西门子模块6ES7214-2BD23-0XB8产品齐全

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 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:


(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。

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。

3.3 PLC控制的梯形图
PLC控制的梯形图如图4所示:

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

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。

0世纪60年代末，为了改变由成千上万个继电器经硬线连接构成的传统装置，美国数字设备公司（DEC）于1969年研制成功一台可编程序控制器（以下简称PLC）。经过20多年的不断发展，现在已形成了完整的工业控制产品系列，其功能从初仅有计时、计数及逻辑运算等简单功能发展到目前的具有接近计算机的强有力的软硬件数据处理功能和联网通信功能，在I/O点数、内存容量、系列化、通信化、通用化方面都有了明显的进步，特别引人注目的是新推出的PLC产品都大大增强了通信功能，采用了网络技术，使多台PLC并网工作，tigao了整体性能。

从控制功能上看，PLC可替代继电器控制电路的一切功能，具有浮点运算、数据传送和比较、文件传送、诊断、逻辑判断、中断控制、通信、人机对话等功能，在使用方便性和系统可靠性方面则具有继电器电路无与伦比的优越性。目前，PLC产品已成为控制领域中常见、重要的装置之一。它代表了当前电子程控技术的发展潮流，其应用已渗透到国民经济的各个领域，发挥了日益明显的作用，因而受到越来越高的重视。据调查结果表明，约80%的工业单位可采用PLC作为控制装置，可见其在工业各个领域中的应用前景之广泛。

金隆铜业有限公司是率先在国内铜冶炼企业采用可编程序控制器用于主体生产工艺过程控制的企业，其成果和经验随后也得到了国内其他冶铜企业的肯定和效仿，该项目也因此获得了当时的国家有色工业局授予的科技进步一等奖。金隆铜业有限公司采用的是在国际市场占有率较高，度也较高的美国Rockwell公司生产的PLC-5系列大型可编程序控制器。全套系统的成套和软件的编制调试则由上海自动化仪表研究所、南昌有色金属设计研究院、铜陵有色设计院和金隆铜业有限公司自动化室共同承担，这几家单位都有着雄厚的技术力量和多年从事自动化项目设计、成套的经验，因而系统自投用以来在生产和管理中都收到了显著的成效。

一、系统概述

1. 系统配置

金隆的可编程序控制器系统主要包括：三台转炉、转炉公用设备及铸渣机PLC控制系统；两台阳极精炼炉PLC控制系统以及电解车间及电解液净化部分的PLC控制系统。

以上三个系统共分为九个PLC控制站，这九个PLC控制站全部选用PLC-5/40可编程序控制器作为主机。

2. PLC-5/40介绍

PLC-5/40是Rockwell公司PLC家族中应用广、功能强、性能价格比理想的机种之一。它具有速度快、内存大、指令系统丰富等特点，并可配置成主机和网络冗余的控制系统。

3. 软件介绍

软件包括通信软件WinLinx、监控软件WinView和编程WinLogic5。

● WinLinx是以bbbbbbs为基础的、用于与PLC进行通信的软件。WinLinx既是一个驱动程序又是一个DDE服务程序。驱动程序是与PLC之间的通信接口，而DDE服务则提供了与bbbbbbs其他应用程序的数据交换手段。

● WinView是一个用于数据采集、监控和信息管理的工业监控软件包，是个人微机上的实时、多任务、多窗口的、功能强大的、模块化的、彩色图形组态软件。它可以根据现场数据的变化而形成动态画面。

● WinLogic5是用于对可编程序控制器进行编程和文本处理、功能强大的软件包。它提供了对ROCKWELL公司的PLC-5可编程序控制器进行在线和离线编程、I/O组态、报告、诊断、注射和监控、强制等功能。它具有非常友善的人机界面，全部功能均可以用鼠标进行简单的操作。

二、具体应用

1. 在阳极精炼炉的应用

金隆公司共有两台阳极精炼炉，其操作控制水平的好坏直接关系到阳极铜的质量乃至影响到电解铜的质量，阳极精炼炉共用了四个PLC-5/40处理器，两主两从，互为热备，分别控制两台阳极精炼炉的倾转系统、附属设备和所有的调节回路。另外，还担负着接受行车无线传输称重数据的任务。

此外，两台行车上的行车秤的称重实时数据也是由阳极精炼炉PLC进行接受并进行数据转换处理和显示的。大部分实时信号的累计值、历史趋势和报警画面也都由PLC完成。由于在阳极精炼炉使用了PLC，使得大量的继电器控制柜和二次仪表得以取消，不仅节省了空间，也使得故障率大为减少，tigao了系统的可靠性，并且回路修改极为方便，减少了二次投资。

2. 在转炉的应用

转炉工段包括三台转炉本体、三套残极加料系统、一套溶剂运输系统、环境集烟以及电收尘四大部分。有八个PLC组成四套热备控制系统进行控制，每台转炉本体和对应的残极加料系统由一套PLC进行控制，溶剂运输、环境集烟以及电收尘由一套PLC进行控制。

投产以后，根据生产情况和工艺要求，我们对转炉的事故倾转回路进行了改造，将事故倾转由直流倾转改为交流倾转，仅当交流失压时才由直流倾转，增加了系统的可靠性。还增设了富氧调节回路和纯水槽自动补水调节回路。此外，由有色机械总厂生产的铸渣机也是用PLC进行控制的。由于采用了PLC进行控制，使转炉的劳动强度大为减轻，监控更为方便，维护更为简单。

3. 在电解、净液的应用

电解、净液共用了三台PLC，一台用于对电解工段的电器设备以及过程工艺参数进行检测和控制，一台用于对净液工段的电器设备以及过程工艺参数进行检测和控制，一台用作与上位一台以太网的网络通信接口。

PLC主要对一些给液泵、循环泵、泥浆泵等一些泵的启、停进行联锁控制和监视，对风机的运行情况进行监控，对短路器进行监控。

由于采用了PLC，取消了大量的二次仪表，所有的仪表指示值都可以在监控站的屏幕上显示，统计报表、历史趋势曲线都可以很方便地打印出来。参数的修改和设备的操作都可以用鼠标在屏幕上完成。

三、网络化方案及其实现

PLC-5处理器不仅具有非常强的控制功能，还具有非常强的通信能力。因此，它不但适用于各种控制应用环境中，特别适用于计算机集成生产系统（CIMS）的生产方式，与计算机等来形成一个高度全面化的分布式多级控制系统。生产的过程十分复杂，因此实现生产过程的全面高度自动化比较困难，同时，由于市场需求和技术发展的更新速度日益加快，以往传统的、相对稳定的生产过程也变得越来越不适应要求，这就对自动化生产的方式提出了一个动态的开放要求。因此，管理和控制一体化成为现代化企业越来越迫切的需要，而在此过程中，网络化的实现又成为一个关键的环节。

金隆公司的生产管理网络就是这样一个集控制和管理于一体的厂级分布式控制系统，网络构成如下图所示。

图1 生产管理网络构成图

1. PLC与管理网的联接

由网络图可以看出，全厂的PLC共构成两条数据高速通道（DH+）链，一条是电解、净液的PLC通过ROCKWELL公司的以太网接口模块5/20E与以太网相连，一条是阳极精炼炉、转炉的PLC通过DCS与上位以太网相连。采用这种联结方案主要是受各PLC物理位置的限制。PLC的实时数据传到以太网后，由美国DEC公司的阿尔法小型计算机接受并转换成个人电脑可以识别的数据信号后，再发往各管理终端。这样，各管理终端通过相应的软件就可以随时调出工艺流程画面和实时工艺参数，管理者就可以随时了解到现场工艺情况和各类数据报表，从而为管理带来极大的便利。

2. DH+网

DH+是一个公共总线形成的对等的工业局域网，其网上的每个节点无主次之分，网络的存取方式为令牌传递方式，传输介质为屏蔽双绞线，大传输距离为3044m，通信波特率为57.6K（57.6K位/s=1字节/0.14ms）,大节点数为64个。

屏蔽双绞线相对比较便宜，并有比较好的抗噪性，能保证传输信号不失真，不失为一种理想的传输介质。令牌传递方式可以消除那些试图获得网络访问权的PLC站点之间的竞争，哪个站点得到令牌，它就成为主站，从而有权向其他站点发送信息，用完相应的时间片后，即将令牌传递到下一个站点，这样可以避免因某个站点故障而影响到整个网络。每个PLC-5/40处理器有四个通信口，可用软件设置成远程I/O通信链与输入输出机架相连或设置成DH+网络通信口。在转炉调试时，由于各站点之间需要传递的数据量太大，引起监控站屏幕频繁出现网络超时报警信息，我们就用处理器空闲的通信口，专门设置了一条DH+通信链，专门用于处理器之间的数据传递，解决了网络拥挤的问题。

由于DH+网络优越的网络性能，使得数据在站点之间传递变得极为便利，行车称重数据本来发往阳极精炼炉，可是因为有了DH+网络，在转炉也可以看到这些数据。转炉的作业方式是交替作业，加上很多设备是三台转炉共用，因而需要相互传递的信息量非常大，因为有了DH+网络，一切问题迎刃而解。

四、调试中遇到的难点及解决办法

投产前，网络安装测试好之后，开始进行系统的总调试，发现由于三台转炉的很多辅助设备是共用的，因而各PLC之间需通过网络交换的数据量特别大，引起网络繁忙，网络超时报警频频出现，影响调试和正常操作。起初试图通过增大监控站的内存、扩大缓冲区、精简操作画面等方法解决这个问题，但效果均不理想。后来想到利用处理器的其他空闲的通信口，专门开设一条网络转炉的四个PLC之间传递数据用，结果十分令人满意，很好地解决了这个问题。

五、投产后的增设及改进项目

由于工艺状况和设备状况的要求，投产后在转炉进行了一系列的改造和增设项目，主要包括以下几个方面。

1. 转炉事故倾转的改造

在原设计中，转炉的事故倾转是蓄电池带动直流电机驱动的，由于蓄电池只能供电10min，而充电时间需10多个小时，且有倾转速度慢、性能欠可靠等缺点，容易引起堵风眼事故。针对这种情况，我们在软件上进行了修改，使得只有交流失压时，才由直流电机驱动转炉移动， 在其他条件下，均由交流电机带动炉子做事故倾转，大大减少了事故的发生，具有很好的效果。

2. 增设富氧改造调节回路

投产一段时间后，为了增加固破和冷铜的处理量，根据工艺要求，我们在转炉增加了富氧锤炼自动调节回路。回路投用后，操作人员只要在操作画面上设定所需的用氧浓度，调节回炉即可根据送风liuliang和设定氧浓自动调节氧气的liuliang，操作十分方便。至今，使用效果一直很好。

3. 增加纯水槽自动补水回路

纯水槽的水是用于转炉冷却水套的，一旦断水，就会对设备造成损坏。未改造之前转炉纯水槽补水需用电话与纯水站联系，这就要求操作人员经常监视纯水槽的水位，很不方便，改造之后，低水位自动补水，高水位自动停水，且有高、低水位报警，既方便又安全，得到操作人员的好评。

4. 增加报警点和历史趋势记录

转炉投产后，我们在转炉增加了PLC系统不间断电源（UPS）掉电报警、烟罩断流报警、纯水槽水位报警等，tigao了生产的安全性。增加了排风机转速和输出给定值的历史趋势记录，给设备监护和故障判断分析提供了依据。

可编程序控制器因其可靠的性能、zhuoyue的控制功能和强大的通信功能在金隆公司的生产和管理中发挥了很大的作用，创造了一定的经济效益。随着其性能价格比的tigao，相信会在工业企业中得到更加广泛的应用。