西门子PLC在石灰窑自动控制系统的应用

西门子S7-200系列PLC在石灰窑自控系统中的应用

包头职业技术学院 董海英

摘要：文章介绍了S7-200系列PLC在石灰窑自控系统中的应用

Adoption of Industrial control production of Emerson in temperature control in oil boiler，and EC20(PLC) adoption in PID control.

前言：石灰窑自动控制系统原系统采用国产PLC进行控制，由于原有PLC抗干扰能力差，在恶劣环境下运行不稳定。现场经常处于高温、多粉尘的状态，导致PLC瘫痪而不能继续工作，因此根据现有工艺进行技术改造，应用西门子系列S7-200 PLC进行自动联锁顺序控制。

1、系统工艺原理图

1.1系统参数:

引风电机为11KW，鼓风2.2KW，炉排为1.5KW

设计采用EV2000-4T0110P（通用型）系列变频器，鼓风采用SK-4T0022G（矢量型，因为考虑到变频器体积较小，价格相差不多的情况下选择），炉排SK-4T0015G。具体系统主电路结构图及原理图如下：

温度检测引风变频器鼓风变频器炉排变频器热电偶EC20-1006RBAEC20-4DAEC20-4AD主 机模拟输出模拟输入

PEL1L2L3QF1QF2QF31L11L21L32L12L22L33L13L23L3KM1KM2KM31L111L211L31VVVF2L112L212L31VVVF3L113L213L31VVVFRSTRSTRSTEV2000UVWSK-4T0022GUVWSK-4T0015GUVWU1V1W1U2V2W2U3V3W33M3M3M引风机鼓风机炉排电机

控制原理：将现场热电偶信号（E型）送至温度变送仪表，除显示温度外，还将温度信号转换成4-20MA，送入EC20 PLC（EC20-4AD）模拟量输入端，经过PLC进行处理。EC20PLC模拟量输出端将PID计算出的给定信号分三路模拟量输出到三台变频器的给定。为保证鼓风、引风保证炉膛基本 负压的前提，因此具体变频器参数设置： 引风：

F0.00=4 CCI模拟给定 F0.03=1 端子运行命令通道 F0.04=4 运转方向设定 F0.05=4 最大输出频率50HZ F0.07=4 最大输出电压380V F0.08=1 机型选择P（风机专用） F0.14=1 V/F曲线设定 F2.01=30 启动频率30HZ F2.08=0 停机方式（减速停机） FH.00=4 电机极数4 鼓风：

01=20最低转速 02=50HZ最高转速 03=5 04=10（加减速） 05=AIAU给定设置 06=5A 电机电流 16=4-20 电流输入（Ma） 41=FD 线性U/F控制 炉排：

01=5.0最低转速 02=40HZ最高转速 03=5 04=5（加减速） 05=AIAU给定设置 06=3A 电机电流 16=4-20 电流输入（Ma） 41=FD 线性U/F控制

1.2变频器的设置基本遵循如下原则：

鼓引风变频器控制风机，其机械特性属于平方转矩负载，因此其V/F曲线采用2次方曲线。同时，引风机的惯性比较大,因此其降速时间要求比较大，这是由于降速过程中变频器处于回馈制动状态 ，回馈能量将会造成直流侧母线电压过高而停机，因此，必须增长降速时间。同时，停机也要求软停车，能够延长风机的机械寿命。鼓风设置同引风差别不大，除了功率外几乎一致。但考虑为保持炉膛基本负压，必须将鼓风的升速时间要低于引风，而降速时间要快于引风。 炉排传动属于机械负载，因此炉排的控制方式为V/F基本控制或采用开环矢量控制，其低速时提供的转矩比较大，能够满足重载启动的要求，另外，系统要求的加减速时间都比较短，在5秒以内。

当检测点温度到达设定温度后，为保证温度稳定时间比较长，且要节约能源、降低损耗，因此引风、鼓风、炉排的最低运转速度分别设置为：30HZ、20HZ、5HZ。 2.1:硬件配置

由主机EC20-1410BRA、模拟量输入EC20-4AD、模拟量输出EC20-4DA组成。其中给定采用一块百特公司的数字给定表，可以人为设置给定值（4-20MA信号，在表上以百分数表示），给定信号送入EC20-4AD模拟量输入模块中，作为PID给定信号。另外安装一块温度数显表，该表除显示温度外，还将E型热电偶检测温度信号变送输出4-20MA信号，送入EC20-4AD输入模块作为PID反馈信号。PID控制程序是通过EC20编程软件CONTROLSTAR中调用固有PID控制子程序来实现出口温度PID恒定控制的。 2.2:连锁控制

连锁控制主要实现如下功能：

一、启动先启动引风、后启动鼓风，一般引风启动后3秒左右鼓风才能启动。 二、停车先停鼓风，鼓风不停，引风认为不能停车；引风发生变频故障，则鼓风

立即停止。

三、故障报警、运行、停止指示通过PLC实现。 四、炉排不参与引风及鼓风连锁。 2.3:变频控制及温度PID程序

一、变频器接触器得、失电由PLC控制

二、变频器的启动、停止信号由PLC连锁控制。

三、变频器的给定信号，由PID计算出的输出信号通过模拟量输出EC20-4DA，以电流信号（4-20MA）的方式输出到变频器的电流给定端（CCI、GND） 四、PID控制由PLC应用软件通过编程的方式实现。具体过程比较简单，在CONTROLSTAR软件中的PID命令向导一步步完成，主要设置个别参数即可。具体PID编程语言如下：

LD PID LD MOV MOV

SM0

D20 D21 D0 D22（PID调用） SM0

D50 D20 //设定目标值

10 D0 //采样时间(Ts) 范围为1～32767(ms)但比运算周

期短的时间数值无法执行 MOV MOV 入滤波 MOV MOV

2000 D3 //比例增益(Kp)范围1～32767[﹪]

10 D4 //积分时间(TI)范围0～32767(×100ms),为0时 33 D1 //动作方向

0 D2 //输入滤波常数(α)范围0～99[﹪]，为0没有输

作为∞处理(无积分) MOV 增益 MOV

0 D6 //微分时间(TD)范围0～32767(×10ms),为0时无 0 D5 //微分增益(KD)范围0～100[﹪]，为0时无微分

微分处理 MOV MOV MOV MOV

0 D15 //输入变化量(增侧)报警设定值0～32767 0 D16 //输入变化量(减侧)报警设定值0～32767 2000 D17 //输出上限设定值-32768～32767 0 D18 //输出下限设定值-32768～32767

主程序给定部分如下：

LD CALL LD CALL LD TO

SM0

PID_EXE（调用PID）

SM0

PID_SET(PID参数设定)

X14 （系统自动运行）

0 1 D22 1 （将D22 中内容写入模块0中的第一个单元中，即模拟量输出值，

引风给定） TO TO TO

0 2 D22 1 0 3 D22 1 0 0 16#0 1

LD TO LD FROM LD TO LD TO LD FROM

SM1

1 0 16#1313 1（设置模拟量输入信号方式，即1、3通道关闭，2、4为电流信号） SM0

1 10 D21 1

SM1

1 36 16#1111 1 SM1

1 14 16#1111 1 SM0

1 12 D50 1

其中特别需要说明的是FROM和TO指令。这两条指令主要用于模拟量处理，它的使用不同于西门子公司的直接寻址方式（PIW或PQW），而是用TO（写入）和FROM（读出）指令。对于模拟量模块，通过这两条指令来进行设置和参数的读出。比如TO

1 14 16#1111 1 。 其中第一个1是指和CPU连接的第二个模

块（第一个是0）； 14是指其信息存储器中的第14个存储单元；16#1111是指16进制1111；最后的1是指写入的单元数为1（只占用14单元一个，后面的单元不再写） 2.4:实际参数设置

最后经多次修改和调试，确定比例系数为20，积分时间为1-3秒，微分时间为零。经过运行发现能够满足现场的生产工艺，达到炉膛温度（实际为出口管道采集温度）恒定控制的要求。

3、实际运行情况：

经过2个月左右的运行发现，系统能够运行非常稳定，能够维持出口风道温度在286-288摄氏度左右，满足了现场生产的要求。经过基本测算，节电率能够达到25%-35%左右；而节煤量几乎达到了35%以上，得到了客户非常高的评价。经过节约资金量估算，经过半年左右即可收回全部设备投入资金。这对这次改造，我们认为在锅炉燃烧系统中的变频及PLC改造前景非常大，特别是艾默生公司变频器及PLC产品优异的性能、坚实耐用和高可靠性、高精度的新技术核心，会为我们的节能技术改造提供最坚实的后盾！

参考文献

①艾默生公司EV2000系列通用变频器 艾默生网络能源有限公司 ②新型PID控制及其应用 机械工业出版社 陶永华

③EC20系统手册 西门子公司自动化与驱动服务有限公司 ④通用变频器及其应用 机械工业出版社 韩安荣 ⑤电机拖动与控制 西安电子科技大学出版社 刘保录 ⑥百特工控现场仪表选型手册 福州福光百特自动化设备有限公司 ⑦EC20-4DA使用说明 艾默生网络能源有限公司 ⑧EC20-4AD使用说明 艾默生网络能源有限公司 ⑨艾默生公司SK系列高性能变频器 艾默生网络能源有限公司

③EC20系统手册 西门子公司自动化与驱动服务有限公司 ④通用变频器及其应用 机械工业出版社 韩安荣 ⑤电机拖动与控制 西安电子科技大学出版社 刘保录 ⑥百特工控现场仪表选型手册 福州福光百特自动化设备有限公司 ⑦EC20-4DA使用说明 艾默生网络能源有限公司 ⑧EC20-4AD使用说明 艾默生网络能源有限公司 ⑨艾默生公司SK系列高性能变频器 艾默生网络能源有限公司

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wewg.html