西门子6ES214-1HF40-0XB0型号介绍

一、前言：


　　随着近年来硝酸行业的蓬勃发展，国内很多化工厂都相继上马年产10万吨的双加压法硝酸生产线，而四合一机组就是生产线的心脏。可编程控制器（PLC）以其在操作、控制、效率和精度等各个方面所具有的无法比拟的优点，迅速占领了工业生产中的各个领域，在旋转风机的控制中也占有不可或缺的位置。尤其旋转风机本身具有喘振特性，要求控制系统迅速作出反应，这就更加凸显了PLC控制的优势。这里以硝酸四合一机组的控制为例子，对GE公司的90_70系列PLC在此领域的应用做一个介绍。

二、工艺要求：

　　硝酸四合一机组由轴流压缩机、NOX压缩机、尾气透平膨胀机、汽轮机、变速箱，和配套辅机，包括润滑调节油站和相关阀门等件组成。硝酸四合一机组中，轴流压缩机、NOX压缩机为耗功设备，尾气透平膨胀机、汽轮机为原动机，共同驱动轴流压缩机、NOX压缩机。轴流压缩机是硝酸工程的原料压缩机，轴流压缩机所压缩的空气与氨混合后进入氧化炉，进行氧化反应，生成的氨氧化合物混和气经废热锅炉进行热交换，然后进行速冷，温度降至60℃，经脱水后进入NOX压缩机，经过压缩的气体进入吸收塔，制成硝酸，从塔顶逸出的尾气经预热、过热后进入膨胀机做功，回收能量，尾气做功后经烟囱排入大气。

　　自控系统要求检测系统过程参数，计算后对作用到执行机构上，使过程参数符合工艺要求；对各个工艺变量进行实时检测，防止系统由于工况异常而出现事故,特别是当机组出现喘振的趋势，系统要能迅速作出反应，对机组进行控制，防止喘振的发生；当工艺变量异常时，系统能够报警、停车。

三、设计选型：

　　系统硬件选用美国GE_Fanuc公司的90_70双机热备系统作为PLC主站，VersaMax系列作为系统I/O子站，上位使用DELL工控机，配备20’宽屏液晶显示器。

　　90_70系列PLC是GE公司推出的针对中等规模PLC控制系统的一系列产品，这里选用其中的IC697CGR772型号，采用96MHZ主频，1M用户内存，特别支持双机热备。双机热备系统中两个PLC主站互为备用。正常工作时其中一个对系统进行控制，另一个作为备用，在主机架出现问题的情况下，无扰切换到备用机架，以保证系统的正常运行，让客户可以从容对问题机架进行维护。

　　VersaMax系列作为GE的低端产品，主要应用在小型控制系统上，这里选用这个系列的I\O模块产品作为下位的I/O子站，主要是出于成本考虑，其在较低价格的基础上性能能够完全满足客户需求，并且具有结构紧凑、易于安装、兼容性好等优点。

　　在90_70和VersaMax系列I/O子站之间使用Genius总线进行连接。Genius总线每层局部网络多可以支持31个装置，装置之间大通讯距离为7500英尺，传输速率大为153.6kbps。每个90_70机架上选用2块专门的总线控制模块IC697BEM731,配合下位I/O子站的IC200GBI001，构成冗余Genius总线通讯系统。冗余系统能够在其中一条Genius总线出现故障的时候，保证系统通讯正常，确保生产过程的安全性。

　　上位工控机特意选择20’宽屏液晶显示器，主要是为了让现场工作人员能够长时间观察系统画面不至过度疲劳。

　　在90_70控制站和上位工控机之间使用以太网进行连接，控制站上选用专门的以太网通讯模块IC697CMM742，通过交换机，和上位工控机进行数据交换。

　　由于系统还要和专门的旋转机械检测设备本特利3500系统进行通讯，所以在90_70控制站上还安装了编程协处理器模块IC697PCM711，专门和本特利3500进行数据交换，保证数据的及时、准确。

　　为了和工艺上的DCS系统进行通讯，系统还在90_70控制站上安装了通讯协处理器模块IC697CMM711，保证通讯畅通。

　　系统结构见下图

四、设计过程：

　　目前控制系统普遍采用如下模式：

　　现场操作人员PLC

　　PLC通过现场设备读取各种现场数据，通过编制好的程序，进行逻辑判断，传递给现场的设备进行动作。同时现场的操作人员可以通过上位机读取数据、对相关设备进行操作。
其中主要的工作重点，一个是PLC内部程序的编制，要求能完全满足工艺的要求，确保设备安全、稳定的长期运行。另一个就是上位画面的绘制组态，要求能够符合现场工作人员的习惯，操作尽量简洁、明了。

　　⑴下位机编程：

　　下位编程使用GE公司的CIMplicity Machine Edition软件（简称ME），它是GE公司开发的让用户可在个人电脑上进行控制程序开发，然后通过以太网或其他方式下载到PLC中的新一代编程软件。其内置大量**、实用的公共编程工具，让用户使用少的时间去学习软件的使用，把更多的精力用于控制程序的开发。

　　编程过程主要是将下位I/O子站传输上来的各种信号经过变换、计算后，得到我们需要的信号或数据，在此程序中主要包括如下几个方面：

　　量程变换

　　在编程过程中，首先将所有模拟量输入信号进行量程变换，使其在上位机显示出实际值。由于现场来的模拟量信号都为4～20mA信号，经过AI模块转换后，对应到相应AI为0～32000的数字值，所以为了得到该信号代表的实际值，需要将该数值除以32000再乘以量程，后加上量程下限，得到实际值。
例如：压力量PI6501量程是0.5MPa~1.5MPa，如果此时输入的模拟信号为16mA，则在PLC中认为该AI为等于24000的一个数值，24000/32000×（1.5-0.5）＋0.5＝1.25MPa，这才是该点的实际值。

　　机组启动

　　四合一机组的启动需要满足很多条件，包括润滑油压力、调节油压力、盘车电机解锁、油箱液位、两个防喘阀开度都为大等等，这些条件必须同时满足，才能允许机组启动。

　　停车连锁

　　为了整个机组的安全，当某些条件一旦出现，机组必须停车，避免发生事故。比如润滑油压力低、冷凝泵同停、轴振动高、轴位移高、速关油压力低、调节阀过高而转速低等等，这些条件的任意一个都需要使机组停车，而机组的停车操作需要进行诸如关闭速关阀、开防喘阀、开尾透出口阀、关尾透进口阀等一系列操作，这些操作必须及时、准确的达到设计要求。

　　防喘振

　　喘振是各类压缩机、鼓风机等大型旋转设备特有的机械现象。一般表现为：快速的**波动、迅速的压力振荡，喘振会导致风机的**和压力极其不稳定。由于喘振同时伴随有反向的轴向推力和反向介质流动，从而造成风机的间隙改变，降低风机的效率，缩短风机的寿命，对风机造成严重危害。

　　四合一机组共有两个需要喘振调节的设备：NOX压缩机和空气压缩机，他们的控制原理是一样的，只是喘振线的数据不同。当PLC检测到喘振即将发生时，会通过PID算法控制喘振阀进行“快开慢关”的操作，达到防止喘振发生的目的。喘振线和防喘振线都由风机的生产厂家在现场进行试验后提供。
汽轮机热井排水阀、回水阀调节

　　通过PID计算，对汽轮机排水阀、回水阀开度进行控制，对热井液位进行调节，使其保持在现场工作人员设定的数值。

　　低压设备控制

　　控制包括润滑油泵、油加热器、事故油泵、冷凝液泵、盘车电机等设备在内的8个低压控制设备，使其工作状态能够显示在上位画面上，并且在旋钮开关打到自动状态下时，能够在上位机画面上进行相应设备的启停操作。
调节在上位画面上对静叶开度、尾透进口阀、出口阀等设备进行控制。

　　编程过程力求安全、全面，要尽量全面的考虑可能发生的各种情况，并设计出相应的处理方法，同时尽量使程序简洁，加快运行速度。

　　⑵上位机画面

　　上位机画面采用GE公司的iFix3.5，该软件也为GE_Fanuc公司产品，提供了大量实用绘图工具，让上位画面的绘制简单、快捷。PLC与上位画面之间使用以太网进行通讯，保证了通讯质量。画面主要是让操作人员感觉操作简洁、明了、习惯、快捷。一般的操作都可在3次操作内完成。

1　前言

　　短纤维产品如涤纶中空纤维、三叶纤维、七孔中空纤维、十孔中空纤维本、以及各类阻燃纤维、抗菌纤维、加硅纤维（PP棉）等，它具有手感好、弹性、蓬松度高的特点，产品适用于生产喷胶棉、无纺布、针刺布、服装、玩具、枕芯填充料、踏花被、人造毛皮等等。由于该产品国内国际市场，很多企业都在对老线进行技术改造或是引进新的生产设备。本文就是针对该系列设备推出的成熟的变频技术方案。

　　短纤维设备包括前纺处理和后纺处理两大设备。其中后纺设备和工序包括：集束----牵伸浸油----卷曲-----热定型----切断----打包-----检验----成品----出厂。其中为重要的是从牵伸到卷曲的工艺过程，该流程中共有4个传动机构（一道牵伸、二道牵伸、三道牵伸、卷曲），在传统的工艺中采用一台大电机通过机械齿轮来单轴控制4个传动。由于单轴传动的弱点逐渐凸显出现，如齿轮箱损坏率高、牵伸比调节困难、单轴容易断裂等。因此在目前进口的化纤后纺设备中基本上都采用独立变频传动的方式来实现。

　　在采用独立变频传动的同时，有二个重要的问题必须要加以解决：（1）发电及能量反馈的问题；（2）同步牵伸的问题。二者都是由于化纤后纺工艺的需要，后纺的一个重要任务就是要使纤维丝通过牵伸速度的不同来达到工艺要求，这就导致了一道和二道牵伸经常处于发电状态；同时必须保证4个独立传动在加减速和恒速中同比例升速，这就引出了同步牵伸的问题。

　　2  多电机传动系统的建构

　　在化纤后纺的4个独立传动辊中，为保持一定的牵伸比，通常一道牵伸和二道牵伸处于发电状态，三道牵伸和卷曲则处于电动状态。

　　2.1 电动和发电

　　通常从变频器调速系统的二种运行状态，即电动和发电。在变频调速系统中，电机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的，在频率减小的瞬间，电机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电机的转子转速未变。当同步转速w1小于转子转速w时，转子电流的相位几乎改变了180度，电机从电动状态变为发电状态；与此同时，电机轴上的转矩变成了制动转矩Te，使电机的转速迅速下降，电机处于再生制动状态。电机再生的电能P经续流二极管全波整流后反馈到直流电路。由于直流电路的电能无法通过整流桥回馈到电网，仅靠变频器本身的电容吸收，虽然其他部分能消耗电能，但电容仍有短时间的电荷堆积，形成“泵升电压”，使直流电压Ud升高。过高的直流电压将使各部分器件受到损害。

图一  变频器调速系统的二种运行状态

　　如何处理再生电能呢？简单的办法就是能耗制动，它采用的方法是在变频器直流侧加放电电阻单元组件，将再生电能消耗在功率电阻上来实现制动，但是由于一道和二道牵伸传动始终处于发电状态，其发电功率是相当可观的，在实际操作中，需要有庞大的制动电阻群。因此如何将该电能利用起来，是一个急需解决的问题。

　　2.2 　多电机传动控制的建构

　　对于频繁启动、制动，或是四象限运行的电机而言，如何处理制动过程不仅影响系统的动态响应，而且还有经济效益的问题。于是，回馈制动成为人们讨论的焦点，然而目前大部分的通用变频器还不能通过单独的一台变频器来实现再生能量。为解决这个问题，本文介绍了一种共用直流母线方式的再生能量回馈系统，通过这种方式，它可以将制动产生的再生能量进行充分利用，从而起到既节约电能又处理再生电能的功效。

　　多传动控制回路包括直流输入回路、直流母线供电回路、若干个逆变器（或是具有输入缺相保护的通用变频器），其中电机需要的能量是以直流方式通过PWM逆变器输出。在多传动方式下，制动时感生能量就反馈到直流回路。通过直流回路，这部分反馈能量就可以消耗在其他处在电动状态的电机上，制动要求特别高时，只需要在共用母线上并上一个共用制动单元即可。

　　图二接线是典型的共用直流母线的制动方式，根据化纤后纺设备的特点，一道牵伸M1和二道牵伸M2在正常工作时处于发电状态，三道牵伸M3和卷曲M4则处于电动状态。由于M1和M2发电是由于3道牵伸的电动所引起的，该2台电机所产生的回馈能量足以消耗到处于电动状态下的M3和M4中，而不会引起直流回路母线电压的升高，这样就完全解决了再生能量的制动问题，从而使系统始终处于比较稳定的状态。

　　图二  共用直流母线的多电机传动方式

2.3  直流输入回路

　　直流输入回路负责提供多电机传动系统的直流电源，其主要部件为整流器。但是我们知道，当AC/DC电源启动时，将产生一个高达系统标称电流50倍的启动电流对输入电容（本文主要是指VF1-VF4变频器的电解电容）充电。该启动电流会导致主电源上电压降的产生，从而影响连接到同一个电源网络上的其它设备的正常工作，甚至熔断输入线路熔丝。通常情况下离线电源的前端由一个桥式整流器和一个大容量滤波电容组成，启动时对大容量滤波电容的充电会在输入端产生一个称之为启动电流的浪涌电流。如果不限制这一启动电流，那么输入熔丝就可能熔断或者可能触发电路保护断路器。因此直流输入回路的核心问题是控制启动电流。解决该问题的一种方案是将阻抗与一个硅通路元件或者机电继电器并联，再与整流器串连，这样就可以大大降低冲击电流，以保证直流输入回路的可靠性。

　　2.4  多电机传动的特点

　　化纤后纺设备采用共用直流母线的多电机传动控制方式，具有以下显著的特点：

　　a. 共用直流母线和共用制动单元，可以大大减少整流器和制动单元的重复配置，结构简单合理，经济可靠。

　　b. 共用直流母线的中间直流电压恒定，电容并联储能容量大；

　　c. 各电动机工作在不同状态下，能量回馈互补，优化了系统的动态特性；

　　d. **系统功率因数，降低电网谐波电流，**系统用电效率。

　　3  多电机传动牵伸同步的控制

　　    在化纤后纺设备的四道传动（三道牵伸加卷曲）中，其牵伸比的确定必须以四个传动电机的速度同步为基准。通常情况下，有一个主给定信号，同步控制的目标就是将这个信号按照牵伸比的要求均匀分配到M1、M2、M3、M4四个变频器中去，保证四传动无论在加速、恒速或者减速过程中都能保持同步的比例性。

　　以下主要讨论目前较为常用的三种同步控制方案。

　　图三  化纤后纺传动的同步控制方案   

　　3.1 模拟量同步控制

　　当一台整机或一条生产线中各个传动单元分别由独立的变频器驱动时，为了保证整机在一个主令转速的设置下，各单元同步协调工作（这里为固定的牵伸比），需要配置同步控制器。该同步控制器可对各单元传动速度分别整定，以实现各单元以一定的比例速度同步工作，总的主令设定电压（由电位器决定）通过给定积分器输出，可实现软起动和软停车。

　　该同步控制器能输出多路模拟量信号给变频器（这里为VF1-VF4）。模拟量输入设定方法是一种控制精度较高的方法，一般情况下可达电压“11bit+符号”或电流“10bit”级别的分辨率。

　　3.2 脉冲信号同步控制

　　在电子技术中，脉冲信号是一个按一定电压幅度，一定时间间隔连续发出的脉冲信号。我们将个脉冲和第二个脉冲之间的时间间隔称为周期；而将在单位时间（如1秒）内所产生的脉冲个数称为频率。

　　通常情况下，大输入脉冲频率可以在0.1KHz到50KHz之间选择。VF1变频器在主令电位器的控制下输出同步脉冲数给VF2，VF2接受脉冲数进行运转并同时输出同步脉冲数给VF3，直到VF4。由于脉冲信号的数字处理技术和抗干扰能力强，因此在同步控制中也被广泛使用。

　　3.3 通讯总线同步控制

　　通过网络设定频率是一种高精度的频率设定，其具有通讯速率高，稳定可靠，接线简单等优点，而且在模拟量控制时，输出端经过一个数模转换器，经过导线，进入输入端（变频器）又需要经过一个模数转换器才能参与控制。两个转换器位数不同和导线损耗都可能造成一定误差，而通讯传递直接是数字量不需要转换，没有误差，在传输过程中不会造成损耗，而且响应速度率也会很高。

　　通常情况下，同步控制可采用RS485总线的异步通讯控制方式，如图（3）所示。选用变频器标准内置的RS485可以方便实现与上位机的通讯，同时也可挂现场总线或局域网，通过网络进行信息交换，主要有PROFIBUS、Modbus、FF等对应不同的网络及总线形式，但必须配用专用接口卡。