西门子模块6ES7321-1BH02-0AA0使用方法

  • 更新时间:2024-05-10 16:00
    所属行业:电气 工控电器 DCS/PLC系统
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    产品规格:模块式

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浔之漫智控技术(上海)有限公司

西门子模块6ES7321-1BH02-0AA0使用方法


引言

    可编程控制器(PLC)是一种数字运算与操作的控制装置。PLC作为传统继电器的替代产品,广泛应用于工业控制的各个领域。由于PLC可以用软件来变控制过程,并有体积小,组装灵活,编程简单,抗干扰能力强及性高等特点,特别适用于恶劣环境下运行。

    当利用变频器构成自动控制系统进行控制时,很多情况下是采用PLC和变频器相配合使用,例如我厂二催化的自动吹灰系统。PLC可提供控制信号和指令的通断信号。一个PLC系统由三部分组成,即处理单元、输入输出模块和编程单元。本文介绍变频器和PLC进行配合时所需注意的事项。

    1.开关指令信号的输入

    变频器的输入信号中包括对运行/停止、正转/反转、微动等运行状态进行操作的开关型指令信号。变频器通常利用继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件(如晶体管)与PLC)相连,得到运行状态指令,如图1所示。

    在使用继电器接点时,常常因为接触不良而带来误动作;使用晶体管进行连接时,则需考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素,保证系统的性。

    在设计变频器的输入信号电路时还应该注意,当输入信号电路连接不当时有时也会造成变频器的误动作。例如,当输入信号电路采用继电器等感性负载时,继电器开闭产生的浪涌电流带来的噪音有可能引起变频器的误动作,应尽量避免。图2与图3给出了正确与错误的接线例子。

    当输入开关信号进入变频器时,有时会发生外部电源和变频器控制电源(DC24V)之间的串扰。正确的连接是利用PLC电源,将外部晶体管的集电经过二管接到PLC。如图4所示。

    2.数值信号的输入
    输入信号防干扰的接法

    变频器中也存在一些数值型(如频率、电压等)指令信号的输入,可分为数字输入和模拟输入两种。数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接口来给定;模拟输入则通过接线端子由外部给定,通常通过0~10V/5V的电压信号或0/4~20mA的电流信号输入。由于接口电路因输入信号而异,因此根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。图5为PLC与变频器之间的信号连接图。

    当变频器和PLC的电压信号范围不同时,如变频器的输入信号为0~10V,而PLC的输出电压信号范围为0~5V时;或PLC的一侧的输出信号电压范围为0~10V而变频器的输入电压信号范围为0~5V时,由于变频器和晶体管的允许电压、电流等因素的限制,需用串联的方式接入限流电阻及分压方式,以保证进行开闭时不过PLC和变频器相应的容量。此外,在连线时还应注意将布线分开,保证主电路一侧的噪音不传到控制电路。

    通常变频器也通过接线端子向外部输出相应的监测模拟信号。电信号的范围通常为0~10V/5V及0/4~20mA电流信号。无论哪种情况,都应注意:PLC一侧的输入阻抗的大小要保证电路中电压和电流不过电路的允许值,以保证系统的性和减少误差。另外,由于这些监测系统的组成互不相同,有不清楚的地方应向厂家咨询。

    另外,在使用PLC进行顺序控制时,由于CPU进行数据处理需要时间,存在一定的时间延迟,故在较的控制时应予以考虑。

    因为变频器在运行中会产生较强的电磁干扰,为保证PLC不因为变频器主电路断路器及开关器件等产生的噪音而出现故障,将变频器与PLC相连接时应该注意以下几点:
    (1)对PLC本身应按规定的接线标准和接地条件进行接地,而且应注意避免和变频器使用共同的接地线,且在接地时使二者尽可能分开。
    (2)当电源条件不太好时,应在PLC的电源模块及输入/输出模块的电源线上接入噪音滤波器和降低噪音用的变压器等,另外,若有必要,在变频器一侧也应采取相应的措施。
    (3)当把变频器和PLC安装于同一操作柜中时,应尽可能使与变频器有关的电线和与PLC有关的电线分开。
    (4)通过使用屏蔽线和双绞线达到提高噪音干扰的水平。

    3.结束语

    PLC和变频器连接应用时,由于二者涉及到用弱电控制强电,因此,应该注意连接时出现的干扰,避免由于干扰造成变频器的误动作,或者由于连接不当导致PLC或变频器的损坏。


1、概述
 
     随着计算机控制技术的发展,以微处理器为的可编程序控制器(PLC)控制已逐步 取代继电器控制,普遍应用于各行各业的自动化控制领域。煤炭行业也不例外,但目前煤矿 井下主排水系统仍多采用继电器控制,水泵的开停及选择切换均由人工完成,还做不到根据水位或其它参数自动开停水泵,这将严重影响井下主排水泵房的管理水平和经济效益的提高 。
 
     岱庄煤矿是1999年设计竣工的生产能力为1.8Mt/a的现代化矿井,井下涌水量较大,泵 设计安装了5台MD500-57×9主排水泵,配套电动机1250kW,3趟排水管路。正常涌水时,2 台工作,2台备用,1台检修。鉴于PLC的性和性,煤炭工业邯郸设计院对5台主排水泵及其附属的抽真空系统与管道电动阀门等装置实施了PLC自动控制及运行参数自动检测,动态显示,并将数据传送到地面生产调度,进行实时监测及报警显示。
 
     系统通过检测水仓水位和其它参数,控制水泵轮流工作与适时启动备用泵,合理调 度5台水泵运行。系统通过触摸屏以图形、图像、数据、文字等方式,直观、形象、实时地 反映系统工作状态以及水仓水位、电机工作电流、电机温度、轴承温度、3趟排水管流量等 参数,并通过通讯模块与综合监测监控主机实现数据交换。该系统具有运行、操作方便 、自动化程度高等特点,并可节省水泵的运行费用。

2、系统组成
   岱庄煤矿泵房井下主排水泵自动化控制系统图如图1所示,整个自动控制系统由数据自 动采集、自动轮换工作、自动控制、动态显示及故障记录报警和通讯接口等5个部分组成。 
 
     2、1  数据自动采集与检测
 
     数据自动采集与检测主要分为两类:模拟量数据和数字量数据。
 
   模拟量检测的数据主要有:水仓水位、电机工作电流、水泵轴温、电机温度、3趟排水管流量;数字量检测的数据主要有:水泵高压启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触器的状态、电动阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电磁阀状态、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力。
 
     数据自动采集主要由PLC实现,PLC模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水位,将水位变 化信号进行转换处理,计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率,从而判断矿井的涌水量,控制排水泵的启停。电机电流、水泵轴温、电机温度、排水管流量等传感器与变送器,主要用于监测水泵、电机的运行状况,限报警,以避免水泵和电机损坏。PLC的数字量输入模块将各种开关量信号采集到PLC中作为逻辑处理的条件和依据,控制排水泵的启停。
 
     在数据采集过程中,模拟量信号的处理是将模拟信号变换成数字信号(A/D转换),其变换速度由采样定律确定。一般情况下,采样频率应为模拟信号中频率成分的2倍以上,这样经A/D变换的精度可恢复到原来的模拟信号精度。A/D变换的精度取决于A/D变换器的位数。如5V电压要求以5mV精度变换时,精度为5mV/5V=0.1%,即1/1000十进制的1000用二进 制表示时要求为10位,而本系统所采用的A/D模块分辨率为16bit,其精度在±0.05%以上,该精度等级足以满足控制系统要求。同时,PLC所采用的A/D模块均以积分方式变换,可使输入信号的尖峰噪音和感应噪声平均化,适用于噪音严重的工业场所。
 
 
     2、2  自动轮换工作
     为了防止因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而使电机和电气设备受潮或其他故障未 经及时发现,当工作泵出现紧急故障需投入备用泵时,而不能及时投入以至影响矿井,本系统程序设计了5台泵自动轮换工作控制,控制程序将水泵启停次数及运行时间和管路使 用次数及等参数自动记录并累计,系统根据这些运行参数按一定顺序自动启停水泵和相 应管路,使各水泵及其管路的使用率分布均匀,当某台泵或所属阀门故障、某趟管路漏水时,系统自动发出声光报警,并在触摸屏上动态闪烁显示,记录事故,同时将故障泵或管路自 动退出轮换工作,其余各泵和管路继续按一定顺序自动轮换工作,以达到有故障早发现、早处理,以免影响矿井生产的目的。
 
     2、3 自动控制
   系统控制设计选用了日本欧姆龙公司C200HE型PLC为控制主机,该机为模块化结构,由PLC机 架、CPU、数字量I/O、模拟量输入、电源、通讯等模块构成。PLC自动化控制系统根据水仓 水位的高低、井下用电负荷的高、低峰和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时 间段(时间段可根据实际情况随时在触摸屏上进行调整和设置)等因素,建立数学模型,合理调度水泵,自动准确发出启、停水泵的命令,控制5台水泵运行。
 
     为了保证井下生产,系统运行,水位信号是水泵自动化一个非常重要的参数,因此,系统设置了两套水位传感器,模拟量和开关量传感器,两套传感器均设于水仓的排水配水仓内,PLC将接受到的模拟量水位信号分成若干个水位段,计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率,从而判断矿井的涌水量,同时检测井下供电电流值,计算用电负荷率,根据矿井涌水量和用电负荷,控制在用电低峰和中电价时开启水泵,用电高峰和电时停止水泵运行,以达到避峰填谷及节能的目的。
 
     2、4  动态显示
   动态模拟显示选用日本Digital公司的GP-570T型触摸式工业图形显示器(触摸屏),系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电磁阀和电动阀的运行状态,采用改变图形颜色和闪烁功能 进行事故报警。直观地显示电磁阀和电动阀的开闭位置,实时显示水泵抽真空情况和压力值 。
 
     用图形以及趋势图、棒状图方式和数字形式准确实时地显示水仓水位,并在启停水泵的水位段发出预告信号和低段、低段、高段、高段水位分段报警,用不同音响形式提醒工作人员注意。
 
     采用图形、趋势图和数字形式直观地显示3趟管路的瞬时流量及累计流量,对井下用电负荷的监测量、电机电流和水泵瞬时负荷及累计负荷量、水泵轴温、电机温度等进行动态显示、 限报警,自动记录故障类型、时间等历史数据,并在屏幕下端循环显示新出现的3条故障(故障显示条数可在触摸屏上设置),以提醒工作人员及时检修,避免水泵和电机损坏。 
 
     2、5  通讯接口
   PLC通过通讯接口和通讯协议,与触摸屏进行全双工通讯,将水泵机组的工作状态与运行参数传至触摸屏,完成各数据的动态显示;同时,操作人员也可利用触摸屏将操作指令传至PL C,控制水泵运行。PLC同时将水泵机组的运行状态与参数经生产监测系统分站传至地面 生产调度监控主机,与全矿井生产监控系统联网,管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态,又可根据自动化控制信息,实现井下主排水系统 的遥测、遥控,并为矿提供生产决策信息。触摸屏与监测监控主机均可动态显示主排水系统运行的模拟图、运行参数图表,记录系统运行和故障数据,并显示故障点以提醒操作人员注意。
3、 系统功能及特点
     (1)PLC控制程序采用模块化结构,系统可按程序模块分段调试,分段运行。该程序结构具 有清晰、简捷、易懂,便于模拟调试,运行速度快等特点。
     (2)系统根据水位和压力控制原则,自动实现水泵的轮换工作,延长了水泵的使用寿命。 
     (3)系统可根据投入运行泵组的位置,自动选择启动就近的真空泵,若在程序设定的时间内达不到真空度,便自动启动备用真空泵。
     (4)系统根据电网负荷和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段,以“避峰填谷”原则确定开、停水泵时间,从而合理地利用电网信息,提高矿井的电网运行质量。
     (5)PLC自动检测水位信号,计算单位时间内不同水位段水位的上升速率,从而判断矿井的涌水量,自动投入和退出水泵运行台数,合理地调度水泵运行。
     (6)在触摸屏上动态监控水泵及其附属设备的运行状况,实时显示水位、流量、压力、温 度、电流、电压等参数,限报警,故障画面自动弹出,故障点自动闪烁。具有故障记录,历史数据查询等功能。
     (7)系统具有通讯接口功能,PLC可同时与触摸屏及地面监测监控主机通讯,传送数据,交换信息,实现遥测遥控功能。
     (8)系统保护功能有以下几种。
     温保护:水泵长期运行,当轴承温度或定子温度出允许值时,通过温度保护装置及PLC 实现限报警。
     流量保护:当水泵启动后或正常运行时,如流量达不到正常值,通过流量保护装置使本 台水泵停车,自动转换为启动另一台水泵。
     电动机故障:利用PLC及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故障,并参与控制。
     电动闸阀故障:由电动机综保监视闸阀电机的过载、短路、漏电、断相等故障,并参与水泵的联锁控制。

     (9)系统控制具有自动、半自动和手动检修3种工作方式。自动时,由PLC检测水位、压力及有关信号,自动完成各泵组运行,不需人工参与;半自动工作方式时,由工作人员选择某台或几台泵组投入,PLC自动完成已选泵组的启停和监控工作;手动检修方式为故障检修和手动试车时使用,当某台水泵及其附属设备发生故障时,该泵组将自动退出运行,不影响其它泵组正常运。PLC柜上设有该泵的禁止启动按钮,设备检修时,可防止其他人员误操作,以保证系统。系统可随时转换为自动和半自动工作方式运行。

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抚顺乙烯化工有限公司空分装置空压机防喘振控制系统原来采用FOXBORO盘次表来实现,并采用继电器实现其相关联锁逻辑功能,实现手段不仅落后,维护工作量大,而且还经常出现原因不明的意外停车,防喘振控制系统运行也不理想。因无SOE功能(顺序事件记录)无法查明误动作原因,为装置生产运行造成许多隐患。现在公司采用美国GE-Fanuc的90-30双机热备型PLC来实现空压机的防喘振功能和机组联锁保护,使用日本Digital公司的GP-470触摸屏来实现监视和操作功能,不仅操作直观方便、停车原因明确,也使空压机的防喘振系统设计加完善,机组运行加平稳。 
空压机工艺简介
抚顺乙烯空分装置采用法国空气液化公司的,该装置以空气为原料,经过过滤、压缩、净化、精馏、蒸发等工序,后分离出产品氧气和产品。吸入的原料空气经过滤后除去灰尘和杂质,过滤后的空气由空气压缩机K601进行压缩,加压后送往下游净化岗位。空压机K601系离心式压缩机,由电机带动,分两级压缩,两级分置于电机两侧即K601A和K601B。空压机K601设计流量为31500 Nm3/h,功率为3200kw,转速为1450 
rpm,由法国苏尔寿(SULZER)公司制造。
喘振现象的产生
压缩机在工作过程中,当入叶轮的气体流量小于机组该工况下的小流量(即喘振流量),管网气体会倒流至压缩机,当压缩机的出口压力大于管网压力时,压缩机又开始排体,气流会在系统中产生周期性的振荡,具体体现在机组连同它的外围管道一起会作周期性大幅度的振动,这种现象工程上称之为喘振。
喘振是离心式压缩机的固有特性,当发生喘振时需采取措施降低出口压力或增大入口,尽量降低喘振时间。为了确保压缩机稳定地工作,防止用量波动发生喘振,该装置设计了防喘振放空阀,当下游工艺设备空气用量减少或压缩机出现喘振时,可由放空阀减量放空来平衡。
防喘振方案的实施
离心机防喘振控制常采用以下两种方法:
定限流量法:就是使压缩机的流量始终保持大于某一定值流量,从而避免进入喘振区运行。此法通常用于恒速运行的离心机且一般流量调节器的给定值应大于额定喘振点流量的7%~10%,此法优点是控制简单,缺点是当机组变速运行且处于低负荷情况时,防喘振控制投用过早,造成能耗加大。
变限流量法:在变速运行的压缩机中,随着不同工况(压缩比、出口压力或转速),限喘振流量是个变数。变限流量法是采用随动防喘振流量控制系统在压缩机的不同工况下沿喘振曲线(实际上是沿防喘振操作曲线)自动改变防喘振流量调节器的给定值,使防喘振调节器沿喘振曲线右侧控制线(防喘振操作线)工作,这样既又节能。
本装置防喘振控制采用变限流量法,变限流量系统喘振曲线的数学模型可以从离心机流量-压力特性曲线、气体动力学方程及压缩机入口流量计算公式导出,此喘振曲线在h(入口流量仪表的差压)-P2/P1(压缩机的压缩比)坐标上是一条直线参见图1中M1 -M2罩毕 
h/P1=V×P2/P1+K 
式中:h—气压机入口流量差压变送器量程的百分数;
P1—气压机入口压力(绝)变送器量程的百分数;
P2-压机出口压力(绝)变送器量程的百分数;
V—常数,直线M1 -M2盏男甭剩 
k—常数,直线B的截距。
变限流量法防喘振操作线绘制确定(图1中B线)方法为根据压缩机制造厂提供的如图2气体压缩机特性曲线上的M1,M2点(喘振限曲线上的任意两个临界工况点)数据折算成与流量差压变送器及压力变送器的刻度值相对应的h(或h/P1)和P2(或P2/P1)的相对值(%),在图1的坐标上确定对应于M1,M2的M1’和M2’点,连接M1’和M2’就可画出压缩机的喘振限直线A。然后再作A线的平行线B。A,B线的间距△Q为流量刻度7%~10%。对应的△h按具体机组设计数据计算
△h%=△Q%×(2 Q%+△Q%)
式中:△h%-A,B线的间距,取差压变送器量程的百分数;
△Q%—节器给定值与喘振点之间的间距,一般取喘振点流量值的7%~10%;
Q%—振点的流量差压变送器的相对百分数;
图1中A线就是压缩机的理论喘振限直线;B线就是压缩机的随动防喘振操作线。
如果压缩机的特性曲线换算到图1上不是一条直线A,而是一条不规则的曲线时,可沿此曲线绘制近似的平行线作为操作线B来使用。
图1:离心式气体压缩机喘振限直线及随动防喘振控制操作线示意图

图2:多级离心式气体压缩机流量压力特性曲线

防喘振控制系统描述
系统结构
本系统采用GE Fanuc 90-30 PLC 作数据采集和控制,为了保证系统的性,控制部分采用双机热备结构,电源、CPU、通讯模块和通讯总线、以太网通讯模块等都是冗余的,通过GBC网络通讯模块与双机热备软件共同起作用,从而实现双机热备功能,保证系统的高性。
数据采集部分配置两层10槽机架,层为带CPU的10槽I/O机架,另一层为隶属于层机架的10槽I/O扩展机架,两层机架之间通过扩展电缆进行连接和通讯。双机热备部分与数据采集部分利用Genius Bus Controller (GBC)网络通讯模块通过Genius双总线进行数据的通讯与传输。
现场的各类模拟信号、电磁阀阀位回讯和报警接点信号、PLC输出到现场电磁阀的起停信号等均通过端子排与PLC I/O模块相连,实现数据的采集和控制。
上位机监控系统硬件选用日本Digital公司的GP-470触摸屏,操作系统为bbbbbbS NT 4.0,运行的软件为基于bbbbbbS NT 的Cimplicity Server版(700点)。这台监控站即可以作为工程师站用来组态各类画面,又便于操作人员进行操作和监视。同时它又是一台服务器,本系统的全部数据均存储在此服务器的硬盘中,在此基础上,可以进行进一步的数据处理和存取操作。上位机(通过网卡)和PLC(通 
过以太网通讯模块)之间使用通用的标准10M以太网进行通讯连接。
系统的优化
为了使PLC能够快速执行PID算法,并实时刷新计算输出,选用PLC 90-30中的模块CPU351来完成。利用PLC功能强大的编程软件LogicMaster提供的梯形图功能,根据变限流量防喘振控制方案来实现防喘振算法和相关联锁逻辑功能。
此次造在软件中增加联锁停车事故信号的捕获功能,使压缩机停车原因具体、明确,便于事故分析。为了便于现场操作和维护,将PLC硬件和工艺操作用的触摸屏均安装在防爆控制柜上,将防爆控制柜安装在压缩机附近的现场操作室里。
防喘振控制系统的特点
PLC系统选用美国通用电气公司(GE_Fanuc)的90-30系列控制系统,性能优良,。
PLC系统具有双机热备功能,实现PLC主机冗余、电源冗余、通讯模块和通讯总线冗余,主机、从机可无扰动切换,模块在线可换,增加了系统的性。
上位机与PLC之间通过10Mb/S的高速以太网ETHERNET实现数据的采集和传输,保的高速、。
系统具有强大的通讯功能,支持多种通讯总线协议,具有开放的网络结构,可与其它厂家的PLC和DCS进行通讯。
系统具有容错能力和强大的自诊断功能。
PLC的微处理器选用的INbbb处理器,系统运行速度高,能快速执行PID算法,并实时刷新计算输出。
PLC具有功能强大的梯形图编程软件LogicMaster,可实现防喘振算法和相关联锁逻辑功能。
具有实时和历史数据处理功能,联锁停车事故信号的捕获功能。
可显示操作状态及流程图画面、调速画面、机组喘振控制画面、实时趋势画面、历史趋势画面、报警历史画面等。
本装置的防喘振控制系统自投用后,运行效果很好,压缩机没有再发生喘振现象,机组运行平稳,达到了设计要求,显著的经济效益。




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