西門子模塊6ES7331-7PF01-0AB0詳細說明

上位監(jiān)控系統(tǒng)在自動化控制系統(tǒng)中是重要組成部分，應用在很多自動化控制領域。下面主要說明北京杰控科技有限公司開發(fā)的FameView工業(yè)數據組態(tài)監(jiān)控管理軟件在電廠輸煤程控系統(tǒng)中的應用。
一、在輸煤程控系統(tǒng)方面的應用：
馬頭發(fā)電廠和云寧電廠的輸煤程控上位監(jiān)控系統(tǒng)使用FameView組態(tài)軟件。實現了以下
各方面的功能。
1.輸煤系統(tǒng)皮帶的控制
監(jiān)控系統(tǒng)的畫面可顯示工藝流程的設備和運行狀況，運行人員可根據輸煤皮帶當前狀況對皮帶、碎煤機、擋板等進行運行方式設置和控制。
a. 啟動方式的選擇
b. 運行方式的選擇
c. 保護、預警及報警
d. 設備的啟停

2.配煤系統(tǒng)犁煤器的控制和煤倉煤位的監(jiān)視
皮帶啟動出現煤流信號以后，首先遵循低煤位優(yōu)先的原則，先補配低煤位煤倉后，按順序把煤倉逐個加至高煤位，通過工控機屏幕的菜單可隨意設置配煤方式。
a. 條件配煤方式
b. 時間配煤方式
c. 皮帶剩煤的均煤
d. 高煤位自動停機
e. 煤位的自動監(jiān)控
f. 程控手動配煤

3.運行過程中的監(jiān)視與故障處理
工控機屏幕上顯示出輸煤工藝流程圖，可對現場設備運行的情況進行實時監(jiān)視和處理，計算機隨時提示運行工況與故障報警，輸煤設備的啟停或故障位置均能在計算機屏幕上顯示出來。
a. 皮帶電機、碎煤機的運行監(jiān)視與故障處理
b. 擋板和除鐵器的運行監(jiān)視與故障處理
c. 犁煤器的運行監(jiān)視與故障處理
d. 煤倉的運行監(jiān)視與故障處理


4.系統(tǒng)工藝流程圖顯示
上位機顯示屏上 顯示系統(tǒng)的各設備狀態(tài)、故障報警提示、上煤量
各種曲線等。
a. 可根據現場要求顯示平面或立體的設備
b. 顯示皮帶、電機，碎煤機、除鐵器、檔板和犁煤器等設備及當前狀態(tài)
c. 顯示煤流、跑偏、堵煤、打滑和過流及撕裂等工作情況
d. 皮帶電機、碎煤機啟動及工作電流的顯示
e. 故障狀態(tài)的顯示：以不同顏色和形式顯示設備及傳感器的故障狀態(tài)
f. 滿足人機簡單對話、可操作性強

5．變量報警和報警數據顯示
a. 當前報警查看
b. 報警信息列表
c. 報警信息查詢
d. 報警狀態(tài)列表

6．打印報表
a. 打印每班運行工況及上煤單耗
b. 打印每班上煤量及上煤時間
c. 打印本班運行記錄及報表
d. 打印事故記錄及報表

二、 系統(tǒng)運行效果及發(fā)展前景
FameView 在輸煤程控自投入使用以來，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現了所有預期功能。充分體現了實時多任務、高開放性、高穩(wěn)定性的特點。
該系統(tǒng)具有的可擴展性可以接入到全廠的管理層網絡上，利用DB的實時性和開放性，可以使管理者得控制原理：將現場熱電偶信號（E型）送至溫度變送儀表，除顯示溫度外，還將溫度信號轉換成4-20MA，送入EC20 PLC（EC20-4AD）模擬量輸入端，經過PLC進行處理。EC20PLC模擬量輸出端將PID計算出的給定信號分三路模擬量輸出到三臺變頻器的給定。為保證鼓風、引風保證爐膛基本 負壓的前提，因此具體變頻器參數設置：
引風：
F0.00=4 CCI模擬給定 F0.03=1 端子運行命令通道
F0.04=4 運轉方向設定 F0.05=4 最大輸出頻率50HZ
F0.07=4 最大輸出電壓380V F0.08=1 機型選擇P（風機專用）
F0.14=1 V/F曲線設定 F2.01=30 啟動頻率30HZ
F2.08=0 停機方式（減速停機） FH.00=4 電機極數4
鼓風：
01=20最低轉速 02=50HZ最高轉速 03=5 04=10（加減速） 05=AIAU給定設置 06=5A 電機電流 16=4-20 電流輸入（Ma）
41=FD 線性U/F控制
爐排：
01=5.0最低轉速 02=40HZ最高轉速 03=5 04=5（加減速） 05=AIAU給定設置 06=3A 電機電流 16=4-20 電流輸入（Ma）
41=FD 線性U/F控制
1.2變頻器的設置基本遵循如下原則：
鼓引風變頻器控制風機，其機械特性屬于平方轉矩負載，因此其V/F曲線采用2次方曲線。同時，引風機的慣性比較大,因此其降速時間要求比較大，這是由于降程中變頻器處于回饋制動狀態(tài)，回饋能量將會造成直流側母線電壓過高而停機，因此，必須增長降速時間。同時，停機也要求軟停車，能夠延長風機的機械壽命。鼓風設置同引風差別不大，除了功率外幾乎一致。但考慮為保持爐膛基本負壓，必須將鼓風的升速時間要低于引風，而降速時間要快于引風。
爐排傳動屬于機械負載，因此爐排的控制方式為V/F基本控制或采用開環(huán)矢量控制，其低速時提供的轉矩比較大，能夠滿足重載啟動的要求，另外，系統(tǒng)要求的加減速時間都比較短，在5秒以內。
當檢測點溫度到達設定溫度后，為保證溫度穩(wěn)定時間比較長，且要節(jié)約能源、降低損耗，因此引風、鼓風、爐排的最低運轉速度分別設置為：30HZ、20HZ、5HZ。
2、PLC硬件應用及軟件編制
2.1:硬件配置
由主機EC20-1410BRA、模擬量輸入EC20-4AD、模擬量輸出EC20-4DA組成。其中給定采用一塊百特公司的數字給定表，可以人為設置給定值（4-20MA信號，在表上以百分數表示），給定信號送入EC20-4AD模擬量輸入模塊中，作為PID給定信號。另外安裝一塊溫度數顯表，該表除顯示溫度外，還將E型熱電偶檢測溫度信號變送輸出4-20MA信號，送入EC20-4AD輸入模塊作為PID反饋信號。PID控制程序是通過EC20編程軟件CONTROLSTAR中調用固有PID控制子程序來實現出口溫度PID恒定控制的。
2.2:連鎖控制
連鎖控制主要實現如下功能：
一、啟動先啟動引風、后啟動鼓風，一般引風啟動后3秒左右鼓風才能啟動。
二、停車先停鼓風，鼓風不停，引風認為不能停車；引風發(fā)生變頻故障，則鼓風立即停止。
三、故障報警、運行、停止指示通過PLC實現。
四、爐排不參與引風及鼓風連鎖。
2.3:變頻控制及溫度PID程序
一、變頻器接觸器得、失電由PLC控制
二、變頻器的啟動、停止信號由PLC連鎖控制。
三、變頻器的給定信號，由PID計算出的輸出信號通過模擬量輸出EC20-4DA，以電流信號（4-20MA）的方式輸出到變頻器的電流給定端（CCI、GND）
四、PID控制由PLC應用軟件通過編程的方式實現。具體過程比較簡單，在CONTROLSTAR軟件中的PID命令向導一步步完成，主要設置個別參數即可。具體PID編程語言如下：
LD SM0
PID D20 D21 D0 D22（PID調用）
LD SM0
MOV D50 D20 //設定目標值
MOV 10 D0 //采樣時間(Ts) 范圍為1～32767(ms)但比運算周 期短的時間數值無法執(zhí)行
MOV 33 D1 //動作方向
MOV 0 D2 //輸入濾波常數(α)范圍0～99[﹪]，為0沒有輸入濾波
MOV 2000 D3 //比例增益(Kp)范圍1～32767[﹪]
MOV 10 D4 //積分時間(TI)范圍0～32767(×100ms),為0時作為∞處理(無積分)
MOV 0 D5 //微分增益(KD)范圍0～100[﹪]，為0時無微分增益
MOV 0 D6 //微分時間(TD)范圍0～32767(×10ms),為0時無微分處理
MOV 0 D15 //輸入變化量(增側)報警設定值0～32767
MOV 0 D16 //輸入變化量(減側)報警設定值0～32767
MOV 2000 D17 //輸出上限設定值-32768～32767
MOV 0 D18 //輸出下限設定值-32768～32767
主程序給定部分如下：
LD SM0
CALL PID_EXE（調用PID）
LD SM0
CALL PID_SET(PID參數設定)
LD X14 （系統(tǒng)自動運行）
TO 0 1 D22 1 （將D22 中內容寫入模塊0中的第一個單元中，即模擬量輸出值，引風給定）
TO 0 2 D22 1
TO 0 3 D22 1
TO 0 0 16#0 1
LD SM1
TO 1 0 16#1313 1（設置模擬量輸入信號方式，即1、3通道關閉，2、4為電流信號）
LD SM0
FROM 1 10 D21 1
LD SM1
TO 1 36 16#1111 1
LD SM1
TO 1 14 16#1111 1
LD SM0
FROM 1 12 D50 1
其中特別需要說明的是FROM和TO指令。這兩條指令主要用于模擬量處理，它的使用不同于西門子公司的直接尋址方式（PIW或PQW），而是用TO（寫入）和FROM（讀出）指令。對于模擬量模塊，通過這兩條指令來進行設置和參數的讀出。比如TO 1 14 16#1111 1 。 其中第一個1是指和CPU連接的第二個模塊（第一個是0）； 14是指其信息存儲器中的第14個存儲單元；16#1111是指16進制1111；最后的1是指寫入的單元數為1（只占用14單元一個，后面的單元不再寫）
2.4:實際參數設置
最后經多次修改和調試，確定比例系數為20，積分時間為1-3秒，微分時間為零。經過運行發(fā)現能夠滿足現場的生產工藝，達到爐膛溫度（實際為出口管道采集溫度）恒定控制的要求。
3、實際運行情況：
經過2個月左右的運行發(fā)現，系統(tǒng)能夠運行非常穩(wěn)定，能夠維持出口風道溫度在286-288攝氏度左右，滿足了現場生產的要求。經過基本測算，節(jié)電率能夠達到25%-35%左右；而節(jié)煤量幾乎達到了35%以上，得到了客戶非常高的評價。經過節(jié)約資金量估算，經過半年左右即可收回全部設備投入資金。這對這次改造，我們認為在鍋爐燃燒系統(tǒng)中的變頻及PLC改造前景非常大，特別是艾默生公司變頻器及PLC產品優(yōu)異的性能、堅實耐用和高可靠性、高精度的新技術核心，會為我們的節(jié)能技術改造提供最堅實的后盾

是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。

伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

線性電機是一種通過將封閉式磁場展開為開放式磁場，將電能直接轉化為直線運動的機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。其結構可以看作是將一臺旋轉電機沿徑向剖開，并將電機的圓周展開成直線而形成的。其中定子相當于線性電機的初級，轉子相當于線性電機的次級，當初級通入電流后，在初次級之間的氣隙中產生行波磁場，在行波磁場與次級永磁體的作用下產生驅動力，從而實現運動部件的直線運動。

其實線性電機也是伺服電機的一種，理論上，只要有反饋的系統(tǒng)（線性電機通常以hall或者直線光柵反饋）都應該是伺服系統(tǒng)。所以，伺服電機應該在廣義上被分為兩類:旋轉伺服電機和直線伺服電機。

線性電機的特點:高動態(tài)特性，高剛性。相對于傳統(tǒng)的直線傳遞結構（如絲杠，電動缸），免維護，但成本較高。主要用于一些對系統(tǒng)動態(tài)特性非常高以及特殊環(huán)境的場合，比如，半導體生產線等。

在原理上看

原理

伺服又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類。

伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，從而實現位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發(fā)出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了閉環(huán)，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位。

原理

步進電機作為控制用的特種電機，是將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的步進角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的，改變繞組的通電順序，電機就會反轉。

使用性能上看

1、控制精度不同

兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進電機步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產的一種用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09°；德國百格拉公司（bergerlahr）生產的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。

交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保。以松下全數字式交流伺服電機為例，對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。

2、低頻特性不同

步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。交流伺服電機運轉非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內部具有頻率解析機能（fft），可出機械的共振點，便于系統(tǒng)調整。

3、矩頻特性不同

步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600rpm。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000rpm或3000rpm）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。

4、過載能力不同

步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。

5、運行性能不同

步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉高易出現過沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。

6、速度響應性能不同

步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下msma400w交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000rpm僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。

綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執(zhí)行電動機。所以，在控制系統(tǒng)的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當的控制電機。

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