西门子6ES7222-1BF22-0XA8选型说明
、引言
蒸汽锅炉的过程控制系统包括汽包水位控制系统和燃烧过程控制系统，两系统在锅炉运行过程中互相耦合，控制起来非常困难。在此，我们暂不考虑系统间的耦合，只是对蒸汽锅炉的给水系统进行变频改造。
某有2台20T燃煤蒸汽锅炉，如图1所示。这2台锅炉通过1个给水母管分别给各自汽包供水，用汽量小的季节，2台锅炉只运行1台，当用汽量较大时，则必须2台锅炉运行。由于给水泵额定功率为37kw，一般情况下，1台锅炉运行时，只开1台给水泵裕量仍较大，而2台锅炉运行且用汽量较大时，只开1台给水泵无法满足需要，而开2台给水泵后，相对单台锅炉运行时，裕量更大。由于2台锅炉分别由2套DCS系统控制各自的电动阀门调节各自汽包的给水量，运行中，阀门开度较小造成给水母管压力较大，不仅浪费了大量的电能，较高的水压还对管道、水泵叶轮和阀门造成损害。
图1 给水原理图
2、变频改造方案
基于系统运行现状，本着既能节能降耗，又能控制简便、安全且投资较少的原则，我们设计了1套1台变频器拖动3台电机的方案。具体如图2所示
图2 控制原理图
在本方案中，充分利用了锅炉层有的DCS控制系统，增加了变频器、可编程序控制器（PLC）和控制信号转换装置。
（1） 硬件控制系统
a） 西门子MM430变频器
MM430变频器是西门子公司新研制生产的一种适用于各种变速驱动场合的高性能变频器（调试简单、配置灵活），它具有新的IGBT技术和高质量控制系统，完善的保护功能和较强的过载能力以及较宽的工作环境温度，安装接线方便，两路可编程的隔离数字输入、输出接口以及模拟输入、输出接口等优点，使其配置灵活多样，控制简单方便，易于操作维护。
b） 西门子S7-200型PLC
西门子S7-200型PLC可靠性高、抗干扰能力强，可直接安装于工业现场而稳定可靠的工作。适应性强，应用灵活。
（2） 当1台锅炉运行时
由于只开1台给水泵，就足够锅炉汽包所需用水量，故此时，系统只对运行锅炉的汽包水位进行恒液位控制即可。
将切换开关置于相应位置，通过锅炉原有DCS控制系统中的手动操作器将控制该锅炉汽包进水量的电动阀完全打开后，再通过控制信号转换装置切断该控制信号，使原有控制回路断开，电动阀保持全开状态，将该锅炉汽包液位信号切入PLC，让PLC将该锅炉汽包液位信号进行PID运算处理后，再由控制信号转换装置，将PLC输出的4～20mA模拟信号传递给变频器，从而控制变频器的输出转速。
在本控制过程中，关键的是过程参数PID（P:比例系数I:积分系数、D:微分系数）的整定。由于工业锅炉运行过程中，用汽量的多小和蒸汽压力的大小，决定了给水liuliang的大小和给水压力的大小。为了保证系统的相对稳定运行，不出现大的波动，对生产造成，在调试过程中，应多次反复调整PID参数，直至出现佳控制过程。
（3） 当两台锅炉同进运行时
由于2台锅炉分别由两套DCS系统控制，在运行过程，蒸汽并网后压力相同，但由于燃烧过程中存在不确定性，两台锅炉汽包各自的液位就必然存在差异。单台锅炉运行中所用的恒液位控制方案在此就不再适合。通过给水原理图（图1）我们不难发现，要对2台锅炉汽包的液位分别控制，理想的方案是将1个给水母管向2台锅炉给水的现状彻底改变，将给水系统分开，使每个锅炉都有自己独立的给水系统，再在此基础上加装变频控制，由1台变频器单独控制1台锅炉的给水。但此方案不仅改动较大，投资较高，且要停产改造，显然是行不通的。为了能在不改变原有系统现状的前提下，更好的利用变频装置，节能降耗，减小系统运行，维护费用，tigao原有系统的自动化程度，我们针对该企业2台锅炉的运行特点，设计了一套专用于2台（或2台以上）锅炉运行时的控制方案，即:蒸汽压力和母管给水压力的恒压差控制方案。
当2台锅炉运行时，由于外供蒸汽并管，故蒸汽压力相同，又由于2锅炉由同一母管给水，故给水压力也相同。但由于蒸汽用量的变化不定和锅炉燃烧情况的不同，蒸汽压力是时刻变化的。这样，为了能保证给锅炉汽包供上水，就必须要求给水的压力始终高于蒸汽压力，由图2我们看到，由PLC采集蒸汽压力和母管给水压力，通过处理、比较后，得到二者的差值，再将此差值通过PID运算处理，输出4～20mA的模拟信号给控制信号转换装置。再由该装置将信号传输给变频器，从而控制变频器的运行速度。这样可以保证给水母管压力始终高于锅炉蒸汽压力（压力差的大小可以通过PLC在一定范围内任意调节），但锅炉各自汽包的液位却无法再通过调节变频器的转速去控制。在此，我们充分利用了原有给水控制装置，即汽包各自的进水电动阀门。仍由锅炉原有DCS控制系统采集各自汽包的液位，蒸汽压力，给水压力和给水liuliang等信号，去相应的调整进水电动阀的开度，从而控制各汽泡液位和进水liuliang。
此方案由于存在阀门的调节，上不能大限度的节能降耗，但实际中，由于减小了给水母管与蒸汽压力之间的压力差，使电动阀门的开度由原来的平均10%左右开大到75%左右，系统回水阀门关闭，仍大大节约了能源。且本方案充分考虑了系统运行的安全性，一旦变频器故障，系统可立即自动由变频运行状态切换至原有工频运行状态，完全恢复改造前的运行状态，保证锅炉正常运行。变频故障解除后，仍可方便的手动切换为变频状态，使变频器方便的投入运行，且不锅炉的运行。
3、PLC
PLC是本系统的核心控制器件，它不仅辨识、处理各种运行状态，进行系统间的逻辑运算和联锁保护，还对输入的多个模拟信号进行处理、运算后，输出标准的模拟信号控制变频器的运行速度。主程序结构较复杂，其中，对液位信号进行PID运算的子程序，原理图和程序框图如图3、图4所示。
图3 PID原理图
图4 程序流程框图
4、注意事项
（1）由于变频器产生高次谐波，会对通讯产生干扰，由于PLC采集模拟信号，要进行A/D和D/A转换处理，在此过程中，容易受到变频器高次谐波的影响而失真。必须将变频器零地分接且加装液波装置，对PLC用隔离变压器供电，好将PLC安装于距离变频器较远的位置上。
（2）本系统所需液位、压力等模拟信号均采至锅炉原有控制系统，为了不影响原控制系统的安全性与完整性，应将原有模拟信号通过隔离分路端子分路后采用。
（3）锅炉给水是锅炉运行过程中至关重要的环节之一，其运行的稳定性与可靠性直接关系到整个锅炉系统乃至整个生产运行的稳定与安全。一旦变频器出现故障而停车后，系统可自动切换至原有工频控制系统而不影响生产，这一联锁措施至关重要。
5、结束语
（1）变频调速是电气传动系统工程，而变频器只是其中的一部分，变频器容量、类型的选择，电气保护回路和控制回路的设计关系到变频调速系统应用的可靠性、安全性和性。
（2）变频调速系统是基于微、电力电子、机、自动控制和电机等技术上而来的，有其先进性，但也有其不足和缺点，如电磁干扰，高次谐波的寄生电容，以及低速运行时的电机温升等。
（3）变频调速技术以其节能、环保、方便、工作效率高等优点，在企业中得到广泛应用。若将其再与计算机技术有机的结合起来，实现资源共享，统一管理，则会节能降耗，tigao产品质量和生产稳定性
典型配置
SIMATIC S7 PLC 是全集成自动化(TIA)的核心。在高效的操作处理、灵活的通讯扩展以及强大的控制能力的帮助下，此系统提供了控制、网络通讯、IT 服务等功能。SIMATICS7 PLC 才能成为全球市场占有率高的PLC产品。中控室采用冗余服务器软件进行监控，完成设备监控、回路调节、生产信息管理、报警、报表、权限控制等功能。所有的组态及维护工作只需在服务器端进行即可。如选用Web服务器选件，客户机端只需有浏览器软件即可完成监控功能。
全系列PLC —高度可靠，功能强大
·SIMATIC S7 PLC可以在不同的环境条件下安装和运行，例如热带干燥气候、低温气候、热带潮湿气候等等。作为全集成自动化的一部分，它们拥有很长的产品寿命。
·SIMATIC S7 PLC 满足以下标准：DIN、EN、IEC、UL认证、CSA 认证、Class FM1Sec.2；A、B、C、D 组，温度组别T4(<135°C) 以及美国、英国、法国、德国和挪威的海军分级认证。
·为了使您的生产过程能够正常运行，可以采用软件冗余( 热备)，或者采用硬件冗余( 热备)。冗余的I/O 和PROFIBUS构成了高可用性功能。
·先进的PROFIBUS-DP 总线可实现的分布式控制，PROFIBUS-PA总线可连接智能仪表，只需一根总线即可完成设备供电及信息采集工作。
WinCC —过程可视化和IT 平台
WinCC 是享有盛誉的、在全球及中国有极高市场占有率的SCADA 监控软件，它提供用于SCADA监控的基本系统和相应的选件。在水泥行业中，我们推荐使用WinCC 开发版用于工程师站组态画面和开发其他功能，使用WinCC运行版用于操作员站的监控。在操作员站较多的情况下，采用冗余服务器/客户机结构；为了降低成本和更好地为领导层提供决策依据，将一台WinCC 客户机作为Web服务器，使本局域网内其他计算机可以方便的浏览生产数据和设备数据，这种应用甚至可以延伸到Internet。
机座角板焊接是一道重要的生产工序，其目的是将角板通过凸焊机焊接固定在机壳上，使电机得以安装在风扇总成的风罩上。机座角板的分布有三等分均布的，也有非三等分分布的。传统的焊接方法是：操作者将机壳放入根据机座焊接高度定制的焊接夹具中，将角板放置在带有磁钢的夹具定位块内贴住机壳；将带有机座的焊接夹具置于凸焊机的焊接电极上；踩下脚踏开关，凸焊机焊接；手动旋转夹具到下一个角板焊接位置，重复步骤3，直至焊完所有角板；取下夹具，将焊好的机座取出，完成一次机座角板的焊接操作。
图1 机座示意图
由于人工转动夹具，操作者在焊接时顶住夹具的作用力大小不同，会造成角板轴向定位存在误差。整个操作过程操作者要重复转动多次，致使操作者劳动强度较高。种种问题影响了产品质量和生产效率，我们设计了一套半自动角板焊接夹具来解决上述问题。
根据机座角板焊接工序的特点，需要能够按要求重复转动固定的角度，故我们采用了伺服电机来控制焊接时的转动角度。伺服电机带有信号反馈，精度高，并且能提供足够的转矩带动夹具的转动。使用单轴数控系统控制伺服驱动器，利用单轴数控系统的编程功能，我们编制出一套程序来模拟人工焊接时的动作顺序，实现了焊接自动化。为了保证焊接质量，我们设计了角板焊接座，用来安放夹具，实现分度转动、上下浮动、卸料等功能。从而较好地解决了半自动角板焊接夹具与凸焊机的接口，大化地利用了原有的设备。
一、系统硬件设计
1. 系统组成
系统的组成以及运行流程。
2. 角板焊接座
角板焊接座的作用是加载并转动工件，提供一个浮动平台，由伺服电机通过焊接座的齿轮副来控制转动角度。焊接座通过弹簧、导套和导柱能上下浮动，在转动时脱开内电极，焊接时压紧内电极，从而避免夹具转动时的擦碰，能有效tigao焊接质量。与焊接座配套使用的是在原有手工焊接夹具基础上改进的夹具，它的作用是固定机壳和角板的相对位置。在焊接座上，我们采用带磁钢的吸盘来吸住焊接夹具，代替人工的手压动作，以保证焊接时夹具不致脱落，避免角板轴向尺寸偏差。为了卸料的需要，我们还在焊接座上安装了卸料机构，它通过两个气缸联接一个卸料环推动焊接夹具脱离带有磁钢的吸盘，完成卸料。
3. 伺服系统
伺服电机具有转矩大、精度高、可反馈的特点，可根据脉冲数来控制转动角度和转速。我们选用了上海开通数控有限公司的110HM-8M04030-F伺服电机，它体积紧凑，转矩达到4N.m。
交流伺服驱动系统是控制伺服电机的装置，我们选用与电机相匹配的KT270全数字交流驱动系统。它采用DSP（数字信号处理器）芯片，加快了数据采集和处理速度，使电机运行性能良好。它能够直接在驱动器面板上设置参数、调试、监视系统状态，外观简洁，结构紧凑。
单轴数控系统KT700B在整个系统中相当于PLC的功能。它具有输入输出功能，自带液晶屏和键盘，可以直接在线编程控制和在线监控。通过它进行编程模拟人工操作步骤，可控制半自动角板焊接夹具。
4. 电气系统和气动系统
主要用来控制输入和输出讯号，与凸焊机接口联接控制执行机构运行位置。
二、系统软件设计
● 系统参数设置
（1）交流伺服驱动器的设置
设置显示状态为监视运行状态；设置控制模式为位置控制模式，以控制伺服电机输出轴的位置；为了使转动更加平稳，设置适当的加减速时间；设置保护限制，比如高转速、高转矩等，以避免异常情况出现导致系统受损；建立工艺文件记录报警参数，及时了解系统的故障模式，采取应对措施。
（2）单轴控制器的设置
根据系统的试运行状况，调整各参数，使其运行稳定；设定系统参数，定义编程用常量、参考点；设置电子齿轮比，通过设置可以将夹具实际转动与脉冲数建立相应关系，便于控制；设定系统极值，确保系统稳定。
● 程序编写
程序编写是基于单轴控制器提供的数控指令编写的。指令采用顺序排列，根据人工操作时的顺序，编写程序。用SET指令接受输出信号，用WAT指令接受输入信号。SPEED指令控制速度，POS指令控制位置与角度。还可以采用CALL调用指令，循环执行相似的命令。
三、试运行发现的问题及解决方案
系统组建好后，进行试生产。运行过程符合设计要求，并按照人工焊接的顺序执行，定位准确。系统可根据实际生产要求，调整运行速度，满足生产节拍的要求。但在实际的操作中发现：夹具与焊接座的制造以及装配质量对系统的稳定可靠运行影响很大。我们对夹具进行了优化，并在装配时进行适当的调整。
起初，夹具易被压翘头，导致焊接后产品尺寸偏差大。我们在凸焊机上增加了预压装置，在焊接前先将焊接座压实，增加了护套以tigao焊接座的刚度。运行一段时间后发现，工件难以脱离夹具。于是，我们重新修整夹具，调整凸焊机上电极的位置，使焊接时工件受力均匀，不会使工件偏移卡死夹具导致难以脱出。调整卸料气缸的压力以及卸料环与焊接座的间隙，使气缸顶出时更加顺畅。卸料气缸在卸料时，弹力很大，容易造成夹具弹出时使操作者受伤，损坏夹具。我们在工作台上设置了缓冲板，夹具在弹出后，先接触缓冲板减速，tigao了系统的安全性。
经过一段时间的试运行，角板焊接夹具系统能够按照预定要求，完成整个工作任务。生产出的产品质量符合设计要求，并且避免了人为因素的干扰，降低了操作者的劳动强度。在焊接夹具工作时，操作者可以腾出手进行下一个工件的装配，tigao了生产效率。结合伺服系统的应用，将机电一体化技术应用到实际生产中，能够给我们带来更多的便利，创造更大的经济效益。
传统的平头设备锁不能解决的平头面的光滑度和平面度受到刀具的jingque程度以及操作人员的熟练程度等诸多因素的影响这个问题，而用数控设备就可以完全解决，本文介绍改数控系统的PLC控制。
1、前言
我们都知道，使用传统的普通平头设备的进行工件的平头操作，平头面的光滑度和平面度，会受到刀具的jingque程度以及操作人员的熟练程度等诸多因素的影响。鉴于存在这种问题，我们研制了数控平头机，它可以按照输入的进刀曲线连续工作，始终保持高精度和高效率，从而充分保证平头质量。
2、控制要求
数控平头机控制要求为：
（1）控制系统应可调整刀头加工程序；
（2）不同的加工阶段可以选择不同的加工速度和加工深度。空程的时候的进刀曲线如图1所示，加工时的进刀曲线如图2所示；
（3）主轴转速应可调节，且范围应宽广；
（4）加工jingque度高，加工材料平面的光滑度要求为Ra≤1.6μm；
（5）定尺尺寸精度：±0.5mm
图1 空程时进刀曲线
图2 加工时进刀曲线
3、系统的硬件设计
根据系统的控制要求配置硬件如下：
可编程控制器：1个西门子公司的S7-200系列CPU222PLC；
人机界面：1个DP210；
外设：2个步进电动机、2个步进电机驱动器、2个三相电动机、1台变频器、1个EM222、8个电磁开关、4个光电传感器和1个霍尔传感器。
3.1 系统的I/O点分配
由硬件结构图可知,系统需要5个输入点和14个输出点.CPU222PLC有8个输入点和6个输出点,需要增加一个扩展模块,选用8点输出的数字量扩展模块EM222.输入点是I0.0-I0.7;输出点是Q0.0-Q0.5和Q1.0-Q1.7,分配情况见下表1和表2：
表1 输入端子分配表
表2 输出端子分配表