西门子6ES7222-1EF22-0XA0供应现货
1引言
安钢高速线材轧钢加热炉是一座性能优良的步进梁式加热炉，其有效尺寸:20700×12700mm。额定加热能力为:120t/h，大加热能力:140t/h。坯料规格:单排布料时:150×150×12000mm;双排布料时:150×150×5800mm;非定尺坯料:9000-12000mm;大坯重量:2190kg。燃烧介质:高焦炉混合煤气，低发热值为7536±210kJ/m3。大用量24812m3/h。其热工控制系统是由Rockwell公司的ProcessLogixDCS系统完成。步进炉内炉料步进及炉料进、出由西门子PLC控制。其中高速离散控制、过程控制和安全控制融合于一个Logix控制平台上先进的控制技术，使加热炉的炉温的控制精度在±5℃，升降50℃仅需12min;编写的空燃比自动寻优器软件代替热值仪和氧气分析仪的功能，实现了燃料liuliang和空气liuliang的优化配比，从而使燃烧达佳状态。
2系统硬件的组成
高线加热炉使用Rockwell的ProcessLogixDCS控制系统(编程软件为ControlBuilder和DisplayBuilder)。本系统配置了操作站、服务器、控制站3个部分。其结构如图1所示。
图1 加热炉控制系统结构图
(1) 服务器
为了高效利用过程参数，本系统配置了DELL服务器，系统平台为bbbbbbs NT。配置了ProcessLogix Server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。用户可方便地用C语言编写自己的特殊功能模块。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) 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。
(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1个主机架和2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tigao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liuliang模糊控制回路﹑空气liuliang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。
(4) CONTROLNET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。数据传输采用确定性的传输方式，大大减少了数据传输量，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。
3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liuliang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liuliang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，对模糊控制参数表进行了初步优化。
(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liuliang，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liuliang比例调节，6段煤气liuliang/累计及空气liuliang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liuliang控制器，构成温度liuliang串级回路，调节空气和燃气的liuliang，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liuliang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tigao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，对空燃比自动寻优器进行了的优化，调整了控制表中的一些具体控制参数，tigao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12min。煤气压力扰动时温度曲线见图2。
图2 温度曲线(煤气压力扰动时)
(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。因为炉压检测点位于出料端，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) 煤气和空气压力控制
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。
(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，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。
a) 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。
b) 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liuliang检测开关，可对炉内每个水管进行间接监视。
c) 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，对煤气总管和各段煤气实行氮气隔断保护。
4 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、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liuliang/煤气liuliang控制子程序各1个;每个温度/空气liuliang/煤气liuliang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。
5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tigao，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
随着纺机装备技术进步，步进与伺服电机运动控制系统的应用越来越广泛，其功能多样性和产品可靠性日臻完善，正在逐步取代原来的普通电机。随着可编程控制器技术的日益成熟，将二者完整地结合起来，完成对各种复杂运动的自动控制，实行机电一体化，正在成为一种趋势。步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比,其速度与单位时间内输入的脉冲数（即脉冲频率） 成正比,其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序,便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。步进电机具有较好的控制性能,其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成, 且可获得较高的控制精度, 得到了广泛的应用。
2 步进电机脉冲分配器
在可编程控制器plc的应用中，步进电机是常见的被控制对象。步进电机是一种数字控制元件，直接接收脉冲信号，它旋转的角度和转速分别与输入的脉冲数和频率成正比，只要控制输入到其线圈绕组中的脉冲数和脉冲频率就可控制步进电机的转动角度和转速，输入的脉冲还需要经过脉冲分配器分配给步进电机的各个绕组。用plc控制步进电机，脉冲分配器的设计是一个很重要和非常灵活的问题，它可以用硬件组成，也可以用软件组成，本文以松下fp0-c16tplc为例，讨论几种实现步进电机脉冲分配器的方法。
图1 控制原理接线图
用硬件实现步进电机脉冲分配器控制原理接线图如图1所示。由于脉冲分配器是由硬件实现，fp0-c16t只需提供一串脉冲，而fp0系列的plc具有脉冲输出功能和高速计数器（hsc）功能，利用此功能进行控制步进电机非常方便。
图2 控制梯形图
fp0系列各型号的plc的输出端y0或y1都具有脉冲输出功能，其输出脉冲的大频率为10khz。具体输出脉冲频率可以用软件编程，y0或y1输出的脉冲经脉冲分配器把脉冲分配给步进电机的各相绕组，y0或y1接至pulse的输入接点；当达到顶定值时发生中断，使y0或y1的脉冲频率切换至下一参数。y2或y3是方向控制信号。vcc值为5v时，r短路；vcc值为12v时，r＝1kq（≥1/8w）；vcc值为24v时，r=2kq（≥1/8w）。图2是实现这一控制的梯形图。dt100～dt106是存放输出脉冲频率和个数的通用寄存器，梯形图中所给参数是输出脉冲初始频率为500hz，高频率为5000hz，脉冲个数为10000。
3软件步进电机脉冲分配器设计
3.1 电原理设计
图3 硬件接线图
图3是用软件实现步进电机脉冲分配器plc与步进电机的硬件接线图。步进电机以常见的三相六拍通电方式工作。k0、k1、k2分别是正转、反转及停止控制开关，分别接在plc的输入继电器x0、xl和x2上;plc的输出继电器y0、y1和y2分别接步进电机的三相绕组a、b、c。软件实现脉冲分配的方法很多，这里讨论三种实现方案。
3.2 软件实现方案之一
图4 软件方案1梯形图
梯形图如图4所示。步进电机是以相六拍通电方式工作，即三相绕组的通电顺序是：正转：a－ab－b－bc－c－ca反转：a－ac－c－cb－b－ba该方案中，时钟可以用plc中的定时器设计一个时钟发生器，也可以使用plc中的内部s、0.02s、0.1s、0.2s、1s、2s时钟，它们分别由plc中的特殊内部继电器r9018、r9019、r901a、r901b、r901c、r901d产生，为了方便、在此使用plc中的特殊内部继电器r901a0.1s脉冲继电器作为控制时钟。继电器r0和r1分别在正反转接通；16位移位寄存器（继电器）wr1产生正反转的六个节拍，用移位寄存器的各触点r10～r15与r0、r1进行组合,使输出继电器y0、y1、y2按上述正反转的顺序通电。
3.3 软件实现方案之二
图5 软件方案2梯形图
梯形图如图5所示。该方案中，开关x0、x1作为正反转启动控制，k2作为停止。时钟仍然使用plc中的特殊内部继电器901a0.1s脉冲继电器作为控制时钟。使用一个16位移位寄存器（继电器）wr1，产生正反转所需的六个节拍，用位移位寄存器（继电器）的触点r10-15和正反转控制继电器r0-r1的触点进行组合，并利用plc中的数据传输指令．把所需的控制字（见附表）直接输出到plc的输出端，使输出继电器y0、y1、y2按上述正反转的顺序通电。
3.4 软件实现方之三
图6 软件方案3梯形图
梯形图如图6所示。控制开关的作用和时钟仍然如方案二所述。在该方案中，利用r9013运行初期0n脉冲继电器，开机时把输出控制字送到plc的通用数据寄存器dt0～dt7中,根据正反转控制要求把plc中的检索寄存器ix（置初值（正转置0或反转置5）作为输出控制字的初始指针；利用[f0mv ,ixdt0,wy0]指令，把所需的控制字直接输出到plc的输出端，之后修改ix的值，使输出继电器y0、y1、y2按上述正反转的顺序通电。r900b是比较相等标志。
4 应用案例
图7 国产梳棉机电气系统框图
基于硬件实现方案设计了一套步进电机控制系统，成功用于国产梳棉机的电控系统的改造上。其电控系统原理框图如图7所示。该电气控制系统通过plc控制步进电机解决了国产梳棉机继电器控制系统复杂，可靠性不高，控制精度不够，故障点多，布线繁杂等难点，可以按梳棉机的工艺要求方便地控制梳棉机，还可以根据所纺纤维种类和对产品质量要求确定梳棉机的电气参数，包括锡林和道夫的启动时间以及它们的转速等。该系统具有性能可靠，控制精度高、操作简单、运行平稳、无噪音等优点，tigao了梳棉机的机电一体化程度，完全能满足用户的使用要求。
5 结束语
利用可编程控制器可方便地实现对电机的速度和位置进行控制，能够可靠地实现步进电机的操作，完成各种复杂的动作。基于plc控制步进电机的控制系统方案在国产梳理机上的应用，tigao了梳棉机的机电一体化水平，更为重要的是为tigao棉纺全流程运行的稳定性、可靠性奠定了基础，保证了全流程连续、同步、平稳运行，使输出毛条长片段、起长片段、甚至短片段的均匀度都能稳定在一定范围内，从而保证了成纱质量的稳定性。基于plc控制步进电机的控制系统在国产梳理机上的成功证明，该机所采用的控制系统，完全可以应用于其它国产传统纺织设备的改造当中，对国内纺织厂进行国产设备改造升级具有很好的参考价值。