西门子PLC模块6ES7516-3AP03-0AB0

西门子PLC模块6ES7516-3AP03-0AB0

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的控制系统将较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

该系统较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较佳工作温度为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**110℃时报警，当油温**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**90℃时报 警，当油温**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**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*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*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较优控制效果

4.软件开发

      全自动短路内阻检测机具有手动和自动两种模式。

      手动模式可执行滚道启停，高压短路测试机头上升下降，内阻测试机头上升下降，高压短路测试机头夹紧，内阻测试机头夹紧，剔除汽缸开关等手动动作。

       自动模式，通过光电开关检测蓄电池位置，使用滚道将蓄电池传送到短路检测位置，自动下降高压短路测试机头并夹紧，接通高压短路测试仪器，短路检测完成后，再将蓄电池传送到内阻检测位置，自动下降内阻测试机头并夹紧，接通内阻测试电路，自动完成内阻检测，并判断电池是否合格，不合格产品通过滚道传送到剔除位置剔除，合格产品传送到下一工序。

       模拟量输出连接至内阻测试用恒流源设备，用于设定恒流源大小，信号量程1-5V。通过软件设置模拟量输出通道组态，可选择电流0-20mA或电压正负0-10V，所以必须在程序中进行量程转换，对应1-5V，方可正常使用。

        在内阻测试时，需要读取电流表和毫伏表的数值来计算内阻值，这5个毫伏表和1个电流表是通过MODBUS总线与PLC进行通讯的，STEP 7- Micro/WIN SMART 提供便利的MODBUS指令库功能，将子程序转化成指令块，与普通指令块一样，直接拖拽到编程界面就能完成调用。通过设置好相应地址、波特率、读写模式以及数据交换区地址等参数，便可实现PLC与毫伏表和电流表的数据交换。但MODBUS是半双工通讯的，不能同时读写多个设备，所以必须编写轮询程序实现多个设备的数据读写。

5. 应用体会

       SIMATIC S7-200 SMART PLC集成IO点数更多，性价比更高，更加符合小型OEM设备的需求。PLC本身集成了以太网接口，不需要使用编程电缆，使用网线就可以下载程序和进行程序调试，在实际使用中很方便，而且下载速度非常快。

       SIMATIC SMART 700 IE触摸屏，颜色更加丰富，显示效果比以前更好。触摸屏本体集成了以太网接口和串口，接口比以前多了，提供了用户更多的通讯连接选择。另外，通过以太网可同时连接3台PLC通讯，相比上一代产品只能与1台PLC通讯，有所增强，可以满足一些特殊应用的场合。

       STEP 7- Micro/WIN SMART编程软件，总体上保持STEP 7- Micro/WIN软件界面和功能，改进了一些菜单和窗口，操作方便。移植老程序也很方便，只需复制过来即可。STEP 7- Micro/WIN SMART软件本身集成了MODBUS和USS指令库，不需要另外安装，使用起来很方便。但软件没有集成量程转换的指令库，需要自己编程或从STEP 7- Micro/WIN软件中移植过来，希望以后能够增加集成，从而使编程更加方便。

6.意见与建议

        SIMATIC S7-200 SMART PLC只集成了一个以太网接口，在该接口已连接触摸屏，又没有路由器的情况下，想要在线监控程序状态时，需要将触摸屏网线拔下，使用中略有不便。未来是否能考虑增加集成以太网接口，使组网更加方便，也利于程序调试。S7-200 SMART PLC目前没有电池模块，不能满足长时间断电保持时钟和数据的场合，希望能尽早推出电池模块