西门子模块6ES7223-1BH22-0XA8现货包邮

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一、概述
今天，全球知名的工业自动化动力、控制和信息系统解决方案供应商罗克韦尔自动化的集成架构产品和解决方案已经在冶金、电力、水处理、乳品饮料、、水泥、石化、矿山、汽车制造等各个行业得到成功的应用和广泛的认同，其控制系统、软件、变频器在冶金各工艺生产中的应用举不胜数。济钢2#、3#1750m3高炉槽下，炉顶，水处理，热风炉，炉本体，原燃料等系统全部采用了ControlLogix系统，工程于2005年9月18日顺利投产。
近年来，随着炼铁高炉自动化程度的提高，随着生产安全性、可靠性要求的提高，随着全厂调度管理网络自动化的提高，先进的、开放的控制系统在生产中得到越来越广泛的应用。
二、系统简介
2．1．控制系统配置
整个工程共包括原燃料、槽下配料、无钟炉顶、热风炉、净环、浊环、渣处理、出铁场除尘以及高炉煤气清洗和TRT子系统。主要设备为1750m3高炉一座、顶燃式热风炉三座、炉顶为串罐式无料钟结构。本工程的自动化设计由济南钢铁公司设计院设计完成，应用两级自动化控制实现高炉的自动化控制。整个高炉基础自动化系统由电气和仪表系统组成，主要功能完成对从原燃料上料、槽下配料、无钟炉顶布料、煤粉制备喷吹以及炉体水冷和净环、浊环系统等生产过程进行数据采集、顺序控制、连续控制、监控操作、人机对话和数据通信（包括接受过程自动化系统的设定值和发送实际过程数据给过程自动化系统）。采用电仪一体化（电气、仪表共用）的PLC控制系统、HMI人机界面、控制软件及相关的环型工业以太网组成。
控制系统联接网络共有四层：1.设备网（DeviceNet）；2.控制网（冗余ControlNet）； 3.工业以太网（EtherNet/IP）。
现场设备联接的设备网有DeviceNet，如探尺编码器，第三方设备如MODICON的PLC通过位于本体的第三方通讯模块经过以太网进行通讯。
各子系统PLC主机与RIO分站之间以冗余的ControlNet网通讯，保系统网络的安全、稳定性。
整个高炉区域通过光纤连接成一个100M TCP/IP 工业以太网，2#、3#高炉各子系统及公用部分的PLC、操作站、服务器之间采用工业以太网（EtherNet/IP）连为一体，实现PLC、操作站、数据共享、实时交换。其中高炉的原燃料、槽下、无钟炉顶、炉体水冷、高炉软水密闭循环、热风炉等对于高炉连续生产相对比校重要的子系统链接成环形工业以太网，其他辅助系统如煤粉喷吹子系统，渣处理、高炉干法除尘等子系统子系统成树型拓扑结构连接在环形以太网上。所有链接在网络上的服务器、操作站、PLC处理器都有相应的地址规划，并保留了一些地址用于以后的扩建如图所示。




高炉服务器采用DELL中高端配置服务器。HMI服务器、域控制器操作系统平台为bbbbbbs2003。操作站采用西门子工控机，其操作系统平台为bbbbbbsXP，操作站上位软件为软件使用Rockwell Automation公司的RSView SE，从各级设备中采集数据、并分配到整个系统，以实现生产过程的实时监控，同时具备历史数据存储、报警、统计、报表打印等功能。
2．2．控制系统特点
ControlLogix控制器平台是将高速离散控制、过程控制、协调传动控制、运动控制、批次控制和安全控制融于一体的一个控制平台。允许混合使用多个处理器、多种网络和I/O。系统灵活性强、易于集成、模块化设计、开放式结构，特有的升级固件，使得系统在应用中功能强大、，而且极大地节省培训费用和工程实施费用。
ControlLogix在济钢高炉自动化控制中应用的技术，具有下述特点：
1、控制器：每台Logix5555控制器最大寻址量128000点DI/O，4000点AI/O及回路。ControlLogix平台通过背板提供了高速。各控制器能产生(广播)和使用(接收)系统标签，这种技术使得多个控制器共享输入信息和输出状态，非常实用。控制器采用1756-L55M16：带有7.5M内存，位执行时间为0.08μs,支持浮点运算及快速事件处理，适用于大规模、复杂控制过程的编程需求。I/O扩展方式灵活，能适应多分站、远距离的结构。支持控制器冗余，在槽下配料，炉顶控制等重要环节采用处理器冗余提高了系统的可靠性，具有与controlNET、Ethernet/IP、DeviceNET、DH+、RS-232（DF1）、DH-485通讯功能。
2、1756系列智能I/O模块：I/O模块种类繁多，可拆卸端子，具有带电拔插、分变则报()、自诊断、时间标记、模块标识、闪存升级、电子保险、单独隔离等功能。模块广播数据的速率可设定。
3、网络设置：网络分层、分工明确、。控制网ControlNet冗余、开放、高速、实时、对等传送数据信息，ControlNet能够可靠预测数据何时发送，具有高度的确定性。设备网DevicelNet，是一种开放式的底层通用网络，基于标准的CAN技术，具有互操作性。成本及维护费用低。
2．3．控制系统主要功能及效果
整个系统可以实现原燃料输送、槽下配料、无钟炉顶控制、热风炉换炉控制、净环水处理、浊环水处理、渣处理、出铁场除尘等工艺的生产参数的在线检测、数据处理运算、显示、存储、管理、控制输出、记录操作过程等功能。程序全自动时，设备由计算机控制，操作人员可通过人机对话修改设定值、可直接控制设备运行。大大减小了控制室监控人员的劳动强度。槽下配料，无钟炉顶控制是炼铁工艺中比较复杂的工艺对象，在济钢高炉控制系统中通过一些创新的程序处理，使这些工艺对象控制得非常理想。
三、结语
先进的控制系统是一个现代化工厂的标志，对于企业有着深远的社会效益和经济效益。ControlLogix系统在济钢高炉一炼铁车间的成功使用，为济钢节约了能源、降低了成本、减少了操作人员，提高了生产的安全性，提高了产品的合格率、生产率。本系统自投运以来情况良好，画面清晰，易于维护，便于操作。根据工艺要求实现设备相互连锁，利于设备的启停及运行操作；利于系统操作和工艺参数的修改；完整的故障信息报表可及时发现系统的某一环节故障，减少系统的故障停机时间。保障生产顺利进行，提高了监控与管理水平。3#1750高炉自2005年9月18日投产后，在较短的时间内,各项生产指标较快地达到设计要求。

、 项目背景

2000年邯钢从德国克虏伯公司拆回二手设备燃气轮机，主要消耗能源为混合煤气。第九煤气加压站5#、6#加压机将焦炉煤气加压到0.2Mpa，经与高炉煤气混合后向燃气轮机提供热值在3500±50KJ/cm3的混合高压煤气，推动燃气轮机做功，向热风炉输送一定压力和流量的冷风。计算机控制系统选用了美国ROCKWELL公司的ControlLogix L5550系列产品，它具有良好的稳定性、扩展性、软硬件的开放性以及友好的人机界面。其它主要设备有鞍山UNION公司热值仪，德国西门子变频器等。


二、 硬件构成

1、 系统构成




图中，1756-CNBR为ControlNet冗余通讯模板。R是redundance（冗余）的缩写。1784-KTCX15为安装在工控机内的通讯卡，具有双通道信号输入。1786-CP为通讯电缆，1786-TPR为同轴电缆分支器。


2、 PLC组成






1756-PA72：电源模板 1756-L55M14：CPU模板
1756-CNBR：冗余通讯模板 1756-IF16：模拟量输入模板
1756-IR6I：热电阻输入模板 1756-OF8：模拟量输出模板
1756-IB32：数字量输入模板 1756-OB32：数字量输出模板

I/O模板种类繁多，具有可拆卸端子、带电插拔、分变则报、自诊断、时间标记、模块
标识、闪存升级、电子保险、单独隔离等功能。

3、 网络组成

Logix5000系列产品可以采用DH+、ControlNet、DeviceNet、以太网等网络结构。煤气加压站采用了ControlNet冗余通讯网络，它具有独特、先进、的Producer/Consumer技术，冗余、开放、高速、实时、对等地传递数据信息，网络传输速率达5MB/S。ControlNet能够可靠预测数据何时发送，具有高度的确定性。

工控机内安装通讯卡，型号为1784-KTCX，与PLC之间通过ControlNet网进行通讯。通过Rslinx软件可以方便地设定内存地址、站地址、中断号等参数。加压站的实时控制网通过1784-KTCX网卡与1756-CNBR/D通讯模板互相连接。1756-CNBR/D冗余模板联结两条网络主干线，通讯模板随时两条传输通道上的并检验。


三、 软件

1、 系统软件：操作系统为bbbbbbs NT6.0中文版+SP6a，监控组态软件为RSView32 6.3中文版，编程软件为Rslogix5000 V11.11，网络通讯软件为RSLinx V2.2，利用它所提供的OPC接口进行采集数据。

2、 应用软件

2.1、RSView32 6.3提供了建立有效监视以及管理系统的全套工具，它是以MFC（微软
基础类库），COM（组件对象模型）组件技术的软件包。它具有绘图及动画、安全防护功能、报警功能、记录功能、趋势功能、事件检测功能、与先进的OPC规约完全兼容、ActiveX、VBA bbbbbb(脚本)语言等丰富的功能，使得软件设计开发功能完善、控制内容灵活的人机界面游刃有余。

煤气加压站操作站主要功能包括：工艺流程图、实时数据表、控制调节画面、实时趋势、历史趋势、报警画面、数据报表以及屏幕打印等。主要监控画面如下：









2.2、RSLogix5000梯形图软件编程包，有灵活易用的编辑功能，通用的操作画面，诊断和纠错工具。程序数据库中有控制器标签Controller tag和程序Program tag标签两种。与以往的SLC500系列产品相比，所有数据采集无须编程，直接读取模板地址即可。

2.3、RSLinx软件实现上下位数据库之间的连接，ControlNet网络连通后，以OPC数据交换方式在RSLinx软件中建立TOPIC，选定相应的TOPIC建立上位数据库，RSView32软件所有人机交互功能即可实现。


四、 主要控制功能

1、 煤气热值自动控制
热值是主要质量指标之一。煤气混合加压站以高炉煤气为主，以焦炉煤气为辅，高炉煤气热值约750KJ/m3，焦炉煤气热值约4000 KJ/m3。

煤气热值自动控制为串级、交叉限幅调节系统。以热值调节为主环，焦炉煤气流量调节为副环，加入了高焦煤气单交叉限幅。焦炉煤气流量的设定值不单单取决于热值调节器输出信号MV，而且受到高炉煤气流量的瞬时值的限制，即按高、焦理论配比值求出应配焦炉煤气流量值，乘以1.05和0.95作为MV的上、下限幅值MH1、ML1。

该控制思想一则使焦炉煤气流量调节器的调节量不至于过大，从而使高焦配比值在小范围内波动；二则使主环调节器不至于产生调节饱和，加快了滞后较大的主环的动态响应，改善了系统的调节品质。







PLC AO模板输出4-20mA信号给变频器，控制交流变频电机转速调节热值。


2、 高炉煤气压力自动调节控制

3、 焦炉煤气压力自动调节控制

4、 回流阀自动调节

上述3个自动调节都是单回路PID控制系统。当测量值与设定值有偏差时，PLC经计
算输出一个4-20mA控制信号，控制调节阀的开度。





五、 系统调试

1、 在工控机内安装好网卡，设定好所有参数。将与PLC的通讯线接好，通过RSLinx
软件检测在线节点。

2、 下载梯形图程序，初始调试阶段，PLC会出现故障信息，在RSLogix5000中的
Controller properties 中的Major faults/Minior faults中会出现错误信息，可以帮助快速处理故障。

3、 在PID功能块的调试中，Loop Update Time不能为零，否则下载程序肯定出错。

4、 调试中要灵活运用AFI和TND指令。前者可以暂时中断所在行执行，后者可以使
控制器停止扫描所在梯级后面程序。

5、 对于压力、流量等被调参数来说，对象调节通道时间常数T0较小，而负荷又变化
较快，这时微分作用和积分作用都要引起振荡，对调节质量影响很大，故不采用微分调节规律。因此，高炉煤气压力自动调节控制、焦炉煤气压力自动调节控制、回流阀自动调节都采用PI调节。P值越大，比例调节作用越强，I值越小，积分作用越强。

6、 对于温度、成分等测量通道和调节通道的时间常数较大的系统来说，采用微分规律

这种超前作用能够起到较好的效果。由于热值检测的惯性滞后，PID中加入了微分调节规律。

一、引言

在现代控制系统中，由于系统复杂性的日益提高，规模的不断扩大，系统常常要面对不可预计的变化。这类系统一旦发生故障就可能造成人员和财产的巨大损失。设计可靠的容错控制系统，或者将复杂系统的性能维持在高水平上，是急待解决的问题。切实保障现代复杂系统的可靠性和安全性，具有十分重要的意义。这首先就需要能够正确地出系统产生的变化（故障），然后尽快地采取相应措施来重新配置系统。由于实际应用在这方面有强烈要求，所以研究和发展新的故障检测和诊断技术已经成为自动控制领域的一个热点研究方向。

动态系统的故障检测与诊断（FDD）既是一门相对独立发展的技术，也是容错控制的重要支柱。目前国际上每年发表的有关FDD方面的论文和报告在1000篇以上。许多学者加入到这一研究领域，提出了许多研究方法。经过多年的发展，这一领域已经产生了许多研究成果。

实际系统可能发生的故障是多种多样的，因此研究故障检测和诊断问题需要对故障做出适当的分类，按照不同的方面，可以得到不同的分类结果。从故障发生的部位看，可以分成仪表故障（常称为传感器故障）、执行器故障和元部件故障；根据故障性质，可以分为突变故障和缓变故障；从建模角度出发，又可以分为乘性故障和加性故障。至于故障诊断的方法，按照通行的分类方法可以分为3大类：基于解析模型的方法、基于信号处理的方法和基于知识的方法。

基于解析模型的方法是最早发展起来的，此方法需要建立被诊断对象的较为精确的数学模型。进一步，它又可以分为参数估计方法、状态估计方法和等价空间方法。这3种方法虽然是存在一定联系的，比如基于观测器的状态估计和等价空间方法是等价的。相比之下，参数估计方法比状态估计方法更适合非线性系统，因为非线性系统的状态观测器的设计有很大的困难。目前，只有针对某些特殊的非线性系统有研究，而通常的等价空间方法仅适用于线性系统。

当难以建立诊断对象的解析数学模型时，基于信号处理的方法是非常有用的。这种方法直接利用信号模型技术，如相关函数、高阶统计量、频谱和自回归滑动平均过程，以及现在热门的小波分析技术用这种方法可以避开提取对象数学模型的这一难点，这既是它的优点又是它的缺点。

基于知识的方法和基于信号处理的方法类似，也不需要系统的定量数学模型，但它克服了后者的缺点，引入了诊断对象的许多信息，特别是可以充分地利用专家诊断知识等，所以是一种很有前途的方法，尤其是在非线性系统领域。下面将介绍基于知识的故障诊断方法，并把重点放在基于定性模型的方法上。



二、基于定性方法的故障检测和诊断方法

定性故障检测和诊断方法的基础是定性模型和定性推理。基于定性方法的故障检测与诊断，利用不完备的先验知识，采用定性的方法，对系统结构和功能进行描述，建立起定性模型，对系统进行推理，预测系统的定性行为，通过与实际的系统行为比较，检测系统是否发生故障，并诊断系统的故障原因。


（一）基于定性理论（QSIM）的诊断技术

它的理论基础是于1986年提出的基于定性微分方程的定性理论。Kuipers在1987年提出了基于QSIM的诊断技术起，采用基于故障模型的诊断策略，利用QSIM方法对故障模型进行，从而得到预测的系统行为。然后将观测到的故障行为与这些预测行为相比较。如果一致，则说明系统发生故障。这时，依据建立该模型时的先验知识，进一步诊断出故障的种类和原因。这充分发挥了QSIM基于深层知识建模和推理能力强大的特点。这一过程被称为设—建模——匹配循环，如图1所示。




这种方法适用于对所有故障都已知的系统进行故障诊断。对未知的故障无法进行准确的故障诊断，这是该方法本身造成的缺陷。

（二）基于定性过程理论（QPT）的诊断技术

它是于1984年提出的定性推理方法。Forbus于1987年提出了基于定性过程理论（QPT）的故障诊断技术——ATMI，利用定性理论对系统的观测进行解释。该方法的输入是一组测量序列。定量值被描述为量空间的表示形式。定性状态包括数量有限的组分，构成一种解释，对于一组系统测量值，存在一组定性状态集与之对应。通过削减集合中的状态，得到对系统行为的解释。

该方法通过对测量值进行解释，从而检查故障设是否能解释观测的系统行为。这种理论仅仅依赖很少的设，这些设往往很容易满足。这一优点使得此方法可以应用于较广阔的领域。但是，在待研究的系统事先已知的情况下，现有的定性推理机制往往显得很慢。解决的办法是事先建立状态解释表，通过查表，加快解释过程，但这个表可能非常大。

（三）基于带符号有向图（SDG）的诊断技术

它是一种由节点（nodes）和节点之间有方向的连线构成的网络图。它看似简单，却能够表达复杂的因果关系，并且具有包容大规模潜在信息的能力。

在化工过程中最早采用SDG方法进行故障诊断研究的学者是S.A.Lapp和G.J.Powers，虽然在论文中没有明确提出SDG一词，但的确建立了SDG模型，并首次用SDG推导出了故障树。

M.Iri等人（1979，1980）提出了符号图SG的定义以及运用深度优先技术在静态不完全的SG样本中探索故障源的基本算法。

J.Shiozaki等人（1985）在M.Iri的基础上将SG明确为SDG，并且提出了5级SDG的概念和一种新的算法，节点状态为“+”、“+？”、“0”、“-？”和“-”5种提高了诊断的准确性的计算效率。在实际中已经有了这方面的应用。

J.Shiocaki等人（1987）经过研究，又提出运用故障显现时间的概念改进SDG故障诊断方法，提高了诊断的分辨力。

C.C.Yu等（1991）、X.（1996）和E.E.Tarifa（1997）将支路定量稳态增益和隶属函数结合起来，根据模糊逻辑计算出相容通路的相容度，为相容通路确定灰度级别。在这里，模糊集合论被引入SDG，用于解决区分多通路影响度的问题。

H.Vedam（1997）将SDG方法推广到多故障源的诊断（MFD），提出的算法在G2软件平台上进行实现，并且用一套FCCU的运态系统进行诊断试验，提高了计算速度和诊断分辨力。

目前，国内这方面也有研究，北京化工大学的吴重光教授等人独立研究解决了推理机问题，并且通过自动HAZOP案例分析验证了所开发的　SDG-HAZOP软件平台的正确性，了这一领域国内研究的空白。

基于带符号有向图（SDG）的诊断技术认为故障诊断本质上是确定过程扰动的根本原因。采用带符号有向图描述系统，利用存储在SDG图上的信息搜寻扰动可能的故障源，从而有效识别系统扰动的原因。此方法的优势在于需要相对较少的信息来构造带符号有向图及用于诊断。SDG利用节点和连线来描述系统成员之间的因果关系，如图2所示。




其中，节点A和B表示过程变量，取值{－, 0, ＋}；节点间的有向连线表示节点间的因果关系；连线上的符号sgn（A-B）代表节点间影响的方向，当sgn（A-B）取值为“+”，表明原因变量与结果变量变化方向相同；当sgn（A-B）取值为“－”，表明原因变量与结果变量变化方向相反。构造　SDG的方法主要有两种：一种是根据过程数据或者操作者的经验构造；另一种是通过对已知的数学模型进行抽象来构造。如图3所示。目前通常　　采用第一种方法，因为大多数系统的数学模型很难准确地建立。利用SDG进行故障要构造一组从给定根节点出发的有向枝（称为树）。树表现为一组从根节点到每一个因果相关节点的路径，是对故障传递途径的预测，体现了事件因果顺序和故障源对相关节点影响的方向。




采用经验法构造SDG模型按如下步骤进行：

1．找出和故障相关的、关键变量作为节点；

2．尽量找出导致这些节点故障的原因，每个故障源到节点都有支路相连；

3．从原理清节点之间是增量影响还是间量影响，分别用“＋”或“－”支路相连；

4．SDG图做出后，采用该过程的系统作案例分析，通过反复验与修改SDG模型直到满意为止。

其中，选择节点和支路的原则是：在符合客观规律的前提下，要有利于解释故障的原因及后果。

基于SDG建模的诊断技术存在如下缺点，有待与专家学者进一步的研究：

1．SDG通常只支持两种过程偏差（偏大或偏小），这在有些场合是不够精确的；

2．SDG没有包含设备的状态信息。因此，即使设备单元存在故障，SDG仍然把它当作正常设备来使用，这就会造成误差；

3．SDG对于故障序列处理得不好，仅能处理一些简单的线性事件链；

4．使用SDG模型，有时候不能在很多事件中区分出哪些是可能的、哪些是不可能的。这是因为有向图没有完全地与现实情况吻合，存在误差；

5．由于SDG模型没能包含设备单元的所有信息，经常会出现故障误报。虽然误报比漏报好，但是增加了用户区分这些预报真的工作量。



（四）基于定性观测器的诊断技术

Zhuang和Frank提出了定性观测器（QOB）方法。定性观测器主要包括如下4个部分（见图4）：

（1）定性模型：是定性观测器的关键部分，通过定性推理，来预测系统的行为；

（2）差异检测器：用于确定测量值与计算设之间的差异；

（3）候选者产生器：依据差异，提出供候选的故障源；

（4）诊断策略：用于协调整个循环搜索过程，从而确保模型与实际过程相匹配。




基于定性观测器的故障诊断技术，通过构造系统的定性模型，对系统行为进行预测，将预测的结果与系统实际的输出相比较，利用差异检测器，衡量预测与实际之间的差异，如果存在差异则已出故障。将差异作用于候选者产生器，产生候选故障，反馈给定性模型，构成故障模型，直到预测与实际输出匹配，从而诊断出故障。



三、结束语和展望

本文重点介绍了基于定性方法的故障检测与诊断技术。影响方法选择的主要因素是系统的先验信息。如果无法建立定量模型时，定性方法是自然的选择。

基于定性方法的故障检测与诊断技术的主要优点如下：（1）当系统信息不完整，或者系统信息是定性信息，或者故障无法用解析模型描述时，无法建立定量模型，只能建立定性模型。采用基于定性方法的诊断技术仍然可以检测和诊断故障。（2）利用定量方法诊断时，虽然比较精确，但有时因为诊断速度问题，无法实现在线诊断；或者在对精确度要求不高的场合，利用定性方法更为适宜。（3）用定性方法描述系统，可以保证所表述系统行为的可靠性，因此可以减少误报现象。（4）定性方法利用系统的深层知识，关注于系统不同部分之间的因果性或相关性。这一特点有助于进行故障分离和故障分析。（5）利用定性方法进行故障诊断，具有较好的鲁棒性。

也存在着以下这些不足，同时这也是学者进行下一步研究的方向：（1）利用定性知识进行故障诊断时，定性知识的组合数会随着系统规模的扩大发生级数爆炸，影响了定性方法的实用性。（2）需要预先知道故障的定性知识，否则只能进行检测，不能准确地诊断出故障的原因。（3）由于定性描述相对于定量描述而言比较粗糙，存在冗余信息，这样会造成诊断结果的不唯一性，需要进行筛选。（4）利用定性方法描述的系统进行故障诊断，同时达到低误报率和低漏报率还比较困难。（5）如何将定量信息定性化，在定性方法中加入定量信息，以及对诊断性能的影响都值得研究。

基于定性和半定性方法的故障检测与诊断是实用性很强的技术，它是在实践中发展起来的，只有通过实践才能不断促进其自身的发展与完善。

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