6GK7243-1GX00-0XE0详解说明
1 引言
莱芜钢铁集团有限公司于2005年8月投产的制氧机是一套22000m3/h内压缩流程制氧机组。采用常温分子筛净化空气，增压透平膨胀机制冷，采用规整填料技术及全精馏制氩的外压缩流程。氮压机采用ATLASHMH8型设备，由四级蜗壳设备和一台西门子电机组成。氮压机工作过程是在西门子电机的驱动下通过联轴器带动齿轮箱工作，将空分中分离出来的氮气通过四级蜗壳进行四级压缩从而达到2.5MPa的高压无油氮气向外输送。并通过的喘振保护功能实现压缩机本身的轴系统的保护工作。
2 控制要求及主要控制功能
控制程序主要完成氮压机设备的启动—停止联锁控制，润滑油系统的顺序控制，辅助油泵的手/自动启动—停止及温度过热保护功能，系统的温度、压力、阀位联锁等控制，入口导叶和防喘振阀的自动调节功能，压缩机特有的喘振保护功能，保护并保证设备的安全稳定运行。设计中采用现场总线、DCS、PLC等先进技术相结合的控制方法，实现了该机组自动控制、数据通讯及上位机管理。
3 硬件配置及技术设计特点
3.1 控制系统硬件配置
(1) 系统配置
控制系统硬件配置氮气压缩机采用标准TCP/IP协议以太网实现与主DCS系统的数据通讯。并通过标准TCP/IP协议以太网，实现整个流程中空气压缩、氮气压缩等子系统的自动控制、数据通讯及上位机管理，可完整地监控整个系统的生产情况。硬件配置示意图如图1所示。
图1 硬件配置示意图
系统以Win2000为运行平台，从而确保系统的通用性、开放性和易用性。系统提供了功能块图FBD、梯形图LAD、语句表STL和CFC等图形化组态手段。系统使用同一套组态工具软件STEP7完成过程级控制策略和操作级HMI组态及调试，并使用同一个全局数据库和项目树，使得程序生成灵活简单，清晰明了。
S7-400PLC是SIEMENS公司推出的目前功能强大的控制系统，支持多种国际现场总线标准，既可连接常规I/O，又可连接RemoteI/O及Profibus、FF、CAN、Modbus等现场总线设备。
(2) 上位机配置
上位机配置 PLC系统选用的是西门子SIMATIC S7-400可编程控制器，监控软件采用SIMATICWINCC,并带有1个操作员站OS、1个工程师工作站ES。PLC与上位机之间通过工业以太网通讯，光纤连接。如图2所示:
图2 系统配置结构框图
上位机的监控功能主要包括画面显示、系统的运行操作、报表管理及报警功能。便于故障跟踪和智能分析，为及时发现故障、分析故障、解决故障创造了有利条件。
3.2 控制系统采用的技术
(1) 可变周期任务运行S7-400PLC控制器高度容错自动化系统控制程序采用“任务运行”方式，每个任务都可设定运行周期和优先级。该控制器既可满足复杂调节回路控制要求，又可满足快速电气开关量控制，从而一个控制器可以覆盖工厂所有环节的控制要求且系统编程语言符合IEC61131-3标准。
(2) 开放的TCP/IP协议以太网技术 S7-400PLC控制系统通信模件为标准TCP/IP协议以太网模件，使系统无须增加设备就可与工厂局域网连接;由于系统支持各种OPC数据交换标准，使系统与各种第三方数据库或软件的数据交换更加容易。
(3) PROFIBUS-DP现场总线技术PROFIBUS-DP用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站(PLC)程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。
3.3 功能设计特点
氮压机采用远程分布式控制方式，远程站设在压缩机机旁柜，触摸屏操作和监控。本控制系统可实现自动控制，远程手动操作及上位机管理，可完整地监控整个系统的生产情况。
(1)在手动方式下，可通过计算机键盘和鼠标对所有受控阀门进行控制，微小增/减开度的按钮，可避免操作人员的误操作导致工况的不稳定。
(2) 在自动方式下，主PLC主要实现了下列功能:
●入口导叶和旁通阀之间自动联锁调节控制，即自动加载和自动卸载控制可实现无人操作;
●氮压机排气压力控制旁通阀和入口导叶回路的自动调节;
●氮压机电机限流控制器控制回路的自动调节和自动变负荷;
●氮压机“流量比调节器”防喘振控制和喘振保护功能;
●氮压机报警、开/停车联锁控制、辅油泵启/停联锁控制等。
3.4 系统工作原理
(1) 系统通讯
氮压机PLC控制采用SIEMENS S7-400PLC，人机界面采用TP270触摸屏。控制器与人机界面之间使用profibus现场总线通讯，即CPU414-2DP模板所带的DP接口通过通讯电缆与人机界面的profibus-DP口相连;控制器通过以太网模块与操作站实现数据通讯。通过编制适当的控制程序，实现了氮压机温度、压力、流量、振动等各种工艺参数的集中监视、记录、归档并报警;压缩机启动和紧急停车等顺序联锁控制以及重要的防喘振控制。
(2) 防喘振
PLC配置的喘振探测部分监视压缩机出口压力的变化从而保护压缩机防止受到冲击压力的影响。压力变化的范围和方向决定了出口压力的斜率。如果该斜率在几秒钟的时间内下降到低于低设定点(出口压力快速下降)又上升超过了高设定点(出口压力快速上升)，系统则通过冲击报警指出发生了冲击周期。低和高斜率设定点和冲击周期时间都可根据具体设备调节。
发生冲击报警时，压缩机进行卸载(BOV完全打开，IGV关闭达到其小位置)。在按压复位按钮确认冲击报警之前不可能使压缩机负载。确认后，压缩机自动负载。如果在2min内探测到6个冲击周期，应急停机就被触发，压缩机由于冲击压力而停机。冲击周期的次数和对冲击周期进行计数的时间期限可根据具体设备调节。
如果该选项获得允许，系统则在下述情况下使冲击报警复位:持续2min没有冲击，并且在前面的一个小时内的冲击不超过3次。这样，系统可忽略对压缩机影响很小的单件的冲击周期并自动负载而不需要操作人员干预。
通过在调试期间用手控方式对压缩机施加冲击压力使其达到限值可生成冲击探测采用的小和大设定点。在控制条件下生成的这些限值用于保护压缩机防止受到冲击。
控制系统计算压缩机后4个出口压力的平均值并使该平均值与设定点对比。IGV和BOV如下响应该压力。
具有“流量比调节器”的防喘振控制。就能量从叶轮赋予流体的方式而论，离心式压缩机它的压缩比与进气侧体积流量的关系是抛物线。在低流量范围内，由于气体的可压缩性会产生不稳定状态，称作喘振。这时压缩机特性曲线呈现负阻特性，从而导致一个不可控的极限环。当流量减小到喘振线以下时，压缩比就要下降，使流量减小，使输出管线中的压缩气体向压缩机倒灌。在几毫秒的时间内，流动方向又会反过来，除非加以校正，否则1s内又会开始另一次循环。根据流量孔板的差压与压缩机压比的关系，我们采用流量比调节器调整进气侧的流量使其保持在防喘振线的上方。如果流量接近防喘振线，就必须立即打开旁通阀。
入口导叶和旁通阀控制。低于设定点的排气压力旁通阀在低压下关闭。如果旁通阀达到完全关闭的位置而排气压力仍然低于该设定点并且在死区的范围外，入口导叶就开始打开。当排气压力达到死区范围内并且在设定点附近时，入口导叶就停止打开。在旁通阀关闭之前，入口导叶不能移动。
高于设定点的排气压力 旁通阀在高压下打开。当压力达到死区范围内并且在设定点附近时，旁通阀停止打开。
电机电流限流如果电机电流超过了满负荷电流，电机电流限流功能则工作。按照排气压力打开入口导叶的所有命令都被禁止。但入口导叶仍然响应排气压力的控制而关闭。
3.5 自动变负荷功能设计
根据热线生产的需要，操作人员按照调度人员下达的管网压力要求，只需从操作界面上输入压力设定值，氮压机的旁通阀和入口导叶便会从当前开度慢慢调整到压力设定点附近需要的开度，无须操作人员进行长时间的手动操作。这一人性化设计给操作人员带来很大方便，减轻了工人劳动强度和避免了误操作。
3.6 润滑油系统控制
润滑油系统向齿轮箱和电动机轴承提供清洁的、温度得到控制的油。内部加热器保证了油箱温度保持在高于低温度1000F。系统自动将齿轮箱油温控制在900F，即启动需要的温度以上。油箱配备了低油位报警和停机功能。
该系统配备2只润滑油泵:主油泵(用齿轮箱机械驱动)和辅助油泵(电气驱动)。只要压缩机在运行，主油泵就提供润滑油。如果需要，当压缩机不运行或者压缩机在运行但油压下降到低于报警设定点时，辅助油泵则运行。油箱温度必须至少达到600F才能使辅助油泵运行。该系统有泄压阀保护防止过压。
(1) 辅油泵运行方式。
●手控
只要油箱温度保持在600F以上，辅助油泵就持续运行。
●自动
压缩机不运行时，泵自动循环使齿轮箱的油温保持在压缩机启动需要低温度以上。当油温下降达到低于920F时，泵便启动，当油温上升到超过960F时泵便停机。如果油箱温度下降到低于600F，泵就不能运行。(油箱加热器应该自动将油箱温度保持在高于1000F。)如果压缩机运行时油压下降到低于23psi表压，泵便启动。当油压上升到高于34psi表压时，按压复位按钮使泵停机。由于该方式将油温保持在高于启动需要的低温度，建议采用该方式。
●备用
如果压缩机运行时油压下降到低于23psi表压，泵便启动。当油压上升到高于34psi表压时，按压复位按钮使泵停机。但当压缩机不运行时，该泵就不运行维持油温。
(2) 自动方式或备用方式辅助油泵运行条件。
●如果压缩机开始启动时泵不在运行，泵便启动。如果主驱动器达到全速时油压超过了34psi表压，泵就停机。如果油压保持低于34psi表压，泵就继续运行。当油压达到34psi表压时，按压复位按钮使泵停机。
●如果压缩机在运行、油压下降到低于23psi表压并且触发了报警，泵就启动。当油压上升到超过了34psi表压，按压复位按钮使泵停机。
●压缩机停机时，泵便启动并运行一个小时润滑和冷却轴承。
●如果压缩机至少停止运行了30s并且压缩机出口压力超过了2psi表压，泵就启动。如果压力下降到低于2psi表压，按压复位按钮使泵停机。该压力设定点初始设置在2psi表压，但在调试时可进行调节。
通过引导一部分油流过冷却器可使齿轮箱油温保持在低于低值。恒温阀自动调节通过冷却器的油流量从而将温度保持在1100F。经过冷却器后，油通过滤油器，进入齿轮箱。
4 结束语
该系统ProfiBus现场总线、S7-400PLC等先进控制技术的综合采用，以及“自动变任务运行周期”、“自动变负荷”、“排气压力斜度控制”的喘振保护、“流量比调节器”防喘振控制等先进控制功能的实现，使得该机组自建成投产以来，工作稳定，安全性和可靠性高,故障停机率低,机组产品质量和产量稳定，为莱钢大H型钢生产线提供了连续、优质的氮气气源，保证了热线生产的顺利进行，创造了可观的经济效益。
1：Step7 Micro/WIN V4.0安装在什么环境下才能正常工作？
Step7 Micro/WIN V4.0的安装、运行环境为：
bbbbbbs 2000 SP3以上
bbbbbbs XP Home
bbbbbbs XP Professional
西门子没有在其他操作系统下测试，不保证能够使用。
2：Step7 Micro/WIN V4.0和其他的版本兼容性如何？
Micro/WIN V4.0生成的项目文件，旧版本的Micro/WIN不能打开或上载。
3：siemens200 PLC硬件版本有什么区别？
二代S7-200（CPU22x）系列也分几个主要的硬件版本。
6ES721x-xxx21-xxxx是21版；6ES721x-xxx22-xxxx是22版。
22版与21版相比，硬件、软件都有改进。22版向下兼容21版的功能。
22版与21的主要区别是：
21版CPU的自由口通讯速率300、600被22版的57600、115200所取代，22版不再支持300和600波特率，22版不再有智能模块位置的限制
4：plc的电源改如何连接？
在给CPU进行供电接线时，一定要特别小心分清是哪一种供电方式，如果把220VAC接到24VDC供电的CPU上，或者不小心接到24VDC传感器输出电源上，都会造成CPU的损坏。
5：200PLC的处理器是多少位的？
S7-200 CPU的中央处理芯片数据长度为32位。从CPU累加器AC0/AC1/AC2/AC3的数据长度也可以看出。
6：如何进行S7-200的电源需求与计算？
S7-200 CPU模块提供5VDC和24VDC电源：
当有扩展模块时CPU通过I/O总线为其提供5V电源，所有扩展模块的5V电源消耗之和不能超过该CPU提供的电源额定。若不够用不能外接5V电源。
每个CPU都有一个24VDC传感器电源，它为本机输入点和扩展模块输入点及扩展模块继电器线圈提供24VDC。如果电源要求超出了CPU模块的电源定额，你可以增加一个外部24VDC电源来提供给扩展模块。
所谓电源计算，就是用CPU所能提供的电源容量，减去各模块所需要的电源消耗量。
注意：
EM277模块本身不需要24VDC电源，这个电源是通讯端口用的。24VDC电源需求取决于通讯端口上的负载大小。
CPU上的通讯口，可以连接PC/PPI电缆和TD 200并为它们供电，此电源消耗已经不必再纳入计算。
7：200PLC能在零下20度工作吗？
S7-200的工作环境要求为：
0°C－55°C，水平安装
0°C－45°C，垂直安装
相对湿度95%，不结露
西门子还提供S7-200的宽温度范围产品（SIPLUS S7-200）：
工作温度范围：-25°C－+70°C
相对湿度：55°C时98%，70°C时45%
其他参数与普通S7-200产品相同
S7-200的宽温型产品，每种都有其单独的订货号，可以到SIPLUS产品主页查询。如果没有找到，则说明目前没有对应的SIPLUS产品。
文本和图形显示面板没有宽温型产品。
还要注意国内没有现货，如需要请和当地西门子办事处或经销商联系。
8：数字量输入/输出（DI/DO）响应速度有多快？能作高速输入和输出吗？
S7-200在CPU单元上设有硬件电路（芯片等）处理高速数字量I/O，如高速计数器（输入）、高速脉冲输出。这些硬件电路在用户程序的控制下工作，可以达到很高的频率；但点数受到硬件资源的限制。
S7-200 CPU按照以下机制循环工作：
读取输入点的状态到输入映像区
执行用户程序，进行逻辑运算，得到输出信号的新状态
将输出信号写入到输出映像区
只要CPU处于运行状态，上述步骤就周而复始地执行。在第二步中，CPU也执行通讯、自检等工作。
上述三个步骤是S7-200 CPU的软件处理过程，可以认为就是程序扫描时间。
实际上，S7-200对数字量的处理速度受到以下几个因素的限制：
输入硬件延时（从输入信号状态改变的那一刻开始，到CPU刷新输入映像区时能够识别其改变的时间）
CPU的内部处理时间，包括：
读取输入点的状态到输入映像区
执行用户程序，进行逻辑运算，得到输出信号的新状态
将输出信号写入到输出映像区
输出硬件延时（从输出缓冲区状态改变到输出点真实电平改变的时间）
上述A,B,C三段时间，就是限制PLC处理数字量响应速度的主要因素。
一个实际的系统可能还需要考虑输入、输出器件的延时，如输出点外接的中间继电器动作时间等
表1. 输入点硬件延时
以上数据都在《S7-200系统手册》中标明，这里只是列表比较。CPU上的部分输入点延时（滤波）时间可以在编程软件Micro/WIN的“系统块”中设置，其缺省的滤波时间是6.4ms。
如果把容易受到干扰的信号接到CPU上可改变滤波时间的DI点上，调整滤波时间可能改善信号检测的质量。
支持高速计数器功能的输入点在相应功能开通时不受此滤波时间约束。滤波设置对输入映像区的刷新、开关量输入中断、脉冲捕捉功能同样有效。
表2. CPU输出硬件延时
有些输出点要比其他点更快些，是因为它们可以用于高速输出功能，在硬件上有特殊设计。没有专门使用硬件高速输出功能时，它们只是和普通点一样处理
继电器输出开关频率为1Hz。
表3. 扩展模块输出硬件延时
9:S7-200处理快速响应信号的对策有那些？
使用CPU内置的高速计数器和高速脉冲发生器处理序列脉冲信号
使用部分CPU数字量输入点的硬件中断功能，在中断服务程序中处理；进入中断的延时可以忽略
S7-200拥有“直接读输入”和“直接写输出”指令，可以越过程序扫描周期的时间限制
使用部分CPU数字量输入点的“脉冲捕捉”功能捕捉短暂的脉冲
注意： S7-200系统中小周期的定时任务为1ms。
所有实现快速信号处理的措施，都要考虑所有限制因素的影响。例如，为一个需要毫秒级响应速度的信号选择500μs输出延时的硬件，显然是不合理的。
10：S7-200程序扫描时间和程序大小有关系吗？
程序扫描时间与用户程序的大小成正比。
《S7-200系统手册》中有每个指令所需执行时间的数据。实际上很难事先预先jingque计算出程序扫描时间，特别是还没有开始编程序时。
可以看出，常规的PLC处理模式不适合时间响应要求高的数字量信号。可能需要根据具体任务采用一些特别的方法。
C(代表客户，下同)：我用FB58做PID，每次下载后都有一个80.0的设定值，并且系统切换在自动，温度都调节在80℃，我想下载后系统在手动，并且初值为0.0，怎么能改回来呀？
E（代表工程师，下同）：请问您FB58的SP_INT和MAN_ON引脚填的什么变量？
C：没有填变量，我是直接通过触摸屏连接FB58背景块的IN_OUT类型的SP_INT和MAN_ON变量？
E：心理活动：可能是地址冲突或者没有COM_RST造成的。
E：那您程序其他地方有用到这些变量吗？
C：没有，我跟PID相关的控制都没有连锁，只需要触摸屏给一个设定值和手自动切换即可。
E：那您一共调用几路FB58？
C：4路，只有第二、三两路有这个问题，其他两路都正常。
E：那您每一路都分配独立的背景块了吗？
C：分配了，都是不同的DB块号。并且我刚才将COM_RST置位，把块初始化了系统也不会切换为手动。开始我怀疑自己程序内其他地方给第二路背景块写值，如果我通过面板修改设定值和手自动状态后，这两个值都不会出错，并且交叉索引也查不到地址冲突的地方，这个问题应该和程序关系不大。
E：心理活动：挺奇怪的问题，应该是客户调试过程中改变了某个参数造成的，初始化数据块应该能解决这个问题。
E：我觉得您离线的DB块的实际值被改过，您方便打开一个背景块并切换到数据视图吗？
C：打开了，已经切换到了数据视图。
E：您IN_OUT类型的SP_INT和MAN_ON变量实际值是多少？
C：SP_INT是80.0；MAN_ON是FALSE。
E：初始值呢？
C：SP_INT是0.0；MAN_ON是TURE。
E：那您的问题是您改变了离线DB块的实际值造成的，您将背景块初始化一下，保存下载就能解决这个问题。
C：稍等，我试下。
三分钟后......
C：下载完了，问题解决了。我并没有改过这个实际值的操作，我的实际值为什么被修改了呢？
E：您手动修改、上载或者复制在线DB块到离线都有可能改变离线实际值。
C：我都没有呀。我只是用背景块的参数分配视图，运行了次自整定，其他我没进行过任何操作，是不是FB58自整定后能自动保存呀？
E：没有这个功能呀？手册里面也没提到。
C：那就奇怪了，我真的没有进行过你说的操作。不管怎么样，问题解决了我很感谢您。
挂了客户的电话，我也很奇怪客户的问题。一般来说造成离线DB块实际值改变的方法有手动修改、上载或者复制在线DB块到离线，见图1、2.3。
图1：手动修改离线项目初始值
图2：将在线项目DB块复制（拖拽）到离线项目
图3：上载项目
客户否认了这三种方法，难道FB58有这个特殊功能没被发现。我决定进行测试，看能否找到客户问题的原因。FB58调试面板内跟SP_INT相关的功能只有Commissioning，对其进行测试，见图4、5。
图4：调出FB58背景块的Commissioning窗口
图5：通过Commissioning窗口给FB58背景块分配参数
分配参数后检查FB58的离线数据块，离线DB的实际值没有改变。客户说用向导自整定后出现这问题，按手册的描述，自整定是不会改变离线项目实际值的，是不是客户中间出现了什么错误操作。我重新进行一次自整定测试该问题步骤见图6、7、8、9、10、11。
图6：打开背景块，点在线按钮
图7：点Yes进入在线DB块
图8：启动自整定
图9：使用设定值阶跃变化，通过逼近工作点来实现整定
图10：完成自整定，关闭向导
图11：保存参数，关闭DB块，退出编辑器
退出编辑器后发现，离线DB块的初始值变化了，变成了设定的工作点，见图：12。难道FB58真有这样的功能，重新仔细查阅手册，里面并没有关于此功能的描述，我重新做了一遍实验，结果依旧如此。如果FB58有这样的功能，手册里面至少应该提到呀，中英文手册没提，肯定是我那个地方没留意。为了跟此次实验作对照我将DB块初始化后重新使用变量表进行一次使用设定值阶跃变化，通过逼近工作点来实现整定。见图13、14。
图12：通过向导自整定后离线DB块的实际值被改变
图13：使能TUN_ON后给定设定值，启动自整定
图14：自整定完成，系统自动投入自动
自整定完成后，我打开背景块查看离线初始值，初始值并没有改变结果见图15。
图15：通过状态表自整定后离线DB块的实际值被改变
对比两次实验结果可以看出，自整定不会改变离线DB块的实际值，离线实际值的改变跟自整定没有关系。离线实际值的改变发生在图10、图11的步骤中，位了确定具体的原因我做了实验对照。
初始化DB块后，下载，在线，通过变量表修改SP_INT，关闭DB块。见图16、17。
图16：更改背景块的在线实际值
图17：离线实际值未被改变
2〉初始化DB块后，下载，在线，通过变量表修改SP_INT，保存DB块，关闭DB块。见图18、19、20。
图18：更改背景块的在线实际值
图19：修改在线实际值后点保存按钮
图20：离线实际值被改变
由以上对比试验可知：改变离线DB块初始值发生在图19的步骤中，即当在线打开DB块后，点保存按钮的作用是将在线DB块的实际值保存到离线项目DB块的实际值内。查看帮助和手册找该问题的根源见图，帮助里没有明确指出保存到离线项目见图21。
图21：在线打开DB块内的保存按钮的帮助信息
手册内对此有明确的描述，激活在线DB块以后，如果点保存按钮，则可将在线值保存到离线项目，见图22。
图22：手册内关于为将块保存在编程设备的描述
手册里面介绍了如何将在线数据保存到在线的项目的方法，那么保存到离线项目的值是激活时的值呢，还是点保存时的值呢？对此，我做了验证试验见图23、24、25、26。
图23：在在线实际是值为80.0时激活DB块
图24：激活DB块后将初始值改为99.99
图25：点击保存按钮，保存参数到离线项目