6ES7212-1AB23-0XB8实体经营

1 引言

   纺织行业清花设备是集机、电、气等高新技术于一体的纺织机械设备。作为各种纺织工艺流程的前纺设备，在提高纺织产品档次与质量中起着重要作用。纺织行业是传统老行业，纺织厂老设备居多，传统设备均采用继电器控制系统，长期以来电气故障率高的问题一直没有解决。目前，在国际上已普遍采用PLC及变频控制技术取代继电器控制技术.传统的清花工序(非自动化程度高的新设备)的电气控制在纺织企业中是比较复杂的,电气故障也是较多的。对清花工序进行电气改造,引入PLC及变频自动控制系统意义很大。采用国产永宏(FATEK)PLC及变频控制系统改造清花生产线以后具有高产量、高除杂效率、高自动化等特点，在生产使用中体现了其设计合理，工艺性能好，机电一体化水平高。经不懈地改进、完善和提高开棉设备的设计和制造水平，缩短了我国开棉设备与国际先进水平的差距。

    图1 清花生产线工艺示意图

   （1）开松工序：把原料包中压紧的纤维块松解成较小的纤维束，避免纤维的损伤和杂质的碎裂。
    （2）除杂工序：清除原料中大部分的杂质和疵点以及部分短绒，避免可纺纤维的损耗。
    （3）混和工序：使不同成分、不同等级的原料充分混和，保证成纱质量的均匀一致。
    （4）成卷工序：均匀喂给，制成一定重量和长度的纤维卷，以满足下道工序的需要。
       
   开清棉机械按其功能划分有：开棉机械如自动抓棉机、棉箱给棉机等，其主要作用是开棉和给棉，无明显的除杂作用；混棉机械如多仓混棉机、混棉帘等，其主要作用是完成原棉的混和；开清棉机械如双辊轴流开棉机、豪猪式开棉机、单打手成卷机、锯齿辊筒清棉机等，其主要作用是开松原棉和清除杂质。一台好的开清棉应具有工艺流程短，适纺性强，工作效能高等特点。整套设备由几台不同功能的单机组成开清棉联合机，基本的设备配置为：圆盘式抓棉机(2台)→除金属装置→六辊筒开棉机(附A045型凝棉器)→多仓混棉机→豪猪式开棉机(附A045型凝棉器)→豪猪式开棉机(附AO45型凝棉器)→二路电气配棉器→双棉箱给棉机(附AO45型凝器)(2台)→单打手成卷机(2台)。

2 清花工艺与PLC技术

     2.1 清花生产线工艺流程介绍
    开清工序，是纺纱工艺流程中的道工序，加工对象主要是轧棉厂或化纤制造厂运来的原料包。其主要作用是：对原棉进行开松、除杂、混和并制成厚度均匀的棉卷或输出流量均匀的棉流，供梳棉机使用。其主要任务如图1所示。

    2.2 PLC清花线控制技术路线 
   清花生产线原设计采用继电器控制系统，故障率极高，维修量很大,运行效率较低，因为前后各供棉电机没有变频调速，不能连续供棉，严重影响设备正常运行。改造前各个控制设备分散排列,操作也极为不便,改造前部分继电器控制的部分电路原理图如图2所示。
   PLC成为工业领域内高可靠性计算机程序控制系统的代名词。将继电器控制系统用PLC代替，故障率显著降低，可靠性提高，很受欢迎。通过对清花电气线路和安全装置的改造来保证电气设备安全;通过电气方案的改进设计来满足工艺流程的要求;通过关键点电气装置的增设来保证和提高清棉工段的产品质量.该系统利用程序实现模糊算法和控制策略,与位移传感器、电流变换频率调节装置及电机等组成实时数据采集和控制系统,替代原来的铁炮拨叉调速系统,对清花成卷机的给棉罗拉转速进行调节,使给棉罗拉在单位时间输出的棉量保持恒定.经过现场实际运行后表明,提高了系统的精度和动态特性,降低了棉卷不匀率,控制效果良好.纺织机械应用了自动化技术后机构简化，性能改善，质量提高，操作方便，提升了设备的档次和水平。电气控制系统采用PLC、变频技术，使系统操作和工艺调整更加简单快捷；人机界面对话、故障自动诊断等功能使系统管理维护更有效；重物、金属、火星和异性纤维探测技术的应用，使系统安全有保障；气压控制技术、连续喂给技术和自调匀整技术的应用，使系统生产运行更加稳定可靠。 

               图2 原清花继电器控制系统部分原理

                  图3 基于永宏PLC的清花生产线 
 

   近年来,随着科学技术的进步和微电子技术的迅猛发展,可编程序控制器技术已广泛应用于自动化控制领域。可编程序控制器以其高可靠性和操作简便等特点,已经形成了一种工业控制趋势。传统的清花工序（非自动化程度高的新设备）的电气控制在纺织企业中是比较复杂的，电气故障也是较多的。在众多的PLC当中，如何选型取决于实际的应用需要。清花控制系统的特点是距离长、规模大、分布站点多、通讯对象多。国产永宏(FATEK)系列PLC恰恰适应于这样的应用需求，其强大的通讯能力、高速灵活的网络体系令众多的PLC难以与之匹敌，本方案主要采用具有很高性价比的FBS-60MA主机模块及FBS-60EAP扩展模块，FBS-60MA主机模块采用36点24VDC数字输入(4点可达10kHz)，24点(R/T/S)数字输出(“T”机型具4点10kHz输出)，一个RS-232或USB通讯端口(大可扩充至3个)，FBS-60EAP扩展模块采用36点24VDC数字输入，24点(R/T/S)数字输出，内建电源供应器。其主要特点是：（1）模块化结构设计。且模块小型化、无排风扇结构、易于实现分布、易安装，便于维护。（2）高电磁兼容性和强抗震动、冲击性，使其具有高的工业环境适应性。（3）功能强大。适用于不同的需求，提供各种类型的I/O模块、功能模块、通讯模块；程序运算速度快，运算指令丰富，强有力的程序处理能力，具有完善的自诊断功能。（4）通讯能力强。通讯协议的多样化，及具有的自定义功能使得各种通讯类型的应用成为可能，为应用系统的整合与集成提供了非常好的条件。（5）所有PLC系统的配置，包括通讯的配置，及组态、编程、调试，维护，管理均在软件中，统一的界面、全局的数据管理、方便的操作等为用户创造了良好的环境。 
   将清花车间总混、豪猪、成卷机由原来的继电器分散控制改为由永宏PLC集中控制，且总混、豪猪给棉电机均由变频器控制，双速运行，速度可调；PLC控制工作稳定可靠，故障率低；可根据需要重新改编程序，灵活方便；全套车只用一只集控柜，体积小，占用空间少，功能多、抗干扰、适用性强，更适于老厂改造。总控制思路如图3所示。图3总控制系统设计图开清棉联合机全流程的各项动作，由PLC程序控制完成。具有结构简单操作方便，运行稳定可靠．便于检查维修、故障少等优点，对提高产品质量、降低成本、提高效率。清花流程控制改造主要用PLC代替传统的继电器及接触器控制系统，用梯形图软件代替电路图，可节约大量电器元件，减少因元件触点、线圈的损坏而造成的坏车及马达烧坏。PLC编程控制取代传统电气的各单机分散控制为集中控制，一个PLC柜代替了多个电控箱。尤其是在清花技术改造中可缟程控制器代替传统的继电器及—接触器控制系统，用软件代替控制电路，大大减少开关量，使棉卷不匀率稳定在l.0以下，下机正卷率达98％以上，回花率降低2％～3％，棉卷纵向喂入生条不匀率6.79cv％，横向喂入生条不匀率7.62cv％，杜绝噎车、减少罗卜丝等。电气控制中心为清花全流程设备一个集中电气控制站。控制系统采用工业级PLC及人机界面控制系统，实现人机对话。显示器可直观显示电机运行状态和传感器位置，并可在显示器上读出各机台的设计参数。采用变频器更改工艺参数十分方便。电气控制中心提供标准计算机接口，方便工厂实现计算机控制和数据处理。具体的PLC主机及扩展部分控制原理图如图4图和5所示。

               图4 永宏PLC主机控制部分原理图

               图5 永宏PLC扩展控制部分原理图

    为了PLC程序设计及维护方便，FBs系列主机备有程序记忆匣（FBs-PACK）可供我们选择，FBs-PLC指令超过300种以上，并采用人性化，可读性高之多输入/多输出指令方式。一个指令即可达成大部分其他品牌PLC数个指令才能做到的功能，使程序大为精简，运算结果可直接由指令方块右侧之输出取得。在程序可读性方面，每个应用指令之输入或输出端均有功能助忆简码说明，操作数字段则直接标明其属性简称并可于其正下方直接显示其状态或内容值，可免除它牌PLC无标示需死记之麻烦，程序可读性高，效率佳。在高阶应用方面，如网络bbbb、PID控制、NC定位等，则有专用之便利指令与之对应，大幅降低使用障碍。FBs-PLC之视窗版阶梯图程序编辑软件阶梯图大师WinProladder提供使用者亲和性高之视窗中文操作环境，及永宏精心安排之编辑、监视、除错等操作顺手，让使用者在极短时间内即可精通整体操作，加上WinProladder强大且齐全之编辑功能辅以按键、鼠标并用及在线即时之指令功能查询与操作指引，将使您之编辑、输入效率倍增。而直接于阶梯图上显示之“即时”接点状态、缓存器数据与多窗口监视、比较等功能，让使用者在作监视控制或除错时直观友好。图6是PLC与变频器部分程序设计梯形图。

                          图6 部分程序设计梯形图 

   结合有永宏PLC为主导组成的控制系统，我们还引进了变频器对前后供棉系统进行了前后供棉电机变频改造，系统经过改造后，保证了供棉稳定连续控制，大大提高了棉卷质量。对圆盘抓棉小车也进行了PLC及变频改造,原打手升降改为变频控制后,下降幅度随时可以根据前道工序所需要棉量调节。

4 结束语 
   基于永宏PLC的清花线改造至今共改造了五套清花全流程，采用集中式控制，永宏可编程控制器实现自动化控制，积累了丰富经验，并取得了一定经济效益和社会效益。国产可编程序控制器在国产纺织机械上的广泛应用，推动了国产纺织机械的机电一体化发展，缩小了与国外纺织机械的差距。但纺织很多自动化装置国内发展缓慢，尤其是在纺织专用的国产可编程序控制器和变频器方面需加快开发，才能发挥更大的效果.

1 引言
工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量使其与蒸发量保持动态平衡，维持汽包水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。若水位过高,影响汽水分离的效果,使用气设备发生故障;而水位过低则会破坏汽水循环,严重时导致锅炉爆炸，锅炉汽包水位必须严加控制。为了确保锅炉生产的稳定、可靠和经济运行，我们设计采用了性能先进的永宏FBs-PLC、变频调速器、计算机应用等自动化设备组成的锅炉PID自动控制系统。该控制系统通过检测水汽压力、温度，汽包液位等运行物理量，在运行过程中全自动调节，保证了工业锅炉的安全稳定高效运行。
2 工业锅炉相关工艺介绍
蒸汽锅炉是厂矿重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。为此，锅炉生产过程的各个主要参数都必须严格控制。而利用余热气体作为热交换介质的余热锅炉在全国占有很大的比例，其节能降耗效果尤为明显。某化工厂硫酸余热锅炉就是利用沸腾炉出来的炉气(主要是SO2)温度过高，将其作为热交换对象，通过余热锅炉副产中压蒸汽供各生产分厂使用，既保证了生产需要，也达到了节能降耗的目的。锅炉是一个较为复杂的调节对象，为保证提供合格的蒸汽以适应负荷的需要，与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。余热锅炉工艺流程如图1所示。

图1 余热锅炉工艺流程图

3 控制难点分析
锅炉计算机控制是近年来开发的一项新技术。它是微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。它的被调量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内，锅炉汽包水位对蒸气流量和给水流量变化的响应呈积极特性，在负荷(蒸气流量)急剧增加时，表现却类似逆响应特性，即所谓的虚假水位。造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双冲量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。所谓三冲量调节系统就是把给水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三个变量通过运算后调节给水阀的调节系统。具体调节过程方框图如图2所示。

图2 三冲量调节方框图

先通过蒸汽流量变送器和给水流量变送器取得各自的信号乘以相应的比例系数，通过比例系数可以调节蒸汽流量或给水流量对调节系统的影响力度。通过差压变送器取得水位信号作为主调节信号H。如果水位设定值为G，那么在平衡条件下应有D×Dk-W×Wk+H-G=0的关系式存在。其中Dk为蒸汽流量系数Wk为给水流量系数。如果再设定时，保证在稳态下D×Dk=W×Wk那么就可以得到H=G。此时调节器的输出就与符合对应，给水阀停在某一位置上。若有一个或多个信号发生变化，平衡状态被破坏，PI调节模块的输出必将发生变化。当水位升高了，则调节模块的输出信号就减小，使得给水调节阀关小。当水位降低时，调节模块的输出值增大，使给水阀开大。实践证明三冲量给水单极自动调节系统能保持水位稳定，且给水调节阀动作平稳。锅炉给水系统中还有一个比较重要的控制回路是给水压力回路，因为汽包内压力较高，要给锅炉补水必须提供更高的压力，给水压力回路的作用是提高水压，使水能够正常注入汽包。但在蒸汽流量未达到满负荷时，对给水流量的要求也不高。在老式的锅炉系统中一般采用给水泵一直以工频方式运转，用回流阀降低水压防止爆管，现在一般采用通过变频器恒压供水的方式控制水压。锅炉给水量通过汽包液位调节。汽包液位测量选用浮筒液位计。为有效利用转换废热，降低消耗，减低劳动强度，有利于整体工艺稳定，要求汽包液位自动控制，正常生产时波动应小于±5％。PID调节蒸汽出口阀可以很好的控制汽包压力。开车正常后波动范围不大，可以不考虑。转化负荷波动、出预热器锅炉给水温度变化、锅炉负荷波动、排污量变化这几个因素对汽包液位的影响必须考虑。以汽包液位为主调参数、以给水流量为副调参数、以蒸汽流量为前馈，但调节效果很差。引起汽包液位的大起大落。考虑到该废热锅炉控制参数耦合小，流程简单，产汽量也较稳定，我们从操作人员的操作中得到启发，认为减少给水量的波动从而稳定给水温度成为该废热锅炉液位控制的要点。我们选用“以汽定水＋液位前馈”比值控制方案，方案框图如图3所示。

图3 汽定水＋液位前馈比值控制方案框图

其中系数K为汽水损失率(给水流量与蒸汽流量的比值)，范围为1.1～1.2。PID参数为P＝300％、I＝0.4、D＝0。这组PID参数可以使阀位波动幅度不大而回路有较快的跟踪效果。液位前馈系数与锅炉额定负荷密切相关，一般是额定负荷越大前馈系数也越大。本项目废热锅炉的额定负荷为35t／h。前馈系数按表一给定，见附表:
附表 前馈系数表
 

投运时投运给水流量单回路，调节平稳后，再切换为蒸汽流量比值控制，液位前馈起作用。以汽定水＋液位前馈比值控制方案调试投运简单方便，投运后经负荷扰动(产汽量变化)、液位扰动(排污量变化)实验，抗扰动性能良好，投运以来运行平稳，达到工艺要求。图4为2.5h实时液位记录曲线，其中记录了负荷扰动情况。液位波动范围＜±3％。

4 永宏PLC PID控制系统分析
4.1 带PID控制功能的FATEK可编程控制器
PID控制及其控制器或智能PID控制器(仪表)已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，作为国产PLC企业，永宏电机股份公司一直致力于PLC的研究开发工作，带PID控制功能的FATEK可编程控制器(PLC)就是利用其闭环控制模块来实现锅炉汽包液位的PID控制，在异常情况下，如液位偏离正常值较大时，通过PLC控制系统控制，可以快速恢复水位，保证锅炉的安全稳定运行。当水位控制和主蒸汽温度控制发生矛盾时，可根据矛盾的主要方面进行两者的协调控制。它包含给水流量控制回路和汽包水位控制回路两个控制回路，实质上是蒸汽流量前馈与水位－流量串级系统组成的复合控制系统。当蒸汽流量变化时，锅炉汽包水位控制系统中的给水流量控制回路可迅速改变进水量以完成粗调，再由汽包水位调节器完成水位的细调。图5是有永宏PLC组成的控制系统示意图。

图5 永宏PLC控制系统示意图

4.2 汽包水位PID控制设计优点
(1) 减少干扰对主回路的影响，可由副回路控制器予以校正。
(2) 由于副回路的存在减少了相位滞后，从而改善了主回路的响应速度。
(3) 对控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性。
(4) 副回路可以按照主回路的需求对对象实施jingque控制。
实际PLC的控制程序采用主副回路进行串级控制，即主回路的输出做为副回路的设定值，经副回路输出作用于被控对象。也可以不用副回路只用主回路形成单回路调解，或手动操作完成。一般常见的过程控制应用，开环回路控制就可以满足大部份的应用要求，但随着使用时间、组件特性变化或受控负载或外界工作环境的变化，开环回路控制因为没有真实将受控程序的实际量反馈到控制器，控制结果可能与实际期望的结果会有些落差，闭环回路PID过程控制是用来克服并解决上述缺点的选择。FBS-PLC提供软件数字化的PID数学表达式，对于一般反应的闭环回路过程控制就可应付，但对于工业锅炉这样的需要有快速反应的闭环回路控制要使用本功能需要事先评估是否可行。典型的闭环回路程控示意图如图6所示。
图6 典型闭环回路程控示意图

根据应用要求，用户将PID 控制器设定成比例+积分+微分控制器，其控制器的数字化数学表达式如下:

Mn:“n”时的控制输出量
D4005:增益常数，默认值为1000;可设定范围为1～ 5000
Pb:比例带(范围:1～5000，单位为0.1%; Kc(增益)=D4005/Pb)
En:“n”时的误差=设定值(SP)-“n”时的过程变数值(PVn)
Ki:积分常数( 范围:0～9999，相当于0.00～99.99 Repeats/Minute)
Td:微积分时间常数(范围:0～9999，相当于0.00～99.99Minute)
PVn:“n”时的过程变数值
PVn-1:“n”时的上一次过程变数值
Ts:PID运算的间隔时间(范围:1～3000，单位:S)
Bias:偏置输出量(范围:0～16383)
加上微分项的控制器，目的在于消除程控系统的过度反应，进而使程控系统能够平稳缓和达到稳定。微分项有上述优点，但因其对输出量的贡献相当灵敏，大部分的应用不必使用微分项而将Td设定为0。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下:
(1) 预选择一个足够短的采样周期让系统工作;
(2) 仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;
(3) 在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。图7是永宏可编程序控制器PID部分程序举例。

图7 永宏可编程序控制器PID部分程序图
除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行自动化控制系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，这是必不可少的，以免锅炉发生重大事故。
5 结束语
由于采用了PLC进行控制，系统功能完善，结构先进合理，能耗小，扩展灵活，便于维护，并且可靠性高，还极大地提高了企业的生产效率和经济效益。该系统自动化程度较高，大大降低了操作者劳动强度，降低了成本，经过近2年的运行，用户给予了很高评价，认为利用国产永宏PLC开发的控制系统功能完善，综合性强，人机界面友好，实用性好。随着国产可编程控制器和高速计算元件的快速发展，锅炉控制系统将会更加完善。