西门子模块6GK7243-1EX01-0XE0技术介绍

西门子模块6GK7243-1EX01-0XE0技术介绍

电机分批自启动技术在石油化工等连续生产企业中有着广泛的用途。以PLC为核心控制单元的电机分批自启动系统具有以下功能及特点：
1、能够实时地监控电机的运行状态；
2、记忆电网波动前电机的运行状态，只有在电网波动前处于运行状态而且在电网波动时停机的电机才具备电机自启动条件；

3、准确及时地捕获电网电压信息。
4、分批自启动的电机按照工艺流程需要，在PLC中预先设置，同时为避免多台电机在自启动中对电网的影响、电机分批自启动中采用分批延时处理方式；
5、具有多路输入和多路输出功能，实现多台电机自启动集中控制；
6、具备远程通信接口，实现与上位机或DCS系统的通信，在上位机或DCS系统中方便地对该系统进行监控和维护。
洛阳石油化工总厂的2套PLC电机分批自启动设备，采用西门于S7-300系列PLC，它以CPU313为*处理单元，每执行1000条二进制指令约需 0.7ms。S7—300同时具备128点数字量输入/输出和32路模拟量输入/输出，12KB的RAM，20KB的负载存储器；完**够满足电机状态和 系统电压的实时监控和及时实现电机分批自启动的要求。
二、系统组成
2套PLC电机分批自启动系统根据变电所供电方式，每一段低压母线采用l台PLC。系统硬件主要分为外围电路和核心单元2部分。外围电路主要完成母线电 压、电机运行状态等信号的采集、处理和转换以及电机启动指令的驱动等。核心单元(即PLC)主要完成信号处理，发出电机驱动指令。


2.1外围电路
外围电路主要包括以下几个部分：
1、母线电压采样监测。它通过1个电流型电压变送器将0—380V交流母线电压转换为4*20mA直流信号。
2、电机运行状态信号监控。电机运行状态信号通过电机控制回路中的1个干接点输入到PLC的输入模块。所有信号的输入都经过光藕隔离，以提高抗干扰能力。
3、电机驱动单元。电机启动信号由PLC发出，输出单元不直接驱动电机，而是通过1个220V、10A AC的中间继电器带动电机操作回路。这样一方面提高了驱动能力，另一方面使得电气操作回路和PLC控制回路分隔，提高了系统的性。
2.2核心单元
根据系统的要求，其核心PLC主要有以下几部分：
1、CPU313及系统软件。它完成电压和电机运行状态监测，实时进行逻辑判断，发出电机分批自启动指令。CPU313有4种操作选择：RUN—P、RUN、STOP和MRES运行方式。
2、模拟量输入模块SM331(8路输入)。它把电压变送器输入的4-20mA的模拟量转换为数字信号，并将数字信号送到PI，C的控制单元，以供PLC做出电压判断。
3、数字量输入模块SM321。16路输入2个，32路输入1个，完成62台电机运行状态监测和PLC电机分批自启动系统运行、调试状态监侧，电机运行状态信号通过电机操作回路中的接触器辅助接点接至该模块。
4、数字量输出模块SM322(输出8路)。接受PLC控制单元的指令，完成电机驱动信号输出，通过出口中间继电器，驱动电机操作回路，完成电机分批自启动。
三、系统软件设计
电机分批自启动系统软件主要为：
1、完成系统初始化；
2、正常状态下的数据监测；
3、电网电压出现波动后，即电网电压降至70%，所有电机都会因为电气保护装置而强制退出运行，在此之前，程序已经做出判断并锁存电机状态信号；
4、当电力系统恢复正常（3s内，母线电压恢复至95%）时，程序依据故障前保存的电机状态信号、对具备白启动条件的电机。按照顺序分批发出启动信号，使其恢复运行；
5、无论在正常状态下或是在电机自启动过程中，PLC均实时监侧母线电压；
6、通信接口程序。包括系统监测数据和故障信息，PLC将采集的母线电压信息、电机启动状态信息传输到上位机或DCS系统，便于维护人员实时了解设备运行状况。

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，较大扩展至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。

  三、软件设计

    1、软件运行

    用户写好程序并下载到PLC后，一旦开机运行，PLC就循环执行用户程序。OB1是用于循环处理的组织块（主程序），它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。在起动完成后，不断地循环调用OB1，在OB1中可以调用其它逻辑块（FB,SFB,FC或SFC）。循环程序处理过程可以被某些事件中断。在循环程序处理过程中，CPU并不直接访问I/O模块中的输入区和输出区，而是访问CPU内部的输入/输出过程映像区，批量输入、批量输出。

    ２、测量参数运算

    PLC从传统的继电器回路发展而来，较初的PLC甚至没有模拟量的处理能力，PLC从开始就强调的是逻辑运算能力。随着科技的发展，控制技术的突飞猛进，PLC发展到今天，已经全面移植到计算机系统控制上了，已经具备了强大的模拟量处理能力。对于机组控制，前期由于PLC模拟量处理能力的局限，大部分模拟量参数的控制都采用开关，如压力开关、液位开关等。这些开关大部分是机械式的，或者是通过设定器设定报警点，从而转换成数字量。这样往往控制精度相对较低，难免有误动作。随着PLC模拟量处理能力的强大，模拟量处理模块的产生，可以把测量变送器的信号直接引入PLC处理模块，在程序中写入联锁动作点。大大的提高的控制精度，减少了误动作。

    对于上述机组控制，压缩机出口压力控制，通过压力变送器传输4-20mA信号直接引入模拟量输入模板SM331AI8×12。CPU只能以二进制形式处理模拟量，模拟量输入模块用于将模拟过程信号转化为数字形式，模拟量输出模块用于将数字输出之转化为模拟信号。在模块的硬件配置和软件的设置中写入相应的参数，就可以写入处理程序。根据本压缩机的控制要求，压缩机出口压力变送器量程是0～10Mpa，如果出口压力超过8Mpa，PLC输出报警，蜂鸣器响，当出口压力达到9Mpa时，为了压缩机的安全，就要打开泄压阀门，模拟量输入地址为PIW256，PLC报警输出点为Q2.0，泄压阀门控制输出为Q2.1，程序如下：

    压缩机温度也是压缩机联锁保护中很重要的参数，对于温度的测量，直接采用热电阻，把测量的欧姆信号引入模拟量输入模板SM331AI8×12，设置好相应的硬件参数后，写入联锁动作程序，对于上述压缩机控制，如果温度达到70℃，为了防止事故的发生，则停止压缩机，温度输入点地址为PIW260,压缩机停机控制地址为Q2.2。

    ３、连锁保护程序

    在机组具备开机的状态下，操作员按下开车按扭，压缩机自检没有报警信号后，启动运行。在压缩机运行过程中，PLC程序循环扫描控制参数，严密监控压缩机状态，当温度**70℃、入口压力低于1Mpa、机组润滑油压力低于0.5Mpa、出口压力**9Mpa、操作员按下停止或紧急停车按扭时，压缩机自动进入联琐程序，调用联琐处理子程序或根据事故级别直接停止压缩机的运行，实现设备自保和防止事故的进一步扩大。下面是压缩机启停联琐运行的一段程序。

    四、总结

    PLC内部资源极其丰富，内部存储器（软继电器）数量往往数以千数。PLC采用“软器件”、“软触点”进行联锁，它并不改变PLC外部电路的结构，因而不存使电路复杂化的问题。而这种联锁本质上是增加PLC运算的条件，使得PLC在进行输出之前需要进行更多的性判断，从而使系统的性得到提高。通过系统保护程序的开发与运行，使PLC能及时感知系统的故障或存在的事故隐患，并通过保护程序做出相应的反应，以防止事故发生或扩大，更好的保护人身和设备的安全。