西门子模块6ES7231-7PC22-0XA0型号齐全

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1  引言
目前，在工厂供电系统中，对高压断路器的控制、保护和信号回路多采用传统的继电器开关量控制方式，存在着元件多，接线繁琐，运行维护工作量大，故障多，控制自动化程度低，可靠性差等诸多问题。而PLC作为继电器控制的替代产品，具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、维护方便、适应环境好等等优点，利用PLC对断路器二次回路进行控制无疑是较好的选择。

2  断路器操作与二次回路
2.1  断路器控制、保护和信号回路(简称二次回路接线)
断路器控制、保护和信号回路电路接线如图1[1]所示。QF为断路器，TA为电流互感器，KA为电流继电器(GL-15、25型)，KM为中间继电器，WC为控制小母线，WS为信号小母线，WAS为事故信号小母线，SA为控制开关，SB为按钮，RD为红色指示灯，GN为绿色指示灯，YO为合闸线圈，YR为跳闸线圈，SQ1、SQ2为储能位置开关，M为储能电机。
2.2  断路器控制、保护和信号回路基本要求
图1为采用CT7型弹簧操作机构的断路器控制、保护和信号回路，SA可采用LW2或LW5型转换开关，其控制的基本要求如下:

图1     断路器控制、保护和信号回路原理图
(1) 只有当储能电机储能完成，才能进行合闸操作。
(2) QF正常工作时，应是红灯亮，绿灯灭，并分别起到监视跳闸和合闸回路的完好性。
(3) 当过电流保护装置检测到过电流信号时，应立即启动跳闸装置跳闸。
2.3  控制电路工作原理
图1中，SA为LW2或LW5型转换开关，它们的触点有合闸、合闸后、分闸、分闸后四个位置。SA的3-4触点只在合闸时接通，合闸后断开;SA的1-2触点只在分闸时接通，分闸后断开;SA的9-10触点在合闸和合闸后均接通。SQ1和SQ2是弹簧储能电机的位置开关，未储能时处于初始状态。
需要合闸操作时，须先进行弹簧储能:按下SB按钮，储能电机M通电运转，使合闸弹簧储能，完毕后，SQ2常闭触点断开，SQ1常开触点闭合，为合闸作准备。
合闸时，将SA扳向合闸(ON)位置，其3-4触点接通，合闸线圈YO通过较大电流，操作机构使QF断路器合闸，其辅助触点使YO线圈失电，并使RD红灯点亮。
分闸时，将SA扳向分闸(OFF)位置，其1-2触点接通，分闸线圈YR通过较大电流，操作机构使QF断路器分闸，其辅助触点使YR线圈失电，并使GN绿灯点亮。
当一次电路发生短路时，KM1或KM2线圈得电，其常开触点闭合，也使YR通过较大电流而让QF断路器跳闸，随后QF的3-4触点断开，RD灭，并使YR失电。由于QF是自动跳闸，SA仍在合闸位置，SA9-10触点闭合，发出事故信号，通知值班员将SA扳向分闸位置，并使事故信号解除。

3  断路器操作PLC控制系统
3.1  PLC电气原理设计
断路器控制、保护和信号回路的PLC的I/O点分配如图2所示。PLC采用FX2N-32MR型，共须用7个输入点，6个输出点。标注情况如图2所示。SA为普通的手动转换开关，H为事故报警信号。

图2     PLC控制系统I/O接线图
3.2  PLC的程序状态转移图
由于该控制电路为顺序控制电路，所以根据其基本控制要求，并对照PLC的输入输出接线图，即可绘出PLC控制的程序状态转移图如图3[2]所示。

图3     PLC控制程序状态转移图
3.3  PLC控制的梯形图
PLC控制的梯形图如图4所示:

图4     PLC控制梯形图
需要合闸操作时，须先进行弹簧储能:按下SB按钮，X4=1，使Y3=Y4=1，GN绿灯亮，储能电机M通电运转，使合闸弹簧储能，为合闸作准备，完毕后，SQ1 和SQ2常开触点闭合，Y3=0，电机M停转，由于仍在分闸位置，所以GN灯应保持亮。
合闸时，将SA扳向合闸位置，其常开触点接通，X1=1，使Y1=Y4=1，合闸线圈YO通过较大电流，操作机构使QF断路器合闸，合闸后，QF的常开辅助触点使Y5=1，RD红灯点亮。
分闸时，将SA扳向分闸位置，其常开触点断开，X1=0，X3=1，使Y2=Y5=1，分闸线圈YR通过较大电流，操作机构使QF断路器分闸，分闸未完成，RD红灯仍亮，分闸后GN绿灯点亮。
当一次电路发生短路时，KM1或KM2线圈得电，其常开触点闭合，X6=X7=1，使Y2=Y6=1，也使YR通过较大电流而让QF断路器跳闸，由于QF是事故跳闸，应发出事故信号，通知值班员将SA扳向分闸位置，并使事故信号解除。

4  结束语
断路器控制、保护和信号回路采用PLC控制，与继电控制相比，可靠性高、调试方便，具有良好的应用前景，值得推广应用

1 引言
PLC由于具有功能强、程序设计简介，维护方便等优点，特别是高可靠性、较强的适应恶劣工业环境的能力，已被广泛应用于自来水行业。但由于现场环境条件恶劣、湿度高、以及各种工业电磁、辐射干扰等，会影响系统的正常工作,因此必须重视工程的抗干扰设计。
水厂应用中的PLC所受的干扰源主要有电源系统引入的干扰、接地系统引入的干扰和输入输出电路引入的干扰三类。如果PLC的干扰问题解决得不好，系统将无法可靠运行，将会影响到正常供水。因此，有必要对PLC应用系统中的干扰问题进行探讨。主要本文分别讨论PLC的三种抗干扰技术。

2 抗干扰的技术对策分析
为防止干扰，可采用硬件和软件的抗干扰措施，其中，硬件抗干扰是基本和重要的抗干扰措施，一般从抗和防两方面入手来抑制和消除干扰源，切断干扰对系统的耦合通道，降低系统对干扰信号的敏感性。
2.1 电源系统引入的干扰
电网的干扰，频率的波动，将直接影响到PLC系统的可靠性与稳定性。如何抑制电源系统的干扰是提高PLC的抗干扰性能的主要环节。
(1) 加装滤波、隔离、屏蔽、开关稳压电源系统。
设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从电源线传导到系统中，使用隔离变压器，必须注意:屏蔽层要良好接地;次级连接线要使用双绕线(减少电线间的干扰)，隔离变压器的初级绕组和次级绕组应分别加屏蔽层，初级的屏蔽层接交流电网的零线;次级的屏蔽层和初级间屏蔽层接直流端。
为了抑制电网大容量设备起停(如送水泵等)引起电网电压的波动，保持供电电压的稳压，可采用开头稳压电源。
(2) 分离供电系统
PLC的控制器与I/O系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主电源分开，这样当输入输出供电断电时，不会影响到控制器的供电。如图1所示。

图1 分离供电系统图

2.2 抑制接地系统引入的干扰
PLC系统分为逻辑电路接地和功率电路接地，有共地、浮地及机壳共地和电路浮地等三种方式。一般采用控制器与其它设备分别接地方式好，接地时注意:接地线尽量粗，一般大于2mm2的线接地;接地点应尽量靠近控制器，接地点与控制器之间的距离不大于50m;接地线应尽量避开强电回路和主回路的电线，不能避开时，应垂直相交，应尽量缩短平行走线的长度。
实践证明，接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段，良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。

2.3 抑制输入输出电路引入的干扰
为了实现输入输出电路上的完全隔离，近年来在控制系统中光电耦合得到广泛应用，已成为防止干扰的有效措施之一。光电耦合器具有以下特点:首先，由于是密封在一个管壳内，不会受到外界光的干扰;其次，由于靠光传送信号，切断了各部件电路之间地线的联系;第三，发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，能够传送到光电耦合器输入输出的干扰信号就变得很小;第四，光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数相比，一般很小，远不如晶体管对干扰信号那么灵敏，而光电耦合器的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，即使是在干扰电压幅值较高的情况下，由于没有足够的能量，仍不能使发光二极管发光，从而可以有效地抑制掉干扰信号。
由于光电耦合器的线性区一般只能在某一特定的范围内，因此，应保证被传信号的变化范围始终在线性区内。为了保证线性耦合，既要严格挑选光电耦合器，又要采取相应的非线性较正措施，否则将产生较大的误差。
(1) 光电耦合输入电路如图2所示。其中图2(a)、图2(b)用的较多，高电平时接成形式，低电平输入时接成形式。图2(c)为差动型接法，它具有两个约束条件，对于防止干扰有明显的优越性，适用于外部干扰严重的环境，当外部设备电流较大时，其传输距离可达100~200m，图2(d)考虑到COMS电路的输出驱动电流较小，不能直接带动发光二极管，所以加接一级晶体管作为功率放大，需要注意的是图中发光二极管和光敏三极管应分别由两个电源供电，电阻值视电压高低选取。
(2) 光电耦合输出电路如图3所示。为了得到和输入同相的信号，可以采用图3(a)形式。若要求输出和输入反相，可以接成图3(b)形式。当输出电路所驱动的元件较多时，可以加接一级晶体管作为驱动功率放大，其接法如图3(c)所示。有时为了获得更好的输出波形，输出信号可经施密特电路整形。

图2 光电耦合输入电路

图3 光电耦合输出电路

以上两点是对开关量输入输出信号的处理方法，而对模拟输入输出信号，为了消除工业现场瞬时干扰对它的影响，除加A/D、D/A转换电路和光电耦合外，可根据需要采取软件的数字滤波技术如中值法、一阶递推数字滤波法等算法。

3 结束语
PLC控制系统的抗干扰性设计是一个复杂的系统工程，涉及到具体的输入输出设备和工业现场的环境，在设计抗干扰系统时要求要综合考虑各方面的因素。

图1     泵站设备分布示意图
对排灌站的8个并列格栅和4台水泵进行统一管理，实现设备全工作过程(抽水、清污、输送、挤压)的自动化控制，出现故障及时报警停机并自我诊断，确保其正常运转，这是设计自控系统的思路和初衷。捞污、挤压设备及自行设计的整套自动控制系统现安装于江苏省南京市的一个水利排灌站，同时也适用于其它市政部门的泵站应用。
排灌设备主要由4台水泵、8台捞污机、2台输送机(水平和倾斜输送各1台)、1台污物挤压机和自控系统组成，湿落落的污物经设备处理后，变成干的块状垃圾，既可减少该站的污物存放场地(在城市尤为重要)，又能增加车辆装载量，减少运输次数和节约运输成本;同时可避免运输途中的抛撒、滴漏所造成的二次污染，有利于环境保护。

2  控制原理设计
该工程自控系统分手动、半自动、全自动间歇和全自动水位差等四种方式，操作人员可根据需要任选一种，四种控制方式实现互锁。
2.1  水泵
在自动状态下，水泵的开停由水位高度决定，当超声波传感器测得的模拟量相当于6m水位时，水泵电机按顺序启动，开始抽水;当模拟量相当于4.5m水位时，水泵全部停止抽水。自控系统根据水量的大小做出判断，自动选择开启水泵的数量。
(1) 水泵1工作30min后还未达到模拟量相对应的低水位(说明水量较大)，系统自动开启水泵2。
(2) 水泵1、2同时工作30min后还未达到低水位(说明水量很大)，系统自动开启水泵3。
(3) 水泵1、2、3同时工作30min后还未达到低水位(说明水量特大)，系统自动开启水泵4。
(4) 水泵1工作30min后还超过高水位(说明水量特大)，系统自动开启水泵2、3、4。
(5) 水泵过载时，热继电器将切断主电路，整套设备停止工作，同时做出水泵电流过载的声、光报警。
2.2  捞污机
(1) 格栅前后两个超声波测得的模拟量相对应的水位之差大于等于300mm时(水泵在开启状态，否则就没有水位差)，自控系统通过模拟量比较，按顺序启动捞污电机开始回转捞取污物。
(2) 格栅前后水位差小于等于50mm时，捞污机全部停止工作。
(3) 捞污机采用双重安全保护，捞污机过载时，热继电器或磁性开关动作，切断主电路，整套设备停止工作，并做出捞污机电流或机械过载的声、光报警。
2.3  输送机
(1) 捞污机启动数秒钟后，自控系统启动输送电机，水平然后再向上倾斜输送污物。
(2) 输送机过载时，热继电器将切断主电路，设备停止工作，同时做出输送机电流过载的声、光报警。
2.4  挤压机
(1) 大推头动作 
箱内污物达到预定高度(可调，调节光电传感器的垂直角度)，2个光电传感器同时反馈信号，大推头进(水平初压)。
(2) 主压头动作 
大推头进限位开关动作，主压头下(垂直高压)，下压8s钟后，延时15s钟进行次挤压污水;主压头继续下(垂直高压)，下限位开关动作，主压头停留15s钟进行第二次挤压污水。
(3) 二循环或三循环动作 
如果污物挤压得较松散，可选用“二循环”或“三循环”，挤压机对污物高压后，主压头和大推头复位，再把第二批或第三批污物与批一起挤压。
(4) 小门动作 
保压15s钟后，小门开(放料)，同时主压头上。
(5) 推头动作 
小门开限位和主压头上限位开关同时动作，小推头进将污物推至污物车。
(6) 复位动作 
小推头进限位开关动作，数秒钟后，小推头、主压头、小门、大推头按顺序复位。
(7) 挤压机过载时，压力继电器或热继电器动作，切断主电路，并做出挤压机油压或电流过载的声、光报警。
(8) 液压站采用双重油压安全保护，当污物初压或高压过程中遇到硬物卡住，压力继电器动作，切断主电路，并做出挤压机油压过载的声、光报警;若其失灵，则溢流阀动作，避免液压部件受损。

3  控制对象及任务分析
3.1  控制对象
采用西门子S7-200PLC主要控制水泵的4台电机、捞污机的8台电机、输送机的2台电机的开停和液压站的4个油缸的双向动作。
其中包括:
(1) 控制手动、半自动、全自动间歇和全自动水位差等四种运行方式。
(2) 控制14台电机分别完成抽水、捞取污物、输送污物等动作。
(3) 控制液压站电机完成复位、水平初压、垂直高压、放料、出料等动作。
(4) 控制设备的运行技术安全。即控制各运行方式的互锁保护;控制垂直方向与水平方向动作的互锁保护;控制水泵、捞污机、输送机和油泵的电流过载保护;控制捞污机的机械过载保护;控制液压站的油压过载保护。
3.2  控制任务
(1) 现手动方式控制，即手动独立完成上述9个基本动作。
(2) 实现半自动方式控制，即自动完成上述基本动作1至动作9。
(3) 实现全自动间歇和全自动水位差方式控制，在间歇工作开或水位差≤50mm的状态下，即自动进行上述基本动作5至动作9的循环。

4  硬件选型与配置设计
4.1  主控系统选型与配置
系统采用了西门子S7-200可编程控制器，使自控系统结构紧凑，执行指令快捷，可靠性提高。编程软件基于bbbbbbs平台。PLC在清污设备中的应用，使修改控制参数、扩展控制功能等变得非常简便，避免了分立电气元件抗震性能差、误动作多、定位精度不高等弊端。设计中该系统的控制点数为116点，其中输入点数66点，输出点数50点，拟选用的PLC的控制点数为120点。实际选用的主要控制硬件有:PLC选用西门子的中央处理单元CPU224一块(14入10出)、数字量扩展模块EM223二块(16入16出)、EM223一块(8入8出)、EM221二块(8入)，总输入点数70点，总输出点数50点，实际使用为66入50出，一般需要预留出5至10%的点数，考虑到成本问题，所有的按钮输入都采用点动方式，省去了不必要的输入点数，预留输入点数为5%，所以能够满足设计要求。
4.2  前端传感变送器选型
(1) 控制水位和水位差的反馈元件选用德国TU- RCK超声波传感器(型号Q45ULIU64BCR)。
(2) 控制大推头、主压头、小门、小推头两端限位的元件选用行程开关。
(3) 控制捞污机安全销过载的信号反馈元件选用霍尔式传感器。
(3) 控制水泵、捞污机、输送机、液压站电机电流的元件选用热继电器。

5  控制程序设计
5.1  固定时序工作方式
全自动间歇方式即设备工作X小时，停机Y小时(简化为X/Y)，共有4档可调(2h/1h;1h/1h ;1h/2h;2h/2h)，如果遇到停机时间，正在进行的程序保持至结束，然后设备停机待命(与水泵的自动开停无关)。
5.2  水位差工作方式
全自动水位差方式即当格栅前后两个超声波传感器测得的水位之差大于等于300mm时(水泵在开启状态，否则就没有水位差)，自控系统从捞取污物开始，至出料结束，然后等待下一个污物箱装满信号;当水位差小于等于30mm时，抽水、捞污、输送停止，而正在进行的程序将保持至结束，然后等待下一个水位差信号(与水泵的自动开停无关)。