浅谈Quantum系列PLC及在安钢新建大高炉工程中的应用
正文内容：浅谈Quantum系列PLC及在安钢
新建大高炉工程中的应用
郝吉廷 王丽 付遂涛
摘要：本文介绍了Quantum系列PLC在冶金工业过程控制中的特点，说明了Quantum系列PLC广泛的适应性，功能和安全的高可靠性，硬件和使用软件的开放性，高智能自动化控制水平，提高了生产效率和过程控制质量，极大程度上减轻了操作人员劳动强度。
关键词：Quantum系列PLC 硬件结构 编程软件 过程控制
一. 概述
本人有幸参加了安钢2800 m3高炉建设工程中电气设备安装和施工验收，通过几个月的实践学习和研究，我对该工程的基础自动化的配置和特性有了一定的认识。
该工程基础自动化包括电气传动自动化和仪表自动化，其主要功能是对生产过程进行数据采集、顺序控制、连续控制和监控操作等。操作人员通过HMI(人机接口)进行人机对话，修改过程参量和改变设备的运行状态，监视整个生产过程。
本工程基础自动化系统由PLC控制器、HMI人机界面、控制软件及其相关的环形以太网络组成，同时提供了与进程计算机系统，实现安钢一期2200 m3高炉系统，2800 m3系统和基础自动化控制系统的网络接口。基础自动化系统的操作方式分为：
1)过程计算机设定方式
2)基础自动化全自动方式
3)基础自动化手动方式
4)机旁手动方式
安钢两座高炉的工程基础自动化系统采用施耐德电气公司Modicon Quantum系列PLC控制系统、100M Modbus TCP/IP工业以太网，采用环形冗余方式，通讯介质采用单模光纤，增加了整个网络的安全性，可靠性及网络的速度，同时使得大高炉区具有整体有机的网络结构。
二. 控制系统的构成
1.硬件组成
本次选用的PLC数字量输入模块型号为140 DDI 353 00，配电电压为DC24V，输入点数为32，每组点数为8个，其运行电压为15.0 …30Vdc，数字量输出模块型号为140 DDO 353 00，配电电压为DC24V，输出点数为32，每组点数为8个，运行电压为15.0 …30Vdc。该输出模块直接驱动直流继电器线圈，利用继电器接点和线圈实PLC与外部电路隔离的模式，从而减少外部故障波及系统内部，便于维护和检修。模拟量输入模块型号为140 ACI 040 00,输入信号为4-20mA DC,输入点数为16个, 模拟量输出模块型号为140 ACO 130 00,输出信号为4-20mA DC,输入点数为8个。
2.I/O结构简介
Quantum自动化系列提供了一个高度灵活的结构，确保性能价格比高。Quantum I/O能用于三种主要结构以满足控制系统要求：本地I/O，分布式I/O及远程I/O。无论你的要求是改进空间利用或减少安装费用或高的性能或与HMI和主机的连通性，都能从Quantum I/O中找到一种符合要求的结构。PLC的另一新特点是能定义输出模块的故障状态。
1)本地I/O结构：
本地I/O能够与CPU和电源装在一个底板上，最少有一个，最多有14个I/O。在本地I/O结构中，最小的系统包括一个电源模块，一个CPU模块以及所需的若干个I/O模块。本地I/O配置规则：
a.底板可用的模块槽数(2,3,4,6,10,16共6种)。
b.适用于已装入的模块的电源容量。
c.可使用的寻址字以组态模块。
d.有效的可选模块槽位。
2)分布式I/O结构：
该结构的高性能价格比和灵活的解决办法适用于I/O信号分布在较大区域的应用。该结构是为在一个较大范围内，点数较少，I/O分站较多的应用而设计的。分布式I/O系统配置规则，有五点必须考虑以确保分布I/O系统的有效组态：
a.主站末端和节点接口的正确安装。
b.模块安装所需的槽位数。
c.模块适用的电源。
d.足够的寻址字以配置模块。
e.敷设的电缆线路有足够的强度。
3)远程 I/O结构
对于需要大量I/O的远程安装分站，需要具有极高的I/O性能。远程I/O(RI/O)使用同轴电缆敷设线路，网络距离可达4500米，如距离更长，则使用光纤敷设。远程I/O系统配置规则，远程I/O系统需考虑以下五个特性，以确保配置有效：
a.主站末端和分站末端适配器的正确安装。
b.用于模块安装的底板槽位数。
c.安装模块适用的电源。
d.足够的寻址字以配置模块。
e.敷设的电缆线路有足够的强度。
2.编程软件
Quantum自动化系列通常给用户选用Unity Pro及Concept编程软件包。Telemecanique Unity Pro及Telemecanique Concept符合IEC1131-3编程语言标准并支持5种IEC标准语言：梯形图、顺序功能表、功能块图、结构化文本和指令表
每一种语言针对特定的用途都有一定的特点。梯形图不仅对离散控制和联锁逻辑是极佳的，而且还具有把功能块指令权载入在一级梯形图内的能力。功能块图提供了一个有效的开发环境并特别适用于过程控制应用。结构化文本是一种类似于Basic或Pascal的语言，对复杂算法及数据处理是最好的解决办法。指令表为优化编码性能提供了一个环境，与汇编码非常相似。
三．感想和体会
通过参与配合施工单位调试和逐项验收，逐渐掌握Quantum系列PLC的构成，特性，功能及相关技术知识。该系列PLC产品以其卓越的品质和性能，为控制需求提供最恰当的解决办法，在工业自动化控制系统和其它许多领域中发挥了越来越强大的作用。由于它提供的是可按控制要求配置的模块化结构，因此Quantum控制器能够对中型至大型控制系统进行配置，其坚固的结构能保证在最恶劣的环境下可靠工作，满足最高性能的应用要求。Quantum系列PLC产品具有机体小型化，结构模块化，拥有较强的存储能力和I/O接口能力以及高可靠性和抗干扰性等优点，其为提高自动化智能控制水平，生产效率和质量，极大程度上减轻了操作人员的工作量做出巨大贡献。
Quantum系列PLC及其它系列PLC产品中包含多种规格和型号，其特性和功能不尽相同，要想达到自动化系统的理想、优化控制，必须较全面熟悉各种PLC的工作原理、功能特性。具体说来，我认为有如下几点：
1.PLC的选型 它是系统设计的一个重要环节，我们设计人员需要根据不同使用场合、控制对象、工作环境、费用以及用户的特殊要求综合考虑，保证其在功能上满足要求又经济合理。
2.输入/输出(I/O)点数的估算 这其中包括数字量和模拟量输入和输出。根据不同工程的各电气设备等的不同控制要求，对需要利用PLC进行控制的信号点进行估算是一项很重要的基础工作。例如自动开关、接触器、热继电器等的辅助触点，选择开关，限位开关等单个系统检测点数，系统集中/机旁选择开关以及其它控制设备的硬件联锁信号等。联系到高炉及其配套的水站，锅炉和汽轮鼓风机站等站控制设备设计，其工作状态需输入PLC进行监控。而整个系统中的电动阀门利用PLC进行控制的数字量输入信号包括：集中控制/机旁操作信号，开阀、关阀和停止信号，阀门运行信号，阀门开到位和关到位信号，开阀过转矩和关阀过转矩信号及电气故障信号。输出信号包括开阀和关阀，开到位和关到位，过转矩和电气故障，并通过指示灯指示阀门各状态。我认为能否做好这些输入和输出点的估算工作也决定于你对各电气设备的控制要求和方式是否真正理解，且对下一步模块的选用具有重要意义。
3. 输入/输出模块的选择 : 输入模块一般分为数字量和模拟量两种。输出模块可分为交流数字量输出、直流数字量输出、模拟量电压输出、模拟量电流输出等。Quantum系列PLC及其它类型PLC的数字量输入/输出模块的电压等级可根据现场设备与模块之间的距离来选择。当外部线路较长时，可选用AC或DC 220V/110V模块；当外部线路较短、且控制设备相对集中时，可选用DC24V、DC48V模块。
总之，无论你的应用是怎样的, 可使用任何IEC语言, 支持热插拔, PLC运行时也可方便更换模块,可自由扩展的机架, 灵活的系统升级,还有灵活方便的接线,参数自动设定,优化的性能。任何最佳控制方案的都是综合各种因素并加以全盘考虑的结果。随着计算机科学技术的日新月异，Quantum自动化系列PLC也必将迅猛发展，其品种会更繁多，性能会更优越,它们将不断改善和提高自动化系统控制水平，在今后许多工程项目中会继续得到更广泛的应用。
新建大高炉工程中的应用
郝吉廷 王丽 付遂涛
摘要：本文介绍了Quantum系列PLC在冶金工业过程控制中的特点，说明了Quantum系列PLC广泛的适应性，功能和安全的高可靠性，硬件和使用软件的开放性，高智能自动化控制水平，提高了生产效率和过程控制质量，极大程度上减轻了操作人员劳动强度。
关键词：Quantum系列PLC 硬件结构 编程软件 过程控制
一. 概述
本人有幸参加了安钢2800 m3高炉建设工程中电气设备安装和施工验收，通过几个月的实践学习和研究，我对该工程的基础自动化的配置和特性有了一定的认识。
该工程基础自动化包括电气传动自动化和仪表自动化，其主要功能是对生产过程进行数据采集、顺序控制、连续控制和监控操作等。操作人员通过HMI(人机接口)进行人机对话，修改过程参量和改变设备的运行状态，监视整个生产过程。
本工程基础自动化系统由PLC控制器、HMI人机界面、控制软件及其相关的环形以太网络组成，同时提供了与进程计算机系统，实现安钢一期2200 m3高炉系统，2800 m3系统和基础自动化控制系统的网络接口。基础自动化系统的操作方式分为：
1)过程计算机设定方式
2)基础自动化全自动方式
3)基础自动化手动方式
4)机旁手动方式
安钢两座高炉的工程基础自动化系统采用施耐德电气公司Modicon Quantum系列PLC控制系统、100M Modbus TCP/IP工业以太网，采用环形冗余方式，通讯介质采用单模光纤，增加了整个网络的安全性，可靠性及网络的速度，同时使得大高炉区具有整体有机的网络结构。
二. 控制系统的构成
1.硬件组成
本次选用的PLC数字量输入模块型号为140 DDI 353 00，配电电压为DC24V，输入点数为32，每组点数为8个，其运行电压为15.0 …30Vdc，数字量输出模块型号为140 DDO 353 00，配电电压为DC24V，输出点数为32，每组点数为8个，运行电压为15.0 …30Vdc。该输出模块直接驱动直流继电器线圈，利用继电器接点和线圈实PLC与外部电路隔离的模式，从而减少外部故障波及系统内部，便于维护和检修。模拟量输入模块型号为140 ACI 040 00,输入信号为4-20mA DC,输入点数为16个, 模拟量输出模块型号为140 ACO 130 00,输出信号为4-20mA DC,输入点数为8个。
2.I/O结构简介
Quantum自动化系列提供了一个高度灵活的结构，确保性能价格比高。Quantum I/O能用于三种主要结构以满足控制系统要求：本地I/O，分布式I/O及远程I/O。无论你的要求是改进空间利用或减少安装费用或高的性能或与HMI和主机的连通性，都能从Quantum I/O中找到一种符合要求的结构。PLC的另一新特点是能定义输出模块的故障状态。
1)本地I/O结构：
本地I/O能够与CPU和电源装在一个底板上，最少有一个，最多有14个I/O。在本地I/O结构中，最小的系统包括一个电源模块，一个CPU模块以及所需的若干个I/O模块。本地I/O配置规则：
a.底板可用的模块槽数(2,3,4,6,10,16共6种)。
b.适用于已装入的模块的电源容量。
c.可使用的寻址字以组态模块。
d.有效的可选模块槽位。
2)分布式I/O结构：
该结构的高性能价格比和灵活的解决办法适用于I/O信号分布在较大区域的应用。该结构是为在一个较大范围内，点数较少，I/O分站较多的应用而设计的。分布式I/O系统配置规则，有五点必须考虑以确保分布I/O系统的有效组态：
a.主站末端和节点接口的正确安装。
b.模块安装所需的槽位数。
c.模块适用的电源。
d.足够的寻址字以配置模块。
e.敷设的电缆线路有足够的强度。
3)远程 I/O结构
对于需要大量I/O的远程安装分站，需要具有极高的I/O性能。远程I/O(RI/O)使用同轴电缆敷设线路，网络距离可达4500米，如距离更长，则使用光纤敷设。远程I/O系统配置规则，远程I/O系统需考虑以下五个特性，以确保配置有效：
a.主站末端和分站末端适配器的正确安装。
b.用于模块安装的底板槽位数。
c.安装模块适用的电源。
d.足够的寻址字以配置模块。
e.敷设的电缆线路有足够的强度。
2.编程软件
Quantum自动化系列通常给用户选用Unity Pro及Concept编程软件包。Telemecanique Unity Pro及Telemecanique Concept符合IEC1131-3编程语言标准并支持5种IEC标准语言：梯形图、顺序功能表、功能块图、结构化文本和指令表
每一种语言针对特定的用途都有一定的特点。梯形图不仅对离散控制和联锁逻辑是极佳的，而且还具有把功能块指令权载入在一级梯形图内的能力。功能块图提供了一个有效的开发环境并特别适用于过程控制应用。结构化文本是一种类似于Basic或Pascal的语言，对复杂算法及数据处理是最好的解决办法。指令表为优化编码性能提供了一个环境，与汇编码非常相似。
三．感想和体会
通过参与配合施工单位调试和逐项验收，逐渐掌握Quantum系列PLC的构成，特性，功能及相关技术知识。该系列PLC产品以其卓越的品质和性能，为控制需求提供最恰当的解决办法，在工业自动化控制系统和其它许多领域中发挥了越来越强大的作用。由于它提供的是可按控制要求配置的模块化结构，因此Quantum控制器能够对中型至大型控制系统进行配置，其坚固的结构能保证在最恶劣的环境下可靠工作，满足最高性能的应用要求。Quantum系列PLC产品具有机体小型化，结构模块化，拥有较强的存储能力和I/O接口能力以及高可靠性和抗干扰性等优点，其为提高自动化智能控制水平，生产效率和质量，极大程度上减轻了操作人员的工作量做出巨大贡献。
Quantum系列PLC及其它系列PLC产品中包含多种规格和型号，其特性和功能不尽相同，要想达到自动化系统的理想、优化控制，必须较全面熟悉各种PLC的工作原理、功能特性。具体说来，我认为有如下几点：
1.PLC的选型 它是系统设计的一个重要环节，我们设计人员需要根据不同使用场合、控制对象、工作环境、费用以及用户的特殊要求综合考虑，保证其在功能上满足要求又经济合理。
2.输入/输出(I/O)点数的估算 这其中包括数字量和模拟量输入和输出。根据不同工程的各电气设备等的不同控制要求，对需要利用PLC进行控制的信号点进行估算是一项很重要的基础工作。例如自动开关、接触器、热继电器等的辅助触点，选择开关，限位开关等单个系统检测点数，系统集中/机旁选择开关以及其它控制设备的硬件联锁信号等。联系到高炉及其配套的水站，锅炉和汽轮鼓风机站等站控制设备设计，其工作状态需输入PLC进行监控。而整个系统中的电动阀门利用PLC进行控制的数字量输入信号包括：集中控制/机旁操作信号，开阀、关阀和停止信号，阀门运行信号，阀门开到位和关到位信号，开阀过转矩和关阀过转矩信号及电气故障信号。输出信号包括开阀和关阀，开到位和关到位，过转矩和电气故障，并通过指示灯指示阀门各状态。我认为能否做好这些输入和输出点的估算工作也决定于你对各电气设备的控制要求和方式是否真正理解，且对下一步模块的选用具有重要意义。
3. 输入/输出模块的选择 : 输入模块一般分为数字量和模拟量两种。输出模块可分为交流数字量输出、直流数字量输出、模拟量电压输出、模拟量电流输出等。Quantum系列PLC及其它类型PLC的数字量输入/输出模块的电压等级可根据现场设备与模块之间的距离来选择。当外部线路较长时，可选用AC或DC 220V/110V模块；当外部线路较短、且控制设备相对集中时，可选用DC24V、DC48V模块。
总之，无论你的应用是怎样的, 可使用任何IEC语言, 支持热插拔, PLC运行时也可方便更换模块,可自由扩展的机架, 灵活的系统升级,还有灵活方便的接线,参数自动设定,优化的性能。任何最佳控制方案的都是综合各种因素并加以全盘考虑的结果。随着计算机科学技术的日新月异，Quantum自动化系列PLC也必将迅猛发展，其品种会更繁多，性能会更优越,它们将不断改善和提高自动化系统控制水平，在今后许多工程项目中会继续得到更广泛的应用。
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