南京西门子S7-300代理商

一、概述

　　本文以某钢铁厂150t转炉为背景，其自动化系统的配置使用了Schneider自动化的Quantum PLC。项目由三部分组成：转炉本体、氧枪和原料，对应三套PLC控制系统。系统模拟量约2000点，数字量点约3000点，调节回路18个。


　　二、主要工艺图：

　　三、系统控制内容及功能要求

　　1、氧枪部分

　　（1）氧枪控制：检测降枪条件，控制吹炼过程中一系列连锁动作。
　　（2）氧枪定位控制：采用增量型编码器，自动判断出吹炼位置。
　　（3）变频器控制：氧枪水泵、汽包给水泵、设备水泵等重要设备全部由变频器控制。
　　（4）溅渣护炉：转炉的顶底复吹自动控制。采用顶吹中压氮气，将炉内剩余残渣吹至转炉炉壁上。
　　（5）倾动控制：对转炉进行前倾、后倾操作，保护氧枪。


　　2、原料部分

　　控制炼钢所需散装料和合金料的备料及下料。散装料和合金料通过料仓、给料器、称量料斗、溜槽、皮带机及下料溜槽进行控制及连锁，完成定量散装料和合金料的加入工作。


　　3、仪控部分

　　主要包括汽包液位及调节、除氧器水位及调节、顶吹氧气流量调节、底吹模式及流量调节、二文液压控制以及温度、压力、流量等基础数据的采集处理。


　　4、转炉一次除尘引风机

　　主要完成对风机转速控制、煤气回收各阀门控制、仪表参数的采集处理。


　　四、重点及难点

　　（1）氧枪定位采用增量型编码器，通过1756-HSC高速计数模板采集编码器的脉冲信号，经CPU运算处理成工程量位移信号。
　　（2）利用参数文件，实现了调用同一个画面，控制不同料仓的功能。
　　（3）在吹炼期和非吹炼期，风机采用高低速控制，两种速度转换时采用步进式调节。
　　（4）在出钢或出渣的同时可手动升降氧枪，启动刮渣器，进行刮渣。
　　（5）各系统间数据通讯采用环形快速以太网，在网络介质遭到破坏时，能够保证网络继续稳定运行，同时生成报警，通知维护人员对进行处理。


　　五、系统组成

　　六、解决方案：

　　以下是氧枪PLC硬件配置

　　七、操作站的主要工作

　　1、大数据量高速数据处理。模拟量约2000点，开关量约3000点。
　　2、长期历史趋势查询功能。可保存上百点的历史趋势一个月。
　　3、调节控制功能实现。控制调节回路18个。
　　4、逼真的生产工艺流程再现。工艺流程画面120余幅。
　　5、事件报警处理。记录时间一个月，报警条目600条。
　　6、快速、良好的动态响应能力。通过人机交互实现快速生产设备控制。

1  引言
    电动机的应用几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域，在这些应用领域中，电动机常常运行在恶劣的环境下，导致产生过流、短路、断相、绝缘老化等事故。对于应用于大型工业设备重要场合的高压电动机、大功率电动机来说，一旦发生故障所造成的损失无法估量。
电动机常见的故障可分为对称故障和不对称故障两大类。对称故障包括:过载、堵转和三相短路等，这类故障对电动机的损害主要是热效应，使绕组发热甚至损坏，其主要特征是电流幅值发生显著变化;不对称故障包括:断相、逆相、相间短路、匝间短路等，这类故障是电动机运行中常见的一类故障。不对称故障对电动机的损害不仅仅是引发发热，更重要的是不对称引起的负序效应能造成电动机的严重损坏。因而，对大型电动机进行综合保护非常重要。

    2  基于PLC的电动机综合保护

    对电动机的保护可以分为以下几类:
    在电动机发生故障时，为了保护电动机，减轻故障的损坏程度，继电保护装置的快速性和可靠性十分重要。在单机容量日益增大的情况下，电机的额定电流可达数千甚至几万安，这就给电动机的继电保护提出了更高的要求。传统的继电保护装置已经无法满足要求，因此微机保护应运而生。

    
    PLC是用来取代传统的继电器控制的，与之相比，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、设计施工周期短、调试修改方便、而且体积小、功耗低、使用维护方便。因此，本文研究了基于可编程控制器（PLC）的电动机综合监控和保护系统的方法。

    3  系统硬件设计

    3.1 系统的总体结构
    基于可编程控制器（PLC）的电动机综合监控和保护系统的总体结构如图1所示。

    3.2 PLC机型选择及扩展
    选择PLC机型应考虑两个问题:
    （1） PLC的容量应为多大？
    （2） 选择什么公司的PLC及外设。在本系统中，包含以下输入输出点，见附表,本系统共包括12路开关量，7路模拟量。

    SIMATIC S7-200系列PLC是由西门子公司生产的小型PLC，其特点是:SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测，监测及控制的自动化，S7-200系列的强大功能使得其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能，因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
    S7-200 CPU 224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点,可连接7个扩展模块，大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点;13K字节程序和数据存储空间;6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器;1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力;I/O端子排可以很容易地整体拆卸，是具有较强控制能力的控制器。根据系统的实际情况，结合以上特点，SIMATIC S7-200 CPU 224完全可以作为本系统的主机。
    CPU224可扩展7个模块，而其本身具有14输入/10输出共24点数字量，因此已无须数字量扩展模块。但由于有7路模拟量输入，故需选择模拟量输入模块。S7-200系列提供了EM231，EM232，EM235等模拟量扩展模块。根据以上技术数据，选择两个EM231作为模拟量输入模块，这样共可以扩展4×2=8路模拟量输入。

    4  系统软件设计

    4.1 主程序
    程序开始，从输入单元检测输入量，首先判断KM是否闭合，如果闭合，说明电动机已经处于运行状态，此时应无法按下启动按钮，若KM未曾闭合，则说明电动机处于停机状态，可以按启动按钮。接着判断启动按钮是否按下，若是，则继续下面的程序，若否，则重新检测。如果按钮已经按下，则检测电动机是否启动，若是，则继续下面的程序，若否，则转入欠压保护子程序，若是电动机已经启动，则判断起动是否成功，若是，则继续下面的程序，若否，则转入起动保护。如果电动机已经正常起动，则绿灯亮。接着判断停止按钮是否按下，若否，则继续下面的程序，若是，则程序直接结束，开始下一次扫描。
    如果停止按钮并未按下，即电动机仍然在运行中，则进行运行过程中的故障判断，首先检测是否发生短路故障，方法是:检测三相电流，再判断Imax是否大于整定值，若是则跳转至保护动作子程序段，电动机起动短路保护，警报响，并且短路故障指示灯亮。若否，则继续下面的程序。接着判断是否发生断相故障，方法是:检测三相电流，判断是否有某相电流为零，或者检测Umn，判断是否不为零，如果其中之一满足，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动断相保护，警报响，并且断相故障指示灯亮。若否，则继续下面的程序。接着判断是否发生欠压故障，方法参见欠压保护子程序说明。接着判断是否发生接地故障，方法是:检测I0，若大于整定值则跳转至保护动作子程序段，电动机起动接地保护，警报响，并且接地故障指示灯亮。接着判断是否发生过负荷故障，方法是:检测三相电流，若到达整定时限后，电流仍大于整定值，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动过负荷保护，警报响，并且过负荷故障指示灯亮。若判断未发生过负荷故障，则程序完成一次扫描，再次从条开始，进行第二次扫描，所以结束是指一个循环的结束，并不是整个程序的结束。
    4.2 欠压保护子程序
    在该程序段中，采集A相和C相的电压量，求出其平均值，再与整定值相比较，若小于整定值，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动欠压保护，警报响，并且欠压故障指示灯亮。若未发生欠压故障，则直接结束本次循环。
    4.3 起动时间过长保护子程序
    在该程序段中，采集三相电流量，若发现在起动过程中，电流大于整定值，或在整定时间到达后，电流仍大于另一整定值，则跳转至保护动作子程序段，起动时间过长保护动作，警报响，并且起动故障指示灯亮。

    5  结束语

    通过本系统设计、试验与运行，得到如下结论:
    （1） 利用PLC进行电动机综合保护硬件简单可靠。
    （2） 可以采用梯形图语言进行编程，简单易行。
    （3） 系统运行可靠，便于检修维护。
    （4） 由于采用集成综合设计，系统体积小、功耗低、使用操作方便。