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西门子模块6ES7516-3AP03-0AB0参数详细
火力发电厂的锅炉给水泵，需要根据机组负荷的改变来调节给水压力和给水量。在几种调节方式中，因改变给水泵转速来调节流量具有明显的节能效果而被广泛采 用。对于大容量机组的锅炉给水泵，通常以异步电动机为动力，几乎都是通过安装液力偶合器进行机械调速，并且这种调速方法具有空载起动电动机的良好作用。
液力偶合器属于电厂辅助设备，目前大多数都是采用分散仪表监控，有的甚至脱控运行，亟待运用测控新技术，对其运行状态参数进行自动监测和控制。西门子 S7-200PLC是一个非常好的选择，它性价比高、系统组装和构建网络非常灵活、而且具有PID调节指令功能，编程和调试非常方便，因此，基于西门子 PLC的控制系统将极大地提高整机运行的可靠性和经济性。
1 调速原理
液力偶合器安装于异步电动机和给水泵之间，它是一种利用液体通过泵轮和涡轮来传递功率的传动装置，主要由泵轮、涡轮、旋转外壳和勺管等部件组成，如图1.1所示。 工作时，输入轴从电动机处获得能量，通过中间轴，泵轮将机械能转变为工作腔内的液体动能，推动涡轮转动，再变成机械能传给输出轴，带动锅炉给水泵工作。
为适应机组工况的变化要求，在电动机转速恒定的情况下，调节勺管的开度，可改变偶合器工作腔里的充液量，不同的充液量可以得到不同的输出特性，因此，通过连续改变充液量既可实现输出轴的无级调速。
调速机构中的勺管，由电动执行器通过简单的机械机构驱动。电动执行器 接受标准电流信号，将其转换成相应的转角输出，因此，调节转速实际上是调节控制系统的输出模拟量信号，西门子S7-200PLC满足这一主要功能要求。
2 测控对象
1)转速调节系统
该系统最主要的测控对象是液力偶合器输出轴的转速。调速原理如图 2.1所示，利用液位变送器，将反应锅炉水位的模拟量信号送给控制系统，同时利用测速变送器，将输出轴转速也反馈给控制系统，依据设定的PID控制算法计 算后输出电流信号，电动执行器将之转换成相应的输出转角，通过调节机构驱动勺管移动，其开度对应锅炉水位要求的泵轮转速。
2)工作油系统
液力偶合器工作腔内介质油的最佳工作温度为60°～70℃，油温高虽然有利于能量的传递，但过高反而有害无益，因此要限制工作油温度范围为35～100℃，采用铂电阻温度传感器，当油温高于110℃时报警，当油温高于130℃时停止主电机运行。另外在 工作油冷却器入口和出口分别设置温度传感器，将入口油温度控制在60～100℃，将出口油度温控制在35～75℃。
3)润滑油系统
高转速、大功率液力偶合器带有滑动轴承，其润滑油系统独立于工作油系统，因此在输入轴、中间轴、输 出轴等处设置6个铂电阻温度传感器，测量滑动轴承温度，避免温度过高使润滑性能变差，烧坏轴瓦。限定润滑油温度范围在35～85℃，当油温高于90℃时报 警，当油温高于95℃时停止主机运行。另外在润滑油冷却器入口和出口分别设置温度传感器，将入口油温度控制在45～65℃，将出口油温度控制在 35～55℃。
为防止压力过低供油不足而造成润滑情况恶劣，限定润滑油压力范围在0.2～0.3Mpa，监测母管油压，当油压低于 0.1Mpa时报警，并且启动辅助油泵，低于0.05Mpa则必须停止主电机运行。另外还要限定滤油器进出口压力差不超过0.6Mpa 。
3 硬件组成
反映系统状态的主要参数是水位、转速、油温、油压等物理量，选用各类变送器转换为4～20mA的标准电 流信号，共计14路模拟量;各电机、阀门、报警指示灯等开关量输入输出共30点，因此系统的配置不甚复杂。采用西门子S7-200系列小型机控制，一旦发生故障影响面小、容易查找。
首先选用CPU226模块，具有24点输出/16点输入，可连接7个扩展模块，提供1000mA的总线电流，并且具有32位浮点运算功能和内置集成的PID调节运算指令，非常适合液力偶合器调速的锅炉供水系统。
其次扩展EM231模拟量 输入模块(4路模拟量输入，消耗DC5V电流为10mA)3块;扩展EM235模拟量输入输出模块(4路模拟量输入/1路模拟量输出，消耗DC5V电流为 10mA)1块，通过DIP开关进行设置，输入输出端口时能够自动完成A/D和D/A的转换，即标准电流信号与一个字长(16bit)的数字信号的自动转 换。系统总扩展模块数为4，CPU226的电源能满足所有扩展模块消耗DC5V总线电流的能力。
另外，CPU226本机集成了两个通 讯口，其中一个使用 MPI协议，使液力偶合器作为从站，完成其控制系统与主站的通讯;另一个用于TP070显示器接口，作为本机系统的显示界面。
4 控制程序
控制程序采用主程序、子程序以及中断程序来编写。主程序完成电机、油泵启停等开关量 逻辑控制以及温度、压力等主要模拟量监控和报警;子程序SBRO～SBR11传递工作油温控制参数、润滑油温度、压力、压差控制参数;主程序允许定时中断，进入中断服务程序执行含有PID指令的一段程序，对输出轴进行调速控制。
1)主程序
为了保证液力偶合器正常工作，控制系统必须满足严格的的启动、运行和停止条件。既开机顺序为先启动辅助润滑油泵、开冷却水闸，再启动主电机;停机顺序为先停主电机，再停润滑油泵、关闭冷却水闸;运行工作条件为勺管调速构控制功能正常、油温和油压监测系统正常等。 系统主程序流程如图4.1所示。
2)数字PID控制程序
根据液力偶合器的结构特性可知，机械-液力传动系统惯性较大，输出轴速 度调节响应有一定的滞后性。正可运用S7-200PLC中的PID控制子程序，与EM235模拟量输入输出模块一起，提高系统的速度调节响应，改善系统的 动态特性。
PID控制器的设计是以连续的PID控制规律为基础的，sp(t)是依据锅炉水位确定的输出轴给定速度值，pv(t)为输 出轴速度反馈量，e(t)=sp(t)-pv(t)为误差信号， c(t)为系统的输出量。PID控制算法的输出量如下式所示：
Mintal为输出的初始值，Kc为系统比例系数， Ti，Td为PID的积分、微分时间。
输出轴转速的PID闭环控制系统如图4.2所示，将上式数字化，写成离散形式的PID方程，则 程序中实际的PID算式如下式所示：
上式中共包含九个参数，存储在36字节的PID回路参数表内，见表4.1。CPU226提供的PID回路指令， 其操作就取决于这九个参数，必须指定内存区内该参数表的首地址。在应用于PID指令之前，需要将参数转换为标准化的浮点数表示形式，转换的第一步是把实际值从16位整数数值转换为浮点数数值，第二步是将转换后的浮点数再转换成位于0.0～1.0之间的标准化数值。
由于机械-液 力传动系统惯性较大，本系统仅采用比例和积分控制，100毫秒中断一次，做PID计算，通过工程计算初步确定其增益和时间常数为Kc=2.5、 Ti=60s、Td=0s、Ts=0.1s，进一步计算后可达到最优控制效果。
5 结 论
基于西门子PLC的控制系统，实现了对液力偶合器主要运行参数的实时监控。通常，电厂锅炉配备两台以上的给水泵，结合蒸汽锅炉运行状态的自动监测，可以实现整个机组的在线监控、故障诊断和报警等,西门子PLC具有丰富的网络构建功能，因此液力偶合器控制系统尚有很大的可扩展性
2.4 PLC 控制系统的调试 PLC 控制系统的调试有两个部分的调试,首先是模拟调试,然后再在模拟调试无问题的 前提下进行联机调试。 (1) 模拟调试：硬件进行模拟调试的前提是控制系统与主电源断开,以此将硬件独立出来 进行模拟调试。在模拟调试过程中,软件部分的调试主要是利用各种输入控制和观察信号指 示灯的变化来实现的,即使用开关、电位表以及万用表等模拟输入信号,在观察 PLC 的输出逻 辑关系来验证软件部分能否正常运作。如果模拟测试软件部分出现了逻辑错误,要反复修改 测试,直至输出逻辑正确的位置。 (2) 联机调试：在模拟调试合格的前提下,就可以进行系统的联机调试了。联机调试的目 的主要是测试 PLC 控制系统软件和硬件之间的兼容性,即将模拟测试合格的软件程序载入到 PLC 控制电路之中进行实际情况下的运行。如果联机调试结果不符合预期的要求,则要重新 对控制系统修改和调试直至达到相关要求为止。 3、PLC 控制系统在电气设备中的应用 PLC在电气设备的控制系统中被广泛应用,下面就两个实例来说明PLC在电气设备中的 应用,其中一个典型的例子是利用 PLC 改造老式的采用的继电器控制的电气自动化系统,从 而实现实时对电气化设备状态变化等;另一个是 PLC 轧钢厂加热炉上料系统中应用。 3.1 PLC 在电气自动化系统的改造方面的应用 (1) 系统硬件的设计：首先是选择机型和相关配套的模块。机型的选择要综合考虑其性 能、可靠性、价格以及配套的各种功能模块等因素,从中选出最适合的机型。其次是选择 I/O 接口。一般来说。I/O 的选择有四个步骤：一是选择 I/O 的数量,选择时必须考虑留出一定的 接口数量作为备用;二是确定离散和模拟输入输出;三是确定特殊的输入输出,由于有些特殊 类型功能模块不能使用 I/O 接口通信,因此要特别注意厂家是否提供了相关模块;四是确定智 能输入输出,智能输入输出模块可以提高 PLC 对数据的处理和反应速度,因此在选用时要特 别注意。再次是电源的选择。电源模块的选择没有什么特殊的要求,只需要电源模块提供的 电流能够大于 PLC 控制系统工作时所需电流即可。然后是考虑抗干扰措施设计。由于 PLC 的电路对于环境湿度、温度等比较敏感,工作性能受环境因素影响比较大,因此在 PLC 硬件系 统的设计过程中一定要考虑其考干扰措施的设计,优先选用抗干扰措施设计较好的硬件。最 后是控制元件的设计。主要任务有两个,分别是存储器空间的分配和专用存储器的确定。 (2) 系统软件的设计：首先是进行系统程序的初始化设计。综合考虑电气自动控制系统 程序的启动条件、关断条件以及其制约条件等,从而从整体上确定 PLC 程序的结构形式。 其次是选用合适的编程方法和编程语言对 PLC 程序进行编写,并对编写好的 PLC 程序 进行检查。最后是进行系统的调试。首先进行系统的模拟调试,将控制系统同主电源断开,单 独对电气自动化控制系统进行模拟调试。若模拟软件测试过程中发现问题,需要对软件进行 。若在此过程中未发现问题,则通过系统的模调试,进入系统的联机测试。将合格的程序 载入电气自动控制系统中,进行现场的运行,反复修改调试直至达到通过利用 PLC 改造老式 的电气自动控制系统的预期目的。完成以上工作后编写相关技术文献交付使用后利用 PLC 改造老式电气自动控制系统的工作就完成了。 3.2 PLC 在轧钢厂加热炉上料系统中的应用 (1)系统硬件设计：PLC 在轧钢厂加热炉上料系统中的硬件设计,主要的考虑因素是对于 轧钢厂内钢材的长度控制和钢材运输辊道的速度控制以及停车控制。可以根据相关要求选取 合适的 PLC 作为主控制器,譬如,可以选择华光 SZ4型 PLC 作为轧钢厂加热炉上料系统的主 控制器。然后,再选择相关的配套功能模块组成硬件系统,如针对钢材的长度控制,我们可以选 本光洋 TRDJ1000S 型旋转编码器,SZ 系列 PC 的 ZCTIF 计数器接口模块以及 OMRON 的 EJR5E4型光电感应器,而对于钢材运输辊道的速度控制以及停车控制,我们可以一般采用 75kw 的变频器即可。 (2)系统软件设计：系统的控制系统的设计主要是依据轧钢厂加热炉上料系统的工作原 理,即轧钢厂加热炉上料系统的控制系统根据所需加热的钢材的长度控制电机的工作。在 PLC 的整个控制过程中,PLC 首先对钢材的长度进行测量,然后再通过反馈的脉冲信号控制 变频器进行调速,从而对电机进行控制。在依据以上原理编写完 PLC 控制程序后,还需要进行 软件的模拟调和联机调试。 随着人类的发展需要,人们对于电气设备工作的精度、可靠性以及稳定性等要求越来越 高,将 PLC 用于电气设备的控制,可以显著简化系统的控制结构,同时也能大大增加系统的可 靠性、稳定性和精确性,并且 PLC 控制系统的操作简单,故障率低。毫无疑问,电气设备自动 控制系统采用 PLC 是未来电气设备控制系统的发展趋势。
