行业技术
- 1 引言 进入21世纪以来，我国人口数量快速增长，用水需求量明显加大，是我国城市可持续发展的主要矛盾之一，因此解决城市水资源缺乏和水环境恶化问题刻不容缓。而随着自动化技术在各行业的不断发展，污水处理行业的自动化水平也在快速提高。目前，在污水处理行业中多采用PLC控制器进行自动控制，上位计算机进行工艺参数监视和设置的系统控制模式[1]。本文以海兴县污水处理厂为例进行系统组成、功能等介绍。 海兴县污水处理厂设计规模为日处理污水二万吨，出水标准为一级A。水厂工程采用CASS+深度处理工艺，厂区主要由格栅及沉砂系统、提升泵房、CASS池生物反应系统、曝气生物滤池系统、V型滤池系统及污泥浓缩系统构成。 2 污水处理控制系统的硬件设计 2.1 控制系统整体结构 污水处理厂自动化控制系统分为三级管理，包括生产管理级(中央控制室)、现场控制级(PLC控制站)及就地控制级。现场各种数据通过PLC系统进行采集，并通过主干通讯网络——工业以太网传送到中央控制室监控计算机集中监控和管理。同样，中央控制室监控计算机的控制命令也通过上述通道传送到PLC的测控终端，实施各单元的分散控制。 (1)生产管理级(中央控制室) 中控室管理层是系统的核心，完成对污水处理过程各部分的管理和控制，并实现厂级的办公自动化。通过高分辨率液晶显示器及投影仪可直观地动态显示全厂各工艺流程段的实时工况、各工艺参数的趋势画面，操作人员可及时掌握全厂运行情况。 (2)现场控制级(PLC站) 控制层是实现系统自动控制的关键。按照自动控制工艺要求，控制层的PLC通过程序控制整个污水处理厂的设备，实现对现场设备运行状态以及参数(如压力、流量、温度、PH值等)的采集，以及执行管理层的命令。 (3)就地控制级(设备层) 将现场控制箱上的“就地/远程”旋钮切换至“就地”位置，通过箱上的“启动/停止”按钮实现设备的就地启停控制。 海兴县污水厂控制系统的拓扑结构与功能配置如图1 所示： 2.2 下位PLC系统配置 海兴县污水厂自动控制系统采用北京和利时公司的LK系列PLC作为主控制器对生产过程进行监视和控制。模块式PLC控制系统的硬件部分主要包括CPU模块、I/O模块、通讯模块、电源模块、接口模块等，根据控制功能的复杂程度和控制对象的点号统计进行相应的配置。据统计，整个污水厂需要PLC控制的I/O点共829，共分四个PLC控制站：1#PLC站仅有一个主站；2#PLC站仅有一个主站；3#PLC站包括主站和一个远程从站；4#PLC站包括主站和两个远程从站。各个控制站的功能和分别如下： (1)污泥脱水机房工作站——1#PLC控制站 负责采集水厂进水水质数据，以及格栅系统、旋流沉砂系统、污泥浓缩系统设备的状态采集和设备的控制。 (2)鼓风机房工作站——2#PLC控制站 负责采集CASS池水质数据，以及搅拌系统、滗水系统、曝气系统设备状态的采集和设备的控制。 (3)曝气生物滤池工作站——3#PLC控制站 负责采集曝气生物滤池水质数据，以及二次提升系统、曝气系统、反冲洗系统设备状态的采集和设备的控制。 (4)V型滤池工作站——4#PLC控制站 负责采集V型滤池水质数据，以及反冲洗系统、出水系统设备状态的采集和设备的控制。 总而言之，PLC 控制系统实现了主站与从站的数据交换及数据处理，主站对各个从站的监控和人机交互的可视性。 2.3 上位监控系统硬件配置 工程师和操作员站设立在中控室，其主要由两套互为冗余的操作站、一套投影仪、一台故障打印机、一台图表打印机、一套UPS电源组成。 中控室的两台监控操作站，其中一台为系统监控管理计算机，可对在污水处理厂的各类设备状态、工艺过程参数进行实时检测和监控，提供给操作人员、管理人员进行运行管理的人机界面，另一台为信息监控管理计算机，负责实时和定时记录以及报表的生产和打印。 3 污水处理控制系统的软件设计 3.1下位PLC控制程序开发 PLC程序设计采用北京和利时公司推出的Powerpro 下位机软件，根据工艺要求，编写格栅、提升泵房、旋流沉砂池、CASS池、二次提升泵、曝气生物滤池、V型滤池等子程序。污水处理工艺流程图如图2所示： (1)格栅系统控制 格栅系统主控对象为格栅机组、螺旋输送机以及超声波液位计。其控制可在监控计算机上设置液位控制和定时控制，当采用液位控制时，是靠格栅的前后液位差来控制格栅机的启停，当液位差达到设定的水位上限时，PLC控制器会发出命令启动格栅设备；当水位差小于设置的下限时，格栅机组将接受到PLC控制器发出的停止的信号。操作人员可以在上位机上设定设备的启停液位或者运行周期。 (2)提升泵控制 提升泵的控制工艺要求是根据液位的高低来自动控制提升泵的启停，项目现场采用两用一备方式。当其中的泵出现故障时，故障泵会自动切出自控程序，备用泵会自动切入自控程序。这样长期运行能保证泵的运行时间大致相同。 (3)旋流沉砂池系统控制 旋流沉砂系统主控对象为搅拌器、罗茨风机和砂水分离器。系统工作原理如下：污水从沉砂池的切向进入，具有一定的流速，从而对沙砾产生离心力，使较重的沙砾沿池壁沉降到池底集砂槽。搅拌器的桨叶旋转形成轴向涡流，产生一个轻微的上升流动，从而带动污水排出，流入下一道工艺流程进行处理。罗茨风机为旋流沉砂池提供空气，达到气提的作用，另外气提直接将沉砂输送到砂水分离器，实现沙砾与污水的彻底分离[2]。其控制工艺要求如下：搅拌器、风机和砂水分离器以一定周期运转，通过工程师站可以设定运行时间。 (4) CASS池系统控制 CASS池系统操作周期分为四个步骤：曝气阶段，鼓风机向反应池内充氧，此时有机污染物被微生物氧化分解；沉淀阶段，微生物利用水中剩余的DO进行进一步氧化分解，活性污泥逐渐沉淀到池底，上层水变清，污泥回流泵将部分活性污泥送回预反应区，剩余污泥泵则将反应池多余污泥抽到污泥脱水间；滗水阶段，沉淀结束后，置于反应池末端的滗水器开始工作，自上而下逐渐排出上清液；闲置阶段，滗水器上升到原始位置阶段，等待下一周期滗水。根据上述工艺要求，对CASS工艺的各个阶段编写控制子程序。 (5)曝气生物滤池系统控制 曝气风机其控制工艺要求：曝气风机为24小时运转，每天中午12点更换一台风机，这样可以保证三台风机运行的时间大体相等。 反冲洗系统控制主要是控制反洗风机、反洗泵以及阀门来实现反冲洗的功能，每两天进行一次反冲洗。 (6)V型滤池系统控制 V型滤池系统的自动控制主要是滤池的自动反冲洗功能。子程序控制的主要设备有反洗泵、反洗风机、阀门以及仪表工艺参数，每两天进行一次反冲洗。 3.2上位机监控系统的实现 本控制系统上位监控系统采用北京和利时公司的上位机软件FacView。监控软件将现场各分系统的运行状态形象、直观、实时地显示在中控室的工控机上，使操作员在中控室能实时获得现场数据和信息并对污水处理厂的运行进行管理。友好的人机界面把分散的、单回路的测控系统进行了统一的管理，另外还有数据报警、历史数据存储、报表显示、趋势显示等多种功能。 计算机监控画面主要包括全厂工艺图、格栅及沉砂系统、CASS工艺、曝气生物滤池、V型滤池、仪表数据图、趋势图、报警图、报表，各个画面之间可以实现自由切换，全厂工艺图如图3所示： 4 结语 该自动控制系统实行集中控制，分散管理的方式，把管理层和控制层分开，通过对全过程的监控，实现了污水处理整个过程的全自动化运营，保证了污水生产运行的安全可靠，大大提高了污水处理的自动化控制水平和管理水平，减轻了劳动强度，从而提高了生产效率，降低了水厂能耗。其中，PLC 控制器发挥了相当重要的作用。自投产运行以来，控制系统运行平稳，处理水质达到排放标准，不仅改善了人们的生活环境，而且为社会的可持续发展发挥了积极的作用，取得了社会和经济双重效益。 [查看全文]
- 引言 在火电厂控制系统中，主汽温度控制一直是难以解决的问题，这主要是因为汽温控制对象具有大延时、大惯性和时变性的特点，采用常规和简单的控制规律均难以获得较好的调节效果。 目前，工程中常用的汽温控制系统采用的是最基本的串级调节和具有导前微分的双回路控制结构，并在此基础上引人Simith预估和参数自适应等控制策略。但以上控制策略的共同缺点是克服系统的纯滞后性和大惯性环节的能力较弱。为了提高控制精度，本设计采用西门子公司主汽温度控制策略。 一、控制系统特点分析 1.1控制原理 西门子公司汽温控制系统原理如图1所示，这是一个具有导前温度信号的双回路汽温调节系统。内回路采用[(1-PTn)*导前温度]为反馈信号。它相当于一个实际微分环节，动态时使PTn模块的输出近似与主汽温相等，从而改善主汽温调节对象的动态特性；稳态时内回路输出为零，使过热器出口汽温等于给定值。外回路的作用是根据过热器的运行工况，对控制器的参数进行增益调整。 则图l可简化为图2所示框图，即系统由原来的双回路控制系统简化为单回路控制系统。 1.2 PTn模块的整定 为了便于对汽温控制系统进行整定，西门子公司给出了PTn 模块的拟合参数表。本文选择n=6 ，如表1所示。表1中：Tu为锅炉减温水流量的线性函数；Tg为锅炉负荷（主汽流量）的线性函数。 通过减温水阶跃扰动试验，得出主汽温和二级减温器出口汽温（导前汽温）的阶跃响应曲线，再由主汽温和导前汽温响应曲线可估算出惰性区的传递函数。 1.3变增益回路的整定 在不同运行工况下，减温水流量扰动下汽温控制对象的动态特性存在着较大的差异。因此，为了获得较好的调节效果，应在不同工况下进行试验，并采用变参数调节。图1中内回路的作用就是根据过热器的运行工况，对控制器的参数K进行增益调整。西门子公司给出了变增益回路的经验整定方法。 1.4 变增益控制 主蒸汽的烩值表示每1kg蒸汽应具有的热值，主蒸汽每变化1℃所对应的烩差变化表示每1kg蒸汽所需的热值改变。根据水蒸气热力性质表，在不同汽压和汽温工况下，过热蒸汽的烩差变化是不同的。因此，汽温控制对象的动态特性是随着运行工况而发生改变的。根据烩差变化进行变增益控制是近年来西门子在汽温控制中采用较多的方法。 汽温每变化1℃所需的减温水量取决于在不同汽压和汽温下过热蒸汽的烩差变化。在一定的汽压和汽温范围内，增益调整值是烩差的线性函数。 根据减温水作用的区域，取导前汽温作为烩差计算的汽温参数，汽压参数则取主汽压力信号，输人烩值计算表，即可得出汽温每变化1℃的焓差值。 二、仿真研究 本文采用Simulink对西门子公司主汽温度控制策略进行仿真研究川，并与串级汽温控制系统进行比较。仿真结果如图3所示。 由图3可以看出，系统分别在t=150s时加人定值扰动和在，t=300s时加人减温水流量扰动。与传统的串级控制相比，西门子主汽温度控制策略的控制性能具有恢复时间快、振动幅度小的特点。试验结果表明，采用西门子主汽温度控制策略控制主汽温具有很强的抗干扰能力，其控制品质得到很大改善。如果在以上情况下略微调整参数，其控制品质还会得到进一步改善。 总的来说，采用西门子主汽温度控制策略对模型的不确定因素和内外扰动均有很好的适应能力，其控制品质要远优于常规的串级控制。 三、结束语 本文根据过热器的运行工况，通过采用西门子主汽温度控制策略，对控制器的参数进行增益调整，使过热器出口汽温等于给定值。从仿真结果来看，与一般串级汽温调节系统和具有导前微分信号的双回路汽温调节系统相比，西门子主汽温度控制策略具有更好的调节品质。 由于仅针对过热汽温惰性区的传递函数构造数学模型，所以该控制策略受对象特性参数变化的影响较小，系统的鲁棒性较好。由此可见，西门子主汽温度控制策略非常适用于主汽温控制系统中存在大干扰、大延迟、时变性、不确定性和非线性的复杂热工对象。 [查看全文]
- 一、共模干扰 当现场多路信号，如4～20mA、0～10mA、1～5V同时输入多个控制器时，如下图所示。 对于传感器输出的电流信号，只经PLC和变频器的输入阻抗之和不大于传感器的输出负载阻抗即可，压力传感器的信号可以同时串入PLC和变频器，如只有压力传感器信号，则PLC和变频器也都可以正常接收压力传感器的信号。而当液位传感器的信号也同时接入PLC和变频器时，因PLC接收信号的-端都在变频器的+端，当两传感器的信号电流不一样时，就有可能使PLC两-端的电位有较大的差异，就就形成了共模干扰电压。如PLC输入端又互相不是隔离的，则会造成PLC的模拟信号输入端接收不正常。变频器的两输入信号是在PLC的后面，其-端电位可保持在变频器内部电路设定的状态，问题不大。 解决的办法如下图所示，在PLC输入信号的一端加装隔离模块，此时PLC的两个-端中，由于一个是处于隔离状态，所以不会出现两个-端一高一低，与PLC内部电路不相适应的现象。 二、变频器干扰 由于变频器输出的正统波中有许多高次谐波，这些谐波分量通过电源线，耦合、感应等方式传播，严重时不但会造成传感器或电子设备不能正常工作，还会造成变频器自身出现接地故障不能正常工作。常采取的措施有以下几项： 变频器按说明书正确可靠接地； 变频器载波频率要尽是设低一此，降低谐波辐射强度，减少位移电流; 变频器输出侧安装输出电抗器，减少电缆的电磁辐射和位移电流； 与变频器连接的输入输出信号用隔离模块或中间继电器隔离开； 变频器电源输入侧安装输入电抗器，减少变频器对电网的谐波污染； 在变频器的中间直流环节串接直流电抗器提高功率因数。 三、电源干扰 很多干扰信号是通过电源线传播的，对于控制线路和控制装置，其电源可采用1：1的隔离变压器供电，并将隔离变压器的屏蔽端可靠抗议地，如下图所示： 四、传感器输出信号的抗干扰 传感器到PLC（或其它控制器）去的弱电信号，可采用阻容滤波的方法减少干扰，如下图所示。 传感器的输出信号，不论是电压还是电流，经过R、C阻容滤波，信号中的高频干扰信号被滤掉，输出信号就平滑了。如传感器是电压信号，电阻R可以大一些，1K～几百K均可，电容C从0.1～10uF；如是电流信号，则电阻R及PLC侧的输入电阻之和不能大于传感器的最大电阻值，多数情况下R≤500Ω，电容C的值从0.1～10uF间。 五、控制器的开关量输入 有时PLC或其它控制器的开关量输入由于受外界干扰影响而瞬间输入错误，导致PLC产生误动作，这时在PLC的输入端并上一个0.1uF的小电容就可以消除这种干扰，如下图所示： 六、电气电路控制失灵 用按钮和开关起停较远处交流电机（或设备）时，有时想停却停不了，电路如图所示： 由于开关K离接触器KM较远，两根电线很长导致其分布电容C将变得很大，在交流电路中，这个分布电容中将有位移电流流过，即使开关K断开也可能因KM维持能量不需太大而导致KM不释放，设备停不下来，此时，可以按以下方法解决： 用直流信号远控； 在交流接触器KM的线圈上并一个电灯或电阻，使分布电容流过的电流不足以维持线圈的吸合。 七、屏蔽双绞线和屏蔽线接地 对于弱信号的传输，如能形成一对电流相等方向相反的回路，最好采用双绞线，这样导线本身就具有一定的抗干扰能力，因为两个相近的双绞线形成的感应电压正好相反，本身就把外界耦合进来的干扰信号给抵消掉了，如再加上良好的屏蔽，其干扰能力就更强了。多数弱电信号的屏蔽层可以在接收信号侧（如PLC侧）一点集中接地，或是两边都不接地，视现场的抗干扰效果而定。 [查看全文]
- 现代的建筑物内存在多种接地，如防雷接地、电气安全接地、交流电源工作接地、通信及计算机控制系统接地等。其中，计算机控制系统的接地种类最为复杂，在计算机控制系统中，为防止杂散分布电容耦合、静电及冲击电流的影响，保证计算机控制系统稳定可靠的工作，保证操作人员的安全，建立一个良好的接地系统是十分必要的。在计算机系统接地中，各功能的接地有六种之多，这些接地既相互联系，又相互排斥，所以，在设计时，处理得是否正确，将直接影响系统的正常工作和施工进度。为避免这种情况，需注意下面两个方面：（1）接地点是否正确，正确的接地方式可防止控制系统各部分的串扰；（2）接地是否牢固，尽量使各接地点处于零阻抗，以减少接地线上的电压降。 1计算机控制系统接地种类及作用 按《电子计算机房设计规范》（gb50174-93）规定：“电子计算机机房的接地一般有四种，交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷保护接地等四种接地宜共用一组接地装置，其接地电阻按其中最小值确定”。计算机接地系统的种类按其接地功能不同可分为两大类：工作接地和保护接地。 1.1工作接地： （1）直流工作接地：①悬浮接地；②直接接地：串联接地、并联接地、网络接地；③数字地和模拟地。（2）交流工作接地。 1.2保护接地：（1）安全保护接地：①屏蔽接地；②静电接地。（2）防雷保护接地。下面针对上述的各种接地方式依次进行分析： 1.2.1直流工作接地 这里的直流地是指计算机控制系统中的直流电源的地线，就是计算机本身的逻辑参考地，即计算机控制系统中的数字电路的等电位地；放大器1采样/保持器以及a/d转换器输入信号的零电位（称为模拟地）；传感器的地（称为信号地），目的是保证控制系统电路工作时有一个统一的基准电位，不致因零电位浮动而引起信号的误差，在具备统一的基准电位时，还可防止外界电磁场干扰。这个基准电位点（面）对整个系统来说是一个参考面，不一定就是大地零电位，本身可能带电，此等电位点又称“工作地”。这个“工作地”只是用来描述具有零伏电位的有关系统接到基准点、线或平面上，由于零电流接地故障和短路电流的短时出现，该零伏电位基准点、线或平面对远处的大地来讲，可能具有很高的电位，但对有关系统来说，仍然是零伏电位。 （1）悬浮接地：当该“工作地”不直接地时，称为悬浮接地，当“工作地”与大地之间的绝缘电阻值大于１mw时，可以认为直流工作接地是悬浮的。其优点是可以避免电路之间产生导电性电磁干扰，这产生地环路和电气噪声。适用于：杂散分布电容耦合通路可忽略不计和频率较低的情况； (2)直接接地：当该“工作地”经一低阻抗通路接至大地时，称为直接接地。当悬浮接地不满足上述条件时，就必须采用其它的接地形式。通常采用直流直接接地的作法，直流地的接地电阻原则上越小越好，就目前国内外生产的计算机看，一般小于1w，对此处理主要有三种方法：①串联接地：将计算机控制系统中各设备的直流工作接地以串联的方式接至“直流地”母线上。②并联接地：将计算机控制系统中各设备的直流地并联接至“直流地”母线上；③网络接地：就是利用一定面积的铜排，在活动地板下组成铜排网络。为了保证绝缘，铜排网下需垫2-3mm厚的绝缘橡皮或其它绝缘物体。各设备的直流工作接地接至网络，同时网络与接地体相连。当网络边长等于30mhz波长，0.5m时，对从直流到30mhz的所有频率，在接地网上任何两点之间几乎没有电位差。以上三种接地方式的采用，应根据机房面积、计算机的工作性质、干扰源的情况和计算机厂家安装要求等实际情况综合加以确定； （3）数字地和模拟地：在计算机控制系统中，数字地和模拟地都是直流工作地，但在系统内部必须分别接地。即使同一芯片上有两种地也要分别进行接地，然后仅在一点处把两种地连接起来。否则，数字回路通过模拟电路的地线再返回到数字电，将会对模拟信号产生影响。 1.2.2交流工作接地 交流工作接地又称功率地，是控制系统中交流电源及交流大电流电路的接地，其性质和电力系统中的工作是一样的，实际上就是低压电力系统中，交流电力变压器地，它属于大电流系统的地，这样做的目的只有一个：安全。这个地有两个作用： (1)通过低阻抗导体把所有设备连接在一起，并把这个系统接到接地装置上去，于是，所有设备具有同样的电位，且此电位是地电位。这样，即使在故障状态下，任何两个暴露的非带电的金属之间或非带电金属与地之间，都不存在不安全的电位差； (2)设备接地为故障电流提供了一条安全的低阻抗返回通路，可以让过电流装置快速切除故障，使损坏减至最小。同时，又保证电路的干扰信号泄漏到大地中，不致干扰灵敏的信号电路或测量回路。对于直流地来说，它是噪声地。我国通用电气规程规定：交流工作地的接地电阻应小于４ω。 1.2.3保护接地 保护接地的作用是避免操作人员因电子设备的绝缘损坏或下降时遭受触电的危险并保证设备的安全。 (1)安全保护接地：简称安全地，它是指电力设备的金属外壳由于进线电源绝缘被损坏，有可能带上危险相电压。为了防止这种危险电压危及人身和设备安全，将正常工作时的不带电的金属外壳（如机柜外壳、元件外壳等）接地。 优点：机壳接地可使高频干扰电压形成低阻抗通路，防止其对电子电路的干扰。根据我国供电结线方式特点的不同，安全性接地有五种形式；tn-c系统、tn-s系充、tn-c-s系统、it系统、tt系统。目前，国内外的计算机安全接地多采用第②、第⑤种方式、安全保护接地电阻应小于4w； (2)静电接地：是为了消除计算系统运行过程中产生的静电电荷而设的一种接地。由于机房内的湿度一般不低于50%，且机房内大都采用抗静电活动地板，产生静电的可能性较小，因而，一般可不再设此接地。其接地电阻一般应小于10w； (3)屏蔽接地：一般用于通讯系统较多。是将设备屏蔽体和大地之间用低阻导线连接起来，形成电气通路，为高频干扰信号提供通路，其作用有两点： (1)防止计算机处理的信息被窃取； (2）防止外界电磁场干扰计算机系统的正常运行。其接地电阻一般应小于２ω。屏蔽接地已包含在计算机机壳的安全保护接地内，一般设计时不再另设。 2计算机接地系统的接地方式及作用 此处的接地系统是指计算机控制系统的交流工作接地、直流工作接地、安全保护接地、防雷保护接地与大地之间的关系，接地系统的接地方式可分为二类：独立接地和共用接地。下面分别加以论述： 2.1独立接地：每种接地分别接到独立的接地装置，其中部分接地通过接地母线相连分别接至独立的接地装置。 特点：计算机的直接地、功率地、建筑物的防雷地等分别独立接大地，表面看上去较完美。 缺点：在实际工程中，投资高，施工困难，除非在特定条件下非这样做不可时才采用这种接地系统。 （1）直流工作接地悬浮时，诸地间的关系：当计算机控制系统的直流地悬浮时，除防雷接地外，其他诸地可分别接在同一母线上再接至接地装置；为了防止反击现象，要求与防雷接地装置的距离大于5m。 (2)直流直接接地时，诸地间的关系：①直流地和防雷地各自独立，安全地和交流地共用一个接地装置。缺点：施工中这三个接地装置真正做到电气上的相互独立的要求是难以实现的；②直流地、交流地和安全地共用一个接地装置，防雷地为单独接地装置。优点：施工方便、投资少，目前的工程实践中采用较多，但对两个接地装置之间距离（大于5m）的要求必须满足；③计算机直流地和安全地共用一个接地装置，其他动力设备与计算机设备的交流地共用一接地装置，防雷地为单独接地装置。优点：可避免非计算机系统的动力设备对计算机的交流信号干扰。要求三个独立接地装置相互间距离应大于5m。 2.2共用接地： 从电气安全的观点看，最经济实用的措施是采用等电位联结，而总等电位联结实际上就是共用接地。即将一幢建筑物的各种接地装置共同连接到一个接地装置上。否则，当防雷装置遭雷击时，其电位升高（最高可达百万伏级），使人身遭受电击或引发火灾，损环设备等事故的概率远远高于采用共用接地的情况。另外，当220/380v系统发生的相线设备外壳的接地故障时，而保护开关未能及时跳开故障点，势必在接地的电气装置外露可导电部分与其他独立接地的金属体之间存在很高的危险电压。共用接地在施工中应该注意：各种接地在采用单点或多点接地时共用一个接地装置，但不能随意连接。正确的连接方法是：各设备或箱柜中的各种接地分别接至各自的接地母线上，然后将这些母线分别接到接地装置上，在这之前，设备的接地分支线和接地母线应严格地绝缘。共用接地的连接形式分三种。 (1)单点接地：是电路中某一点被定义为零电位基准点，计算机控制系统中所有零电位接地点都直接接到它上面。当系统有多台箱柜时，每一个箱柜及其电子电路的接地可以与其它箱柜分开，各箱柜的接地仅在整个系统的接地基准点连接。优点：消除了公共阻抗耦合和低频接地环路，很好地工作于小于１ｍｈｚ的频率；(2)多点接地：是每一接地以最补的连线连到零伏电位接地基准平面上，使接地线的申联电阻和驻波效应减到最小。这个基准面可以是一台设备的外壳，当采用多台设备时，则布遍整个系统的接地网（线）。优点：可应用于频率大于（等于）10mhz的高频电路，施工时接地连接比单点接地易实现，而且高频下驻波效应可减至最小；(3)混合接地：多点和单点接地同时存在的接地方式。特点：这种接地系统结构比较简单，施工较容易，但该系统不够安全，故国内外很少采用这种接地系统。 3结合实例分析 在实际工作中，并非所有的计算站全部都具备上述接地，一般应根据计算机的工作性质和实际情况进行综合考虑，某计算机室一种接地作法，系统采用共用接地。直流工作地采用多点接地。为了使这个计算机直流系统有一个统一的电位参考面，这三台设备直流地应接到同一接地装置上，本设计采用接地网络作为系统的接地装置，这三台设备分别以最短连线接至悬浮网络上，①为多点接地的零伏电位接地基准平面，该接地网格的边长等于30mhz波长的0.5m时，对于从直流到30mhz的所有频率，在接地网上的任何两点之间几乎没有电位差。当活动地板的单件尺寸为0.6*0.6(m)时，接地网边长则宜采用0.6m。 ②～⑤点内容，网络与设备的交流工作地、安全保护地一同接至配电箱端子板上，并由端子板引至系统接地装置。这种使所有设备具有同样接地电位的作法非常安全，同时防止了由不合理接地引起的干扰问题。 4结束语 目前，国内计算机接地有一个混淆不清的问题，即如何正确地选择与计算机接地系统相连接的接地体，许多计算机制造厂常见的一个错误就是要求装设一组与电力系统（包括防雷）接地体分开的独立接地体。这种作法不安全，在一些发达国家的电气法规上是不允许的，因为这种作法不仅不能消除噪声，还可能成为产生计算机噪声的一种根源。许多工程实践表明，电源、逻辑、安全保护和防雷各独立接地系统被雷击损坏的几率远远高于共用接地系统。 [查看全文]
- 1 前言 随着计算机和控制技术的飞速发展，厂矿采用上位机和PLC集中监控已越来越普遍，技术也越来越先进。本文以河北单侯煤矿井上胶带机集控系统为例，研究开发了一种基于PLC的煤矿井上胶带机监控系统，适合于当前工业企业对自动化的需要，目前实际投入运行，取得了很好的效果。 2 系统设计 2.1系统概况 单候矿井隶属于河北开滦矿业集团，位于河北省张家口市蔚县涌泉庄乡境内北方城村附近，是张市矿区中心地带，矿井地质储量313.74Mt，矿井可采储量177.08Mt，设计能力150万吨/年，矿井服务年限81.4，于2006年10月正式投产。 单候煤矿井上胶带机集控系统（见图1）可分为两部分：1，筛分车间系统;2，储煤及装车系统。 其中，筛分车间系统包括图示的主井至筛分车间胶带输送机、矸石转载胶带输送机、矸石输送胶带机以及筛分车间内部所包含的六条拣矸胶带输送机、三条刮板机等设备;其余胶带输送机均属于储煤及装车系统。 在设计上，要求该系统能够实现就地控制与集中控制两种控制模式，集中控制可以分为联锁控制和单机控制等多种控制模式，可以供操作者根据现场实际情况灵活选用，确保在系统正常运行时操作灵活、易于维护，在系统出现故障或通讯中断时本地可以就地控制确保皮带设备的正常运行，提高了系统的稳定性。 2.2系统硬件部分 整个系统从上往下可以分为两层：集中控制管理层和就地控制管理层。集中控制管理层由两台上位机和一台交换机组成。在系统运行中，两台上位机互为冗余，并通过交换机直接与现场设备互联，从而实现对现场设备的监控。 图1 系统结构图 就地控制管理层由PLC，交换机和胶带保护装置组成。PLC是整个控制系统的核心，在本系统中，采用了西门子公司的S7-300。由于在实际中，储煤子系统和筛分子系统有相互的闭锁关系，因此，可将筛分子系统和储煤子系统构建一个DP网络（系统的通信原理图见图2）。所以，本系统PLC均采用 CPU315-2DP，在组网时，筛分子系统作为master站，储煤子系统作为slave站，并在筛分子系统PLC柜中增加以太网模块CP341，使得上位机通过交换机可以与现场级设备互连，从而实现集中控制。此外，胶带运输机沿线安装了跑偏、堆煤、拉线开关等多种保护装置，以便胶带运输机运行出现故障时，系统可以快速地作出反应。 图2 系统通信原理图 2.3系统软件部分 本系统的软件部分主要由两部分组成：上位机的组态监控软件和现场PLC的编程软件。 图3系统软件运行界面图 上位机的编程软件选用了Intellution的IFIX3.5，它具有以下特点。 a.实时库显示：实时显示系统内所有实时点; b.实时遥控：选中画面上的控制开关，实时下发遥控命令; c.实时和历史曲线：可设定显示系统内所有记录的遥测点; d.实时和历史报警：报警分为重报警，中报警，轻报警; e.事件和报警记录查询：可按天查询事件和报警日志; f.事件和报警实时打印：有报警事件发生时，事件打印机实时打印。 上位机监控软件采用OPC方式与现场的PLC进行通信，可以方便灵活地获取现场机电设备及其保护设备的遥测遥信信息，实现远程控制。上位机的组态软件界面见图3。 现场PLC的编程软件采用西门子公司的Step7，当PLC处于“RUN”工作模式下时，除上电初始化外，其它程序都采取周而复始的循环扫描方式，称之为“PLC的扫描工作方式”，其执行流程如图4所示。 3 系统关键技术 3.1系统有关通信程序的设计 本系统主PLC控制柜（筛分子系统PLC控制柜）安装在现场的低压配电室内，由于与调度中心相距较远，而现场电磁干扰又比较严重，为此，特采用以太网与光纤传输技术实现SIMATIC s7—300 PLC与上位机人机界面的通信。在主PLC柜中配备了以太网模块CP341以及以太网转光纤的交换机。 为了正确地传送和接收信息，必须有一套关于信息传输顺序、信息格式和信息内容等的约定，这一套约定称为规约或协议。本系统在进行通信程序设计时，采用模块化编程的设计思想，把程序分成若干程序块，各程序块分别含有一些设备和任务的程序指令，每个功能区被分成不同的块进行编程，有利于多人同时编程，也有利于程序调试和故障的查找。系统中PLC需处理多种通信协议，单独编制每种协议的处理程序，分别放在不同的功能模块（FC）中。在PLC的主程序块OB1 中，通过调用语句，可依次执行这些协议的处理程序，实现与这些综保装置或智能仪表进行通信的目的。 3.2 DP网络的配置 基于筛分子系统和储煤子系统之间存在着闭锁关系，因此可将筛分子系统和储煤子系统组态成为一个DP网络。这样使得系统的逻辑关系更加清晰，同时系统具有了很好的扩展性，也在经济上节约了成本。 图4 系统流程图 关于DP网络的配置，可参考西门子公司的有关手册。尤其应该注意以下几点。 a.进行主从站配置时，应该首先配置从站，然后再配置主站; b.在组态Hardware时，主站和从站的Consistency均需要设置为All; c.编程时，主站的OB1中必须有OB1、OB82、OB86、OB100、OB121; d.由于在系统运行时，上位机会对PLC进行读和写操作，因此在主站和从站的程序块中还都要添加SFC14和SFC15功能块。 3.3现场设备的闭锁控制 为了弥补现场设备防误功能的缺陷，保障安全生产，应该对现场所有设备进行闭锁控制。 本系统既有机械闭锁，又有逻辑闭锁，达到了“逆煤流依次启动设备，顺煤流依次停止设备”的要求。具体做法：机械闭锁：将逻辑上先启动设备的运行返回信号的常闭点串入后启动设备的二次控制回路中;逻辑闭锁：如流程图所示，将设备的运行返回信号作为执行下一条程序的先决条件。 4 结语 （1）通过利用大中型PLC（如西门子S7-300）可以与多种智能电子设备进行通信，方便地实现了现场设备的监控。 （2）该系统自2006年10月运行以来，维护量大大降低，大部分故障能够在电脑显示器上直接显示，减少了故障查找环节。系统操作简单，维护方便，提高系统安全性，降低运行费用，大大减少故障时间，提高经济效益。 本文作者创新点： 1. 本文系统地阐述了以PLC为控制核心，构建一个集控系统的方法，基于该方案的控制系统与原系统相比在性能和自动化程度上都得到大幅度提升，对相近系统有重要的参考价值。 2. 对于集控系统中子系统的处理，通常做法是给各个子系统均配置以太网通信模块，然后将每个子系统作为节点，组成环形网络。在本系统中，将逻辑上有闭锁关系的多个子系统视作网络中的一个节点，减少了以太网通信模块，节约了成本。对于同一节点下的多个子系统则采用级联的方式配置成DP网络，大大减轻了网络的负担。 3. 本文给出了配置DP网络的详细方法和注意事项。在PLC程序设计中，本系统采用功能块化的方法，有利于系统的维护和升级。 [查看全文]
- 1. 引言 发电机是电力系统的重要组成部分，它的可靠运行对于保证电力系统的稳定具有重要意义。发电机故障录波装置所记录的数据为工作人员正确分析发电机故障原因，研究事故对策，及时处理事故提供了可靠的依据，同时，根据故障录波数据还可以分析系统的故障参数、各电气量的变化规律，进行故障定位等，这些对于保证电力系统的安全可靠运行起着十分重要的作用。可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）作为工业控制专用的计算机，由于其结构简单、性能优良，抗干扰性能好，可靠性高，在机械、化工、橡胶、电力等行业工业控制现场已日趋广泛地得到应用，成为工控现场进行实时控制的最主要的控制装置。本文介绍一种利用可编程控制器和扩展模拟量模块实现发电机故障录波的方法。 2. 系统的组成和工作原理 系统的组成框图如图1所示,由上位计算机和1套PLC测控系统组成。PLC通过外部变送器、互感器与发电机组相连，发电机机端电压U、定子电流I为三相交流电，分别经电压互感器（PT）和电流互感器（CT）转换成三相100V、5A的二次信号，发电机转子励磁电流经过分流器RS转换成75mV信号，再经过三相功率（含有功、无功）变送器、三相电压变送器、直流电流变送器转换成与其成比例的0～10V电压信号后输入到PLC的模拟量模块。模拟量经过 A/D转换，然后根据互感器、变送器的变换比例计算出机端电压U、转子电流If、有功功率P和无功功率Q的等机组运行量。PLC每隔20毫秒采样一次，每 40毫秒将采样的数据保存到故障数据区中。当发生故障后，PLC记录下故障发生以后的13秒数据，故障数据记录过程结束。当PLC接收到上位机发送来的传送命令时，PLC将记录的故障数据通过串口通讯传送给上位机。上位机将数据完整的接收下来，经过数据处理显示出机组运行量U、If、P、Q、Ug（电压给定）在故障前7秒、后13秒的波形曲线，这样就可以对发电机故障进行分析了。在本系统中，PLC选用SIMATIC S7-226;模拟量模块选用与 S7-226配套的产品EM235;PLC与计算机之间通过PC/PPI电缆连接以串行方式进行通讯。 图1 发电机故障录波系统框图 3. 下位机程序设计 PLC属于下位机，其程序共分为3个模块，它们是初始化子程序、录波子程序和通信子程序。以下将分别说明各模块的设计思想。 3.1 初始化子程序 初始化子程序包括初始化自由口通信参数，设置接收命令RCV启动和结束条件，数据指针赋初值，连接20ms采样、接收和发送中断。 3.2 录波子程序 录波子程序在20ms采样中断中调用，负责记录机组运行量U、If、P、Q、Ug在故障前7秒、后13秒的数据。 在PLC中定义一个连续的数据区VW4000～VW8998，用来保存故障数据。每个运行量的数据占用1000字节的数据块，地址分配如下，U：VW4000～VW4998 If：VW5000～VW5998 P：VW6000～VW6998 Q：VW7000～VW7998 Ug：VW8000～VW8998。 录波子程序每隔40毫秒将采样的数据送到各自的数据块中。为每个数据块定义一个数据指针，其初始值分别指向各数据块的首地址。每传送一次数据，各指针向下移动2字节。故障前7秒数据（350字节）是循环记录的，即如果在故障到来之前数据已存满，各数据指针将重新指向数据块的首地址。定义指针index 用来记录20秒故障数据开始的位置。当故障到来时，数据指针指向故障后13秒数据（后650字节），此时指针index将前7秒数据分为前后两部分，正确的顺序是将前后两部分交换过来。当后13秒数据记录完后，录波子程序结束。程序流程图如图2所示。 3.3 通信子程序 通信子程序负责与上位机通信，将存储在数据区的故障数据通过串口分批传送给上位机。上位机每发送一次传送命令（用整数255表示），PLC在接收中断程序中判断收到的字符是否为传送命令，如果是则将传送命令标志M6.0置位并且在主程序中调用通信子程序。 定义指针tran_pointer用来指向待传送数据的首地址，其初值为&VW4000，即指向数据区首地址。定义变量count用来记录传送的次数。在通信子程序中，首先停止自由口的接收，然后将以指针tran_pointer为首地址，大小200字节的数据传送到发送缓冲区中，接着用发送命令通过串口发送出去。每发送一次数据，将指针tran_pointer向下移动200字节，变量count值加1， M6.0复位。当上位机发送完第 26次传送命令时，PLC中数据区VW4000～VW8998的5000个字节已发送完毕，再将额定电压、额定电流、额定有功功率、额定无功功率和指针 index发送出去， count值清零，指针tran_pointer重新初始化，M6.0复位。至此，一次完整的故障数据传送过程结束。 图2. 录波子程序流程图 4. 上位机程序设计 上位机程序设计是以Visual Basic 6.0 为平台，利用MS Comm控件，以事件驱动方式实现计算机与PLC之间串行通讯，完成数据间的交换。上位机程序包括用户界面设计、通讯和数据处理程序、显示程序等。 4.1 用户界面设计 本系统中，设计了两个窗体（Form1和Form2）。其中Form1为主界面，Form2为波形显示界面。在Form1中设计了一个MSComm控件、一个定时器控件（Timer1）和两个按钮控件（Command1和Command2）。其中Command1是开始按钮，即按下时开始和PLC通讯，读取其中的数据。Command2是显示按钮，即按下时调用窗体Form2，显示每个运行量的波形曲线。在Form2中设计了一个图片框控件（Picture1），用来显示图形。 4.2 通讯和数据处理程序设计 设置Timer1 的Interval属性等于500，MSComm的InputMode属性为二进制方式，RThreshold属性等于5010。定时器每隔500毫秒发送一次传送命令，当发送到第26次时，关闭定时器，这时接收缓冲区将收到5010个字节的数据并触发MSComm的OnComm事件。在OnComm事件子程序中，将接收缓冲区中的数据依次分配到全局数组U_data、If_data、P_data、Q_data和Ug_data 中，再根据各运行量的额定值计算出百分比值。各个数组的前350字节需要根据指针Index进行调整，具体方法是将数组下标范围Index～349的数据移到前面，下标范围1～Index-1的数据移到后面。 4.3 显示程序设计 在窗体Form2的装载事件Form_Load中编写图形显示程序。首先在图片框控件Picture1中设置自定义坐标系。设置ScaleMode属性值等于3，即以象素为度量单位。然后在该坐标系下画出坐标轴。X轴以秒为单位，曲线上两点间的时间间隔是40毫秒，换算成象素等于1.47。Y轴以百分比为单位，每个单位刻度换算成象素等于2.1。最后根据数组U_data、If_data、P_data、Q_data和Ug_data分别画出相应运行量的波形图。以机端电压波形为例，给出编写的程序如下： Picture1.DrawWidth = 1 ‘线宽为1 Picture1.CurrentX = 0 ‘指定当前坐标的位置 Picture1.CurrentY = U_data（0） ＊ 2.1 For i= 1 To 499 ‘画出曲线 Picture1.Line -（1.47 ＊ i, U_data（i） ＊ 2.1）, vbBlue Next i 5. 系统的运行与实验结果 在系统运行前，要对PLC的通讯参数进行设置，包括波特率、校验方式、数据位位数和停止位位数等，此设置要和上位机一致。在S7-226中使用自由口模式和上位机进行串口通信时，可以通过特殊寄存器SMB30（端口0）或SMB130（端口1）来设定。下面以发电机空载停机实验为例说明系统的运行过程。 当发电机在正常空载下停机时，PLC检测到停机信号，将故障标志置位，然后记录下停机后13秒的数据。运行上位机程序，在主界面上按下“传送”按钮后，上位机开始读取PLC中数据。等到程序提示“数据传送完毕”后，按下“显示”按钮，将弹出“波形显示”窗口如图3所示。从图中可以看出，该曲线较好的反映了发电机停机前后机端电压、励磁电流的变化。 图3 波形显示窗口 6. 结束语 此系统已经成功应用于中、小型同步发电机励磁系统中，通过发电机的动态模拟实验和实际中的应用来看，该系统性能可靠、操作方便、界面友好，能够较好地满足电力系统对于故障记录、故障分析的需要。 一般情况下，采用微机控制或以微处理器为内核的工业嵌入式发电机励磁调节器较容易实现发电机运行参量的故障录波，采用PLC作为发电机励磁调节器的硬件平台，具有应用成本低、运行可靠性高但程序设计难度大的特点，其内部成功地嵌入发电机重要运行参量的故障录波具有较大的实用价值，尤其适用于目前大量开发的中小型水力发电站的水轮发电机组，对于保证发电机组的安全、稳定、可靠运行具有重要的意义。 [查看全文]
- 目前国内四电机粗纱机多采用工控机和PLC或单板机相结合作为主控系统，由上位工控机完成运算功能，PLC或单板机完成控制驱动。但由于工控机抗干扰能力不强，常常造成系统稳定性较差，而单板机的故障率又相对较高，使得粗纱机的综合性能不尽人意，成本也相对较高。 二纺机EJK211型粗纱机采用PCC的分布式模块化控制结构及贝加莱Automation Studio系统，集分析运算和控制驱动于一体，调速系统采用贝加莱ACOPOS系列伺服驱动器，通过CAN open总线控制方式，提高系统的综合控制性能，降低故障率，实现EJK211型粗纱机控制系统的完美方案，并具有张力检测与自动控制、自动落纱等功能，锭翼速度最高可达1800r/min。另外，通过软件优化性设计，实现了整机总功率最小化，整机功率为22kW。 a.控制方案 主控制系统由贝加莱Power Panel(PP41)组成，完成粗纱机的各项电气控制功能和数据运算，通过人机界面进行基本的工艺参数设定，如最高车速、支数、加捻度、径向卷绕密度、轴向卷绕密度、卷绕系数、纺纱系数等，参数可随时修改、调用和存储。所有的参数对应了一组参数也对应于一种纱纺制，最多可有30种配方。故障报警显示、开车情况及效率显示、数据查询、粗纱机的调试及维护等任务也均通过PP41完成。其主要参数性能如下： 显示界面为6inch、QVGA240×320像素、黑白显示；共计40个键，其中16个键的标识可按用户要求更换并带有LED指示；1.5MB内存实时时钟；2MB的存储卡，可保存、调用必要参数；系统自带RS-232及CAN bus接口；系统自带10DI、9DO。 b.配置方案 （1）主控制系统采用PP41系统，驱动系统采用ACOPOS多功能驱动器，CAN bus（500k传输速率）总线控制方式； （2）应用电子齿轮、虚拟轴等功能，实现虚拟主轴对等同步、驱动锭翼、筒管、罗拉、龙筋四电机同步运行。 （3）通过CAN bus，在ACOPOS1（锭翼）建立虚拟主轴，最快每400μs向网上实轴发送(最高优先级)位置指令，并由各ACOPOS驱动器完成同步实时控制。实际证明，循环周期为2ms时，已能满足粗纱机的动态同步精度。 系统配置如图1。 c.控制说明 本套控制系统通过CAN bus总线方式控制变频器，实现四电机的有效同步。利用CAN bus高速通信，可克服模拟量、串行通信及传统的工业总线的缺陷，数据收发方式灵活，采用非破坏性基于优先权的总线仲裁技术，具有暂时错误和永久性故障节点的判别及故障节点的自动脱离功能，使系统其他节点的通信不受影响；同时CAN具有出错帧自动重发功能。信号传输用短帧结构（8bit），实时性好，受干扰的概率低，具有极好的检错效果。采用统一的标准和规范，使各设备之间具有较好的互操作性和互换性，系统的通用性好。通信介质可采用双绞线，无特殊要求，现场布线和安装简单，易于维护。CAN总线实时性强、可靠性高、结构简单、互操作性好，利用PP41自带CAN口不增加成本，在百米之内最高波特率可以达到500k，能以最低廉的成本来实现最优控制。 以锭翼电机作为主动电机，使其按照设定速度运转。筒管、罗拉和升降电机作为从动电机，由PCC根据锭翼电机转速并附以纱线张力反馈，按照数学模型运算后得出它们的转速，通过CAN bus总线控制变频器调整电动机转速。 由于CAN bus所具有的独到优势，可使粗纱机轻易地获得良好的同步特性和升、降速时间。以锭翼电机转速为1600r/min为例，升速时间可控制在10s内，减速为5s以内。 另外，变频器采用共直流母线方式联接，也可大大提高升降速性能并同时降低系统能耗。 d.采用贝加莱一体化配置控制系统的优势 （1）EJK211粗纱机采用贝加莱一体化控制方案，通过CAN Open方式控制ACOPOS系列驱动系统,充分发挥贝加莱ACOPOS系列驱动系统的处理能力,同时具有更快的响应特性和控制精度。 （2）贝加莱PCC的独特硬件结构使其具备进行复杂分析运算的能力。在其核心的运算模块内部，PCC为其CPU配备了数倍于常规 PLC的大容量存储单元(100k~16M)，为控制系统和应用软件提供了监视的硬件基础。 （3）贝加莱变频控制系统提供了许多功能强大的专业化功能运动控制功能块，如电子齿轮、电子凸轮、转矩控制、触发定位、鼓序列发生器、CNC等。可满足各种控制需求，实现同步控制功能。贝加莱控制器还可实现梯度提速，用户可设定期望达到的速度和达到该速度所需的时间，PCC以固定的加速度达到设定速度。 （4）专业的品质统计管理系统，自动监控生产过程中的各种重要数据，方便用户进行质量管理。 （5）贝加莱强大的内嵌式网络功能，可将该单机设备方便的连接到生产过程控制网络，进行生产过程监控。作为未来构成分布式现场I/O控制的主要角色之一，PCC为此提供了十分灵活多样的解决方案。Ethernet现场总线如：POWERLINK、CAN、Profi bus (FMS, DP)、 INA2000、 RS485等，可实现多层次网络结构(管理层,控制层和现场层)。 （6）PCC提供了有效的功能，可实时监测外部参数，发现异常参数时可显示故障名称、故障发生时间和消除时间，并采取相应措施。PCC还能对硬件模块进行自检，及时发现硬件本身的错误。 （7）PCC提供了丰富的在线帮助系统，帮助客户了解整个系统的操作方法。并可指导用户在系统报警时采取相应的措施。 （8）贝加莱有功能强大的软件开发平台,能够为用户开发出具有个性化的控制软件。 （9）一套软件适应多种机型,且系统为软硬件模块化，随意扩展。 （10）远程诊断功能和机群网络功能。 通过Modem或Internet的Web Server远程功能，可实现对任何地方的机器在线诊断与调试。另外控制系统上的Ethernet接口可实现机群联网，实现工厂自动化。 实践证明，贝加莱新一代PCC完全适用于高档棉纺粗纱机的控制系统。它不仅保证了良好的纺纱性能，同时还相应提高了系统的综合控制功能，降低了故障率，配以经济实用的人机界面，使操作变得更加简单方便，使整个设备的档次有了较大提高。 免责声明：本文仅代表作者个人观点，与automavin工控网无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本站证实，对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺，请读者仅作参考，并请自行核实相关内容。 [查看全文]
- 德国风力发电机组制造商 DeWind 凭借其具有革命性的创新设计再度成为新闻焦点。新型 DeWind D8.2 主要针对的是美国市场。Beckhoff 是自动化控制系统开发的主要合作伙伴。 2007 年 1 月 7 日是 DeWind D8.2 风力机在德国 Cuxhaven 试运行的日子，DeWind 为此好好庆祝了一番。这不仅表明这家来自吕贝克的风力机生产商在该行业的积极回归，同时也展示出他们对其旗舰型风力机实现了完全的革新。 从外观上看，DeWind D8 并没有什么改变，只有机舱顶部的窗户比过去看的更清楚了。除此之外，还保留了精巧的保时捷设计：与所有大型风力机相似，系统也是变桨控制的。轮毂高度（80 和 100 米）及风轮直径（80 米）与以前的型号相同。额定功率为 2 MW，功率仍保持不变。 然而，内部的一切几乎都经过改变。原因是，DeWind 在将公司卖给一家英美投资商之后，重新定位了其风力机的客户方向，即主要针对美国市场。因此，必须考虑到美国能源供应系统的特殊性。首先，美国电网频率为 60 Hz，而欧洲则为 50 Hz。此外，美国供应商通用电气拥有风力机磁场定向转换器系统的专利权，这给他们进入美国市场制造了障碍。 另辟蹊径 DeWind 决定采用全新的设计，打破其自身的传统技术。DeWind 自 1995年创立时起就开始使用变速系统。在该系统中，通过一个双馈感应发电机和变流器确保稳定电压和高质量电流。风轮侧风速的强烈变化必须在电网侧转换为恒定频率。这种设计使得 DeWind 建造的系统能够经济地在风速相对较低的陆上区域使用。这种类型的系统在欧洲备受青睐。 DeWind D8.2 样机，于 2007 年 1 月在德国的Cuxhaven 投入试运行 DeWind D8.2，安装在阿根廷安第斯山脉的海拔 4300 米处（超过14,100 英尺） 这项成熟的技术已在风电领域应用数十年，特别是对操作可靠性、精确动态控制和低操作与维护耗费要求较高的应用场合。 若要进军美国市场，公司就必须找到一种新的解决方案。这些努力使得 Dewind 的系统设计开创了风电领域的先河。新设计的核心部分是一个变速液压齿轮箱。原先针对欧洲市场的 DeWind D8 使用的三级直齿行星齿轮减速机由两级齿轮减速机取代。第三级由一个 Voith Turbo 高动态机电一体化驱动系统WinDrive? 装置取代。 借助 WinDrive?，DeWind D8.2 将风轮的变速转换为恒定速度，用于与电网直接相连的同步发电机。因而，在双馈感应发电机中处理该任务的变流器将不再需要。这表示，精密的电子元器件由一个低磨损的传动系统取代，无需任何功率电子设备。这样，DeWind 所展现的技术与通用电气专利技术有很大不同，从而能够在美国市场自由销售其系统，无需额外费用。同时，DeWind 能够完全 － 比竞争对手更有效地 － 满足电网连接的当前的最新规定。在德国，2007 年风力发电机组为国家电网馈入了约 400 亿度电，相当于德国总需求的 7％ 还要多。成功的同时，也要面对新的挑战：风力机必须整合到电网管理规划中，这在出现故障、电压跌落或短路等状况时特别关键。带同步发电机的系统比带其他发电机的系统更适合用于该环境。超过 95％ 的电力是由同步发电机产生的，这就是为什么专门为其固有故障特性设计了传输和保护系统。尽管有了精心打造的解决方案，但仍然很难让变流器系统达到同步电机的电源谐波质量。 一个 60 Hz 型的 DeWind D8.2，于 2008 年 3 月在德克萨斯州斯威特沃特（Sweetwater）建造 EtherCAT 和 TwinSAFE 为风力机控制带来新的技术亮点 若要重新设计风力机系统，还需要重新设计自动化控制系统。DeWind与 Beckhoff 通力合作，为 D8 研发了一种控制系统。该系统基于 Beckhoff工业 PC 和 TwinCAT 自动化软件。应用软件由 DeWind 自行开发。控制系统分析约 350 个 I/O。实时系统要求在 10 ms 或 1 ms 的固定周期时间范围内实现电网馈电或监控。DeWind D8 已经使用闪存驱动用于海量存储，特别是在考虑到恶劣的操作环境时。Beckhoff 开放式控制系统可以通过所有商用 PC 接口进行连接。 EtherCAT 被选择作为通讯系统：DeWind D8.2 配备了两个独立的高速EtherCAT 通讯线路，用于系统和风电场联网。通讯通过光纤实现。系 统安全性和可靠性通过冗余配置得到保障。风能应用场合中通常使用 硬连线的安全链，则通过Beckhoff 的安全解决方案 TwinSAFE 一起集成 在自动化系统中。Beckhoff 通过先进的扩展和匹配选项使得安全系统 更具灵活性，在出现紧急情况时不会降低系统可靠性。 推动 DeWind 快速发展 DeWind 和 WinDrive? 驱动系统的供应商 Voith Turbo 之间的启动会议于 2005 年 10 月举行。仅 12 个月后，也即 2006 年 10 月，在德国的 Cuxhaven 建造了一个样机，并于 2007 年 1 月投入试运行。DeWind对此非常满意：从决定使用 Voith 的 WinDrive? 解决方案到系统试运 行，仅仅花了一年的时间。如果没有一个能力超凡、勇于开拓、大胆 创新的团队，这些都不可能实现。与此同时，DeWind 建造了这种类型的两个附加系统，其中一个安装在阿根廷安第斯山脉海拔 4300 米处。第三个系统（60 Hz 型）于 2008 年 3 月在德克萨斯州斯威特沃特（Sweetwater）建造。 第三个系统由 DeWind 的战略合作伙伴 Teco Westinghouse 在德克萨斯州的 Round Rock 合作建造。TecoWestinghouse 目前正在兴建一条新的生产线，预计每周 5 套系统的生产量。公司预期 2008 年在美国建造和安装80 套系统。 EtherCAT 除了具有高性能和低系统成本的优势外，它所具备的灵活性拓扑结构特点也让它成为同行业产品里的佼佼者。若采用标准以太网电缆（100BASE-TX），两个站点之间的最大距离可达 100 m（328 英尺）。通过新型的光纤模块可以大大扩展联网距离，最远可达 2 km（1.24 英里）（100BASE-FX） WinDrive，一种 Voith Turbo高动态机电一体化传动系统，取代了 IGBT 变流器。这样，DeWind 所展现的技术与通用电气专利技术有很大不同，从而能够在美国市场自由销售其系统，无需额外费用，同时还能够完全满足电网连接的当前和最新规定 DeWind D8.2：一个成熟的解决方案，采用实时检测环境 为了在如此短的时间内完成 D8.2 项目，DeWind 决定走出 一条新的发展之路。风力机和传动系统的物理元器件在 最先进的计算机平台上进行模拟、检测和适配。这样， 在风力机并电网之前，风力机已在模拟环境下运行了数百个小时，掌控所有可能的运行情况。作为此次开发过 程的一部分，WinDrive? 配备了一个独立的 Beckhoff 控制 系统，在整个试验阶段，直接从仿真中下装程序到该控 制系统。在检测阶段结束后，WinDrive? 控制系统被集成 到风力机控制系统中。 在Beckhoff的支持下，开发团队还设计了一个实时检测环 境，用于模拟风力机的受力状态和风力机真实的响应： D8.x 实时检测环境（RTSim）。RTSim 的两侧由Beckhoff 组件构成，正如真实的风力机一样，与风力机控制端子模块相连。有了 RTSim 后，在安装和调试之前，即可实现动态系统特性的模拟仿真。选择在任何一点“解剖”模型的选项，以便检测硬件回路中的各个元器件和设备，这是一个巨大优点。仿真不仅取代了实际的试验操作，它还能够在开始新的研发过程之前，将现有的风力机运行经验考虑进去，从而能够检测系统特性，优化设计。如此，实验性生产就会变的比以前更加可靠了。 免责声明：本文仅代表作者个人观点，与automavin工控网无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本站证实，对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺，请读者仅作参考，并请自行核实相关内容。 [查看全文]
- Multibrid GmbH 从不会为陆上风电场而费心：5 MW 的 M5000 风力机从一开始就是专为海上风电应用而设计的。Multibrid 通过与 Beckhoff 紧密合作，为批量化生产 M5000 提供了一个集成平台的控制方案。 早在 2004 年，Multibrid 就开发了样机，虽然在三年之后才正式投入了批量生产。2007 年中旬，Multibrid 开始在位于德国不来梅港的工厂安装风轮直径为 16 米、轮毂高 90 米的 Multibrid M5000。 当项目经理 Bernd Zickert 于 2005 年加盟该公司时，他就发现了这样一个很常见的技术现状：用于风力机的控制和自动化系统并不是基于一个集成的平台。硬件组件来自四个不同的制造商，这意味着Multibrid 工程师必须熟悉不同的系统。组件和数据采集的协调也是个问题。 对于 Multibrid 样机，这种内部差异很有意义，因为它可以显示出设计的弹性，并为最终决定批量生产奠定基础。为此，公司必须试验各种选件。两年前，他们完成了 M5000 的首次现场试验。试验表明方案基本可行。Multibrid 所面临的另一个挑战是，必须为批量生产和海上风电场运行做好准备。 通过对风力机所承受各种环境影响的模拟仿真实现样机的试验，包括各种可能的故障和故障场景。“针对仿真，我们为所有系统接口创建了一个精确的模型。”Bernd Zickert 说道。“我们能够进行深度开发来提升系统性能。” 开发的重点主要集中在系统生产、安装、运行及维修方面的可行性。2008 年，Multibrid 打算建造 13 个系统，其中 6 个计划用于 Alpha Ventus 海上风电场。Alpha Ventus 是德国首座海上风电场。它是一个具有开创性意义的合作项目，E.ON Climate &Renewables、EWE 和 Vattenfall Europe New Energy 都有参与该项目。 M5000 规格 额定功率： 5 MW 风轮直径： 116 m 风轮速度： 4.5 – 14.8 rpm 最大叶片速度： 90 m/s 海上轮毂高度： 90 m（样机 102 m） 机头重量/扫风面积： < 30 kg/m2 低磨损技术降低系统故障 Multibrid 的设计显示出出他们的雄心壮志。与其它大部分风力机制造商不同，Multibrid 使用的是永磁同步发电机。大部分的电力供应商使用的都是同步发电机，而风电行业更倾向于使用异步（感应）发电机。Multibrid 决定使用一个带环设计的多极同步发电机，这表示，它以成熟的技术为基础，同时还具有磨损极低的优点。这一点特别是对海上风电场运行来说是个极大的优点，在海上风电场中，服务、维护及维修比陆上更加困难，特别是在天气很恶劣的时候。任何不容易出现故障的设备或性能特点都会让风力机更为可靠。 重量轻，便于建造和安装 为了便于运输并确保安全和快速安装，M5000 的一个重要设计要求是减少机舱和风轮的重量。Multibrid 在风轮和发电机之间放置了一个减速比为 10:1 的单级减速机。发电机通过一个四象限逆变器连接至电网，通过该逆变器，可以实现变速运行。同时，它满足电网调度员为高级风力机所规定的要求。采用这一设计方案后，Multibrid 将风轮、轮毂和机舱的总重量减少到约 310 吨。 尽管 Multibrid 风力机的额定功率较高，但其外形却极为紧凑：机舱尺寸仅为 7 米高、10 米长，与其它同类产品相比，该系统更加小巧、轻便。这样可带来很多优点：用三角架基础支撑的管状钢塔可给定不同的尺寸。机舱可在陆地上预装配，然后在海上作为成套设备安装。海上风电场运行的重要要求就是机舱的密封性：空气处理系统从环境空气中分离出盐和水粒子，在机舱内生成正压，避免具有侵蚀性的海洋大气进入，保护易受损的控制元件受到侵蚀。 德国不来梅港的生产车间直接坐落于港口，方便船只运输 集成的控制平台使系统管理更加简单 自动控制系统的改造工作由 Bernd Zickert 实施，他们的团队负责对系统进行简化。控制器数量从 5 台减少为 2 台。除了塔筒中的主控计算机之外，还有一台轮毂中的计算机，用于提供冗余功能，并防止通过滑环连接数据传输的丢失。 整个硬件平台都由 Beckhoff 组件替换，建立了一个集成的控制系统，提供协调、简单的处理、连接和数据流。系统处理 500 多个数字量和模拟量信号。这在维修和维护时特别有好处：维修技师仅需熟悉一个运行操作指导系统即可，这样可大大减少培训和调试成本。 为了减少可能的组件故障所带来的影响，传感器、执行器和辅助系统均使用冗余设计。这特别适用于空气处理、油品供应与液压系统以及轮毂和冷却系统的电池充电器。 基于 PC 的控制技术可确保系统的开放性。Multibrid 工程师 Zickert 认为这是一个特别有意义的性能特点，因为它为自动化控制系统的深度开发提供了广阔的空间。“毕竟，我们所处的是一个具有高度动态性的领域，科学技术的发展日新月异。” 第三方设备可通过相应接口轻松集成到系统中。系统的开放性还将能够集成新功能的 I/O 模块。 基于 Windows 标准操作系统的 Beckhoff TwinCAT 控制软件，简化了操作指导工作，确保与常规的用户界面兼容。这对由 SCADA 系统提供的数据流和信息的可视化也产生了积极影响。控制系统支持现场的安全访问，而在控制中心也可由多名用户同时进行访问。可对参数进行修改，以满足具体的应用要求。系统的故障分析能力得到很大提升。系统可通过因特网协议经由光缆实时监控。 一个集成的 ORACLE 数据库系统可以在离线状态下（例如，在系统通讯出现故障时）将需要传输给控制中心的文件保存 50 天之久。存储能力取决于所使用的闪存卡大小。系统存储所有与风电场管理相关的数据，包括运行数据（10 分钟均值、跟踪、计数器）、错误日志分析、功率曲线、生产、无功功率、内部能耗及运行模式等数据。 M5000 控制系统的控制结构 主控计算机：CX1020 嵌入式 PC，Windows XP 操作系统 轮毂计算机：CX9000 嵌入式 PC，Windows CE 操作系统 自动控制软件：TwinCAT PLC HMI |嵌入式控制面板 CP6832 I/O 总线系统：EtherCAT（PROFIBUS，带 EtherCAT 模块） I/O 系统：总线模块 / EtherCAT 模块 I/O 模块： –各种数字量 / 模拟量 I/O –电力测量模块 –继电器模块 – SSI 角度测量模块 –增量编码器接口模块 –串口通讯模块 Multibrid Multibrid 成立于 2000 年。公司主要开发和建造 M5000 海上风力发电机。他们与供应商合作，有一支专家团队负责不断开发重要的系统组件，提升 Multibrid 技术。通过挂靠 ProkonNord 公司，Multibrid 能够利用他们在风电场工程建设中长期积累的经验。 工程规划公司 Prokon Nord 很早前就已进军海上风力发电领域，在北海和诺曼底海岸设计了三个风电场，在后者中共安装了 181 个风力机，每个风力机的功率为 5 MW。Prokon 的介入对 Multibrid 的帮助很大：由于市场的巨大需求，新的开发项目在经济上是可行的。法国能源公司 Areva 于 2007 年9月购买了 Multibrid 51％ 的股份，他们的介入为 Multibrid 提供了可靠的财力支持。公司能够将好的理念实施到良好的商务活动中。同时，Multibrid 的生产正在进行中。 开放式系统理念便于深度开发 M5000 试验台主要用于减少功能试验和调试时间，优化操作步骤和控制过程 全面的仿真为质量提供保障 由 Multibrid 团队与 ISET（德国卡塞尔大学的太阳能供电研究院）密切合作开发的仿真软件质量尤为重要。该软件通过 TwinCAT 可实现系统状态和数据交换的实时仿真。Beckhoff 负责提供相应的硬件，并参与到SCADA 系统的开发工作中。 试验台用于初步检查理论假设、方案的合理性，也可用于员工和客户培训。此外，Multibrid 将其发展为一个高效的质量保证工具：所有的系统控制组件都映射在试验台上。系统能够仿真所有的执行器和传感器以及与风力机控制设备之间的通讯。这样，控制系统与其它系统的功能能够在安装前完全得到检验。与其在恶劣的海上条件下还要安装带未经验证功能的组件，不如在交付前就保证组件和子系统的质量。这对实施更新和改造措施也非常有益，不再需要像测试版那样进行现场试验，但可在安装时进行大量的功能试验。 Alpha Ventus 主要数据 风力机数量： 12 台 总功率： 60 MW 每年预计发电量： 约 220 GWh（= 可满足 50,000 户三口之家的电力消耗需求） Alpha Ventus：德国首座海上风电场 Alpha Ventus 海上风电场是一个具有开创性意义的合作项目，E.ON Climate& Renewables、EWE 和 Vattenfall Europe New Energy 共同参与了该项目。该风电场座落在北海（距波尔库姆岛（Borkum）北部 45 公里，水深 30 米 （98.4 英尺））。Alpha Ventus 是德国首座真正意义上的海上风电场。Alpha Ventus 研发项目的设计、建造、运行和并网对未来海上风电场的商业化运营具有重大意义。在 2008 年的项目进度规划中，他们要为风电场南部安装六台 Multibrid M5000 风力机，建造海上风电站。风电场有望于2008 年秋并网，并计划于 2009 年夏在风电场南部再安装六台不同型号的风力机。 风力机各组件机舱、风轮叶片、塔筒组件及地基结构等预先独立在陆上安装，最终在海上装配成为一台完整的风力发电机组。 12 台风力机分布在 4 平方公里的（1.5 平方英里）区域内。这些风力机组成一个矩形，分为四个平行的行，每行有三台风力机。在该网格状结构中，风力机之间的距离约为 800 米（约 0.5 英里）。Multibrid M5000 风力机使用三角架固定。此处的水深大约为 30 米（98.4 英尺）。安装面积达 255 m2 的三角形支架需要 56 人。一台风力机重量约 1000 吨，相当于200 头成年大象或 22 节火车车厢的重量。扫风面积约为一个半足球场的面积。在风轮最大转速下，叶尖以每小时 300 公里（186 mph）的速度划过空气。 该风电场所处的位置平均风速为 10 米 / 秒，相当于蒲福风力等级 5 级（19 – 24 mph 或 39 km/h）。设计人员预计风电场每年能够持续满负荷运行 3800 小时。与陆上风电场相比： 地理位置优越的陆上风电场：平均风速约为 5 米 / 秒，电场每年能够持续满负荷运行约 2200-2500 小时。 免责声明：本文仅代表作者个人观点，与automavin工控网无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本站证实，对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺，请读者仅作参考，并请自行核实相关内容。 [查看全文]
- 1. 引言 细纱机是前纺设备当中重要的一环，性能稳定、工艺调整方便、成纱质量高、技术先进、自动化程度高、高效节能等成为未来的发展方向。 上海二纺机股份有限公司的EJM158JL型细纱机就是基于上述原则最新开发的1500锭超长细纱机。设备采用分段多轴同步驱动控制方案，使用贝加莱（B&R）高性能可编程计算机控制器（PCC）和分布式IO模块X20以及ACOPOSmulti调速系统，通过POWERLINK总线控制方式，实现带自动集体落纱的1500锭超长细纱机控制系统的完美方案。 2. EJM158JL型细纱机控制系统方案 2.1. 系统控制要求 2.1.1. 特点 前、中、后罗拉，锭子及钢领板分别由电动机直接传动。 气圈环、钢领板与导纱板升降运动分离，有效控制纺纱张力。 所有纺纱工艺参数通过人机对话，在操作屏中设置。 成纱质量达到国际先进水平。 集体落纱系统，落纱时间≤3分钟，留头率≥97％。 电动粗纱输送系统，减轻劳动强度。 2.1.2. 规格 锭数： 1008～1512 纺纱线密度： 49～5tex （12～120Ne） 牵伸倍数： 10～60（无级调整） 锭速： 12500～23000rpm 捻向： Z或S捻 适纺纤维： 棉、棉型化纤 2.2. 设备传动示意图 2.3. 控制系统配置简介 1) PP251：5.7’’触摸式显示屏，集显示、操作、运算、控制于一体。 2) X20 ：分布式IO，体积小，接线方便。 3) X2X ：IO总线，100us的数据刷新周期。 4) POWERLINK ：驱动总线 100M实时以太网通信。 5) ACOPOSmulti：驱动系统，包括Filter滤波器、choke扼流电抗器、Power Suply unit主电源DC 800V、Control suply unit控制电源DC 24V 、安装底板mounting plate。 6) 驱动轴：包括主电机，集落电机，纲领板电机，罗拉电机（为防止1500锭长车罗拉发生形变，每根罗拉分两段独立驱动，共12个罗拉电机）。 2.4. 控制系统示意图 3. 电气系统特点 1) 主控制系统采用高度集成的PP251，集分析运算、控制驱动、总线和人机界面于一体。 2) 驱动系统采用ACOPOSmulit多功能驱动器，集成电子齿轮、电子凸轮、精确定位等功能。 3) 驱动器特有技术： DC BUS电压恒定控制在800 V，不随输入电压波动而变化。 功率因素接近1的再生供电单元（cos(φ) = 1），系统对外呈现纯阻性，无谐波干扰。 一个逆变单元可同时连接两个伺服电机 (最大 8 kW)大大节省安装空间。 制动能量回馈电网技术，直流母线电压闭环控制、通过底板连接，无需外接制动电阻，电机制动能量可以回馈电网。 4) 控制系统集了以下成功能模块：纱管成型电子凸轮、轴与轴（主轴，各罗拉，纲领板）同步、集体落纱精确定位等，用户可直接调用，输入工艺参数即可。 5) POWERLINK实时以太网总线，100M的速率，同步功能在总线上实现，节省大量的连接线和同步卡，同时和上位进行大量的数据互传，实现数字化。 6) 安装底板多种安装方式，可采用柜内安装，穿墙式安装，外冷（水/油冷）等方式，完全解决纺织行业控制柜散热难的问题。 7) 电机可使用异步伺服电机，节约成本。 4. 结束语 本控制系统可根据用户要求可灵活更改配置，如罗拉可以采用1电机控制、或者2电机、3电机、6电机控制，根据工艺要求也可以纺竹节纱。本系统稳定性，使用方便性，维修简易性，自动化程度，成纱质量，节能等指标都达到国际先进水平，完全实现高品质细纱机的智能化，柔性化和数字化，为客户全自动细纱机提供了完美的整体解决方案。 免责声明：本文仅代表作者个人观点，与automavin工控网无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本站证实，对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺，请读者仅作参考，并请自行核实相关内容。 [查看全文]
