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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。
1 引言
进入21世纪以来，随着连铸机技术的不断进步，使得冶金行业对连铸的高效化也有了更高的要求。连铸是紧凑型的控制，因此引入高性能计算机是提高产量和质量的必要条件。小方坯连铸机主要为弧形渐进矫直型，铸坯半径R为8000mm，铸机作业率可达65%~85%。本文以四机四流小方坯连铸机为例介绍西门子S7 系列PLC在自动化控制方面的应用。
2 系统简介
根据小方坯连铸机生产工艺特点，该自动化控制系统由七套西门子S7系列PLC控制器和三台监控站组成。
铸流(四流)系统、公用系统、出坯系统各自一套独立的S7-400 PLC，配水系统一套S7-300 PLC，通讯网络采用Sinec H1高速以太网络。利用H1网络扩展连接到热送辊道控制系统。
S7系列PLC的CPU具有高速的数据处理能力和逻辑运算能力，而且拥有梯形图、语句表和流程图三种编程语言和可视化窗口界面，易于使用，方便灵活。
所选用的模板类型如下:
(1) 数字量输入(DI)/输出(DO)模板
DI模板选用DC24×32，DO模板选用DC24V×32， 用于控制铸机在线及离线设备，使用I/O点数总和为 1100点。
(2) 模拟量输入(AI)/输出(AO)模板
AI模板可自由组态为各类信号输入，AO信号为 4-20mA主要用于结晶器。拉矫机速度给定及剪前辊道的速度给定，反馈以及各仪表显示等功能，设定工艺参数，检测及监控等。
(3) 中央处理器和通讯处理器
S7-400中央处理器为CPU413，S7-300为CPU315，控制程序的执行、运算和储存，通讯处理器为CP443以太网处理器，用于网络连接和数据通讯从而分担CPU的通讯负担，通过CP443与热送辊道及连铸机本地PLC和监控站进行通讯。
(4) 监控站
监控系统由3台PⅢ800工控机及相应的Sinec H1网卡组成。其中2台主要用于监控铸机生产在线设备系统，另1台监控配水系统、参数设置，水量及各有关参数。
由于铸机每的控制设备和控制时序相同，因此其硬件配置也都一样。
3 计算机控制功能
从用户软件功能上看软件可分为四大部分:设备控制功能、程序通讯处理功能、铸坯数据管理程序、监控和故障报警程序, 而控制功能又包括公用设备的连锁启停, 流系统的设备联锁控制及出坯系统联锁控制以及二冷段配水控制。
3.1 公用系统的控制
主要完成中间罐车自动定位和大包回转台的旋转定位，剪机液压站的自动控制以及蒸汽风机的自动控制。
3.2 铸流系统的控制
(1) 液压剪定尺切割;
(2) 结晶器.拉矫机变频调速控制;
(3) 送引锭/脱引锭控制;
(4) 剪切液压站的自动控制。
剪机液压站油泵的自动控制,故障切换,油压控制。
3.3 出坯系统
完成推钢机的自动推钢控制以及翻钢冷床的自动控制和冷床液压站的控制以及其他在线设备的联锁控制。
3.4 二冷段冷却水控制
完成铸坯的二次水冷却，经过二次冷却水的冷却后，使铸坯完全固化。
3.5 连铸机与热送辊道的数据通讯
该通讯的建立不仅实现了连铸机的热装热送功能，而且也能够进行铸坯的跟踪，从而保证每一支钢坯的各成分参数准确无误和生产钢坯的总数。
3.6 控制软件
整个连铸机生产控制的软件采用STEP7完成，具体内容如下:
(1) 确定模板的槽位以及各个模块的I/O地址
编程的首要工作是对PLC的硬件配置，确定各个模板在S7-400站中的位置，对I/O模板分配地址，并确定以太网地址，以及网站间通讯作业的定义。
(2) 编制梯形图以及语句表程序，完成各种设备的控制
a) 采用模块化思想，将每套设备的动作情况以及有一定独立性的动作顺序编写在独立的程序块或功能块中，由组织块调用这些块。这样便于查找故障，也能了解设备的功能情况。
b) 可用梯形图完成开关量的动作，用语句表完成拉矫机变频器和结晶器振动变频器的动作。
(3) 操作界面组态设计
根据工艺要求编制工艺画面，包括各设备的画面，对主要数据:拉矫机的给定速度、实际速度、给水量等历史趋势，完成对各个设备的操作运行情况的监控，以便出现故障后能快速查找故障发生的时间，以及故障的原因。
4 自动化控制系统功能的实现
4.1 结晶器、拉矫机变频调速控制
拉矫机和结晶器振动装置采用变频器调速系统,拉矫机变频器的启动、停止以及调速由PLC发送给拉矫机变频器，拉矫机的实际速度FM经光电隔离后再反馈给PLC，然后由PLC传送给相应仪表显示实际值。结晶器振动采用同调方式，即振动频率随拉速变化而变化，即根据下面的公式，来控制结晶器振动频率f:
计算出振动频率f由PLC发送给结晶器振动变频器，使结晶器的振动适应于拉速变化，系统框图如图1所示。
图1 结晶器、拉矫机变频调速控制系统框图
4.2 二冷段的配水
二冷水系统分四段配水即零段、Ⅱ段、Ⅱ段、Ⅲ段,具有手动和自动控制功能，包括水量分配，水表设定，跟踪调节，水流量、压力、温度等的显示。配水系统有两部分组成，现场的连续跟踪调节由PLC完成;水表的设定及修改，记录、打印由监控系统完成。
配水的好坏对铸坯的质量起很大作用，按理论上较理想的配水曲线应该是一条二次曲线F=aV2+bV+c，如 图2(a)所示。
图2 配水曲线
实际上计算a、b、c系数是十分困难的，所以我们用三段直线近似曲线的方法，如图2(b)所示，即每一段的配水根据拉速的变化计算三条直线的值，每一段确定参数a、b的系数，V是拉速，根据钢种和浇铸断面确定a，b的数值，根据拉速的变化计算出F1，F2，F3的值，取Fmax=(F1，F2，F3)作为每段水量的给定值，如图3所示。
图3 控制系统框图
由于直接的模拟量输出调节会导致阀门动作过于频繁，从而严重影响其使用寿命，所以不能直接输出阀门的开度，而是通过控制阀门的开关时间来调节给水量，因此采用比率调节器控制(即采用开、关占空比)见图4。由于水量的变化主要是随着拉速的改变调节水量的，因此获得准确的拉速是非常必要的。为了防止外界的干扰，速度反馈取自变频器的频率输出端(FM)并通过一个专门制作的电路板进行光电隔离进入PLC，比率调节器输出电路图如图4。
图4 输出电路图4.3 剪切机定尺切割
本剪切机剪切方式有碰球定尺和非在线定尺切割:
(1) 碰球定尺
即切割机定尺脉冲信号由定尺碰球发出，但由于钢坯表面的氧化皮的导电率差，尽管碰到了碰球，但不一定接触良好，为防止误切,系统利用拉矫机速度信号进行积分运算来计算坯长，并与定尺信号进行比较，确保定尺信号的准确性。
(2) 非在线定尺切割
利用专门的非在线式铸坯长度测量装置，根据热坯热辐射的原理，通过探头锁定铸坯在导轨内的区域，当铸坯进入区域并占满整个区域后发出定尺信号，然后再给出剪切命令。
4.4 送引锭/脱引锭控制
当发出自动送引锭指令后，通过夹紧辊把引锭杆送入拉矫机下，再由拉矫机控制系统将引锭杆高压夹紧送入结晶器下方，当发出浇铸指令后结晶器振动系统和拉矫机同时启动，PLC系统检测拉矫机实际速度，计算实际距离，依次将引锭杆从二冷段抽回，当引锭杆引出拉矫机后，拉矫机转为低压夹紧进入正转拉坯过程，引锭杆自动脱头并夹紧进行自动存放。
4.5 连铸热装热送的控制
该控制功能是将热坯经过输送辊道和其它传递设备送至轧机加热炉，在传送过程中不仅要检测钢坯位置，还要记录当前位置的钢坯信息。
当选择热送方式时，冷床系统自动作为备用，推钢机自动与热送设备联锁运行;当选择非热送方式时，冷床自动启动，推钢机与热送设备解锁，在运行过程中，可做到冷床与热送的随意切换，即在热送方式时，随时可转入冷床，反之亦然，增强了热送系统的灵活性、实用性。其钢坯跟踪过程如图5所示。
图5 钢坯跟踪过程示意图
其工艺控制过程如图6，钢坯信息传输格式如图7。
图6 工艺控制过程
图7 钢坯信息传输格式
5 结束语
连铸机系统中采用PLC控制后，不仅降低了故障率，提高了生产效率而且结束了以前大部分作业必须手动完成的历史，因此，从某种意义上讲PLC的使用不仅降低了人力物力资源，在很大程度上也降低了工作人员的劳动强度，同时减少了很多不安全因素。更重要的是在生产中的配水和切割等重要环节通过采用数学模型及其它方式完全由PLC完成计算和控制，不仅提高了作业的jingque度也大大提高了铸坯的质量。由于采用PLC控制后不仅取得了极好的经济效益，而且具有很强的实用性和可移植性，因此在同行业及其它相关行业中具有很高的推广价值。
