
（2）真正的即插即用；
（3）模块安装、扩展不需要任何工具；
（4）模块化结构，构成系统可大可小；
（5）安装费用低，减少工程成本。
基于上面的特点，系统中采取带有genius总线接口单元的versamaxI/O通过genius现场总线受控于上层的PLC。每块总线接口单元都可下挂8块I/O模块，与就地设备相连。
根据现场的实际运行情况，整个PLC系统设置了4个远程I/O机架。
＃1远程I/O站主要用于采集＃1循泵系统的各设备的反馈信号，输出＃1循泵系统各设备的启停指令。
＃2远程I/O站主要用于采集＃2循泵系统的各设备的反馈信号，输出＃2循泵系统各设备的启停指令。
＃3，＃4远程I/O站主要用于采集公用系统包括循泵液压油泵，二次滤网前后压力，二次滤网进出口电动门，排水泵，轴流风机，冷却水泵等设备的反馈信号，输出各设备的启停指令。
3.3 上位机画面与操作的实现
在系统中，采用了以PLC为控制设备，工控机作为上位机，通过以太网连接的结构形式。这种结构充分发挥了PLC和计算机的优点。PLC可靠性高，抗干扰能力强，对设备的控制有其独立完成。计算机完成图形、实时数据的显示，故障报警等功能。
系统中采用ifix软件作为上位机的监控软件。Ifix作为一种多方面的监控软件，提供了与多种PLC通讯的I/O驱动程序，可方便的与PLC连接，在工业控制领域有着广泛的应用。监控系统包括SCADA系统和HMI图形系统。SCADA系统通过与PLC建立通讯关系通过软件接口I/O驱动程序与PLC直接建立通讯来读取数据，并形成实时数据库。HMI图形系统显示实时数据和报警信息，记录历史数据，打印报表，修改设定参数以及实现软手动控制等。
3.4 逻辑完善
在原有的设备运行中及新设备投运后系统逻辑需要完善的主要有以下几点：
3.4.1 现场和CRT上的操作
以循泵为例，在就地动力柜上设计“就地/检修/远方”控制转换开关，及“启动”，“停止”控制按钮。在CRT上设计循泵的“连锁/解除”，“程控/解除”软转换开关，及“启动”，“停止”软控制按钮。当就地动力柜上的“就地/检修/远方”控制转换开关打在就地时，CRT上只监视其状态，对其操作无效，面板上“启动”，“停止”按钮用于简单的启动，停止循泵，不参加系统连锁功能。当就地动力柜上的“就地/检修/远方”控制转换开关打在远方时，面板上的按钮对其操作无效，此时，CRT上的软按钮对其操作启动，停止循泵，并且根据要求在停泵时自动投入加热，在启泵时自动投入轴流风机。当CRT上的“连锁/解除”软转换开关置“连锁”时，两台循泵互为联锁，一台循泵处于备用，当另一台跳闸后，此循泵自动启动。否则，当软转换开关置“解除”时，此循泵不自动启动。当CRT上的程控/解除”软转换开关置于“程控”时，此循泵与循泵出口蝶阀程控联动状态。否则，当软转换开关置“解除”时，循泵的启停与蝶阀的开度无关。
3.4.2 循泵与出口蝶阀的控制逻辑改进
循泵与出口蝶阀处于相关的连锁状态。为防止循泵的空转，倒转引起泵的损坏，循泵的启停由出口蝶阀决定，并且考虑到系统有没充水的条件。
启动时，根据运行状况选择循环水管是否充水，当完全充水时（如一台已运行，开第二台泵），先启动出口蝶阀置15％，启动循泵，蝶阀继续开启置全开。当未充水时（如水管放空后启泵），先启动出口蝶阀置15％，启动循泵，这时，出口蝶阀在15％处停留20min，使进行循环水管充分充水，再继续开启置全开。
停止时，正常顺控停泵时，先使出口蝶阀关置15％，停循泵，出口蝶阀继续关闭置关死。当发生循泵跳泵时，联锁关闭出口蝶阀。
3.4.3 循泵运行与冷却水压力保护的控制逻辑改进
在系统中，每台循泵的冷却水管路上分别设置两个冷却水压力低Ⅱ值和一个冷却水压力低Ⅰ值。冷却水压力低Ⅰ值作为启动备用冷却水泵的条件。冷却水压力低Ⅱ值作为启动循泵的闭锁条件，当循泵未运行时，两个冷却水压力低Ⅱ值都动作，不允许启泵，当循泵运行时，两个冷却水压力低Ⅱ值都动作后，延时20s，跳闸循泵。冷却水压力低Ⅱ值的闭锁条件可CRT上选择是否投入，当发生冷却水压力开关故障时可屏蔽，便于检修工作。
程序框图如图3。
图3 控制逻辑的改进
4 结论
在完成循泵控制系统PLC改造后，增强了循环水系统的抗干扰能力，优化了逻辑组态，在运行中减少了人力操作，增强了报警功能和故障记录分析，减少了缺陷故障率，大大提高了循泵的运行可靠性使之不再成为燃机安全运行的薄弱环节，完成了设备改造的目的。
基于PLC的循泵控制系统，充分利用了PLC组网方便，抗干扰能力强，适用于逻辑顺序控制方面的特点，有效的完成了循环水系统的自动控制。并且为循泵无人化值班提供了条件，在镇海燃机运行的实际应用中得到了良好的效果，其经验可以用于今后其他循泵控制系统参考。