西门子6ES7231-7PC22-0XA0代理订购
引言
HT-7U超导托卡马克核聚变实验装置是中科院等离子体物理研究所承担的大科学工程项目，其目标是能在装置上对建造稳态先进的托卡马克核聚变堆的前沿性物理问题开展探索性的实验研究。HT－7U低温系统，作为该项目中主要子系统之一，是为HT-7U超导托卡马克的纵向和极向场超导磁体稳定运行提供冷量，该系统的2KW/4K制冷机还用来生产液氦以满足其他实验及用户的需求。低温系统由三部分构成：压缩机站、制冷机冷箱部分、托卡马克磁体冷却部分。采用OMRON公司的CS1GCPU44PLC作为数据采集、控制回路、自动顺序操作和运算的主要设备，其它测量监控设备为辅的方案，实现了压缩机站的实时监测、自动控制和系统运行诊断，满足了系统可靠性、稳定性和实时性的要求，。
1.系统介绍
HT-7U氦低温系统的压缩机站部分包括两级螺杆压缩机组、除油系统等设备，其系统流程图见图1。
压缩机部分由低压级和高压级二级串联组成，低压级为三台LG25Ⅱ型螺杆压缩机并联，将氦气从0.104Mpa(P0)压缩至0.51Mpa(P1)，总的质量liuliang250g/s；高压级为两台LG20Ⅱ螺杆压缩机并联，将氦气从0.51Mpa(P1)压缩至2Mpa(P2)，总的质量liuliang超过360g/s。压缩机站的作用是
图1 压缩机站系统流程图
为制冷机的降温、回温、液化、制冷等各种运行模式提供需要的稳定压力和高纯度的氦气liuliang，它对整个低温系统的稳定性和制冷机的工作效率至关重要。根据制冷机需要的氦气liuliang选择投入或停止压缩机的台数，通过对螺杆压缩机能量滑阀和五个控制阀门的调节使PO、P1、P2稳定在要求的精度范围之内。螺杆压缩机站需要测量的工艺参数主要有：压力、温度、差压、liuliang、液位、转速、真空度、气体纯度、阀门开度、电机电流、压缩机能量滑阀位置，系统共有数字量输入99路,模拟量输入59路, 数字量输出59路,模拟量输出6路；需要控制的主要过程有螺杆压缩机的启动、停车和安全运转，压缩机油温的调节，各设备故障时的处理等。
2.监控系统硬件结构
压缩机组监控系统采用上位机和下位机组成，系统硬件结构图如图2所示。上位机使用两台研华工控机，一台作为操作站实现整个系统的监控和数据检测，另一台作为工程师站完成组态软件的设计和开发、PLC程序的开发以及将软件通过串口传送至PLC的CPU单元。下位机采用功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器OMRONCS1G-CPU44PLC实现压缩机站大多数参数的采集和控制，一些不参与压力控制的参数如油吸附器压力、缓冲罐压力等信号由研华的ADAN数据采集模块采集，并以串行数据的形式传送给上位机，采用屏蔽电缆作为工控机串口与PLC和ADAM模块串行通信的介质。采用ADAN4520 RS485/232C转换器是为解决RS232C的通讯距离短和干扰较大等问题
图2 压缩机站监控系统硬件结构图
监控系统的硬件配置为：研华工控机，CPU为PIII733，操作站还扩展了Controller bbbb 支持卡3G8F5 CLK01-E,PLC配置的模块有基本I/O单元：3块16点输入单元ID212、6块16点输出单元OC225，高密度I/O单元：2块32点输入单元ID216，特殊I/O单元：4块8路模拟量输入单元AD003、1块8路模拟量输出单元DA004、3块温度传感器单元TS102，Controllerbbbb 通讯单元CS1W CLK21, ADAN模块有4块8通道模块ADAN 4017、2块3通道模块ADAN4013和1块RS485/232 转换器ADAN 4520。
通过在现场级PLC的Controllerbbbb线缆通信单元CLK21和操作站ISA插槽上扩展的通信单元3G8F5-CLK01-E，将上位机和下位机组成OmronController bbbb网络。OMRON公司的Controllerbbbb网络（控制器网）是OMRON主要的FA（工厂自动化）级别的网络，是一种使用令牌总线通信的网络，网络中的每个节点都可作为主站进行数据的发送和接收，通过设置数据链接节点间可以自动交换预置区域那的数据。该网络中控制通信的节点称为发牌单元，它控制令牌，检查网络和执行相关的任务。这种总线型拓扑结构具有大的灵活性，易于扩充和维护，满足了系统可扩展性要求。由于采用了分布式控制技术，可确保Controllerbbbb网络不会因某个站点故障而崩溃，tigao了系统的稳定性。本系统中采用屏蔽双绞线作为Controllerbbbb网络的通信介质，由于各节点距离小于500m，传输速率达2Mbps，可满足系统实时性要求。PLC网络在完成物理连接后,必须对进行必要的参数设置并建立路径表,这是整个网络配置过程中重要的部分。设置的参数包括通信单元的单元号、所在网络的节点号、I/O表、数据链接等。只有在完成这些必要的工作后，才能实现PLC网络的互连。本系统中CLK21和3G8F5CLK01-E模块的参数设置见表1。
表1 Controller bbbb 通信单元参数设置表
3.监控软件结构设计
工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等设备中实时采集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常的一种软件包，组态软件能充分利用bbbbbbs强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便地构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表、历史数据库等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上tigao了工控软件的质量。北京亚控公司开发的KingView5.1是运行在bbbbbb98/NT上的一种组态软件，由工程浏览器TouchMAK和画面运行系统TouchVEW两部分组成。TouchMAK是KingView软件的核心部分和管理开发系统,它的功能是建立动画显示窗口。通过它提供的工具箱可方便建立实时曲线图、历史趋势图和报警记录显示。TouchVEW是显示TochMAK中建立的图形窗口的运行环境。在螺杆压缩机监控系统中，工程师站可运行TouchMAK和TouchVEW,而操作站只允许运行TochVEW。图3是监控软件的结构。KingView5.1驱动程序通过Controllerbbbb网络与PLC进行通信，通过串口与ADAN模块进行通信，分别访问相应的寄存器，以获取压缩机现场各工艺参数的实际值或对现场的开关量和模拟量如各控制阀门的开度进行控制。本系统中将PLC的DM0～DM199设置为可读写区，即上位机可对下位机该区域进行读写操作；将DM200～DM399设置为只读区，即上位机只能读出下位机该区域的值而不能改变。
图3 监控软件结构图
螺杆压机站测量和控制系统上位机的组态软件基本实现了螺杆压机站测控的要求。简洁且形象的模拟了压机站的工艺流程，操作人员能在中央控制室的计算机屏幕上了解压机站的全部运行状况，包括各种报警。取得权限的操作人员能在中央控制室实现对任何一台压缩机单独操作或联机操作，所有的自动与半自动之间的切换都是无扰切换。每个控制按钮和每个自动与半自动切换按钮都有的确认或取消，防止误操作。
4.控制系统设计思想
采用低压级和高压级二级串联的大型螺杆压缩机组系统在德国、日本和法国等国家有过成功例证，在国内尚应用不多。这种系统的压力控制方法主要有二种：一为前级控制，二为后级控制。前级控制把压缩机进气压力作为控制依据，这种方法使系统耦合减小，但压缩机排气压力波动较大；后级控制把压缩机排气压力作为控制依据，压缩机排气压力控制精度高，但系统耦合程度大，系统实现复杂。螺杆压缩机依靠被称为能量滑阀的结构元件的增减载（由电磁换向阀的通断实现）来调节压缩机的容积liuliang，。补气阀和收气阀调节系统中的气体liuliang。
压缩机控制系统要求在保证压力稳定的前提下，提供给制冷机在各个工况下不同的气体liuliang，压缩机控制系统要保持氦气循环系统的liuliang平衡；要保证供气压力（二级压力）的稳定性。按照压缩机系统的结构体系，将图1中P0、P1、P2分别单独进行控制，形成串级控制，这种控制方案可降低系统内部
1．水力机组润滑和冷却系统的简介与控制要求
水轮发电机组一般设有推力轴承、上导轴承、下导轴承和水导轴承，推力轴承和上、下导轴承采用透平油润滑的巴氏合金轴瓦（又称钨金瓦，现在又些机组已改为弹性金属塑料瓦）。水轮机导轴承有的采用透平油润滑的巴氏合金轴瓦，有的则采用水润滑的橡胶轴瓦。机组运转时，巴氏合金轴瓦因摩擦产生的热量靠轴承内油冷却器的循环冷却水带走。采用橡胶轴瓦时，水不仅起润滑作用，也起冷却作用，由于结构上的不同，两种轴承对自动化亦提出了不同的要求。
采用透平油润滑的巴氏合金轴瓦的轴承时，要求轴承内的油位保持一定高度，且轴瓦的温度不应超过规定的允许值，如不正常则应发出相应的故障信号或事故停机信号。冷却水中断时不要求立即停机，只需发故障信号，以通知运行人员进行处理。为了节约用水，冷却水在开机运转时才投入，其投入和切除由机组总冷却水电磁配压阀（带ZT电磁铁）控制，轴承冷却水不单独设操作阀。这部分的自动化比较简单。
采用水润滑的橡胶轴承时，润滑水短时间中断，也会引起轴瓦温度急剧升高，导致轴承的损坏，需要立即投入备用润滑水，并发出相应的信号。如果备用润滑水电磁配压阀（带ZT电磁铁）起动后仍无水流，则经过一定时间（例如3S）后应作用于事故停机。
对于低水头电厂(站)来说，若节约用水不那么重要，为简化操作控制和tigao可靠性，可以采用经常性供给润滑水的方式，即不切除电磁阀。
除了轴承需要冷却水以外，发电机也需要带走运行时内部铜铁损所产生热量的冷却系统。发电机冷却方式一般有两种，其一是空气冷却方式：例如丹江口，采用密闭式自循环通风，借助循环于空气冷却器的冷风带出发电机内部所生热量，而空气冷却器则靠内管冷却水进行冷却，其二是水内冷方式：例如三峡（ABB公司为三峡设计的水电机组冷却方式为半水冷系统，主要计算软件为flowmaster，可对可压和不可压二种流体进行稳态和瞬态的分析及流体动力计算），经过处理的循环冷却水（电导率一般2西门子，2.5西门子时报警，5西门子时事故停机）直接通入定子绕组的空心导线内部和铁芯中的冷却水管，将运行时内部铜铁损所产生热量带走。发电机冷却系统对自动化的要求是保证冷却水的供应和水质合格。
采用空气冷却方式时,冷却水由机组总冷却水电磁阀供应，开机时打开总冷却水电磁阀，停机时关闭总冷却水电磁阀。用示流传感器进行监视，中断时发出故障信号，但不作用于事机。这部分比较简单。
采用水内冷却方式时，由于冷却水的水质、水压、liuliang有严格要求，故需单独设置供水系统。短时间的冷却水中断可能导致发电机温度急剧上升，对供水可靠性的要求严格得多。一般有主、备水源，可互相切换，冷却水中断超过一定时限后要作用于事故停机。
2．机组上导推力共槽、水导水润滑、发电机用空气冷却时的自动化元件配置、控制点数统计及可编程控制器选型
2．1信号元件（信号传感器）
冷却水总管监视器具（示流传感器）1只，如BAR-系列抗震型靶式liuliang计公称口径15～3000mm、公称压力0.6Mpa～42Mpa、内置锂电池或外供24VDC、输出4～20mA、脉冲0～10V、RS232/RS485、GPRS无线远传，又如银亿通水流开关式传感器；水导润滑冷却水监视用示流传感器1只；监视上导推力、下导上限和下限油位用开关式传感器共4只；监式上导推力、下导温度过热（如55℃）和过高（如70℃）用开关式传感器共4只。水轮发电机组“开机”、“停机”、“停机完成”等信号由通讯传送,共需PLC之bbbbb开关量点10个。
2．2执行元件(执行器)
总冷却水管控制用电磁配压阀1只，其ZT电磁铁吸引线圈、脱扣线圈分别控制阀的开启与关闭，线圈仅在动铁芯动作时短时通电，吸引线圈与脱扣线圈分别用PLC的2个输出点控制；上导推力槽油位上限信号器1只；上导推力槽油位下限信号器1只；下导槽油位上限信号器1只；下导槽油位下限信号器1只；上导推力轴承温度过热（如55℃）指示器1只；上导推力轴承温度过高（如70℃）指示器1只；下导轴承温度过热（如55℃）指示器1只；下导轴承温度过高（如70℃）指示器1只；主、备润滑水投入与切除用的电磁配压阀各1只（3阀共6点）；总冷却水管内冷却水中断报警输出1点；润滑水中断事故警输出1点；水轮机组润滑和冷却系统各事故停机信号汇总输出1点。共需PLC之output开关量点16个。
注意这里油位与温度信号的采集及输出控制没有使用模拟量，需要点数有增长，但无需扩展模块，故可减少成本。
2．3可编程控制器选型
上面统计知需要12个I点/13个O点，从表1中选择一台CPU226型(24入/16出)的S7－PLC。也可以选择CPU224模块（14入/10出）与EM222（有8个数字量输出点）组合，这里不进行经济性对比，各应用者可根据情况自行掌握。
表1：S7-200PLC中央处理单元参数
2．4输入输出点地址分配见表2
表2：S7-224PLC输入输出点地址分配
3．可编程控制器控制系统的程序设计
根据以上分析并结合操作流程不难编出：
LD M31.0
LPS
= Q0.0 //开机时打开总冷却水管
= Q0.1 //开机时打开主润滑水管
LRD
A I0.3
= Q0.3 //上导推力轴承油槽油位上限发出信号
LRD
A I0.4
= Q0.4 //上导推力轴承油槽油位下限发出信号
LRD
A I0.5
= Q0.5 //下导槽油位上限发出信号
LRD
A I0.6
= Q0.6 //下导槽油位下限发出信号
LRD
A I0.7
= Q0.7 //上导推力瓦温度55℃发出信号
LRD
A I1.0
= Q1.0 //下导瓦温度55℃发出信号
LRD
A I1.1
= Q1.1 //上导推力发烧70℃发出信号并发送上位机进行水轮机组事故停机
LRD
A I1.2
= Q1.2 //下导轴承发烧70℃发出信号并发送上位机进行水轮机组事故停机
LRD
A I0.0
= Q1.3 //总冷却水中断故障提示
LPP
A I0.1
= Q0.2 //打开备用润滑水阀门
TON T97，300 //润滑水中断允许时间3S
LD T97
= Q1.4 //润滑水中断事故报警并发送上位机进行水轮机组事故停机
LD M31.1
= Q1.5 //停机时关闭总冷却水阀门
LD M31.2
= Q1.6 //停机后关闭主润滑水阀门
= Q1.7 //停机后关闭备用润滑水阀门
4．程序说明与
润滑与冷却是水轮发电机组运行时才需要的，其标示是M31.0置1，加载到逻辑堆栈（九级深度）栈顶后，LPS压栈复制存入第二级，处理下一个事件或后一个时事件时，用LRD读栈或LPP弹出，比加载M31.0要节省操作时间，因为LDM31.0要通过各总线到存储器指定位置取数，而LRD（或LPP）在堆栈内部取数更为便捷。
通过分析水力机组润滑和冷却系统得出控制要求，就可以合理选择PLC控制系统硬件，运用好指令就可编制程序