6ES7231-0HC22-0XA8功能参数

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一、前言

 天铁冶金集团有限公司焦化厂现有58型焦炉两座和JN43-80型焦炉一座，以及配套的备煤、煤气；净化、辅助化工原料回收、污水处理等一套完善的生产系统，年产焦炭112万吨，焦炉煤气5亿立方米，焦油45000吨，粗苯13000吨，铵15000吨，以及日处理污水2400吨的能力。

 随着焦炭产量提高，煤气收集压力增大，原抽气鼓风机一运两备的运行方式在夏季高温天气情况下已不能满足生产要求，主要原因是煤气压力增大、温度增高，若不能及时排出将可能发生爆炸。焦炉生产工艺中，集气管煤气压力的控制效果将直接影响焦炉的生产。如果炉内压力过高，会导致焦炉冒黑烟，煤气外泄，严重污染环境，给现场工人的工作和健康造成极大影响和危害；如果炉内压力过低，炭化室将出现负压操作，会吸入大量空气，浪费大量的煤气，严重影响焦炭和煤气的产量和质量，并且长期负压操作将会影响焦炉的正常生产及寿命。

 如果要鼓风机实施两运一备运行方式，通过调整回流阀（也称小循环阀）的开度来调节煤气总管压力，由于鼓风机前后压差较大，使得调节阀轻微动作，总管压力就会发生剧烈波动，超过工艺容许范围。因此会引起回炉煤气压力及用户煤气量均发生剧变，造成焦炉煤气量不足或用户不能正常生产，并且煤气回流造成能量浪费。通过多方调研，焦化厂的技术人员提出使用变频调速来改变鼓风机转速，从而调节集气管的压力方案。

 高压变频器的产业化在80年代中期才开始形成，但随着大功率电力电子器件的迅速发展和巨大的市场推动力，高压变频器十多年来的发展非常迅速，使用器件已经从SCR、GTR、GTO发展到IGBT、IECT、IGCT（SGCT）等，功率范围从几百kW到几十MW，技术已经成熟，可靠性得到保，应用越来越广。天铁冶金集团有限公司焦化厂在考察对比了国内外多家高压变频器生产厂家后,决定选用北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A系列高压变频器。 ARSVERT-A系列高压变频器性能稳定,可靠性高,并且已在电力、冶金、石化、市政供水、水泥等多个领域成功应用，得到了用户的普遍认可和市场的长久考验。

二、系统方案设计

1.系统电气设计

 天铁集团焦化厂有三台D1350-1.237/0.887煤气鼓风机，平时采用一运两备方式，夏季才用两运一备方式。根据实际工况要求设计主回路电气结构图，选用HARSVERT-A型高压变频器一拖一和一拖二成功方案。

 以1#鼓风机为例说明，工作原理是由3个真空接触器KM11、KM12、KM13以及2个高压隔离开关QS11、QS12组成（见图一），其中KM11、KM12、KM13为高压真空接触器，用于变频和工频的电动切换。QS11和QS12为高压隔离开关，一般情况下处于合闸状态，仅在变频器检修时拉开，用于电机工频运行情况下对变频器进行安全检修。3#、4#风机的主回路工作原理也类似。

特点：

 1）可以实现工/变频自动切换功能。在变频器出现严重故障时，系统能够自动切入工频电网中，断开变频器时，负载不用停机，满足现场不能停机要求。

 2）易实现一运两备和两运一备运行方式。即一台变频运行，一台变频备用，一台工频备用；两台变频运行，一台工频备用。
 
1.2　HARSVERT-A高压变频器采用单元串联多电平电压源型拓朴方式

 其优点是采用输入多重化设计，高次谐波含量非常小，输出采用单元模块串联，使得谐波含量极低，在无输出滤波器的情况下，可使THD<0.3％，堪称“完善无谐波”高压变频器；极低的转矩纹波和电机噪声；功率因数可达0.95；对电机绝缘无损害，电缆长度无限制；便于冗余设计。中文操作界面便于维修。
 
2.自动化网路设计

 控制系统由主控PLC、旁路柜控制PLC、高压变频器、上位机组成。其中主控系统采用西门子S7-300PLC、旁路柜内置西门子S7-200-PLC、上位机监控选用组态王软件。通讯网路在底层采用Profibus DP总线，主控PLC和上位机监控系统采用以太网通讯。西门子S7-300PLC作为整个系统的控制核心，处理人机界面对系统的各种请求，对整个系统的参数进行监控，实现对集气管压力的PID调节，维持管网的压力恒定。自动旁路柜集成有S7-200PLC,完成变频工频切换功能。上位机系统采用用户熟悉的组态王软件，与PLC的连接采用以太网方式。考虑现场工况，对安全性、可靠性、稳定性要求都很高，我们现场控制级采用Profibus DP总线连接，监控操作级采用Ethernet方案，接入焦化厂局域网主服务器系统，实现远程监视。配置上：西门子S7-200配置EM277 Profibus 总线模块，S7-300选用315-2 DP,并配置CP341-1T 以太网模块，PLC集成的DP接口用于连接S7-200，以太网模块CP343-1T用于和上位机的以太网连接。

 控制网络具有如下特点：良好的稳定性、扩展性、软硬件的开放性以及友好的人机界面，上位机按冗余控制配置等优点

3.软件设计

 上位机系统选用亚控公司生产的组态王软件。该软件具有友好的人机界面，支持以太网络。可以很方便的实现远程监视等功能。报表、报警功能强大，支持OPC，支持多种型号的PLC通讯。

 软件设计过程中，由于上位机的程序组态王不直接支持西门子的以太网通讯协议，因此需要利用OPC Server来作为过渡。这样也使得局域网上的机器可以方便调用该机的参数，便于远程监视。

S7-300 PLC采用Step 7软件编程。软件采用模块化编程方式，把系统的各个工作编成一个个功能块，在一个OB中调用，方便易用，便于用户理解修改。支持梯形图、语句表。采用一些容错程序设计，加强系统的稳定性。
 
4.主要控制设计

4.1 油路冷却系统自启控制

 每次鼓风机启动前先启动液压油泵，让油流入升速器中，冷却摩擦产生热量，否则鼓风机不能启动。在运行中如果主油泵压力达不到要求，辅助油泵自动启动，并能根据油温自动加热。并对油路的堵塞情况、不同点的油温检测。

4.2 鼓风机变频、工频自动切换控制

 一台鼓风机变频运行，当变频器故障跳闸时，系统会自动切换工频运行，同时，小循环回流阀立即打开，机前煤气压力控制靠调节的小循环阀开度来实现。为了减小机前压力无扰动切换，小循环开度初始值设为50%。
 
4.3 两台鼓风机无扰动切换控制

 当1#鼓风机变频运行，要停机检修变频器或风机时，投入3#鼓风机。操作先用2#变频器启动3#鼓风机，同时停 1#变频器。由于机前压力实现PID闭环控制，使得1#变频按照设定的减速时间，平滑停车，进口阀门流量缓慢减小。相反，3#鼓风机按照设定加速时间，转速平滑上升，进口阀门缓慢增加。这样保证机前集气母管压力恒定，实现两台鼓风机无扰动切换，解决原控制系统下两台鼓风机切换时产生的系统管网压力发生剧烈波动的问题。（详见系统流程图）

4.4 机前压力PID闭环控制

 对于压力、流量等被调参数来说，对象调节通道时间常数T0较小，而负荷又变化较快，这时微分作用和积分作用都要引起振荡，对调节质量影响很大，故不采用微分调节规律。因此，焦炉煤气压力自动调节控制、小循环阀自动调节都采用PI调节。P值越大，比例调节作用越强，I值越小，积分作用越强
 
4.5 压力传感器掉线控制

 对于一些可靠性要求非常高的控制系统，被控对象提出多点采集的理论，因此在机前母管上取两个压力采集点。把这两点的压力值送入PLC S7-300中比较，如果差值大于某个值，就认为压力值小的传感器故障。这样保证采集压力值的准确性，从而保系统可靠性。
 
4.6 紧急故障预案措施

 鼓风变频控制系统在主控室设计有紧急操作箱。在控制系统瘫痪情况下，操作转换开关，通过硬连接线断开变频器上下接触器，甩开变频直接工频启动，小循环系统自动倒入原来老控制系统，以防止事故扩大。例如：Profibus总线电缆故障了，鼓风机处于失控状态，机前压力靠风机惯性缓慢减小，这时控制系统会发出声光告警，报通讯故障，需要人工迅速干预切换为老控制方式下。
 
4.7 两台上位机监控系统热冗余控制

    两台上位机同时监控整个系统，当主上位机A故障退出时，从上位机B仍然能实时监控系统，这样保证系统的安全性、可靠性。
 
三、结束语

 用高压变频器控制鼓风机，实现鼓风机机前集气母管的压力恒定控制，大大改善了焦炉生产及现场环境，完全达到了生产工艺要求。PLC控制技术、PROFIBUS总线技术和高压变频技术的完美结合，使得集成自动化程度高，运行稳定，操作简单，节能明显等优点。解决了两台鼓风机并列运行靠调节回流阀无法实现压力恒定和相互无扰动切换，这个始终困扰焦炉生产的难题。

 焦炉鼓风机高压变频器控制系统的成功应用，对于改善环境、提高煤气回收量和质量，都具有很高的经济价值，值得推广

1．引言
 怀洪新河西起安徽怀远县、东至江苏洪泽湖，全长300余公里，是国家治理淮河的关键工程之一。其中在安徽蚌埠境内有三座水闸，即怀远县何巷分洪闸、五河县西坝口节制闸、固镇县新胡洼节制闸（包括一孔船闸），由蚌埠市河道局统一管理。由于三闸和总局四地相距都在几十公里以上，为实现远程统一调度，特设计了三闸联动计算机监控系统。
2．系统功能
 1）实时监测。对各扇闸门开关状态及开度、上下游水位值、工作电源、电机状态等运行状态实时监视，并在现场及上位机中显示。
 2）现场闸门控制。在操作现场对闸门操作，并可在现场信号灯、仪表等显示单元中观察操作进程。
 3）远方闸门控制。在控制室的工控机和继电器柜的触摸屏上，根据水文调度方案和闸门标准控制方案进行远方操作。远方操作优先级低于现场操作，现地柜的急停按钮可以中断任何类型的操作。
 4）闸门启闭优化。可根据闸门启闭特性、操作规程，编程确定闸门*优运行模式（如可分段开启、成组开启、确定*优开启闸数和开度等）。
 5）完备的网络功能。可在互联网上发布信息，将异地三个闸门的运行状态和水位集中显示在蚌埠河道局的服务器上，使调度中心能实时掌握信息，集中管理，统一调度。
 6）故障显示和报警。具有电机过热、超限制数量同时启动、闸门开拒动、关拒动、下滑等故障的报警功能及保护手段。
 7）事件纪录、流量统计及打印功能。能够对开关闸的时间、开度等作记录，对较长时期的上下游水位和流量作趋势统计，便于分析闸门的运行情况和效益。
3．系统组成
 整个闸门监控系统由远程监视单元、集中控制单元、现场执行单元、闸门位置、水位、电机状态采集装置构成，如图1所示：
 
图1 系统结构图
 由系统结构图可以看到，系统可分为四层：
 第一层为远程监视单元。在蚌埠河道局总调度室建立网上工作站，通过互联网利用西门子的WinCC Web Navigator软件把三地上位机WinCC的数据传送至工作站，以便于实时查询三闸状况，作出统一规划。在四地均有微波发射接受装置，还可通过微波通信传输现场有线电视的图像信息，在内线电话中交流信息、发布指令，以备洪水损坏网上通信线路时使用。
 第二层为集中控制单元，由工控机、触摸屏、PLC构成。在三地各闸上均设有工控机和触摸屏，工控机放在控制室中，触摸屏放在现场继电器柜上，二者同级，由一个选择开关选择，都能察看现场信息、对现场的十余台启闭电机进行操作。工控机、触摸屏通过MPI总线连在同一个下位PLC上，由二者发出指令，PLC判断执行；PLC还不断检测电机状态、闸门开度、水位值，并将结果送往二者显示。
 第三层为现地监控单元，由操作箱、旋转编码器、显示仪表组成。每个启闭电机均有一个操作箱，上面有远控、现地选择开关，当开关处于远控时，工控机、触摸屏操作有效；当开关处于现地时，操作箱上的按钮有效，以保证在PLC失电的情况下仍能单个手动开关闸门。而电机轴上的旋转编码器将开度信息送给仪表在面板上显示，同时仪表又将其转化为电流信号转给PLC。
 第四层为传动机构和执行机构。当PLC或现地柜发出开关指令时，电机运转由传动装置带动闸门开启关闭。
4．系统软硬件配置
 本系统PLC采用西门子S7-300系列、PLC程序编辑软件采用西门子Step7V5.2；工控机选用研华工控机，加装西门子CP5613A2网卡，与PLC的MPI口相连，操作系统采用bbbbbbs2000 Professional、上位组态软件采用西门子WinCC5.1、远程网上通讯软件采用西门子WinCC Web Navigator，触摸屏采用XBTG－5230，除触摸屏外各部分完全兼容。PLC的CPU型号314-1AF10-0AB0，0.1微秒指令执行时间，48K工作内存，另加24K存储卡，可备份指令和保存数据块，MPI总线运行波特率187.5Kbps,CPU共可接32个模块，根据点数实际加载10个模块左右，用IM365扩展一个机架；系统开关量和输出使用DC24V、32点的SM321、SM322，水位和闸门开度检测采用4-20mA信号，使用8通道16位的SM331，采样频率50Hz。组态软件WinCC5.1集编辑、运行功能于一体，还可在时加载Web Navigator，向远方网上工作站发送信息。的触摸屏XBTG－5230要和西门子的PLC通讯需重载通用的Boot程序，与MPI接口连线如图2所示：
 
图2 触摸屏与西门子PLC的MPI接口连线图
5．系统软件设计
 
图3 软件流程图
 如图3所示，系统的主要控制程序放在PLC中，包括模拟量采样滤波及线性变换、故障判断及报警、单孔及成组控制程序；而流速和流量积算程序因为实时性要求低、分支选择语句多、查表程序复杂，放在工控机上执行。
 系统控制方案有单孔和成组两种，单孔即每孔闸门的开、关、停和自动动作到*开度的控制方案；成组即每地闸门根据工艺要求和实际操作经验形成的一组闸门的联动控制方案，三地闸门各不相同，应在当地工作人员的要求和指导下完成。
 闸门开度和上下游水位经仪表转换后变为标准的4-20mA信号，再经PLC转换变为0-27648的整数值，要成为实际显示的开度和水位值，还必须经过程序线性变换；由于采用模拟信号，不可避免的会有干扰，因此还要有滤波程序。
 故障判断有三种：开拒动、关拒动、下滑故障判断。程序采用每三秒记一次电机状态和开度值的方法，如连续两次为开闸状态但开度未增加或增加小，则视为开拒动故障；连续两次为关闸状态但开度未减小或减小极小，则视为关拒动故障；连续两次为停机状态但开度减小，则视为下滑故障。这样时间上会有3-6秒误差，但不用每个闸门都使用3个单独的定时器，减小了几十个定时器的数目。任一故障都会引发报警，直至被人工。
 流速和流量积算放在WinCC的全局脚本中执行，每10秒循环执行一次，结果存储在PLC上，使触摸屏也能查询；流速还可在WinCC中存档，形成历史趋势，以供查询评估。
 在WinCC中集成了完善的图形监控、故障报警、用户管理、事件纪录、历史统计、报表打印等功能，作为一种优秀的组态软件，完全能够满足系统要求；在加入Web Navigator后，三地闸门成为服务器端，蚌埠总局通过客户端即可实时了解三地闸门的运行情况，并据此发布指令。这样便形成了一个完整的三闸联动计算机监控系统。
6．结语
 本闸门监控系统基于标准工业控制器件及先进的组态和网络技术，完全能够满足实际运行所需要求，并具有很高的可靠性和一定的扩展能力，对于中小型水闸十分适用。该系统是确定防洪、灌溉方案时的依据，能及时可靠地提供资料，并能迅速地根据指令完成联动操作，具有巨大的安全和经济效益。