西门子6ES7211-0AA23-0XB0参数设置

西门子6ES7211-0AA23-0XB0参数设置

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。 
PLC
     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。 
PLC

     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。 PLC资料网 
4.3 起动时间过长保护子程序
    在该程序段中，采集三相电liuliang，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

、 系统框图 


    根据宁波盈展精密薄板有限公司的实际情况及工艺要求，系统采用当今世界上流行的并成熟的由工作站计算机（IPC）与现场控制器（PLC）结合组成的集散控制系统。该系统的硬件和软件具有开放性、多层次性、模块化结构的特点和强大的扩充能力及容错性。系统由上位机工作站和现场PLC控制站二级组成，以实现集中监测管理和分散控制。这样克服了集中控制系统危险度集中、可靠性差、不易扩展和控制电缆用量大等缺陷,实现了信息、调度、管理上的集中和功能及控制危险上的分散。当上位工作站计算机出现故障，PLC站能独立、稳定工作，从根本上tigao了系统可靠性。 
     
    根据设备安装位置及工艺流程的要求,电气系统分上位机和下位机两大部分,上位机采用研华的工控机,下位机系统分为主控制柜和控制线路柜以及电力负荷开关柜.控制线路柜装有一台可编程序控制器用于监控各工艺流程、设备的实时运行情况及状态,对液位、压力、liuliang、水质等工艺参数的采集和显示以及控制参数的设定.控制线路柜装有可编程序控制器,用来作为对各点数据的采集并通过Modbus通讯协议与主控室的上位机和可编程控制器通讯,在主控室的上位机PC机通过组态软件（MCGS）对设备的现场状况进行显示，以达到异地控制模式人机互动的效果。 
  
三、系统组成 
  
    1、工作站计算机 
    
    •；工作站计算机选用台湾研华（IP610P）工业计算机P42.8/80G/1G/19”LCD/CP202I。 
    •； 操作系统：中文MICROSOFT bbbbbbS/9X、bbbbbbS/NT； 
    •；工控组态软件：采用国产MCGS工控组态软件（1024点,开发运行WIN98/NT版）。 
    •；MCGS版工控组态软件是由用于系统监视、监控和数据采集的工控软件。它可以运行于WinNT平台下。MCGS优化了OLE、ODBC和DDE技术,并结合了微软技术。它提供了面向对象的动画功能、图象、开放的数据库格式和DBF历史数据储存，从而改进了传统MMI功能。 
　　 
    2、PLC控制器 
    本系统所选现场控制器为奥地利贝加莱工业自动化有限公司（PCC2005）系列可编程计算机控制器，PCC2005控制器有强大的运算及PID计算功能，保证精密计算及高速度控制要求。贝加莱（B&R）是一家总部设在奥地利萨尔堡，生产和提供自动化和工业控制设备的跨国公司。她在欧洲、美洲、非洲和亚洲的50多个国家里都设有跨国分部和众多的合作伙伴。凭借在自动化领域多年的专致投入和丰富经验及世界的成千上万的控制系统，B&R因其超越的性能及技术而享誉业界。 
  
四、控制对象描述 
  
    1、循环水处理系统  

    2、脱盐水处理系统 

五、控制功能描述 
  
    控制方式分为自动、手动和停止三种； 
　　 
    手动操作方式下，可以通过现场的各个泵的控制按钮对整个水处理系统的各个单体设备进行打开、停止等操作。 
　　 
    自动操作方式下:  
　　 
    循环水处理系统控制功能： 
　　 
    1、   控制系统由计算机工作站IPC和PLC控制站组成 
　　 
    2、   PLC控制站采用高性能的B&R公司的PCC2005系列CP676作为主CPU，计算机工作站与PLC采用RS485方式组成工业通讯网络，进行数据采集和交换，用户可在计算机工作站进行上观察现场设备的状态和数据，同时对PLC主控站进行参数设置和运行模式选择。 
　　 
    3、   PID调节 
    A.    回水liuliang具有PID调节功能,参考量为循环水出水liuliang 
    B.    旁流liuliang具有PID调节功能,参考量为旁流泵的出水liuliang 
    C.    变频器A/B都可以实现与出水压力的PID自动调节 
　　 
    4、   原水泵：手动开关,具有过载热保功能 
　　 
    5、   原水电磁阀：与原水泵同步，只要有一只原水泵打开，原水电磁阀自动打开，同样原水泵全部关闭时，电磁阀关闭。 
　　 
    6、   柴油泵：在系统故障失电的情况下，6秒内柴油泵自动启动（系统设计）。 
　　 
    7、   循环泵C/D：采用一个软启动进行切换,不可以同时启动,必须先启动一台并正常运转后10S,再启动另一台循环泵。 
　　 
    8、   冷却塔风机：手动开关，具有过载热保功能。 
　　 
    9、   旁流泵：手动开关，具有过载热保功能。 
　　 
    10、  压力的监测：在原水泵出口/出水口进行出水压力的监测，并设定报警限定值； 
　　 
    11、  liuliang的控制：在原水泵出口/出水口进行出水liuliang的监测，并设定报警限定值； 
　　 
    12、  所有的设备均有现场手动与计算机工作站点动开启功能。 
　　 
    13、  所有泵的运行状态、开停反馈、故障信息均回馈到计算机工作。 
　　 
    脱盐水处理系统功能： 
　　 
    1、   控制系统由计算机工作站IPC和PLC控制站组成 
　　 
    2、   PLC控制站采用高性能的B&R公司的PCC-2005系列CP476作为主CPU，计算机工作站与PLC采用RS485方式组成工业通讯网络，进行数据采集和交换，用户可在计算机工作站进行上观察现场设备的状态和数据,同时对PLC主控站进行参数设置和运行模式选择。 
　　 
    3、   所有的设备均有现场手动与计算机工作站远控开启功能 
　　 
    4、   所有的泵都具有过载保护功能 
　　 
    5、   液位/liuliang/压力/温度/电导率等都可设定量程，并可设定相应的上/下限报警值 
　　 
    6、   浓水排放阀在系统开动的条件下，可设定工作在定时排污方式，另外也可选择人工干预方式。 
　　 
    7、   出水liuliang具有累计/清0/初始值初定等功能。 
　　 
    8、   高压泵高压/低压报警，当条件成立5秒时，将高压泵/原水泵关闭并恢复到手动状态，报警。 
　　 
    9、   混床高压报警，当条件成立5秒时，将增压泵关闭并恢复到手动状态，报警。 
　　 
    10、  纯水泵出口高压时（极限参数可设定），5秒后，将纯水泵全部关闭，并报警。 
　　 
    11、  部分控制功能：（参数可设定，=0时关闭此功能）

1  引言
  风洞是空气动力试验系统。它依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。也可以说，风洞就是在地面上人为地创造一个“天空”。风洞是研制飞机必需的一种试验装置。它模拟飞机飞行中各种空气动力条件，只在地面就可以获取飞机在空中飞行时的各种参数。
  气流的改变通过调节风洞系统中的风速，风速采用富士G11系列变频控制器，并配以编码器反馈完成高精度速度控制。可编程控制器(也称为PLC)工业控制部件因其功能强大、运算速度快、程序设计简单、修改程序灵活方便、可靠性高、抗干扰能力强以及能在恶劣的工业环境下长期工作等显著特点，已广泛应用于工业自动化控制的各个领域。但是其本身不具备人机交互功能，在工艺参数较多，需要人机交互时，配合使用具有触摸操作和通信功能的人机界面就是一种很好的选择。在本文所述的风洞调速系统中，变频器、PLC及人机界面之间以串行通信方式，可以在人机界面上直接对风洞内的风速、速压进行设定、控制及监视，并且可以通过趋势图随时观察气流改变时风洞内9个环境参数(温度、大气压、落压差等)的变化。该系统具有稳定、可靠性高的特点。

2  硬件配置设计
2.1  原理设计
  图1是该系统的主要硬件组成图，应用于某风洞实验。

图1     系统主要硬件配置图

  设定数据主要是风速，风速分为自动和手动调节两种方式。自动调节时,风速分15个等级，在POD上预先设定好每个等级的数据和工作时间后，按预先设定的等级的数据和时间让风速电机依次连续运行。手动时，POD随时由操作员调节风速电机的速度。通过传感器把风洞内的9个环境参数信号传给三个模拟输入单元。这9个环境参数分别是温度、实验段气压、落压差和力等。
  对风速和速压两种方式可以任意选择和任意设定，根据流体力学[1]，由公式:
  Qi=k1ρVi2=k2△Pi  ——i=1到15可任意选择(i为实验Vi或Qi点数)
  ρ=k3P/(273+t)  ——k1,k2,k3:常数，根据不同系统而定:
  Qi——速压(kg/m2) 
  Vi——风速(m/s)
  △Pi——落差压(mbar) 
  ρ——空气密度(kg*s2/m4) 
  t——温度(℃)
  P——实验段气压(mbar)
  可以计算Vi和Qi，也可以和风速的给定值进行比较。
2.2  配置设计
  (1) 根据系统运行和控制要求，选用富士的MICREX-SX SPB系列PLC，其使用简单，功能强大，优性能价格比，能满足各种各样自动化控制需要，且具有尺寸小不受安装场所限制，大容量内存，高速指令功能;并提供了方便、简洁、开放的通信功能;可直接连接POD;使MICREX-SX SPB系列PLC可以很好的满足控制要求[2]。
  (2) 人机界面选用带RS-485通信的富士UG430H-SS触摸屏，彩色，128色，10.4寸。进行参数的设定、显示[3]。
  (3) 变频器选用富士的FRENIC5000G11S，该变频器具有低噪音、高性能、多功能以及带有RS-485通信接口等特点。配以编码器反馈完成高精度速度控制[4]。

3  系统软件设计
3.1  人机界面的软件设计
  本系统人机界面所有画面均用UG00S-CWV3软件进行设计，分为操作画面和检测画面。有主画面、环境参数趋势图显示、风速的自动和手动设定等画面，经UG00S-CWV3编译无误后，从个人电脑中下载到人机界面,如果与PLC的通信能正常进行，并且PLC侧相应的程序也正确无误，则即可使用。人机界面通过RS-422通信电缆直接与与PLC编程器端口连接，实行命令设定型通信。根据来自人机界面的请求命令，可以实施PLC内部存储器的读写操作。PLC完成处理后，回送答复给外部设备。PLC侧不用特意编写通信程序。这里只介绍风速的自动和手动两个画面。
  (1) 风速自动画面设计
风速的自动调节分为15个等级，每一个等级对应一个风速设定值和相应运行的时间。通过画面显示风速的当前值和系统的累计运行时间。
  图2是设计的画面。画面中的自动调节风速是静态文字，对画面起到说明的作用，画面上所有静态文字的设计方法基本相同，设计时应在画面上合理布置，现以“自动调节风速”为例说明如下:在draw tool bar中选择[text],输入文字“自动调节风速”设定文字大小为Enlarge X:2;Enlarge Y:2，文字颜色为白色、透明。文字底下的方块、阴影，是在draw tool bar中选择[box]进行重叠的结果，它起到美化的作用，这里就不再详细说明[5]。

图2     风速自动调节画面

  在工具栏中单击数值显示部件[Num.Data Display],出现Num.Display对话框，对该数值进行设置，Division No设为0，Memory设为$u0100,Display function设为Entry Target，放置到如图2等级1的下面。用同样的方法，在工具栏中单击数值显示部件[Num.Data Display]，对该数值进行设置，Division No设为0，Memory设为D0120，Display function设为Entry Target。利用编辑菜单中的Multi Copy分别对上面设置的两个数值进行复制，复制时次序递增，存储单元地址递增，分别复制15个，放置的位置如图2。然后用Draw工具栏中的[Line]和[Text]画成表格的形式。
  图3是对风速和时间设定时弹出的小窗口，在Item菜单中选择[Multi-Overlap],在出现的对话框中设窗口号为0，点击OK，进入多窗口设置画面，在工具栏中单击[Overlap],设置弹出窗口大小、颜色、类型，设好后点击OK放置到画面编辑区域里。在编辑区域内单击右键，选择Overlap0，工具栏中选择[Entry Mode]，出现，点击左面的部件，通过设置把键盘到上一步的弹出窗口中。通过[Max]和[Min]在弹出窗口上可以显示每一个设定值的范围，这里就不再详细介绍了。

图3     风速和时间设定窗口

  在图2的画面上设置了三个按钮，通过他们可以转到首页、手动调节风速、风压画面。自动调节风速的数值设好后，系统运行时指示灯亮。显示的当前值是根据前面的公式计算的结果，累计运行时间是从系统运行到停止的总的运行时间。
  在依次自动执行15个风速段的程序设计中用到了宏命令模式。每一个风速值对应一个标志位，系统从个数值运行，当到达设定的运行时间后，第二个风速值对应的标志位置1，执行宏命令，把设定值送给变频器、风扇电机，按设定时间运行后，第三个风速值对应的标志位置1，下面的依此类推。
  该人机界面内置日历，用来显示当前时间，也可是修改时间的显示格式。如图2右上角显示当前的年月日、日期和时间。
  (2) 风速手动画面
  图4为风速手动画面

图4     风速手动画面

  在风速手动画面上，放置有加一减一键、左右移动键和输入键，通过它们可以改变设定的风速和时间值。
3.2  PLC的软件设计
  用PLC编制的程序主要完成的功能有:对9路环境参数进行转换、运算;完成风速的自动、手动调节;PLC程序结构图如图5所示:

图5     程序结构图

  PLC的程序和人机界面的画面设计相互配合来完成系统的功能。在整个系统软件的设计过程中，明显的特点是用了标志位。以风速自动调节为例，对15个等级采用了15个标志位，来分别完成对15个风速等级的控制[6]。

4  变频器功能参数的设置与控制方法
  变频器通过RS-485通信线和人机界面相连，通过人机界面对风速电机进行调控[7]。变频器的接线图如图6。利用编码器、编码器反馈卡实现对风速电机转速的闭环控制。风洞风速用变频器的PID调节实现闭环控制。变频器主要功能参数的设置附表。

附表     变频器主要功能参数

图6     变频器接线图

5  系统调试
5.1  脱机调试
  为了缩短现场调试时间，在安装之前先进行脱机调试。首先用下载线分别下载程序到PLC和人机界面，再用通信线RS-422把PLC和人机界面相连，上电检查PLC和人机界面能否正常通信。在调试中，遇到了通信出错的情况，通过改变PLC和人机界面的通信参数，后使它们能够正常通信。接下来把PLC和3个模拟输入单元相连，给模拟输入模块任意通道一个0～10V的电压信号，在PLC编程画面里的数据表中看相应的数字变换值，在调试中变换值正确，PLC和三个输入模拟单元连接正常。后，有485通信线连接变频器和人机界面，用人机界面显示变频器某个功能代码的值，在调试中，通信正常，并能正确显示功能代码的值。后，把按系统要求编制的程序下到PLC和人机界面里，PLC的输入接上开关量进行调试，调试通过。
5.2  现场调试
  在脱机调试通过之后，进行带负荷，也就是带电机后的试运行调试。变频器和电机相连，上电，用变频器的键盘面板操作方式，分别按FWD正转键、REV反转键和STOP键，看电机是否运转正常。在现场调试中电机旋转方向正确，旋转平稳，加减速平稳。之后增加运行频率，继续试运行，电机运行正常。

6  结束语
  由于当时的历史条件所决定，早期建设的低速风洞设备落后，自动化程度不高，这和当前科学技术迅猛发展的时代不相适应，必须对其进行技术改造。经过实际运行表明，针对某风洞改造实现的控制方案较好的达到了预期的效果。