西门子6ES7221-1EF22-0XA0使用说明

西门子6ES7221-1EF22-0XA0使用说明1 引言为了进一步调整产业结构，tigao安钢集团公司的经济效益，由武汉设计院设计建造的6流小方坯连铸机2000年6月投产竣工，后又经过两次较大规模的技术改造，该工程自动控制系统技术先进、价格合理，运行性能安全可靠，电仪一体化程度高，运行几年来，运行效果一直很好，2003年产钢达80万吨。2 PLC自动控制系统功能介绍根据生产工艺的要求，自动化系统分为一级自动化和二级自动化控制，其中一级自动化为基础自动化级，是一套完整的电/仪一体化控制系统，连铸机每流设置一台德国西门子公司的S7-300系列PLC控制器，公用设备采用一台S7-400 PLC，电磁搅拌系统采用ABB公司的PLC，1～3流，4～6流液面控制系统各有一台S7-300 PLC，另设两个CRT操作站，其配置柜图如附图。附图 连铸机自动化系统配置图一级自动化的主要作用，一是完成各工艺装置的逻辑控制和操作，工艺参数的设置;二是工艺参数、设备状态的显示和报警及工艺流程画面的监控;三是过程控制及计算机的通讯等。该系统的主要特点是:采用电/仪一体化设计，结构严谨，自动化程度高，S7系列PLC数据处理能力和逻辑运算能力非常大，编程灵活，抗干扰能力强，使用维护方便等。(1) 传动部分对拉矫机、大包回转台、振动电机等需要调速的设备采用西门子公司的6SE70系列矢量控制变频调速装置，电磁搅拌采用瑞典ABB公司生产的可控硅逆变器柜组。(2) 铸机公用PLC的功能大包回转台包盖升降施转控制;中间包车行走、升降控制;风机控制;液压系统控制;连铸机水系统电动阀门控制;推钢机和翻转冷床控制;工艺过程的数据采集;相关设备逻辑关系联锁控制;铸机运行状态信息控制等。(3) 铸流PLC功能结晶器振动控制;拉矫机拖动控制;引锭杆传动控制;切割车控制;铸流辊道拖动控制;二冷水控制;故障报警等。(4) CRT操作站画面采用西门子产品Wincc组态软件，其主要功能为:生产过程的操作和参数修改;工艺流程画面显示;故障报警画面显示、报表打印和过程值趋势图显示等。系统控制分为自动控制、手动控制和维修控制三种方式。自动控制分为过程计算机控制和电气自动控制两种。选择过程计算机控制方式后，控制的设定值来自二级计算机。选择电气自动化控制方式后，系统按PLC程序自动完成，系统的操作和设定置来自CRT操作站。选择手动控制方式，借助于CRT操作站和操作台进行操作。此种方式通常控制单体设备。在维修方式下，选择开关打在机旁，主要用于设备的现场调试与维修。3 系统的完善与改进在铸机的运行过程中，根据现场情况和工艺要求的变化。我们也实时对某些方面做进一步的完善和改进措施。如一台变频器控制三台拉矫机改为脱坯辊单独采用一套变频调速装置;对24V直流系统进行更为详尽的按类分别供电控制;在Wincc画面上增加部分过程值的显示和趋势图;增加Wincc变量用于报警显示等等，这些改进在运行实践中证明是有益于连铸机的正常运行和方便设备的维修维护。4 结束语该铸机PLC控制系统运行至今，铸坯表面及内部质量都完全满足工艺要求，为我厂成功开发品种钢、促进产品结构多元化发挥了重要作用，也取得了十分可观的经济效益。1 引言为使工科学生在校期间就受到良好的工程实践锻炼，建设具有实际工程环境的实验室和实训基地一直是自动化实验室建设的重要目标。过程控制是指对连续性工业生产过程中有关物理量(温度、压力、liuliang及液位四个参数)的自动调节控制。电热锅炉控制系统实验装置是根据自动化及相关教学的特点，基于过程控制基础上集PLC技术、网络技术和计算机监控为一体的先进的实验装置，采用了多种常用控制方法及理论，除包含常见的PID算法及改进算法外，还增加了模糊控制、人工神经网络控制等国内外先进的控制策略。2 电加热锅炉控制系统网络结构电加热锅炉控制系统实验装置采用两层网络拓扑结构，上层采用工业以太网，用于监控计算机与PLC主站之间的通讯。底层为PROFIBUS现场总线，连接PLC主站DPM1和PLC从站DPS1，其中主站控制电热锅炉控制系统实验装置，从站控制其它过程控制系统实验装置。其网络拓扑结构如图1所示:图1 电热锅炉控制系统网络结构2.1 系统功能及软件平台整个控制系统包括监控级和现场级，监控级由4台PC机作为上位机，通过以太网相连。上位机利用WinCC V5.1编写实验监控应用程序。监控应用程序实现对实验装置的状态监视、数据采集与处理、控制算法的设定计算和优化、实验数据历史趋势曲线显示和实验数据实时显示功能。PLC的控制程序由上位机利用STEP7 V5.1软件编写，并通过以太网对PLC进行硬件组态、通讯组态、程序下载、在线诊断PLC硬件状态、控制PLC的运行状态和I/O通道的状态等。下位机PLC完成所有与控制系统相关的逻辑控制、模拟量的采集及处理、常规PID控制、模糊控制、神经网络控制等实时控制任务。2.2 PLC的硬件配置PLC主站选用西门子公司的400系列PLC CPU 412-2DP，它带有一个PROFIBUS-DP和一个MPI接口。由于CPU-412具有强大的处理和运算能力，整个系统(包括主站和从站)只采用一块CPU模块，主站还带有四个信号处理模块(DI 16 、DO 16、AI 16和AO 8)和一个通讯模块CP443-1(用于上位机WinCC站和SIMATIC S7 PLC主站通过工业以太网进行通讯)。从站选用PROFIBUS-DP分布式I/O ET-200M IM 153，带两个信号处理模块(DI 16/DO 16 和 AI 4/AO 2)，PROFIBUS-DP 用于SIMATIC PLC主站与PLC从站之间的通讯。锅炉控制参数和状态模拟量(例如液位、liuliang、压力、温度等)及开关量(例如继电器、接触器、指示灯等)通过PLC的模拟量和数字量输入输出模块分别连接到PLC主站DPM1和从站DPS1，再通过以太网和监控级交换信息。3 电热锅炉控制系统实验装置电热锅炉控制系统实验装置模拟日常生活中的热水锅炉控制系统，将变频器调速技术、计算机和智能控制技术相结合，完成生活中热水锅炉对进水、出水、电加热装置通断时间比的自动控制，使锅炉的进水liuliang、出水liuliang、水温、水位保持在佳状态。实现热水锅炉系统安全、可靠、稳定运行和达到节能降耗的目的。电热锅炉实验装置主要由微型电热锅炉、固态继电器电加热装置(DGT)、变频器(MMV)及相关的检测装置、变送器和执行机构等过程控制仪表组成。3.1 过程控制实验电热锅炉控制系统是一个复杂的多输入多输出(MIMO)的系统。执行机构有:变频器、电动阀、电磁阀和固态继电器电加热装置;被控对象有:进/出水liuliang、进/出水压力、锅炉液位和锅炉水温。所以在此基础上可以设计liuliang系统控制实验、压力系统控制实验、液位系统控制实验、温度系统控制实验等过程控制实验。其实验原理框图如图2所示，被控对象输出记为y，变送器检测得到输出的4～20mA的电流反馈信号yf，由PLC的AI模块经A/D转换成数字信号，输入PLC，再与从上位机键盘输入的设定值yr比较，得到偏差信号e，PLC根据偏差信号e，执行控制器算法程序，计算出控制量，经AO模块D/A转换成4～20mA的电流控制信号u，控制广义对象的输出y，使其跟踪设定值yr。图2 过程控制实验原理框图3.2 耦合控制实验电热锅炉与一般的锅炉系统一样，只是其结构相对简单，电能取代了风煤作为燃料，但是仍然存在liuliang、液位、温度以及压力的耦合作用。与其它多输入多输出(MIMO)系统一样，一个输入信号的变化会使多个输出量发生变化，每个输出也不只受一个输入的影响。而工业过程控制则要求系统能够安全稳定运行，有较好调节能力，能以较小的误差跟踪设定值的变化，并使误差为零。解耦控制一直是过程控制中的一个难点，为了达到高质量的控制性能，必须进行解耦设计，构成解耦控制系统。电加热热水锅炉系统的解耦控制原理框图如图3所示，其中yr1和y1分别对应电热锅炉的温度给定值和输出值;yr2和y2分别对应电热锅炉液位的给定值和输出值。控制器C1、C2的控制算法可以选择常规PID、神经网络PID、模糊自适应PID等先进算法。图3 对角矩阵解耦控制系统的原理框图3.3 智能控制算法实验在PID控制中，一个关键的问题就是PID参数的整定，且一旦整定计算好后，在整个控制过程中都是固定不变的。而锅炉系统具有很大的延时，并且参数实时变化，难以建立jingque的数学模型，常规的PID是难以实现准确的控制。解决这些问题的方法是采用比PID更为有效的智能控制技术—模糊控制方法和神经网络控制方法。模糊控制算法具有阶跃响应速度快、jingque度较高、对参数变化不敏感以及整定更为容易等特点。应用模糊集合理论建立PID参数与偏差量e、偏差变化量ec间的二元函数关系: 。显然能根据不同的e和ec在线调整PID的三个参数，使系统尽可能获得佳性能。其控制原理框图如图4所示:图4 模糊PID控制原理框图人工神经网络具有自学习特性，用神经网络修正PID控制器的参数，并将其应用于压力、liuliang、液位、温度以及解耦控制系统，通过自学习算法，在线(或离线)调整网络权值，实现PID控制器参数自整定，tigao控制精度及控制器的适应性，取得满意的控制效果。其控制原理框图如图5所示。图5 神经网络PID控制原理框图4 BP神经网络PID控制算法及实现基于BP神经网络PID控制由两部分组成:常规PID控制算法和基于BP神经网络的多变量学习算法。4.1 常规PID控制算法采用增量式数字PID控制的算法为:式中， u(k)为当前时刻的控制量;u(k-1)为上一时刻的控制量;分别为比例、积分、微分系数;e(k)为给定量和当前时刻的检测量的偏差;e(k-1)为给定量和上一时刻的检测量的偏差;e(k-2)为给定量和两个时刻前的检测量的偏差。4.2 神经网络多变量学习算法BP神经网络多变量学习算法由前向传播算法和反向传播算法两部分组成。设BP神经网络是一个3层BP网络，输入层节点为3个，分别为输入设定值、偏差信号e和偏差变化量ec;Q个隐含层节点;输出层节点为3个，分别为PID控制器的三个可调参数。(1) 前向传播算法神经网络输入层的输入为:式中，为隐含层加权系数，上角标1、2、3分别表示输入层、隐含层和输出层，f(x)取正负对称的Sigmoid函数。神经网络输出层的输入输出为:式中，为输出层加权系数，由于不能为负，所以g(x)取非负的Sigmoid函数。(2) 反向传播算法多输入多输出神经网络PID控制器是一种无教师信号的自学习控制，需要引入性能指标函数:依速下降法修正网络的加权系数，并附加一加速收敛全局极小的惯性项，则有:式中，η为学习速率;α为惯性系数。由于未知，则近似用符号函数取代，由此带来计算不jingque的影响可以通过调整学习速率η来补偿。由式(1)和式(4)，可求得:由上述分析可得网络输出层权值的学习算法为:同理可得网络隐含层权值得学习算法为:5 结束语本实验装置已用于自动化的实验教学，运行状况良好。通过这套实验装置可使学生对计算机网络控制系统结构有一个直观、深刻的认识。并使学生了解生产过程中的参数检测与控制，以及多种先进的控制策略和算法。该系统结构模式不仅可以用于实验教学，也可以应用于复杂的工业生产过程控制中，完成对压力、liuliang、液位和温度等过程参数的实时监测与控制。1 引言汽机保护系统是一个汽轮机安全监控及辅机联锁系统，它能在汽机正常工作、启动和停止运行方式下，连续监视汽机的运行参数及状态，并且进行逻辑运算和判断，通过联锁装置使设备按照既定的合理程序完成必要的操作或未遂事故，以保证汽轮机的安全。它在防止运行人员操作事故及系统故障情况下引起的安全事故方面起着非常重要的作用。常规的保护是用继电器用硬接线连接，可靠性较低，信号的改动比较麻烦。PLC是采用积木式结构，以及模块化的软件设计，使得系统安装和现场接线简便，并可按积木方式扩充和删减其系统规模。由于它的逻辑、控制功能是通过软件完成的，因此允许设计人员在没有硬件的情况下进行“软设计”工作，从而缩短了整个设计、生产、调试周期。工厂在1#、2#气轮机的大修改造中对气轮机的保护使用了PLC。2 系统方案设计指导思想(1) 高可靠性 系统采用西门子S7系列PLC为核心，硬件集成度和系统可靠性极高。(2) 电源冗余化l 直流电源 24V DC电源采用双套高频开关型直流电源，其过流等保护功能齐全，允许输入电压波动范围大，输出稳定性好;各单元单独供电，进一步tigao供电可靠性，一旦工作电源出现故障，另一路电源立即无间断自动投入运行，不会对系统正常工作产生影响。l 交流电源 系统允许输入两路交流电源，一路来自厂用UPS电源，一路来自厂用电(保安段)。(3) 冗余化设计 系统采用冗余化设计，用户可以在不更改系统任何配线的情况下增加功能:采用双PLC配置，实现自动切换。(4) 系统的基本功能 开关量输入/输出、内部中间继电器、锁存继电器、计时/计数器、移位寄存器、四则运算、比较运算、二进制与十进制转换、跳转和强制I/O等。(5) 应用灵活 其标准的积木式结构，以及模块化的软件设计，使得系统安装和现场接线简便，并可按积木方式扩充和删减其系统规模。由于它的逻辑、控制功能是通过软件完成的，因此允许设计人员在没有硬件的情况下进行“软设计”工作，从而缩短了整个设计、生产、调试周期。(6) 外围支持设备完善 具有完善的外围支持设备，如编程器、计算机和打印机等。(7) 操作方便，维修容易 系统采用电气操作人员习惯的梯形图编程，使用户能够方便的读懂程序，操作人员经过短期培训就可以通过操作面板实现对系统的全部操作。(8) 缓冲隔离 系统各种设备的I/O接口均采用光电隔离技术进行缓冲隔离。(9) 高开放性 系统可扩展上位机进行事故追忆，逻辑图、模拟图、棒图、趋势图及相关控制参数的显示，键盘、鼠标、触摸屏操作等。3 系统结构系统采用管理层—控制层—设备层的递阶控制网络结构，如附图所示。设置有:(1) 管理层:工程师站(2) 控制层:汽机控制站(3) 设备层:汽机仪表检测设备及执行机构。管理层是基于bbbbbbs环境下开发的开放式、模块化、可扩展的系统，选用控制主机/服务器，提供管理软、硬件平台，通过接收来自控制层的信息，汇集和检测汽机的各种实时数据，并对它们进行相应计算，实现专家控制策略，发布命令下达到控制层对现场设备进行控制。控制层主控设备采用西门子S7系列PLC，实现回路控制，通过I/O模块独立完成包括保护、监测、控制和事故纪录等多项功能，在系统内按要求整理“情报”，实现系统的“上传下达”。管理层、控制层以及设备层之间除通讯外，各自独立，无电气上的连接，实现的各种功能独立。因此，即使系统中的某一部分出现故障，也不会影响系统其它部分的工作，从而使整个系统具有高可靠性，真正实现分层分布式优化控制。4 系统功能以往的继电器连锁方式无法提供形象的信息给操作人员，只能在出现故障后把相关的连锁点都检查一遍，处理时间长，影响生产进程，对隐含故障点无法判断。现采用PLC控制则避免了上述问题，还可同时增加打印功能，完善系统，为经后的系统扩展做好充分的准备。具体功能如下所述:(1) 控制保护功能· 当汽轮机转速超过10%时，同时操作面板提示汽机超速，并提醒操作人员进行检查超速原因;当汽轮机转速超过12%时，操作面板再次提示汽机超速，并提示操作人员通知技术人员进行检修维护，技术人员可根据实际情况确定是否停机或超速运行;当转速超过15%时，汽轮机自行逐步减速，同时提示减速原因，1小时后汽轮机停机，同时操作面板上显示汽机超速停机，打印机打印出停机原因:汽机超速停机。附图 控制系统网络结构图· 当汽轮机轴向位移大于Ⅰ值(安全临界值)时，报警并提醒操作人员与同技术人员进行检查超速原因;当汽轮机轴向位移大于Ⅱ值(安全隐患发生临界值)时，1小时后停机。同时操作面板上显示原因，打印机打出停机原因:轴向位移大停机。· 当润滑油压低于Ⅰ值时，报警并提醒操作人员与同技术人员进行检查超速原因;当润滑油压低于Ⅱ值时，启动交流油泵;当润滑油压低于Ⅲ值(危险临界值)时，停机。同时操作面板显示停机原因，打印机打印停机原因:润滑油压低停机。当润滑油压低于Ⅵ值(设备损坏临界值)时，停盘车。· 当轴承油温高于Ⅰ值时，报警并启动油温冷却系统;当轴承油温高于Ⅱ值时，1小时后停机;同时操作面板显示停机原因，打印机打印停机原因:轴承回油温度高停机。· 当轴承轴瓦温度高于Ⅰ值时，报警并启动油温冷却系统;当轴承轴瓦温度高于Ⅱ值时警报连续提示，停机;同时操作面板显示停机原因，打印机打印停机原因:轴承轴瓦温度高停机。· 当电气送来发电机故障信号时，停机;同时操作面板显示停机原因，打印机打印停机原因:发电机故障停机。· 当主汽温度低于Ⅰ值时，报警;当主汽温度低于Ⅱ值时停机，同时操作面板显示停机原因，打印机打印停机原因:主汽温度低停机。(2) 记忆功能 在自动主汽门跳闸后，由操作面板显示出导致动作原因，以便于进行事故分析。(3) 保护投退功能 在操作盘上设置保护投退开关，以便运行人员和检修人员试验和维修，防止在试验或维修过程中，以及汽轮机启动过程中，由于某个条件不满足而引起的系统误动作。(4) 打印功能 系统能够实时打印保护投退开关的投退时间及内容、所有保护动作的时间和内容。