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1、高速弓网关系试验台透风除尘自动控制系统设计高速弓网关系试验台透风除尘自动控制系统设计xuliyuan导语：本透风除尘系统是为高速弓网关系实验室中500km/h高速弓网关系试验台配套的温控除尘装置，其控制效果直接影响高速弓网关系试验台的正常运行，本文根据实际控制要求具体介绍了除尘系统的自动控制方案。【摘要】本透风除尘系统是为高速弓网关系实验室中500km/h高速弓网关系试验台配套的温控除尘装置，其控制效果直接影响高速弓网关系试验台的正常运行，本文根据实际控制要求具体介绍了除尘系统的自动控制方案。关键词：高速弓网透风除尘自动控制PLC1系统概述整个除尘系统以西门子S7-300PLC为控制核心，使用
2、性能先进的施耐德变频器控制风机，采用当今广泛使用的PROFIBUS总线与各个变频器通讯连接，监控计算机采用以太网构造，为内部信息网络构建提供接口。整个系统通过先进、高速稳定的网络平台，通过优良、全面的设计为高速弓网关系试验台提供一个技术先进、平安可靠、易于操纵、便于维护、具有很强扩展功能的控制系统。1.1系统设计目的根据本工程的特点和要求，本系统设计目的就是要使系统具有先进性、平安性、可靠性、扩展性、可操纵性、可维护性和经济实用性。先进性系统采用西门子先进的PLC，施耐德最新的变频器ATV71系列，使用现场总线PROFIBUS及以太网网络通讯；采用人性化的操纵界面，通过对设备状态真实直观的反映
3、，使操纵人员清楚地把握在控设备的运行状态；此外，系统还有完善的报警、提示、诊断功能。平安可靠性控制系统的平安可靠、稳定运行是电控系统最根本的要求。为保证该系统的质量可靠，一是采用先进成熟的技术，如PLC控制、现场总线、网络技术等；二是使用国内外优质产品，如西门子、施耐德、金钟穆勒等；三是监控系统采用多级密码权限治理，保证系统平安运行；四是控制系统控制方式既独立又集中。当上位机出现故障时，现场可以手动进展操纵，确保所有设备能正常运行。扩展性系统要有良好的扩展功能，在今后的开展中可根据需要扩容，不必改动系统的整体构造。在本次设计中具有一定的可扩展功能。可操纵性系统集中控制操纵，也可分布操纵，单机操
4、纵，便于安装、调试、操纵和维护。系统操纵简便，操纵界面直观，易学易用。可维护性在工程设计施工中，按照标准进展施工，进展挂牌、标识，编号明晰；系统具备实时故障诊断功能，能准确及时地对故障进展显示和定位；在设备选型中，尽量选用通用的设备，编程组态时构造明晰易读易查，便于维护。经济实用性在保证技术先进、质量可靠、功能完善的前提下，通过公道的方案配置到达最正确的性能价格比；在设计中也要考虑到今后技术的开展，系统的软硬件晋级换代方面留有余地，便于备品备件的选择，扩展方便。1.2设计引用标准本系统施行所涉及的技术标准和标准、产品标准和标准、工程标准和标准包括：GA/T75-94（平安防范工程程序与要求）G
5、B50093-2002（自动化仪表工程施工及验收标准）GBJ63-90（电气装置的电测量仪表装置设计标准）GB7251.3-1997（低压成套开关设备和控制设备设计标准）GB50169-2006（电气装置安装工程接地装置施工及验收标准）GB2054-96（电气装置安装工程低压电器施工及验收标准）GB/T50328-2001（建立工程文件归档整理标准）2系统总体设计图1系统总体构造图整个透风除尘系统由4层构造组成，即设备层、PLC控制层、监控层以及信息治理层。设备层主要的控制对象：透风风机、室外除尘设备、空调机组、透风除尘管道等。主控制器采用西门子S7300系列的CPU315-2PN/DP，自带
6、1个DP口和1个以太网口，DP口和变频器通讯，以太网口主要是为调试时所留用。监控计算机上安装CP5611板卡，采用PROFIBUS通讯方式和现场PLC通讯。监控计算机通过Web发布的方式实现远程主机对其访问和控制。热备份计算机与监控计算机同步，当监控计算机由于意外情况停顿运行时，热备份计算机可以马上投入使用，防止影响系统控制效果。效劳器主要负责实验所需参数的存储，所需重要数据一方面存于监控计算机上，又同时上传到效劳器，监控计算机上的数据保存的年限有限，效劳器的数据可以一直保存，以备历史查询和检索。2.1系统控制方式控制方式有两种类型：“本地远控和“手动自动。PLC柜上设有“本地远控开关，当开关
7、打到“本地时，由PLC控制系统内所有设备；当开关打到“远控时，监控计算机可以直接控制本系统内的现地设备。对每一个单机设备，电控柜上都设有“手动自动开关。当开关打到“自动时，由PLC程序自动控制设备；当开关打到“手动时，由工作人员人工控制设备，这样就保证了PLC出现故障时，动力设备能正常运行。对功率在7.5KW以上的设备，采用软启动或变频器控制方式。对功率在7.5KW以下的设备采用直接启动方式。对需要软启动的设备，采用I/O触点直接控制，对变频器控制的设备，采用网络方式控制。2.2风机变频控制空调机组、透风风机和除尘风机采用变频器控制，变频器选用施耐德ATV71系列，配置PROFIBUS-DP接
8、口板卡，通过PROFIBUS-DP接口板卡和控制系统S7315-2PN/DP相连，风机的启停控制、运行状态及电压、电流、功率等数据均可实时监控。风机采用变频器控制，就不再使用沟通接触器，配置相应的断路器。在风机的现场装配转换开关，便于现场手动操纵和检修。2.3除尘系统除尘局部的风机和卸灰阀协同动作，完成系统除尘。每当除尘器主风机电机启停时，相应的卸灰电机也一起启动，在时间上有一定的延时动作。卸灰阀正反运行，现场配置转换开关，可以隔离主电源回路，便于设备的平安检修。2.4监控计算机实现的功能2.4.1图形监控系统除尘系统流程画面实验流程局部，实时动态地显示除尘风机、卸灰阀、透风风机以及空调机组运
9、行状况，可以监测到设备运行经过中的所有参数以及电机、阀门状态，声光报警，操纵工可以使用鼠标操纵。通过运行参数的显示颜色，操纵员可以一目了然地看到该参数的运行状态正常、报警。在流程局部可以直接调出详细调节回路的运行画面和设备运行程序控制画面；运行数据总表画面设备运行数据总表列出设备运行的各个参数的实时情况，可以一览各控制回路、数据监测回路的运行情况。可以看到各个控制回路的测量值、设定值和输出情况。通过详细参数显示底色的变化，可以看到各个设备参数的运行状态正常、报警；控制画面控制画面可以显示各个控制环节的详细情况。在这局部，操纵员可看到各个控制回路的运行状态和曲线运行时间及上下限报警值。工程师还可
10、以通过这局部详细修改控制回路的控制参数、量程范围、报警域值、工艺曲线等；数据趋势图画面趋势数据以曲线形式反响除尘风机曲线及其他它设备运行参数状况，可在同一幅面上同时显示多条曲线，方便寻找相关量，具有部分区域放大/缩小功能；2.4.2.报警和事故处理及时报警：对除尘风机、透风风机、空调机组等相关环节和设备状况进展巡检，并及时与预设定值进展比拟，一旦接近预置值，立即发出声光报警信号，确保系统的运行平安；报警和事故报告，记录设备运行中的报警情况和重要事件记录，进而对消费经过可以更好地查询、分析事故原因。所有报告都可以通过打印机实时地打印；报警报告表的内容有：序号、报警工程、正常值、报警值、报警时间、
11、确认时间和消除时间；事故报告表的内容有：序号、事故内容、事故发出时间、确认时间和恢复时间；2.4.3.系统治理功能诊断功能当系统运行时，能对系统的硬件故障进展自动诊断，当计算机发现系统中某一回路出现异常情况，并在一定时间内不能恢复正常时，系统自动发出报警信号，并显示导常部位、导常类型。便于操纵工准确判定故障所在和及时处理排除故障，防止事故的扩大。参数设定及系统治理工程师可以通过系统功能设定和修改系统的详细参数，进而更好地维护本系统的正常运行。该局部可根据用户要求设置口令，分级操纵，以防人为误操纵，造成损失。消费报表自动形成各类运行的日报表、月报表、年报表。并有灵敏、方便的打印方式。设备治理功能
12、系统可以统计故障信息及设备运行时长。对主要电机，如除尘风机、透风风机的运行时间进展累计计时，便于设备治理的预防性维修。2.4.4.记录存储可对除尘风机、透风风机等的实时工况数据进展报表打印、曲线比照及曲线打印；也可对除尘风机、透风风机等工况的历史数据进展保存并可对历史数据和曲线有选择性的打印。2.5透风除尘系统与试验控制系统通讯并形成连锁本透风除尘系统提供的对外接口包括以太网方式和OPC方式，这两种通用接口可以方便与试验控制系统进展通讯。假如试验控制系统采用可视化编程软件开发，那么可以在可视化软件中将组态软件以控件组件的形式参加，然后调用其属性、事件、方法实现与透风除尘监控系统的通讯；假如试验
13、控制系统采用组态软件开发，那么可采用OPC通讯方式实现两者之间的数据交互。在透风除尘系统中，主PLC程序中设置系统正常标记，即作为自检结果信号，标记设置的根据参数包括试验基坑内实时温度值、空调机组控制器与主PLC通讯状态、各电机运行状态、接触线和受电弓温度以及基坑内气压等，这些参数经过PLC程序综合处理得到一个系统运行正常标记，标记信号周期性传输至试验控制系统，试验控制系统以此信号作为启停的根据。在监控软件中组态报警标签，包括基坑内温度值、基坑内气压、基坑内粉尘浓度、出口排放粉尘浓度、接触线温度、受电弓温度、接触线与受电弓滑板摩擦区域风速、各个电机的运行状态以及空调机组运行状态。并提供声音报警
14、和报警条提示方式，报警提示的内容包括异常信号名称类型、异常信号位置、当前值、信号讲明等。自检通过，试验系统正常启动后，假如透风除尘系统出现异常，那么其监控系统能将异常信号报警条的显示内容传输至试验控制系统，实验系统根据故障信号，然后根据设定的步骤停顿实验。平安信号列表见表1所示。3系统硬件配置3.1效劳器由于效劳器在系统中起着关键节点的作用，所有必须选用高可靠性的机型，保障效劳器长时间的24小时连续运行应配有UPS，同时还应具有较高的性能，以知足其实时性。数据库效劳器选用DELL效劳器。3.2监控计算机监控机用于调度人员发布监控命令、显示透风除尘系统运行状态以及完成监控数据检索、统计分析、声光
15、报警和发送控制命令等功能。选用DELL工控机。3.3网络设备配置交换机Cisco带8个100M以太网接口以太网网卡10/100BaseTX3.4UPS电源为了增加系统的可靠性，并考虑网络的扩展，本系统配置了一台支持2小时延时的USP电源。当电网忽然停电时，工作人员可以及时将系统退出。3.5PLC局部PLC是该控制系统的核心，控制经过中全部的输入输出量都要经过PLC的处理，所有继电器的动作都由PLC的输出控制来完成。本设计选择的是德国西门子公司S7-300PLC，西门子公司是具有150多年历史的世界知名公司，PLC是其重要产品之一，在世界各PLC应用领域中，无论从占有量、质量还是知名度，西门子公
16、司的PLC都是名列前茅。因此选择西门子公司的PLC是对工程可靠运行的有力保证。S7-300是模块化中型PLC系统，它能知足中等性能要求的应用。模块化，无排风扇构造，易于实现分布，易于用户把握的特点使得S7-300成为各种中等规模性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。S7-300可编程控制器是模块化构造设计。各种单独的模块之间可进展广泛组合。S7-300的系统组成主要有：中央处理单元CPU、信号模块(SM)、通讯处理器CP、功能模块FM、负载电源模块PS、接口模块IM、SIMATICM7自动化计算机等。SIMATICS7-300适用于通用领域，高电磁兼容性和强抗震性，使其具有最高的工业环境适应
17、性。温度适应范围从0C-60C，特殊条件下可达-25C-60C，具有更强的耐受震动和污染特性。3.6透风除尘系统主要设备清单3.7制冷机组主要设备清单4系统软件设计4.1操纵系统选用符合IEEE和ANSI标准的产品。选用的操纵系统如下：效劳器操纵系统采用MicrosoftWindows2003Server,该操纵系统具有以下特点：能与Internet严密联络当运行繁忙的Web效劳器、终端效劳、电子商务和VPN解决方案时，通过使用网络负载平衡，将传入的通讯在诸多的效劳器群中分布；利用了最先进的效劳器硬件，实现了多达8路的SMP和多达8GB的RAM而增强了性能；通过可靠的集成Internet效劳，
18、高性能的WEB站点和应用程序，进而能全面利用Internet的潜力。进步可靠性两节点的、高可靠性的群集效劳能确保关键的应用程序正常并按需要进展；网络负载平衡能将发生故障的效劳器上的Web工作负荷重新分配；经过改善的核心体系构造提供设计增强功能，以提供系统正常运行时间；分段晋级支持，以减少维护或者晋级包括从WindowsNT4.0群集晋级所需的方案停机时间。更加易于使用和治理可以从任一联网Windows2000系统中的“群集治理器和NLB脚本命令接口远程治理群集；将“群集效劳群集作为ActiveDirectiry对象来访问和治理。新设备的最正确选择利用最新的效劳器硬件，包括利用Intel和Pro
19、fusion芯片和体系构造多达8路的SMP，和使用Intel的物理地址扩展PAE的8GBRAM。监控机和治理机操纵系统采用MicrosoftWindows2000Professional.4.2组态软件WINCCWinCC是西门子公司在自动化领域采用最先进的技术与微软公司在共同开发的居于世界领先地位的工控软件。WinCC即WINDOWSCONTROLCENTER视窗控制中心。WinCC是一个功能强大的全面开放的监控系统，既可以用来完成小规模的简单的经过监控应用，也可以用来完成复杂的应用。在任何情况下WinCC都可以生成漂亮而便捷的人机对话接口，使操纵员可以明晰地治理和优化消费经过。WINCC几
20、乎拥有先进人机界面产品的所有功能，其集成的功能已包括：图形系统-用于自由地组态画面，并完全通过图形对象进展操纵，图形对象具有动态属性并可对属性进展在线组态。报警信息系统-记录和存储事件并予以显示，可自由选择信息分类、信息显示和报表，操纵非常简便。变量存档-接收、记录和压缩测量值，用于曲线和图表显示及进一步的编辑功能。报表系统-用户自由选择一定的报表格式，按时间顺序或者事件触发来对信息操纵、文档当前数据进展用户报表输出。数据处理-对图形对象的动作使用C语言及C编译器进展编辑。标准接口-通过ODBC和SQL访问用于组态和经过数据的SYBASE数据库。应用程序接口-允许用户编写可用于扩展WinCC根
21、本功能的标准应用程序。另外，WinCC还提供多种可选软件包。如，通讯开发工具CDK，允许用户开发用于连接数据治理器与任何目的系统的通讯软件。WINCC的组态及归档数据存放在关系型数据库中，数据可用标准工具如ODBC和SQL等读出。很多标准的应用如MicrosoftExcel等可以和WinCC并行运行，同时可通过DDE装载经过数据。操纵员站软件允许通用的OCX、ActiveX链接。更进一步，集成的OPC(OLEforprocesscontrol)效劳器使得经过数据可由其它应用程序(OPC客户机)访问。4.3编程软件STEP7STEP7是SIEMENS公司S7-300、S7-400、M7系列PLC
22、的标准编程工具。它是在国际标准IEC-1131-3的根底上建立的，它与其它公司的建立在IEC标准上的PLC编程语言是相似的。STEP7可以在微软公司的WINDOWS平台上运行，是可视化编程工具。它同其它WINDOWS应用软件一样轻易操纵，界面友好，与WINDOWS溶为一体，其根本功能表达在：硬件的组态和参数设置定义通讯网络控制程序编制测试、启动、维护文件、建档STEP7以块形式治理用户编写的程序和数据，在一个块中调用另一个块的可能性，即使是子程序，用户程序构造化仍成为可能。这将显著增加PLC程序组织的明晰性，可理解性和易维护性。4.4应用软件为了长期保存实验系统中重要的参数，本系统在监控计算机
23、上安装了数据上传应用软件，负责将数据从监控计算机上传到效劳器上，数据库前台应用程序开发工具选用VisualS，在它的软件包内集成了VB、VC等开发工具。4.5后台数据库数据库用于保存系统运行的参数历史数据、参数报警数据、设备运行时间、设备状态变化时间等信息。将通过人机界面下达的消费任务和监控机执行的情况作永久的记录，已备将来查询。数据库采用支持网络的流行的数据库软件，并支持ODBC、DDE、DLL等开放接口。我们选择性价比高的SQLServer2000,其特性如下：完全的Web支持SQLServer提供可以Web标准为根底的扩展数据库程序功能。丰富的XML和Internet标准支持允许您使用内
24、置的存储经过以XML格式轻松存储和检索数据。您还可以使用XML更新程序轻易地插入、更新和删除数据。通过Web轻松访问数据，有了SQLServer，您可以使用HTTP来向数据库发送查询、对数据库中存储的文档执行全文搜索、以及通过Web进展自然语言查询。强大而灵敏的基于Web的分析。SQLServer分析效劳功能被扩展到了Internet。您可以通过Web阅读器来访问和控制多维数据。开发周期短SQLServer是Microsoft.NETEnterpriseServer的数据治理与分析中枢。SQLServer包括加速从概念到最后交付开发经过的工具。1.集成和可扩展的分析效劳。有了SQLServer
25、，您可以建立带有集成工具的端对端分析解决方案，从数据库创造价值。此外，还可以根据分析结果自动驱动贸易经过，以及从最复杂的计算灵敏的检索自定义结果集。2.快速开发、调试和数据转换。SQLServer带有交互式调节和调试查询、从任何数据源快速挪动和转化数据、以及按Transact-SQL方式定义和使用函数等功能。您可以从任意VisualStudio工具以可视化方式设计和编写数据库应用程序。3.简化的治理和调节。使用SQLServer，您可以很轻易地在企业资源旁边集中治理数据库。可以在保持联机的同时轻松地在计算机间或者实例间挪动和复制数据库。4.6PID功能比例作用实际上是一种线性放大(缩小)功能。
26、采样偏向一旦产生，控制器立即产生正比于偏向大小的控制作用，使被调量朝误差减小方向变化。其作用大小通过比例增益Kp度量，Kp大时响应速度快，稳态误差小，但会产生较大的超调或者产生不稳定，而Kp过小会使响应速度缓慢，调节时间加长，调节精度降低；积分作用那么是一种记忆，对误差进展累积，有利于消除静差。但积分作用假如太强，会引起较大超调或者振荡，且在实际当中会经常碰到积分饱和现象；微分作用主要是用来产生提早的控制作用，改善动态特性，减小调整时间，使系统易于稳定。三个参数适当配合才能使系统的过度过程到达快速、平稳和准确的要求。PID原理图如图3所示。本系统中基坑温度采用中控人工方式控制时，要求基坑内的温
27、度维持在监控中心所设定值左右，为了实现这一功能，系统引入了PID控制策略，如图4所示，不断比拟设定值和收集值，将两者的差值作为输入信号，经过PID算法运算，控制执行机构即空调机组，保证当前温度值逼近设定值。整个PID调节经过能到达快速、平稳和准确的要求。图3基坑内温度PID调节5系统网络本系统选择可靠的网络系统至关重要。在本方案中，各变频器和PLC以及PLC和监控计算机的信息传输采用了可靠、快速的有线传输网络欧洲的工业现场总线网PROFIBUS，它是由SIEMENS推出的欧洲标准工业现场总线，以其很高的数据传输速度、很高的数据传输可靠性、良好的物理及电气接口标准，在控制领域获得了广泛的应用。而
28、且，本方案中所选的控制器PLC、变频器等硬件本身都集成了PROFIBUS接口，可以非常方便可靠地连接成一个现场总线网络。5.1PROFIBUS的定义及分类PROFIBUS是ProcessFieldbus的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标准，即EN50170欧洲标准，目前世界上很多自动化消费厂家都为它们消费的设备提供PROFIBUS接口。它广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力、等其他领域自动化。PROFIBUS根据应用特点分为：PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三个兼容版本。1PROFIBUS-DP：经过优化的高速、廉价的通讯链，专
29、为自动控制系统和设备级分散I/O之间通讯设计，使用PROFIBUS-DP模块可取代昂贵的24V或者020mA并行信号线。用于分布式控制系统的高速数据传输。2PROFIBUS-FMS：解决车间级通用性通讯任务，提供大量的通讯效劳，完成中等传输速度的循环和非循环通讯任务，用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、可编程控制器、低压开关设备等一般自动化控制。它是一个令牌构造，实时多主网络。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通讯与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通讯网络，进而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决
30、方案。5.2PROFIBUS协议构造PROFIBUS协议构造是根据ISO7498国际标准、以开放式系统互联网络OpenSystemInerconnectionOSI作为参考模型的。该模型共有七层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。现场总线采用简化的网络体系构造，具有类似于OSI模型的物理层、数据链路层和应用层的3层协议或者进一步包括网络层或者传输层在内的4层协议，而不采用会话层和表示层。流量控制和过失控制放在数据链路层执行，而报文的可靠传输可以放在数据链路层或应用层执行。这种流体型构造确保了数据传输的快速和有效，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能。
31、PROFIBUS-DP采用RS485进展传输，采用屏蔽双绞同线电缆，共用一根导线对。波特率从9.6Kbit/s到19.2Mbit/s。RS485操纵轻易，总线构造允许增加和减少站点，分布投入不会影响到其他站点的操纵。6完毕语作为高速弓网关系试验台正常运行辅助系统的透风除尘系统，与试验台运行之间存在连锁关系，除尘效果的怎样直接关系到试验台实验数据的准确性，本文从控制要求出发，从硬件、软件、控制策略等方面具体阐述了透风除尘系统实现自动控制的经过，整个设计思路符合集散控制系统分散控制、集中治理的要求，其解决方案对高速弓网适用的场合有非常不错的借鉴意义。作者简介：孔令辉男工程师主要研究方向：先进计算机控制及智能系统0