西门子6ES350-2AH01-0AE0

西门子6ES350-2AH01-0AE0

概 述
随着技术的进步，由可编程序控制器（简称PLC）组成的自动控制系统在很多行业和领域都得到了广泛的应用，在食品包装机械及制冷空调行业也不例外。PLC和工业人机界面（HMI）被大量地用于包装机及冷水机组上，例如在吸收式冷水机组上，OMRON的C200Hα、CSl、CJl系列PLC就以其优异的性能（运算功能、网络通讯功能、开放的容易使用的通讯协议等）获得了企业和用户的赞同而得到了广泛的使用。它的网络功能让企业能在自己的服务中心足不出户就可以监视在全球各地的用户所使用的机组的运行全部状态和数据，帮助客户解决运行中碰到的问题，提醒客户维护和保养机器，以及帮客户重新恢复机组的控制程序和设定机组运行参数等等。这大大提高了服务的质量和效率，也为企业节省了大量的开支。但是由于成本的原因，这些系列的PLC无法在其他冷水机组如风冷冷水机组、水冷螺杆机、活塞机等产品上取得应用，为此OMRON推出了另一款机型CPM2AH，这种机型体积小，扩充能力强，性能价格比高，非常适合在食品包装机械及水冷和风冷冷水机组中使用。以下以冷水机组控制为例进行进一步说明。

1 控制系统的配置方案
CPM2AH系列PLC是一款在小机壳内汇聚了先进的功能和优异的表现的产品。其基本单元有20、30、40、60点四种，包含了数字量输入和高速脉冲输入、继电器输出功能，根据系统开发的需要，可以增加扩展模块，扩展的模块包括开关量输入输出模块，Pt100温度输入模块（TS101／TS102），电流电压输入模块（AD041）和模拟量输出模块（DA041）。在通讯功能上可以：
（1）通过Host bbbb连接到计算机系统；
（2）通过1∶1 bbbb与OMRON其他系列的PLC进行通讯；
（3）通过Compobus／S和Device Net进行远程模块扩展，从而实现集散型控制。
由于OMRON的PLC产品通用性很强，很多公司的触摸屏都可以和它通讯连接，因此可以根据价格、功能和技术特点来选择相应的触摸屏产品与PLC配套使用。
对于其他有特殊要求，或设计中需要增加模拟量和数字量的情况，还可以酌情增加其他相应的扩充模块以满足要求。
2 控制系统功能
控制系统的功能包括：设备运转控制，运行参数监视，能量自动调节，故障报警记录和系统参数设定等功能：
（1）设备运转控制 可以以三种形式启动机组，本地启动、远程信号启动、定时启动，具体为：1）在远程信号和定时信号都屏蔽的情况下以本地方式启停2）在定时屏蔽、远程信号允许的情况下以远程方式自停3）定时允许的情况下以定时方式启停。在系统无全局故障情况下，以任何一种方式启动后，辅机设备先开启，然后开启主机。当机组中有多台压缩机时，控制系统将根据压缩机运转的时间来确定开启的压缩机编号，以使得机组中各台压缩机保持相对平均的运行时间。
停机也有三种开工，与机组的启动方式相对应。停机时，先将压缩机卸载，然后停止运行。但无论在何种启动的模式下，本地停机均拥有最高的操作优先权。
（2）运行参数监视 控制系统可以监视机组运行过程中的运行参数和设备运行状态，显示各重要参数的变化趋势曲线。如冷水出口温度、压缩机的负载情况等：
（3）能量自动调节在机组辅机运转正常，主机启动完成后即进入能量调节过程。可以通过选择冷水入口温度控制或冷水出口温度控制来决定机组是根据入口温度还是出口温度来实现控制。
在入口温度控制或出口温度控制下，比较实际温度和没定温度值，决定机组的上下载。实际温变值大于设定温度值时，机组上载；小于设定温变值时，机组下载。可以根据两者间的温差值来决定上下载的周期长短，温差大则上载或下载，温差小则上载或下载周期相应增长，温差在0.5℃之间可以停止上下载。
（4）故障报警记录 控制系统可以对下列情况进行报警和记录。如果是风冷冷水机组控制系统，则没有冷却水和冷却塔风机的相应报警功能，但会增加融霜和制热运行的故障报警。
冷水泵故障：冷水泵启动，经过延时时间后，如冷水泵连锁信号仍未到，冷水泵故障报警。
断流故障：冷水泵或冷却水泵都启动后，水流延时时间到后，水流开关信号未到，水断流报警。
防冻开关：防冻延时时间到，防冻开关信号未到，防冻报警。
冷水低温报警：延时时间后，如冷水出口温度小于3℃，冷水低温报警。
外部连锁故障：延时时间后，用户外部连锁未到，外部连锁故障。
压缩机过载：延时时间后，热保信号未到，压机热过载报警。
高压报警：延时时间后，高压保护未到，压机高压报警。
低压报警：延时时间后，低压保护未到，压机低压报警。
油压报警：延时时间后，油压保护未到，压机油压报警。
传感器故障：延时时间后，如传感器显示温度值大于200℃．传感器故障报警。
冷却水泵故障：冷却水泵启动，延时时间后，冷却水泵连锁未到冷却水泵故障报警。
冷却塔风机过流：风机启动，延时时间后，过流保护信号未到，风机过流报警。有任何一故障发生，开关量故障输出，系统声光报警。故障排除后，需手动复位。
（5）系统参数设定控制系统可以对下列参数进行设定：
温度修正值，修正传感器采集的实际温度值，默认下修正值为0；
水流开关延时时间（默认为3秒，最小为0.5秒）；
低压延时时间（默认为5秒，最小0.5秒）；
油压延时时间（默认为50秒，最小0.5秒）；
关机延时时间（默认为120秒）；
压缩机最少运行时间（默认为120秒）；
允许压缩机启动的停机延时时间（默认为480秒，最小为300秒）；
冷却塔风机开温度（默认为28℃，最小25℃，最大30℃）；
冷却塔风机关温度（默认为23℃，最小20℃，最大25℃）；
冷水入口温度（默认为12℃，最小为10℃）；
冷水出口温度（默认为7℃，最小为5℃）。
对风冷热泵机组还有强制除霜运行时间，除霜起始条件和结束条件，制热运行参数等。
此外系统还可以修改控制器内置时钟，从而有效地通过定时功能实现控制，可以通过设定开关机时间，自动定时开启和关闭机组。可以通
过分别设定一周每天的开关机时间，经过与内置的时钟比较自动运行机组。

3 技术特点
OMRON小型CPM2AH系列PLC具有优异的性能价格比，所组成的控制系统具有如下技术特点：
（1）稳定的性能CPM2AH系列PLC外型小巧结构紧凑，OMRON公司长期积累的生产控制经验和严格的技术标准保了其可靠稳定的性能，即使在恶劣的工业环境下仍然能正常运行。更经过高低温的考验，使得该PLC可以适用在特殊的场合。
（2）模拟量功能CPM2AH使用专用的TS101／TS102温度控制模块，直接连接PT100温度传感器，提升温度测量的精度和可靠性。
（3）通讯功能增强CPM2AH提供内置的RS232C端口和RS422端口。OMRON完全开放的通讯协议可以方便的实现上位机远程监控功能，用户可以随心所欲自己定制开发通讯监控系统。
（4）高速的程序执行速度更快的程序指令执行速度，使得控制过程精确无误。
（5）很强的扩充能力 模拟量可以增加到12路；系统支持Device Net协议，具有强大的扩充能力，通过远程端子，可以扩充到256点，方便组成集散控制系统。

自从1969年第一台可编程控制器(简称PLC)在美国问世以来,在工业控制中得到广泛的应用。近年来,我国在石油、化工、机械、轻工、发电、电子、橡胶、塑料加工等行业工艺设备的电气控制中,越来越多地采用PLC控制,并取得了显著的效果,深受各行业的欢迎。我厂于1996年开始生产可编程序控制器及人机界面并应用在硫化机上,至今使用情况一直良好。下面以FC系列可编程序控制器为例,谈一谈PLC在硫化机上的应用。

1．FC系列可编程序控制器的特点

(1)系统构成灵活。

(2)可靠性高,抗干扰性能强,环境适应性好。

(3)功能强。

(4)指令丰富,速度,快,编程简捷。

(5)故障诊断能力强,具有自诊断功能。

(6)多样化的通信功能。

2在硫化机上使用可编程序控制器的优点

(1)简化输入设备及其本身的接线,如万能转换开关、按钮等可从复杂的多组组合简化为单组组合。限位开关、按钮等的接线可只接一组接点(常开或常闭),另一种状态可通过PLC内部识别,这样大大地降低了外围设备的接线姓。

(2)用软件代替继电器的倾接线.改变控制要求方便。PLC采用有微型计算机为核心的电子线路,是多种电子式继电器、定时器和计数器的组合体,它们之间的连线(即内部接线)通过指令用编程器进行.如果按照现场要求改变控制方式,修改控制线路,只需用编程器对指令进行修改即可,十分方便。

(3)用半导体元件将继电器有触点控制改为PLC无触点控制,大大提高了。J靠性相稳定性,将原继电器盘控制装町的故障,如继电器线圈烧坏、线圈粘连、线阁吸合不紧、接点脱落等继电器本身的故障。

(4)扩展I/0饥架有两种电源型号选择:①使用100～120VAC或200～240VAC电源;②使用24VDC电源。输入设备如按钮、选择开关、行程开关、压力调节器等可用24VDC电源作为信号源,这样可避免由于生产环境温度过高而造成行程开关、压力调节器等短路现象,提高了维修工人的安全性,降低了维修工作埠。输出端可通过200～240VDC电源直接驱动电磁阀、接触器等输出负载。

(5)除了有CPU错误、电池错误、扫描时间错误、存贮器错误、Hostink错误、远程I/O错误等自诊断功能和能判断PC机自身故障外,对应于I/O每一个点都有信号指示灯,指示I/0的0N/OFF状态,根据I/O指示灯的显示可准确、快捷地判断PLC外围设备的故障。

(6)根据控制要求,可方便地构成最合适的系统,且便于扩展。如果硫化机需增加和改进外围控制系统,在主CPU上再加扩展元件,以后设备需联网,可很方便地构成系统。

3如何给硫化机编程

(1)确认硫化机正常运行的整个过程必须做那些动作,以及它们之间的相互关系。

(2)确定行程开关、按钮等作为发送输入信号到PLC的输入设备所需的输入点数;电磁阀、接触器等作为接收来自PLC输出信号的输出设备所需的输出点数。然后给每一个输入和输出点指定一个I/0位,同时分配“内部继电器”(M)或工作位和计时器/计数器。

(3)根据输出设备之间的相互关系和控制对象必须动作的顺序(或时间),画出梯形图。

(4)如果使用PC(个人电脑),HMI(人机界面)或FCP30(PLC编程软件)就可以直接用梯形图逻辑编PLC程序。

(5)利用PC检查程序,并纠正错误,然后试运行程序,并观察硫化机的运行,是否与我们的要求相一致,然后修改程序,直到程序最完善。

4硫化机自控系统的常见故障

采用PLC控制的硫化机故障率相当低,故障一般主要发生在下面几个方面。

(1)输入设备

象行程开关、按钮、转换开关经过多次反复动作后,会产生松动、不复位等现象,有的甚至会损坏。

(2)输出设备

由于环境潮湿和管路泄漏现象,使电磁阀进水,发生短路,烧坏电磁阀。信号灯也经常有烧坏的现象。

(3)PLC

由于输出设备多次短路,产生高电流,冲击PLC内部的输出继电器,而使输出继电器触点熔化而粘连在一起,损坏继电器。

5维护和保养

(1)在安装PLC时,必须远离下列环境:腐蚀性气体;温度剧烈变化;阳光直射;灰尘、盐和金属粉末。

(2)每组输出单元经220VAC输出,至少必须加一个2A250VAC的保险丝,当该保险烧断,一定要检查该组输出设备是否有异。若不检查就马上换上新保险,则易损坏输出单元的继电器。

(3)平时要注意观察电池报警指示灯,如果报闪,必须在一周内更换电池，电池平均寿命为8年(在室温25℃以下)。

(4)当CPU和扩展电源拆下检修后,安装接线时一定要接对,否则很容易烧坏CPU和扩展电源。

引言

供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能：(1)维持水压恒定；(2)控制系统可手动/自动运行；(3)多台泵自动切换运行；(4)系统睡眠与唤醒。当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒；(5)在线调整PID参数；(6)泵组及线路保护检测报警，信号显示等。

将管网的实际压力经反馈后与给定压力进行比较，当管网压力不足时，变频器增大输出频率，水泵 转速加快，供水量增加，迫使管网压力上升。反之水泵转速减慢，供水量减小，管网压力下降，保持恒压供水。

1　系统硬件构成

系统采用压力传感器、PLC和变频器作为中心控制装置，实现所需功能。

安装在管网干线上的压力传感器，用于检测管网的水压，将压力转化为4～20 mA的电流信号，提供给PLC与变频器。

变频器是水泵电机的控制设备，能按照水压恒定需要将0～50 Hz的频率信号供给水泵电机，调整其转速。ACS变频器功能强大，预置了多种应用宏，即预先编置好的参数集，应用宏将使用过程中所需设定的参数数量减小到最小，参数的缺省值依应用宏的选择而不同。系统采用PID控制的应用宏，进行闭环控制。该宏提供了6个输入信号：启动/停止(DI1、DI5)、模拟量给定(AI1)、实际值(AI2)、控制方式选择(DI2)、恒速(DI3)、允许运行(DI4)；3个输出信号：模拟输出(频率)、继电器输出1(故障)、继电器输出2(运行)；DIP开关选择输入0～10 V电压值或0～20 mA电流值(系统采用电流值)。变频器根据给定值AI1和实际值AI2，即根据恒压时对应的电压设定值与从压力传感器获得的反馈电流信号，利用PID控制宏自动调节，改变频率输出值来调节所控制的水泵电机转速，以保管网压力恒定要求。

根据泵站供水实际情况与需求，利用一台变频器控制3台水泵，因此除改变水泵电机转速外，还要通过增减运行泵的台数来维持水压恒定，当运行泵满工频抽水仍达不到恒压要求时，要投入下一台泵运行。反之，当变频器输出频率降至最小，压力仍过高时，要切除一台运行泵。所以不仅需要开关量控制，还需数据处理能力，采用FX－4AD(4模拟量入)获得模拟量信号。它在应用上的一个重要特征就是由PLC自动采样，随时将模拟量转换为数字量，放在数据寄存器中，由数据处理指令调用，并将计算结果随时放在指定的数据接触器中。通过其可将压力传感器电流信号和变频器输出频率信号转换为数字量，提供给PLC[1>，与恒压对应电流值、频率上限、频率下限(考虑到水泵电机在低速运行时危险，必须保证其频率不低于20Hz，因此频率上限设为工频50Hz，下限设为20Hz)进行比较，实现泵的切换与转速的变化。

系统在设计时应使水泵在变频器和工频电网之间的切换过程尽可能，以保证供水的连续性，水压波动尽可能小，从而提高供水质量。但元件动作过程太快，会有回流损坏变频器。为了防止故障的发生，硬件上必须设置闭锁保护，即1Q与4Q，2Q与5Q，3Q与6Q不能同时闭合。

2　系统软件设计

控制系统软件是指用梯形图语言编制的对3台泵进行控制的程序。它对3台泵的控制，主要解决 系统的手动及自动切换、各元件和参数的初始化、信号及通讯数据的预处理、3台泵的启动、切换及停止的条件、顺序、过程等问题。

当变频器输出频率达到频率上限，供水压力未达到预设值时，发出加泵信号，投入下1台泵供水。当供水压力达到预设值，变频器输出频率降到频率下限时，发出减泵信号，切除在工频运行方式中的1台泵。系统刚启动时，情况简单，首先启动一号泵即可。但考虑3台泵联合运行时情况复杂，任1台或2台泵可能正在工频自动方式下运行，而其他泵则可能在变频器控制下运行，因此必须预先设定增减水泵的顺序。即获得加泵信号后，按照1号泵、2号泵、3号泵的顺序优先考虑。获得减泵信号后，按照3号泵、2号泵、1号泵的顺序优先考虑。

为了防止故障的发生，软件上也必须设置保护程序，保证1Q与4Q、2Q与5Q、3Q与6Q不能同时闭合。在加减泵时必须设置元件动作顺序及延时，防止误动作发生。

考虑到系统工作环境对运行状态的影响，在设计中采用硬件、软件上的双重滤波来干扰的影响。硬件上变频器提供了滤波时间常数，当模拟输入信号变化时，63％的变化发生在所定义的时间常数中；软件上采用数字滤波的方式，系统采用平均值的方法[2>。

计算最近10次采样的平均值，其计算公式如下：

3　系统参数的确定

系统变频运行主要靠变频器来实现。变频器有一数量很大的参数群，初始情况下，只有所谓的基本参数可以看到。只需设定简单的几个参数，变频器就可以工作。

除基本参数外，还必须对完整参数进行设定。

完整参数的设定主要是PID参数的整定，它是按照工艺对控制性能的要求，决定调节器的参数Kp，TI，TD。控制表达式为：

变频器根据偏差调节PID的参数，当运行参数远离目标参数时，调节幅度加快，随着偏差的逐步接近，跟踪的幅度逐渐减小，近似相等时，系统达到一个动态平衡，维持系统的恒压稳定状态[3、4>。

4　试验结果

由于系统的显示和通讯功能，可以对系统工作情况进行监测。考虑到管网覆盖面积大，泵站海拔高度相对低，远端供水压力需维持3kg，因此泵站出水口压力必须维持5kg。试验条件为管网初始无压 力，电磁阀控制一定量相同用水情况下启动系统。获得的数据经MATLAB进行插值拟合可得系统在不同条件下跟踪压力变化的曲线[5>。

试验记录的数据显示，系统在未进行滤波和PID控制时，响应速度特别慢、误差大、振荡严重，见图5。在未进行滤波而引入数字PID控制时，响应速度明显加快，但振荡问题未能得到解决，这是由于喘振现象的存在；当管道压力与设定值近似相当时，水锤效应影响明显，压力波动异常，PID的参数跟踪整定，形成恶性循环，管道中空气的存在也会导致振荡问题。

该系统是按照工业生产需求设计的，实现了预定的一系列功能，保证了系统的稳定和安全性，在长时间运行中取得了良好的效果。只需作相应修改就可推广到相关供水系统中。

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