西门子模块6ES7315-2FJ14-0AB0
PLC 级式语言 组态软件 PID控制
1.概述: 空分设备是从空气中同时提取氧气和氮气的成套空气分离设备，其工艺流程为中压带透平膨胀机的克劳特循环。空气从大气中吸入空压机，被压缩到所需的压力，再经末级冷却器冷却后进入氟里昂预冷机组，被冷却至5℃左右进入纯化器，在其中除去水份、二氧化碳、碳氢化合物等物质，进入分馏塔。经纯化后的压缩空气进入分馏塔的主换热器（上），与主换热器（下）来的氧、氮及馏份气进行热交换后经节流阀与膨胀机出来的冷空气会合于下塔底部的蒸发器，在下塔进行传热、传质过程。液空在下塔预分后，再节流到上塔进一步分馏，在塔顶得到纯氮气，上塔中部抽出之馏份气经上换热器回收冷量后作为纯化器再生吹冷用，产品纯氮气通过管道输往用户。产品氧气在输氧管路旁接水封器后导入贮气囊通往氧压机。
空分设备控制方法以前一般是采用机旁柜方式，使用单回路调节仪及很多的仪器仪表配合人工进行控制，操作麻烦，采用PLC加上位计算机控制后，可以大大减少值班人员，**系统的可靠性。自动控制系统下位机（PLC）主要分为以下几个部分：纯化器控制、 精溜塔控制、 膨胀机控制、 贮气槽控制系统；上位机监控系统主要包括：系统流程显示 、系统预警报警、 数据记录及图形化显示 报表打印等
2.系统框图如下: 
3.功能介绍: 本高纯氮设备由上下位机组成的电脑控制系统对整套装置实施控制和管理。通过PLC控制柜编制控制程序，用它来处理运行整套装置的所有输入和输出信号。个人电脑（PC）是PLC控制柜和操作员之间的人机界面，它里面安装了人机交互软件包INTOUCH组态软件，电脑还连接打印机，可打印表格和图形等。
3．1 上位控制主要功能
电脑控制系统的主要功能包括对整个装置的工艺参数进行预设并传输到下位PLC，实时监视系统运行状态，软件连锁和硬线连锁，用键盘输入操作命令，历史数据记录和处理（数据统计、产量累计、报表和图形生成）等。操作画面根据流程画面分页，分页画面包括氮气站总流程，压缩空气系统，预纯化系统，精馏系统，膨胀机系统，氮氢混配系统，液氮备用系统，管网压力调节系统和加温解冻系统等画面，此外还有历史趋势画面、报警画面、打印报表画面、参数总揽和调节回路画面等。该控制系统中，设置三级不同的操作等级（常规操作级、参数修改级、工艺级）使用密码保护，所有功能对工艺级开放，其他两级为受限用户。未经授权的操作人员只能查看运行状况，只有经培训合格的人员才会被授予操作权限。
精镏塔画面如下：
3．2 下位PLC主要控制功能
3．2．1 纯化器控制
预纯化器的再生有5个循环步，他们分别是卸压（A），加热（B），冷却（C），均压（D）和并联（C）。逻辑控制软件自动控制纯化器的变温吸附循环，控制过程的监控对象有加热和冷却温度，阀门状态，当前循环步，当前循环所剩时间和当前状态等。如果控制程序出错装置会报警，错误严重时装置会连锁跳机。操作人员在停机后启动装置时，应根据停机时间长短或停机时的循环步来决定是恢复到停机前的循环步或通过步进开关来重新设定循环步来恢**置运行。
动作阀位表
纯化器控制根据时间进行流程控制，使用KOYO的级式语言方式进行编程非常方便。级式编程语言，是光洋电子根据理论开发的，力求成为理想的控制用编程语言。可以说是适合流程控制的编程语言。
级式语言是面向工艺流程的可编程序控制器编程语言将控制过程按工艺流程分成若干动作工序，分别编制各工序的处理程序，并根据工序结束条件及工序转移方向，将这些处理程序连接起来，就是2级式语言。如
在每一工序中对输入输出单独进行处理，而不需考虑一般梯形图所需的复杂互锁关系，而且在调试过程中，对设备进行到什么状态会非常方便。
部分控制程序如下：
3.2.2 精溜塔控制
有关测点的温度、压力、**信号经模块相应PLC的输入模块输入到PLC，PLC根据上位机预设的相关参数，进行阀门的PID调节，阀门的开关，阀门的连锁动作，预警及报警处理。
3． 2.3 胀机控制
有关测点的温度、压力、**信号经模块相应PLC的输入模块输入到PLC，PLC根据上位机预设的相关参数，进行阀门的连锁动作，根据制冷量的要求，由操作人员通过上位机根据测试点的参数控制膨胀机相关阀门开度以控制膨胀机转速，当膨胀机由于意外操作或机器故障引起转速过快时，会提前预警，达到连锁值时会立即关断进气阀，打开旁通阀以保护膨胀机不致损坏。
3． 2.4气槽控制
当管网压力持续下降，通过中压氮气罐调节系统还不能将管网压力维持在使用要求压力时，PLC将指令打开液氮备用系统调节阀，从液氮备用系统补充气化后的液氮来**氮气管网压力,当管网压力恢复时停止补充液氮。液氮备用系统还可在制氮装置停运时，作为后备系统替代制氮机向管网供气。
4. 应用效果: 使用基于以上PLC控制，上位机监控方式控制空分制氮（氧）设备大大**了设备的自动化程度，减少了人为的原因引起的系统故障，同时大大减少了设备日常运行人员数量，为各使用单位带来明显的经济效益。上位机画面实时显示设备运行状况，提示故障时的应对措施，对设备操作人员提供了极大的方便性。机旁柜控制方式时，一名设备操作人员至少要经过1到2年的培训和实践才能独立对设备进行操作，而采用本系统方式时，一名操作人员只需经过几周的培训就可以实际操作。该控制系统在上位机部分还设有不同操作人员的不同控制级别（密码保护），这样可以大大预防不熟悉人员对机器的误操作。同时系统对运行过程中的数据实时进行记录和保存，为设备的工艺工况分析提供了手数据，为设备的工艺改进提供了手资料
1 引言
随着电力电子装置不断用于各个领域，其中大量使用的不控整流设备只能实现能量的单向传输，并且功率因数低，对电网的谐波污染十分严重。应用直接功率控制（DPC）的三相PWM整流能有效改善电流波形的畸变，获得高功率因数；而且相对于电流控制的PWM整流器，它省去了内部的电流环，减少了参数调试，在数字实现中无需旋转坐标变换，直接对有功和无功功率运用Bang-Bang控制，具有结构简单，输出稳定，动态响应速度快等优点。
2 系统构成和控制策略
2.1 三相PWM整流器的数学模型
图1为三相PWM整流器主电路图，定义A相的开关信号为Sa，则Sa=1时，VT1开通，VT2关断；
Sa=0时，VT1关断，VT2导通。同样的定义B相和C相开关信号为Sb和Sc。Ud为直流电压，L为滤波电抗器的电感（此处忽略电阻），C为直流侧的电容，RL为负载，iL为负载电流。则得到三相PWM整流器开关数学模型如式（1）
从上式可以看出，三相PWM整流器系统工作原理主要是通过对开关器件有效的控制，使得桥臂终端a，b，c电压为一双极性SPWM调制脉冲序列。当开关频率足够高时，根据傅立叶分析，桥臂端电压为基波交流电压和高次谐波电压叠加而成，电感 平衡和抑制高次谐波电流，缓冲桥臂脉冲序列中的无功功率，从而获得与网侧电压同相位的电流。
2.2 DPC系统结构和控制策略
由式（2）得出：在一定的电网电压下，通过设定有功功率和无功功率，就有确定的三相电流状态。即控制有功功率和无功功率两个量可以实现上文所述的对电流的控制。
本文研究的三相PWM整流器的DPC主要是基于瞬时功率的概念。传统的有功功率、无功功率都是定义在平均值基础上的，它们只适用于电压、电流为正弦波的情况；而瞬时功率的概念对正弦、非正弦电压
2.3 DPC系统硬件设计
系统核心控制芯片为TI公司的TMS320F2812 DSP芯片，采用该芯片有以下优点：
（1）指令周期为6.67ns（150MHz）；
（2）内部集成128K的FLASH ROM和18K的SRAM，编程方便；
（3）具有丰富的外设，有多达16个通道的12位的ADC，单路转换时间仅60ns，事件管理器（EV）可以方便的控制PWM输出
系统主电路中采用三菱公司的IPM功率模块PM75CSA120，它具有高20kHz的稳定工作频率，集成了完整的三相功率回路，优的IGBT门极驱动，完善了对短路、过流，温升过高和欠压的保护，特别适用于变流装置。
3 实验结果与分析
基于前述的PWM整流器原理及DPC控制策略，研制了一台样机。前级采用自耦变压器降压作为整流桥输入，整流系统的进线滤波电感为8mH，电阻忽略不计，工作频率20kHz。直流母线滤波电容为两个450V/4700μF电容串连。
3.1 稳态波形
图4（a）为稳态输入的相电压和相电流波形，由图可见，电压电流相位相同，其中电流近似正弦波，但在波峰处仍有一定的毛刺，这是因为控制系统的信号采集部分有很小的相位迟滞，所以对瞬时功率的控制存在一定的滞后。图4（b）为稳态时的网侧的输入有功和无功功率波形，它们由式（7）计算后输出到一个12位DAC芯片得到的，DAC输出高电压2.5V，波形中P的平均值大约为340mV，计算之得：P=0.34/2.5*4095=556.92W，与实验运行参数相符。无功功率在很小的范围内波动，近似为零。可见采用DPC控制策略的PWM整流器功率因数近似为1，具有良好的输入特性。
3.2 负载变化的动态响应
图5为负载从100Ω变化到50Ω，输出功率增大，输出直流电压、网侧电流和有功无功的动态波形。从图5可以看到，输出直流电压基本不变。网侧电流和有功功率经过大约40ms后在新的状态下稳定，显示了DPC的快速的动态响应和良好的输出特性。