6ES7214-2BD23-0XB8实体经营
引言
某厂的B2025龙门刨是七十年代初由武汉重型机床厂生产，其控制系统是传统的继电器-接触器控制系统，工作台前进、后退、升速、减速及超程保护等重要位置采用的是有触点的行程开关，它们动作频繁，触点经常出现粘连，或闭合不好，导致工作台工作故障，维修工作量大，影响生产;机床的主拖动系统采用直流发电机-直流电动机拖动系统，调速系统采用半导体分离元件，以及接插件结构，不仅噪声大，浪费能源，在经过近三十年的使用后，整个系统已经严重老化，在低速段已严重不能达到加工要求，有时候甚至会出现爬行现象，调速性能极不稳定。为了充分利用机床仍然良好的机械精度以及完好的大功率直流电机，有必要利用现代控制技术和电力电子技术对机床的控制系统和驱动系统进行技术改造。
2 系统需求分析
进行机床改造的总体设计时，需要考虑到控制系统和驱动系统的协调。本机床的动作控制绝大部分属于逻辑控制，选择可编程序控制器来完成机床的动作控制。由于原机床的直流电机功率为60KW，成本较高，仍然完好，工作台仍然采用原直流电机驱动;而直流驱动部分涉及到调速需要，一方面在正常加工时工作台的正、反向运行速度需要根据工作台的位置自动调整，另一方面工作台的切削运动速度又要根据切削用量进行调整。结合工厂的实际情况，本机床只用于粗加工，不同的速度需求主要是工作台往返工作造成的，而对具体的速度值的精度要求并不高，驱动系统选择欧陆590系列全数字直流驱动器594。
3 硬件组成
3.1 硬件系统方案
根据系统需求分析，确定出整个控制、调速系统的硬件方案如图1所示。
悬挂操作站主要提供工作台前进起动、工作台后退起动、工作台步进前进、工作步进后退、横梁上升、横梁下降、垂直刀架快进、左侧刀架快进、右侧刀架快进和急停等信号。
控制柜按钮主要提供工作模式选择、工作刀架选择、594使能、594使能停止、程序停车、停车和急停等信号。
各种行程开关包括工作台前进、后退中减速和换向接近开关、各刀架抬落刀行程开关、各刀架进刀行程开关和横梁放松行程开关。
各类保护信号包括各刀架抬落刀电机的热保护、各进给电机热保护、横梁松紧电机的过流保护、通风电机的热保护、左右垂直刀架的位置保护横梁上下位置的保护、左右侧刀架的位置保护等信号。
速度给定电路由电位器调节输出电压，由PLC选择速度给定电路的输出电压，将此电压信号传送给594，从而控制工作台直流电机的转速和转向，实现工作台的调速和换向要求。
图1 控制系统硬件组成方案
3.2 硬件设计
本系统的输入输出全部是数字量，其中，数字量输入点总计66个，数字量输出点总计37个，选择西门子PLC CPU224（AC/DC/继电器）为主机，并扩展5个数字量扩展模块，它们分别是一个EM223（16DI/16DO，继电器输出）、一个EM223（16DI/16DO 晶体管输出）、三个EM221（8DI）。
速度控制电路如图2所示。直流驱动器594的B3为+10V参考电压端子，B4为-10V参考电压端子，A1为0V参考电压端子，A4为速度给定电压端子，R1～R8为可调电位器。B3与0V参考电压端子之间可以有四条回路：从B3端分别经R5、R6、R7、R8，到A1，这四条回路中每接通一条回路，速度给定电压端子A4就从相应的电位器上取得相应的电压，从而实现给定一定的速度，A4从这四条回路取得的电压为正电压，此时电动机正转，驱动工作台前进。同理A4从B4与A1之间所形成的回路取得四种负电压，从而实现电动机的反转，驱动工作台后退。
图2 速度给定电路
4 软件设计
按照机床的工作要求，考虑到尽量符合改造前操作人员的操作习惯，设置了自动工作模式和手动工作模式。
手动工作模式下能够完成垂直刀架快速进给、左侧刀架快速进给、右侧刀架快速进给、横梁升降控制、工作台步进前进和工作台步进后退等动作。
4.1 横梁升降控制
横梁升、降的前提是横梁处于松开状态;横梁下降到指定位置后，一方面要保证横梁保持水平，另一方面要尽快制动横梁的下降运动，设计中使横梁有短暂的上升动作来达到要求;横梁上升或下降完毕后还需要让横梁夹紧。图3给出了横梁升降控制PLC梯形图。
图3 横梁升降控制程序段
图3中Network 4程序段完成横梁的下降控制，当按住横梁下降按钮（I0.1），横梁开始放松（Q0.2），放松完毕，放松限位开关（I0.2、I0.3）接通下降回路，横梁开始下降（Q0.1）;横梁下降到位，松开下降按钮（I0.1），其常闭触点接通，取其上升沿接通横梁上升（Q0.0）回路并自保持，计时器T37开始计时，计时时间到，横梁上升结束。其它输入输出有横梁上升按钮I0.0、横梁夹紧电流继电器I0.4、横梁上升限位开关I0.5、左侧刀架与横梁互碰限位开关I0.6、右侧刀架与横梁互碰限位开关I0.7、横梁夹紧接触器Q0.3。
4.2 刀架进给、制动控制
在自动工作模式下，需要进行刀架的进给、制动控制。为了检测进给电机的转数，将进给电机的转动信号通过凸轮机构传递给行程开关。通过控制进给电机的转数达到控制进给量的目的;进给电机每转代表的进给量是通过调整进给箱的传动比实现。图5所示为自动工作模式下右侧刀架的自动进给控制梯形图。
图5 右侧刀架进给程序段
右侧刀架被选中（I3.4）工作的情况下，若进给电机过载保护继电器（I3.5）没有动作且自动进刀选择开关（I3.2）接通，右侧刀架处于正常位置，即右侧刀架与横梁互碰限位开关（I3.1）右侧刀架下限位开关（I3.0）未受压，则进行进给动作（Q2.4）;进给电机转动时，右侧刀架进给检测行程开关（I3.3）从接通到断开到再接通，利用其上升沿通过计数器（C3）进行计数;当计数器计数到预置值，进给完成，停止进给电机。另一方面，利用计数器的上升沿启动电容制动回路（Q2.5）并开始计时器（T44），计时时间到，断开电磁制动回路，从而完成进给过程。左侧刀架、垂直刀架的进给、制动与此类似。
通过拨码开关可以设定每次进给时进给电机的转数（限制在1～4的范围内），并将设定值存储在VW4中，从而达到调整进刀量的目的。
5 结束语
本机床经改造后一年多的运行情况证明，采用PLC和欧陆594对机床进行改造后，既没有改变操作人员的操作习惯，又增强了进给控制功能，提高了控制系统和驱动系统的可靠性和稳定性。本项目实施后产生的经济效益150万元。
本文作者创新点：利用PLC设计了方便、实用的速度给定电路，与采用操作员面板设定速度、利用通讯功能设定速度相比，成本低廉，适用于对速度精度要求不高的普通机床。
我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，目前每年煤炭消费量约12亿吨，其中80%通过燃烧被利用。燃烧设备陈旧、效率低、排放无控制造成了能源和环境污染严重，能源节约与环境保护已成为现有燃煤技术所需解决的主要问题。我国现有大量的电站锅炉和供热锅炉，每年耗煤量占我国原煤产量的比例相当惊人，但大多数工业锅炉处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。故提高热效率，降低耗煤量是一件具有深远意义的工作。
国外燃煤锅炉自动控制，随着现代工业的发展主要经历了初创、成熟、扩展几个时期，而燃烧系统的控制，始终作为燃煤锅炉自动控制的重点课题。美国的FOXBORO公司在推出I/ASERIS智能锅炉自动控制系统，德国德莱斯勒燃烧器公司,以及英国海威燃烧工程公司研制出的锅炉控制系统，其燃烧系统的控制都在一定条件下，达到了较好的控制效果；而锅炉燃烧系统控制采用的模型算法的发展趋势，基本上都是采用智能控制、专家系统、模糊控制以及常规控制集成到系统中。
我国燃煤锅炉自动控制系统经过十几年的发展，正在走向成熟。有代表性的为：大连海运学院的DMC锅炉控制系统，重庆钢铁公司的工业炉窑模糊控制自动化系统，湖南康通信息技术有限公司的锅炉智能控制系统。与国外同类系统相比，国内锅炉控制系统正处在不断完善、逐步走向成熟阶段。我国燃煤锅炉燃烧系统的控制模型算法发展趋势向国际前沿靠拢，结合燃煤供暖锅炉运行实际，燃煤锅炉燃烧控制系统的运行效果一直不很理想。主要表现在不能够有效的满足负荷需求，热效率不能够得到有效的提高，投运时过于依赖有经验的操作人员，数据化控制不强。如何结合燃煤锅炉运行实际，设计行之有效的锅炉燃烧系统控制模型，是燃煤锅炉控制系统中一个迫切需要解决的课题。为了解决这个问题，我们在哈市某供暖小区采用日本OMRON公司的CS1控制系统而研制开发了锅炉智能寻优自动控制系统，保证锅炉安全、稳定、经济运行的实现了锅炉智能化、自动寻优控制，达到了保护环境，大大提高锅炉燃烧效率，节约能源的目的。
2 控制系统设计及实现
2、1锅炉系统运行结构分析
供暖锅炉系统是一个多容系统。每台炉的热负荷用给煤、送风、引风调节，作为内部燃烧系统控制；给水控制的任务主要是控制供水流量和回水流量,从而间接地影响回水温度和供回水温差。单台锅炉内部燃烧系统的给煤、送风调节耦合性强；且燃烧控制与给水控制及采暖也有复杂的耦合关系。各炉并网运行时各炉之间也相互耦合，特别是取暖负荷变化较大时，各炉间耦合更为突出；而取暖负荷本身的调节又是一个带纯滞后的非线性过程；为了解决相互间耦合、过程滞后及非线性过程所带来的系统不稳定等，前台程序用VisualBasic语言来实现自动寻优、组织运行算法等，通过动态数据交换与KINGVIEW上位机软件通讯，实现监测、控制。
2、2 燃烧效率曲线
大多数工业锅炉处于能耗高、浪费大、环境污染等因素，与燃烧有直接关系，从各种燃烧装置的实际运行都可知道：如果空气量不足，燃烧不充分，燃烧效率低；但空气过多也会使排烟带走的热量增加，同样也是不经济的。根据以上分析知有以下曲线：
图一 燃烧效率曲线
关于燃烧问题存在一个普遍的燃烧效率山顶现象，即热效率对空燃比来说都有一个大值，可以肯定燃烧效率η是空燃比k的上单峰函数，这是在燃烧系统进行优化控制的基础。[1]可记作：η=f(k)，根据此函数可得燃烧效率与空燃比之间的函数关系，达到佳燃烧值点，提高效率，节约能源。
2、3 专家系统自寻优算法模型
设η=f(k)在约束条件a≤k≤b下是一个上单峰函数，则用改进的极值搜索法设计的自寻优算法模型计算过程如下：
图二 自寻优算法模型框图
寻优步长 SOP;计数器 n;
专家系统模型具有两个独特鲜明的特点：
①具有智能性，无论寻优的起始点在大值的哪边，它都可以迅速找对优化的方向；
②它可以达到任何所要求的寻优精度[2]。
2、4 锅炉燃烧效率公式
η=Q1/Q η燃烧热效率;Q1锅炉供热量;Q锅炉给热量
Q1=G*ΔT G总循环水量; ΔT供回水温差
Q=T*Qnet T锅炉耗煤量; Qnet煤低位发热值
通过以上计算公式与锅炉自寻优算法调配风煤比相结合,可降低锅炉耗煤量,大大提高热效率。
3 软件设计
根据控制方案及用户要求，计算机控制系统主要完成下列功能：工艺参数显示功能、参数的修改与设置、输出量的控制、事故记录的报警及保存、报表数据查询打印等。我们选用VisualBasic 作为前台程序设计语言[3]，实现自动寻优算法，与亚控公司的KINGVIEW软件进行数据交换，MicrosoftAccess 作为后台数据库系统，用于保存故障、报警等数据。软件编制主要包括上位机流程图与下位机控制程序。
4 锅炉智能控制的设计
由取暖小区需求供热量、锅炉系统实际总供热量和取暖小区实际消耗热量，以及能量损失等数据组成检测知识库。来实现检测点数据的识别、数据格式的转换、热效率计算、燃烧状况的测定等推理操作；经数据过滤、分类、分析等数据处理后，送锅炉系统信息数据库。
由时变非线性负荷给定模型形成供暖锅炉组的控制知识库，即形成满负荷运行炉、帮烧调节炉、停烧炉及其运行时间等控制知识库的规则[1]。由控制推理机来实现燃烧系统的负荷给定和优化燃烧，且得到随负荷变化的负压给定。
结合锅炉工艺运行，实施推理规则为：用给煤、鼓风、引风粗调负荷后使系统燃烧满足负荷需求且炉膛燃烧趋于稳定，再采用热效率寻优模型细调风煤比寻优，可有效完成锅炉系统运行达到热效率极大值点，实现经济燃烧的目的。
图三 供暖锅炉专家智能控制系统
由取暖小区需求供热量、锅炉系统实际总供热量和取暖小区实际消耗热量，以及能量损失等数据组成检测知识库，由检测推理机来实现检测点数据的识别、数据格式的转换、热效率计算、燃烧状况的测定等推理操作，经数据过滤、分类、分析等数据处理后，送锅炉系统信息数据库。
上述小区供暖锅炉智能控制系统运行成功的关键问题，是锅炉燃烧控制知识库的规则获取。我们考虑控制规则可以来自于四个方面：锅炉燃烧过程运行理论，运行专家的操作经验，工业现场实际经验的摸索，运行过程中的不断完善。
专家智能控制系统是用前台语言VisualBasic实现的，上位机KINGVIEW软件将锅炉实时运行的数据存入数据库，表中可清晰了解锅炉每小时运行数据，供、回水温度、炉温、温差、供热量、给热量、耗煤量、室外温度，包括锅炉的热效率和负荷率。锅炉运行情况、节煤情况等一目了然，提高了管理水平。
专家智能控制系统一个突出的优点是，组织运行策略，计算机了解室外平均温度后，可自动根据组织运行策略，自动起机、自动燃烧、自动寻优、自动停炉，按时打印报表，全自动运行。
燃烧系统的负荷和燃料的协调达到理想状态，从而节约大量燃料和电能，并使锅炉寿命延长。减轻了对大气污染，真正达到了环保的目的。自动化的管理模式保证锅炉运行的安全、稳定，减轻操作人员的劳动强度。
5 结束语
本文根据智能自动化的系统理论，设计这一供暖锅炉智能专家控制系统；通过供暖锅炉控制系统的运行环境的取暖需求模型，作为建立专家智能系统的关键，强调供暖运行效果；采用一种面向应用对象功能实现的自寻优算法模型，克服多回路耦合和煤质干扰，很好的解决了锅炉燃烧控制难题，自动化程度及控制精度都较高，主要技术指标有炉膛负压控制精度：士2Pa；空气过剩系统：小于1.8；渣含碳量：小于15%；热效率比手动控制提高：4%；变频调速节电：30%；节煤：每台锅炉（以20吨每小时为例）年节煤2000吨。本套锅炉系统具有人工智能、全自动运行，提高效率等优点，为国家大大节约能源，在国内各类型锅炉中具有很好的推广价值。