西门子模块6ES7223-1BF22-0XA8选型说明
1、引言
水源热泵空调系统是一种利用自然水源作为冷热源的空调系统，其核心技术是水源热泵技术。所谓水源热泵技术，是利用地球表面浅层水源所吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。河水、湖水、地下水等地球表面浅层水源吸收了太阳辐射的能量，水源的温度十分稳定。在夏季，水源热泵空调系统将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，可以高效地带走热量。在冬季，水源热泵空调系统从水源中提取能量，根据热泵原理，通过空气或水作为载冷剂tisheng温度后送到建筑物中。通常，水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。由于水源热泵空调系统具有高效、节能和环保等优点，近年来得到了越来越多的应用。
空调系统的控制主要分为继电器控制系统、直接数字式控制器（DDC）系统和可编程序控制器（PLC）系统等级几种。由于故障率高、系统复杂、功耗高等明显的缺点，继电器控制系统已逐渐被淘汰。DDC控制系统在智能化方面有了很大的发展，但由于其本身抗干扰能力差、不易联网、信息集成度不高和分级分步式结构的局限性，从而限制了其应用。PLC控制系统以其运行可靠、使用维护方便、抗干扰能力强、适合新型高速网络结构等显著的优点，在智能建筑中得到了广泛的应用。为了tigao空调系统的经济性、可靠性和可维护性，目前空调系统都倾向于采用先进、实用、可靠的PLC来进行控制。
本文介绍和利时公司HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC在水源热泵空调控制系统中的成功应用，说明了HOLLiAS-LECG3小型一体化PLC可以很好地实现中央空调智能化控制，达到减少无效能耗、tigao能源利用效率和保护空调设备的目的。
2、空调系统介绍
北京市某单位的办公楼采用水源热泵中央空调系统，总建筑面积8550m2，建筑高度20.5m，其中空调面积约6840m2。地下1层为各种设备房和操作间，地上1层为职工食堂、大厅和会议室，地上2～6层为商业办公用房。
室内温度和相对湿度等技术参数的设计要求如表1所示。水源热泵中央空调系统的设计制冷量为860kW，制热量为950kW。空调的主机系统由四台压缩机组成，水源水系统由取水井、渗水井和水处理设备组成。
表1 室内技术参数的设计要求
3、控制系统硬件设计
该水源热泵中央空调系统主要是根据蒸发器和冷凝器进出水温度的变化来控制4台压缩机的启停，使水温稳定在设定的范围内。4台压缩机分成A和B两组，每组各有2台压缩机。系统的I/O点分配如表2所示，其中开关量输入点6个，模拟量输入点4个，开关量输出点5个，模拟量输出点1个。
表2 系统的I/O点分配表
根据输入和输出的要求，该水源热泵中央空调系统的控制器选用和利时公司具有自主知识产权的HOLLiAS-LECG3小型一体化PLC。考虑到此系统需要一定的备用I/O点，CPU模块选择带有24点开关量的LM3107，其中开关量输入14点，开关量输出10点。模拟量输入模块选用四通道热电阻输入模块LM3312，模拟量输出模块选用两通道模拟量输出模块LM3320。PLC的人机界面选用EView触摸屏。PLC控制系统及相关设备的组成如图1所示，这些配置完全能够满足系统的要求。
图1 PLC控制系统的组成
4、控制系统软件设计
控制系统的主要功能是对热泵进行自动启停，显示温度、压力、liuliang等运行参数，显示压缩机的工作状态，记录设备的运行时间和故障原因，实现对水源热泵中央空调系统的智能控制。从控制系统的主要功能出发，为了增加程序可读性和减少程序代码，PLC程序采用了主程序调用功能块、功能块调用函数的程序结构。PLC程序由1个主程序、11个功能块子程序和1个函数组成，其调用关系如图2所示。程序编译码占用空间为30K。
程序设计的思路是，当PLC上电后，一直进行温度、压力、liuliang等运行参数的检测，这些检测主要在检测程序、故障程序和A/B组故障停机程序中完成。如果相关参数均无异常，则开机功能块子程序运行，启动压缩机。在开机过程中，进行温度判断。如果温度达到了设定值，则进入调节功能块子程序，停止开机功能块子程序，完成开机。根据温度的变化，调节功能块子程序控制压缩机的启停。变频器的控制则是通过调用加载程序和降载程序来实现。
在这些程序中，为了满足压缩机的使用要求，调节功能块子程序是繁琐的，例如压缩机的启动时间要小于30秒、压缩机每小时的启动次数不要超过5次等。为了平衡压缩机的运行时间，增加空调的使用寿命，传统的程序设计采用先启先停、先停先启、开机过程中启动次序轮换等控制方法，来协调压缩机的运行时间。如果本系统采用这种方法，则仍然存在某一台压缩机运行时间过长的问题。决定对传统方法进行改进，采用随机启停的控制方法代替先启先停、先停先启的控制方法，解决了压缩机的运行时间不平衡的问题。
图2 程序调用关系图
人机界面选用EView触摸屏，首页如图3所示。输入密码后，点击功能菜单，在弹出的快捷窗口中，可以选择参数查询、运行时间、故障查询、运行状态、参数设定、调节显示、操作界面等子菜单，进行相关的操作和显示。
图3 人机界面首页
5、结论
采用传统的继电器控制系统来实现热泵的控制，由于机械接触点很多，接线复杂，参数调整不方便，机械接触点的工作频率低，容易损坏，可靠性差。采用直接数字式控制器（DDC）可以减少接线，可靠性有所tigao，但由于DDC其本身的抗干扰能力差、不易联网、信息集成度不高和分级分步式结构的局限性，越来越不能满足复杂多变的智能控制要求。
采用PLC来控制热泵系统，不仅可以通过编程实现复杂的逻辑控制，可以在很大程度上简化硬件接线，tigao控制系统可靠性，用户操作界面友好，信息集程度高，便于实现智能控制。在热泵空调领域，PLC控制系统取代DDC控制系统是必然趋势。
1 引言
项目原型基于小型制袋封切机开发外销出口型新机。原制袋宽度为600-1000mm。由于该机型送料胶辊惯量较小，送料电机采用130步进电机经过减速可实现传动，使用单片机进行位置控制。新机型制袋宽度tigao到1500mm，送料胶辊惯量大幅增加，考虑到既能满足精度和速度的要求又有较大的瞬间转矩，送料系统改用伺服电机。由于用PLC开发周期较短抗干扰性、灵活性好，采用PLC+HMI作为控制系统。可实现中英文操作画面，满足设备出口的要求。
2 封切机机工艺
2.1 工艺结构
封切机机由机身、上下切刀、变频传动机构、上下送料胶辊、伺服传动机构、放料架、放料直流电机、可调色标检测架、可移动操作箱、电控箱等单元构成，参见图1图片。
2.2 封切机工艺过程
（1）空白定位运行方式：忽略色标信号，送料长度为设置袋长，送料完成后剪切并计袋数，循环动作直至袋数达到设定值，停机并延时至设置时间，以等待收料设备或操作人员收集袋料后，启动并循环工作。
（2）色标定位运行方式：送料长度为设置袋长，在此期间的色标信号忽略，继续送出偏差长度的袋料，检测色标信号，定位于色标信号，定位完成后剪切并计袋数，循环动作直至袋数达到设定值，停机并延时至设置时间，等待收料设备或操作人员收集袋料后，启动并循环工作。若误检次数达到默认值，则停机并报警。
工作流程如图2所示。
3FD1500型封切机机电系统设计
3.1 传动系统设计
（1）切刀传动系统。切刀传动系统为交流变频器拖动三相异步电机，由面板电位器调速，PLC控制切刀启动与停止。传动轴上安装2只霍尔开关，分别检测切刀低位和送料/切刀高位。开关1：切刀低位信号，该信号为送料停止信号。若送料时检测到切刀低位信号则表示系统超速，需报警并停机。开关2：收到切刀低位信号后的ON信号为送料信号，是送料电机的启动信号；第二次ON信号为切刀高位信号，是高位停机时的停机信号。
（2）送料传动系统。送料传动部分为交流伺服系统，采用同步带1：2减速传动。动力选用台达中惯量2KW伺服电机。具体型号：驱动器ASD-A2023M，电机ASMT20M250。
(3)控制精度计算。通过以下计算得出单个脉冲对应的送料长度，即为控制精度。
系统要求0.2mm定位精度，现计算得出控制精度为0.0314mm，因机械定位误差不大于0.1mm，定位精度+机械误差=0.1314mm<0.2mm，定位精度满足制袋机系统要求。
（4）高脉冲输出频率计算。用户要求高送料速度为180m/min，由此可计算得出系统所要求的脉冲输出频率，以此为PLC选型的重要依据。
3.2PLC与HMI选型
（1）输入信号统计。在色标传感器检标时，由于袋料上所印刷的色标不同，故亮通（Light On）、暗通(DarkOn)均有可能。无论亮通或是暗通，在检测到色标信号时都需要PLC作出中断响应，需要把色标传感器的Light On与DarkOn都接入PLC。色标信号：2点；低位信号：1点；高位/送料信号：1点，共4点DI信号。
（2）输出信号统计。脉冲输出（Pulse+Sign）：2点（Y0，Y1）；切刀动作：1点；冲孔动作：1点；蜂鸣器：1点；共5点DO信号。
（3）其它功能。可输出大于系统所要求频率（95541pps）的脉冲；2点外部中断回应。
基于以上考虑，PLC选择DVP-20EH00T。具体功能参数为：200Kpps脉冲输出，8点外部中断回应。与HMI通信可使用RS485连接，抗干扰能力优于一般的RS232通信方式。HMI选用台达DOP-A57GSTD高性价比触摸屏，通过图3可见触摸屏操作更为直观方便。大部分操作在HMI上进行，从而可减少外部按钮开关、指示灯的使用，只保留急停按钮等必要设备。
机电一体化封切机电系统原理如图4所示。
3.3PLC程序设计要点
主体程序使用逻辑顺序控制，的编程重点如下：
（1）使用浮点运算。为减小计算误差，如袋长脉冲数、偏差脉冲数等重要数据的计算，均使用浮点运算。经过验证，计算误差小于0.001mm。
（2）袋长脉冲送料使用DPLSR可调加减速脉冲输出指令，反复修改并验证启动频率与加减速时间设置的合理性。完成袋长脉冲之后，使能色标检测，以忽略袋料中间部分的色标误检。检测到色标时，响应外部中断，执行中断程序置位M1334以停止CH0脉冲输出。可设置亮通（LightOn）中断或是暗通（Dark On）中断。精简中断程序的内容，尽量减少中断对扫描周期的影响。
4 结束语
FD1500型制袋封切机的性能虽已达到初的设计目标(在袋长为1000mm时，制袋速度：60个/分)，但PLC脉冲输出频率尚有较大余量可用。使用标准100mm直径胶辊时，可改变伺服电机电子齿轮比，在保证控制精度的前提下，更加大PLC脉冲输出频率的余量。以上有利因素均为FD1500型制袋机tigao加工速度奠定了良好的基础。二次开发时，加大减速比至1：3，将突破伺服负载/电机转子惯量比过大这一限速瓶颈，终tigao生产效率。
近年来，交流变频调速技术在各行业的应用发展迅速，由于变频调速在调速范围、动态响应、低频转矩、功率因数、效率等方面是以往的交流调速方式无法比拟的，并且在节约能源、tigao经济效益等方面都发挥了巨大作用，它的应用越来越广泛。
转炉炼钢具有显著的周期性和连续性特点，生产一炉钢需要30-45min，其中供氧（吹炼）过程为15-20min，一半以上为非吹炼时间，此时风机没有必要高速运行，如将其切换至低速节能状态，可节省大量能源，减少设备损耗，对tigao设备利用率也十分有益。目前国内转炉一次除尘风机多采用液力耦合器，但由于存在转差损耗等，节能效果不理想，且设备故障率较高。交流变频技术不仅调速平滑，调速范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，节能效果好，对风机、泵类设备而言是佳的节能手段，平均节能效果可以达到30%以上。在高电压大功率电机上尚未得到较多推广。究其原因，主要有二：一是大功率电动机供电电压高(3～10kV)，而目前变频器开关器件的耐压水平较低，造成电压匹配上的难题；二是高压大容量变频调速装置技术含量高、维护难度大、造价高，而所驱动的负载多数情况下是直接关系到生产、生活的重要设备，大多数用户对它的性能和可靠性心存疑虑，不敢大胆采用。
宣钢炼钢厂通过对多家单位实际应用效果的多方考察，选用了西门子SIMOVERTMV中压变频器。
系统结构及特点
西门子SIMOVERTMV中压变频频器拥有以下显著特点：
（1）SIMOVERTMV系列变频器采用传统的交—直—交变频器结构，整流部分采用12脉冲二极管整流器，逆变部分采用三电平PWM逆变器。该系列变频器采用传统的电压型变频器结构，通过采用耐压较高的HV—IGBT模块，使得串联器件数减少为12个，随着元件数量的减少，成本降低，方案变得简洁，有助于tigao可靠性。良好的输入输出波形；满足IEEE-519标准，效率高，使用简单，便于维护，采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，具备较强的过载能力。
（2）SIMOVERTMV系列变频器的逆变部分采用三电平方式，其输出侧需要配置输出滤波器，以获得具有低谐波分量的基本正弦电流特性以及较佳的转矩特性，电机的损耗可以降到低。HV—IGBT优点是每次通断电的瞬间电流和电压可以完全控制，dv/dt可以调节，从而减轻对电机绝缘的损坏。
（3）系统提供多种控制模式，包括线性V/F控制，平方V/F控制，可编程多点设定V/F控制，磁通电流控制，无测速传感器矢量控制，闭环矢量控制等。通过速度反馈选板可构成带反馈的矢量控制闭环，从而可大大tigao除尘系统的控制精度和稳定性。
（4）当变频器工作于限流状态时，不受输出短路的影响，这就避免了当发生电机或电缆短路等故障时，造成变频器功率元件的损坏。
（5）高性能及成熟的全数字化SIMADYND控制系统可用作开环控制和闭环控制平台，它具有灵活的标准软件，速度极快的全数字化32位信号处理器，便于操控和观测的良好用户界面，本地诊断程序以及通过调制解调器的远程诊断功能。SIMVOERTMV模块化设计不仅使系统结构十分紧凑，也增强了系统的维修便利性，tigao了系统的可利用率。在设备运行的情况下风扇在半小时内可完成更换。不必使用特殊工具，只需5min就可完成IGBT功率模块的更换工作，光纤触发装置UEL采用可插式结构。SIMADYND控制板以及供选用的调制解调器接口卡也都是插入式的。模块错误信息的时序记忆功能可迅速排除整个传动系统的故障，例如：断路器、电网欠电压或过电压、变压器监测、风扇故障、电机监测，IGBT监测、直流环节电压、接地故障监测、辅助电压监测等。
（6）该变频器具有强大的通信功能，在风机除尘工艺系统中，炉前工艺吹炼状态识别可通过PLC方便实现。由于采用了现场总线技术，该变频器与上位PLC系统之间只需通过Profibus通信模块和一根通信电缆实现联结，减少了操作台及控制台之间大量的电缆连接及带来的诸多问题。
工艺特点
炼钢的工艺过程以及风机特性是我们选择中压变频器的主要原因。
炼钢厂氧气顶吹转炉在吹炼过程中产生大量的烟气，用风机抽取烟气经一文、二文水过滤除尘。大部分国内厂家的除尘风机采用液力耦合器调速，虽降低了电能消耗，但节能效果不佳；如果采用中压变频调速，通过网络通信，及时判断炉前吹炼状态，进而改变风机转速来调节输出风量，这不但方便有效，还可节省大量的电能。
从风机的工作特性来看，调速控制与风门控制调节风量比较，有着更高的节能效果，通过图1风机的特性曲线可以说明其节能原理。图中，曲线1为风机在恒速(n1)下的风压-风量(H-Q)特性，曲线2为管网风阻特性（风门开度全开）。设工作点为A，输出风量Q1为，此时风机轴功率N1与Q1H1的乘积，即和AH1OQ1所包围的面积成正比。
根据工艺要求，风量需从Q1降至Q2，有两种控制方法：一是风门控制，风机转速不变，调节风门（开度减小），即增加管网阻力，使管网阻力特性变为曲线3，系统工作点由A移到B。由图1可见，风压反而增加，轴功率N2与面积BH2OQ2成正比，减少不多。
图1风机的特性曲线
另一种是调速控制，风机转速由n1降到n2，根据风机参数的的比例定律，画出在转速n2下的风压-风量（H-Q）特性，如曲线4，工作点由原来的A点移到C点。可见在相同风量Q2的情况下，风压H3大幅度降低，功率N3与面积CH3OQ2成正比，显著减少，节省的功率损耗ΔN与Q2ΔH的乘积成正比，节能效果是十分明显的。
由流体力学可知，风量与转速的一次方成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。当风量减少，风机转速下降时，其消耗的功率降低很多。例如，风量下降到80%，转速也下降到80%，轴功率将下降到额定功率的51.2%。如果风量下降到50%，其轴功率将下降到额定功率的12.5%。考虑到附加控制装置效率的影响，这个节电效果也是很可观的。
系统调试过程中的问题
风机在起动过程中，其阻力矩随着转速的上升而迅速上升。当起动完毕后，阻力矩达（0.6-0.9）Me，而转炉风机起动初期，由于滑动轴承中的油膜尚未形成，呈现的静摩擦阻力矩较动摩擦阻力矩大的情况，并且在运行环境中，CO等气体残污粘结，也影响到电动机的起动转矩。由于风机是单吸双支撑结构，启动时轴向力较大，在短时间内风机很难快速启动，有时过流30%可持续10s以上，时常造成变频器过负荷保护性停机。针对这一状况，笔者做了以下调整：
（1）增加启动时间，减少启动负荷。启机一般都在转炉吹炼之前，此时管路内的空气为冷态（冷态空气密度比热态空气密度要大），达到相同出口风量时，势必会多做功，系统负荷加重。为减少风量，我们将机前调节阀开度打到允许范围内的小程度，约10°，转炉二文喉口调节阀设定为12°。整个启动过程中风机入口风量可控制在20000m3/h以内。
（2）由于风机启动时工况比较特殊，在此期间会发生短时电流超过额定电流1.3倍左右(额定电流：175A，峰值电流：210A)。经过笔者多方查证，认为这是变频器允许的。变频器对短时过电流的保持时间可做调节，大值为30s，我们经过反复实验，调整为12s，此时完全满足了需要。
（3）由于宣钢炼钢厂的高压电网时常产生波动，使得变频器经常出现35kV过电压故障，需进行内部复位，后来将变频器输入电压允许范围由原来的±5%改为±10%后，故障消除。
（4）由于主PLC系统选用的是AB公司生产的产品，而变频器选用的是西门子厂家生产的产品，在调试初期，经常出现通信连接不稳定、数据丢失等问题，这就使得变频器必须直接从操作台上取风机的高/低速开关量信号来实现对风机的高/低速转换控制。由于这样操作工相当于手动控制，还必须由炉前操作工通知当前转炉的生产状态才能进行相应的手动高/低速转换动作，给生产带来了很大的不便。针对这一问题，笔者对第三方SST-PFB-CLX通信模块进行了版本升级，通过对该模块的重新配置，建立了以SST-PFB-CLX模块为主站，变频器为从站的通信模式，这样相应地就可在原来的控制程序中添加了通信程序，PLC将采集到的信号进行内部处理后向变频器发出运转指令，变频器经过处理后，实现风机的高/低速调速过程，从而完成了西门子变频器与A-BPLC之间的通信，实现风机随转炉兑铁和出钢完毕的高低速自动转换。整个过程无需人工干预，不仅降低了操作工的劳动强度，也为后来的转炉煤气自动回收提供了条件。
从投产后的应用效果来看，变频器限制了起动电流，减少了起动时的峰值功率损耗；改善电网功率因数，变频器使系统功率因数保持在0.95以上；消除了电动机启停时机械的冲击，延长了风机的使用寿命，减少了维护量；系统压力降低，缓解了管道的压力和密封等条件，延长了使用寿命；电机和风机运转速度下降，润滑条件、传动装置的故障率都得以下降。
效益分析
吹炼时，风机运行速度为1000r/min，电机电流平均值I1=100A。
非吹炼时，风机运行速度为600r/min，电机电流平均值I2=40A。
风机每年运行时间按330天计算。
（1）连续生产时，每炉吹炼周期35min，其中17min为吹炼时间，18min为等待时间。一台转炉每天平均生产40炉钢，则：
每天吹炼时间t1：40×（17÷60）＝11.3小时
}
每天非吹炼时间t2：24－11.3＝12.7小时
（2）风机高速时（吹炼状态）电机消耗平均功率：
P1＝×Ue×I1×CosΦ＝×4000×100×0.86＝596kW
（3）风机低速时（非吹炼状态）电机消耗平均功率：
P2＝×Ue×I2×CosΦ＝×2400×40×0.86＝143kW
全天用电量计算：
W1＝P1×t1＋P2×t2＝596×11.3＋143×12.7＝8551kWh
不采用变频器，用电量与风机始终高速运行相差无几，为：
W1＝P1×（t1＋t2）＝596×24＝14304kWh
（4）一台风机一年节省的电费（0.4元/kWh）为：
330×（14304－8551）×0.4＝75.9万元
从上面的计算可以看出，采用变频器实现转炉风机调速，节能效果和经济效益都十分可观。不仅节约了大量电能，由于中压变频器的高可靠性使得一次除尘系统故障率降低，明显地减少了转炉停吹的次数。
宣钢炼钢厂80吨转炉一次除尘系统投入变频器后，实现了风机的高低速自动转换过程，与国内同类型钢厂比较，采用变频器进行调速的钢厂较未采用变频器调速的钢厂相比，由于风机原因，减产大为减少，这也在很大程度上说明将变频器应用于转炉风机调速系统具有推广应用价值。