6ES7223-1BM22-0XA8规格齐全

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挑战:
作为惠州油田中*早的开采平台，HZ 21至今仍未在后来建设的平台上采用控制技术。尤其是紧急关闭系统(ESD)，紧急关闭系统可以在发生设备危害或者人身伤害的情况下对所有的机械设备或者系统采取保护措施。石油生产系统常常为异常关闭所困扰，系统每次关闭都会导致严重的石油生产中断。
ESD*初的控制结构体系包括一个连接到两个第三方的网络以及遗留下来的可编程逻辑控制（PLC），用作“工作”和“备用”功能。然而，系统的设置却为每次更换控制器时所发生的问题所困扰。
  　大约每月一次，在更换控制器时总会发生无法解释的通信错误，并且会导致平台上的设备异常关闭。每次在系统关闭而工作查找问题原因和试图进行纠正时，都要耽误一到两个小时的时间。更糟糕的是，每次并不能明确找出问题的原因，因此根本无法预测系统异常关闭发生的频率。
由于石油市场对不断变化的经济环境极其敏感，因而，如果要达到*佳生产状况，必须尽可能降低运营成本和停工时间。目前HZ 21 所面临的挑战就是安装一套可靠并且易于操作和维护的ESD控制系统，以停工时间。
解决方案：
在2001年2月，CACT对罗克韦尔自动化ESD控制系统项目进行了决标。中标者的选择是基于公司在其他CACT石油开采平台中使用Allen-Bradley PLC-5的工作经验以及其公认的可靠性。解决方案就是开发出一套完全集成的控制系统，系统必须具有冗余的处理器和媒体网络，采用PLC-5和第三方报警设备。
罗克韦尔自动化全球制造解决方案集团提供了整体系统设计方案和正在进行的工程支持。在方案设计的早期，已经花了大量的时间来确保解决方案能够符合开采平台的要求并且减少设备的停工时间。系统集成（包括PLC重新编码）由石油工业设备供应商Petrotec来完成。所有的硬件都安装在现有的控制面板上，以节省空间。
系统升级项目于2001年5月开始。ESD控制系统所选择的配置是基于控制网的“热备份”，安装了一对PLC-5/40C处理器。安装热备份元件就意味着两个PLC应该具有相同的配置，一个用作工作的主控制器，另一个作为处于“模式”的副控制器。两个处理器都连接到相同的输出端，并且读取相同的现场输入信息。如果主PLC控制出现任何问题，副PLC就会立即接替过来，而且生产作业不会中断。
高级应用工程师Alex Ng 在罗克韦尔自动化*公司说：“我们提出的控制解决方案可以确保系统不会因为任何故障而中断。这样就可以在PLC发生故障的情况下保证石油开采平台持续运行，而不需要停止生产作业。”为了实现人机界面功能，专门安装了两台罗克韦尔软件RSView32 SA 工作站，以监控热备份PLC的工作状态。此外，在开采平台21和附近的开采平台26之间还安装了控制网“同轴电缆到光纤”中继器模块。这样，将来就可以在开采平台26上实现多项功能，如远程数据监测、报警控制以及数据记录等等。
成果：
HZ 21已经在2002年4月成功安装了ESD系统。尽管新的系统仅仅运行了很短一段时间，在升级ESD控制器时尚未发生过故障。*重要的是，系统没有发生过异常关闭，因而没有造成由于停工而引起的惨重损失。维护工作的减少已经使每月的生产时间增加了两个小时。*终，HZ 21 ESD控制系统升级每月可以为操作员节约US$80K。
实践表明，在可靠性提高的同时，系统还具有易于维护的特性。而且，由于系统备件与油田中使用罗克韦尔自动化控制设备的其他CACT开采平台具有通用性，ESD系统将具有更加长远的益处

1 引言
      通常泵站（如输水泵站、污水泵站）配置有动力、电气、检测等机电设备系统，控制逻辑复杂，管理要求严格，体系结构庞大。借助计算机监控技术实现对泵站监控，不仅对泵站的安全运行提供了强有力的**，而且为泵站的集中管理与经济调度打下了基础。为了实现设备监测和控制，必须建立信息管理系统，对信息进行管理和使用。监控系统通常包括监测和控制两部分，根据泵站控制系统规模和控制要求，泵站计算机控制系统可以采用PLC（可编程序控制器）、DCS（集散控制系统）和FCS（现场总线控制系统）等；在软件开发方面有用各种编程语言通过编制大量的指令和代码来实现和基于工控组态软件平台开发等多种方式。本文介绍一个基于InTouch开发平台的泵站计算机监控系统，叙述了系统的架构，并对InTouch平台下的系统各功能模块的开发进行了研究，尤其对数据通讯功能中存在的问题和对策进行了重点表述。

2 InTouch简介
2.1 InTouch概要
      InTouch组态软件是美国Wonderware公司FactorySuite套装软件的一个主要组成部分，它为以工厂和操作人员为中心的制造信息系统提供了可视化工具，为制造信息系统集成了操作人员所需的各种信息，在食品加工、半导体、石油和天然气、汽车、化工、医药、纸浆和造纸、运输及公共设施等行业都有着广泛应用。
2.2 InTouch特性和优点
（1）开放、易用的开发环境。利用目前通信技术中的现有标准，为应用开发提供了一个开放和易用的开发环境，并支持ActiveX、OPC（OLE for Process Control）、开放数据库互连（ODBC）及标准的动态数据交换（DDE），为用户自行开发外挂程序提供接口。
（2）集成的I/O通信。Wonderware公司与100多家第三方开发公司（包括Allen-Bradley，Siemens，Modincon等）合作，提供各种32位I/O Server，目前主流的通信协议（例如以太网Modbus、串口Modbus）都有现成的I/O通信驱动。
（3）丰富的图形用户界面。InTouch允许应用开发人员使用易于理解和配置的工具快速开发定制图形，并提供了一个常用图符库。应用开发人员可以轻易地创建生动的图形界面，通过易用的配置向导实现实时信息的链接，并可调用内嵌的脚本编辑器扩展图形功能。运行时画面切换的响应速度也是一般组态软件无法相比的。
（4）灵活的脚本支持。InTouch软件的脚本分为画面、应用程序、键、条件、数据改变及QuickFunction等多种，采用类Basic的语法，并提供丰富、易用的脚本函数，适用于多种场合，为应用开发人员制作功能强大、画面丰富的系统提供了有力**。
（5）分布式的历史数据系统。允许用户动态地为趋势图的每支笔*不同的历史文件数据源，允许操作员在同一个趋势图中查看本地InTouch的历史数据和Industrial SQL Server的历史数据。
（6）便捷的测点远程引用。InTouch软件通过简易的向导配置，可实现不同节点上测点的远程引用，为建立分层分布式系统提供基础。

3 泵站系统结构分析
      泵站计算机监控系统是集监视、测量、控制、保护、管理等于一体的计算机综合自动化系统，主要对全站泵组、电气系统、公用油、水、气系统、闸门控制系统、励磁系统及直流系统进行有效监视和控制，保证泵站更加安全、可靠、经济地运行，实现泵站“无人值班”（少人值守）的目标，并能够通过计算机网络实现将泵站运行数据和状态实时上传至上级主管部门。
      本文介绍的系统采用分层结构，共两层，分别是厂级监控层和现地单元（LCU）监控层，其中厂级监控层由两台厂级计算机组成，可实现对全厂信息的管理，包括对各LCU设备的运转进行监控，对采集的模拟量、开关量进行存储，对历史数据进行查询，对报表进行查询和打印等。两台计算机采用一台运行一台备份的工作方式，当一台发生故障停机时另一台自动转入运行。LCU层由多个LCU组成，各LCU中控制设备采用Quantum系列的PLC，实现对现场设备的控制，计算机采用Magelis终端，通过Modbus连接PLC，实现对现场数据的监视、控制参数的修改等。此外，为了对其他参数如电量、水位等进行监测，各LCU还配有多功能表。LCU的功能是独立的，互不影响，自成系统。两层之间用通讯速率为1Mbps的Modbus Plus（MB+）网络连接，该网络是一种主从网络，允许一个主计算机和一个或多个从机通讯，以完成编程、数据传送、程序上装/下装及其主机操作，通过它可以实现厂级计算机和各LCU的PLC和多功能表的快速的数据通讯

近10年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，率、高功率因数和节间效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为*有发展前途的调速方式。

1 我国变频调速技术的发展概况
电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能-机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能（节约15%～20%或更多），改善产品质量，提高产量。在我国60%的发电量是通过电动机消耗的，因此调速春传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前已有一定规模。
近年来交流调速中*活跃、发展*快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。
我国电气传动产业始建于1954年当时第一批该专业范围内的学生从各大专院校毕业，同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司，这就是后来天津电气传动设计研究所的前身。我国电气传动与变频调速技术的发展简使见表1。现在我国已有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。
我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上80年代水平。随着**，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。很多*先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。 国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部分在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然取得很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重。
目前国内主要的产品状况如下。
（1）晶闸管交流器和开关断器件（DJT、IGBT、VDMOS）斩波器供电的直流调速设备。这类设备的市场很大，随着交流调速的发展，该时常虽在缩减，但由于我国旧设备改造任务多，以及它在几百至一千多kW范围内价格比交流调速低得多，所以在短期内市场不会缩减很多。国产设备能满足需要，部分出口。自行开发的控制器多为模拟控制，近年来主要采用进口数字控制器配国产功率装置。
（2）IGBT或BJT PWM逆变器供电的交流变频调速设备。这类设备的市场很大，总容量占的比例不大，但台数多，增长快，应用范围从单机扩展到全生产线，从简单的V/f控制到高性能的矢量控制。约有50家工厂和公司生产，其中合资企业占很大比重。 　　（3）负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。这类产品在抽水蓄水能电站的机组起动，大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需求。国内只有少数科研单位有能力制造，目前容量*大做到12MW。功率装置国内配套，自行开发的控制装置只有模拟式的，数字装置需进口，自己开发应用软件。
（4）交-交变频器供电的交流变频调速设备。这类产品在轧机和矿井卷扬传动方面有很大需求，台数不多，功率大。主要靠进口，国内只有少数科研单位有能力制造。目前*大容量做到7000～8000kW。功率部分国产，数字控制装置进口，包括开发应用软件。
变频调速技术在国民经济和日常生活中的重要地位是由以下因素决定的。
（1）应用面广，是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术。
（2）是节约能源的。
（3）是国际上技术更新换代*快的领域。
（4）是高科技领域的综合性技术。
（5）是替代进口，节约的*大领域之一。

2 国内外技术现状对比
2.1 国外现状
在大功率交-交变频（循环变流器）调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万kW的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万kW的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司Simovert A电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10 ~ 2600 kVA和Simovert P GTO PWM变频调速设备单机容量为100 ~ 900 kVA，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术反面，日本富士BJT变频器*大单机容量可达700 kVA，IGBT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。
国外交流变频调速技术高速发展有以下特点。
（1）市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合，应取得显著的经济效益。
（2）功率器件的发展。近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高抵押、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。
（3）控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；16位、32位高速微处理器以及信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段。
（4）基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化生产。
2.2 国内现状
从总体上看我国电气传动的技术水平较国际水平差距10 ~ 15年。
在大功率-交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷场方面有很大需求。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的V/f控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口。
国内交流变频调速技术产业状况表现如下。
（1）变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模。
（2）变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。
（3）相关配套产业及行业落后。
（4）产销量少，可靠性及工艺水平不高。

3 未来的发展方向
交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决（基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略）的硬、软件开发问题（在目前状况下主要全数字控制技术）。 其主要发展方向有如下几项。
（1）实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的*优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。
（2）开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。对中小容量变流器，提高开关频率的PWM控制是有效的。对大容量变流器，在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。
（3）缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变（如水冷、蒸发冷却和热管）对缩小装置的尺寸也很有效。
（4）高速度的数字控制。以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，bbbbbbs操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。
（5）模拟与计算机辅助设计（）技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。
主要的研究开发项目有如下各项。
（1）数字控制的大功率交-交变频器供电的传动设备。
（2）大功率负载换流电流型逆变器供电的传动设备在抽水蓄能电站、大型风机和泵上的推广应用。
（3）电压型GTO逆变器在铁路机车上的推广应用。
（4）电压型IGBT、IGCT逆变器供电的传动设备扩大功能，改善性能。如4象限运行，带有电极参数自测量与自设定和电机参数变化的自动补偿以及无传感器的矢量控制、直接转矩控制等。
（5）风机和泵用高压电动机的节能调速研究。众所周知，风机和泵改用调速传动后节约大量电力。特别是电压电动机，容量大，节能效果更显著。研究经济合理的高压电动机调速方法是当今重大课题。
主要的研究内容及关键技术有如下各项。
（1）高压、大电流技术：? 动态、静态均压技术（6kV、10kV回路中3英寸晶闸管串联，静动态均压系数大于0.9）；‚ 均流技术，大功率晶闸管并联的均流技术，均流系数大于0.85）；ƒ 浪涌吸收技术（10 kV、6kV回路中）；„ 光控及电磁触发技术（电/光，光/电变换技术）；… 导热与散热技术（主要解决导热及散热性好、电流出力大的技术，如热管散热技术）；† 高压、大电流系统保护技术（抗大电流电磁力结构、绝缘设计）；‡ 等效负载模拟技术。
（2）新型电力电子器件的应用技术：? 可关断驱动技术；‚ 双PWM逆变技术；ƒ 循环变流 / 电流型交-直-交（CC / CSI0）变流技术（12脉波变频技术）；„ 同步机交流励磁变速运行技术；… 软开关PWM变流技术。
（3）全数字自动化控制技术：? 参数自设定技术；‚ 过程自优化技术；ƒ 故障自诊断技术；„ 对象自辨识技术。
（4）现代控制技术：? 多变量解耦控制技术；‚ 矢量控制和直接力矩控制技术；ƒ 自适应技术。