西门子模块6ES7340-1CH02-0AE0型号规格

西门子模块6ES7340-1CH02-0AE0型号规格

 1 引 言
近年来，随着计算机应用水平的提高，上位机同可编程控制器（简称PLC）之间的通讯与相应的数据采集，在工业控制过程中的应用越来越广泛。在各行各业的生产过程中，随着自动化程度的提高，对现场控制信号精度要求也越来越高。PLC作为一种新兴的工业控制器，以其功能完备、编程灵活、应用面广、价格低廉等众多优越的性能在国内外越来越多的生产过程中得到实际的应用，尤其在数据的采集、控制及相应的通信方面，更以其价格低廉，性能稳定得到业各个厂家的认可。
为了充分利用PC及PLC的优点，我们针对上海新奥托实业有限公司设计开发的一套“车辆运行控制策略优化“实验模型，开发出基于PC及PLC的该模型的监控系统。上位机PC中用北京亚控公司的组态王作为人机界面，完成技术人员的参数设置和手动控制，下位机PLC负责实现针对火车模型的直接控制，其中包括对火车的运行方向和速度的控制以及如何实现安全及时的避让和寻找较优线路的策略。本系统具有编程可视化、可移植性强、系统可靠度高、控制装置标准化、接线软件化、系统柔性化等优点，并且能够扩展到当前国内铁道车辆的监控系统中，大大优化车辆的运行策略，并为广大从事该类系统开发的广大工程技术提供了很好的借鉴。
2 系统的结构与功能2.1 硬件系统组成
整个系统硬件布置的简单示意图如图1所示。本系统的总体结构是上、下位机结构。以 PC机作为上位机，通过通信接口连接至可编程控制器，并以可编程控制器作为下位机来控制火车模型。上位机选用Pentum以上机型，组态王作为人机交互的组态软件，由于上位机是以较高档的CPU建立的系统，它在图形处理、复杂计算，以及人机界面上可以很轻松的达到较高的水平，相对于单片机等微处理器来说，处理速度快了好多倍。另外，它有高级语言的支持，有大量已经成熟且应用相当广泛的操作系统应用软件的支持。本系统上位机的监控部分选用组态王，就是充分利用它的编程简单、界面美观友好，更重要的是，它支持许多常用的硬件设备，包括各主要厂家的PLC、智能模块、智能仪表、板卡和变频器等。本系统选用的PLC是日本OMRON公司的C200HE，也在组态王支持的硬件设备之列，这样通过串口依据RS232的通信协议就可以顺利的连接起来，实现组态王和下位机PLC之间准确而实时的数据交换。
下位机主要负责对火车模型的直接驱动控制，它是由OMRON的可编程控制器各模块组成。整个下位机系统包括电源模块、CPU-42-E模块、ID212模块、OD212模块、DA模块等，分别完成接收数字量的输入、实现控制算法、完成火车模型各段的顺序启停、产生数字量和模拟量的输出等功能。
2.2 符合RS232协议的电缆连接
RS232是目前较常用的串行接口标准，用来实现计算机与计算机、计算机与外设之间的数据通讯。RS232串行接口总线适用于：设备之间的通讯距离不大于15m，传输速率较大为20kB/s。本系统中，上位机和下位机之间通过符合RS232通信协议的串口电缆连接起来。具体连接图如图2所示。硬件的连接重点在于火车模型实验台和PLC各模块之间的连线。其中包括PLC的开关量输入信号线，共22根；PLC的开关量输出信号线，共23根；PLC的模拟量输出信号线，共6根。另外还要引入相应的220V交流电和24V直流电。
注意：在进行PLC的硬件设置时，DIP开关除引脚4置于OFF外，其它全置于ON，同时，PLC底板上所插的各个模块的设备单元号不能互相冲突。

2.3 软件系统组成
首先分析PLC的输入输出信号。由于火车模型在经过不同位置时会使该位置处的红外信号传感器产生光电认别信号的输出，因此整个实验台上的22个红外信号传感器就相应产生了22个开关量的输出（对于PLC来说是输入信号）。而对6个火车叉道的切换控制、1#站、2#站和外围轨道的电压方向控制，还包括对1#站和2#站的红绿灯控制，则必须靠PLC方来完成，属于PLC方的开关量输出。另外，对于车速的调节，则需要PLC方0～10的直流电压输出，这属于PLC方的模拟量输出。
软件的设计思想是首先将从火车模型引出的开关量信号输入至PLC内部继电器IR区域，然后根据各位的高低电平的不同判断火车模型的不同位置，再在PLC的CPU中由程序处理输出相应的开关量和模拟量信号来作出相应的控制，如切换叉道、改变方向、红绿灯亮灭、蜂鸣器报警、增减速等，同时将相应的数据上传到上位机组态王的画面中，使不同的控制方式以更为直观的方式显示出来供操作人员调节。组态王中要包括监视画面和　　　控制画面，通过实时数据库的数据更新和交互来产生画面的更新和对火车模型不同控制的实现。软件中比较难实现的就是火车运行路线的较优控制问题。通过分析和动态规划，我们实现了2部以上火车模型同时在轨道上运行时，如何运用不同的叉道和车站，使它们找到各自较优的路线，以较短的时间，较节省的能源，安全顺利的到达各自的目的地，沿途伴随着相应的红绿灯闪烁、蜂鸣器报警、实时的启停和避让，从而在相当大的程度上模拟了火车的实际运行情况，对于实现无人自控火车的研究人员来说，更是具有相当重要的参考价值。
3 软件的设计
3.1 PLC控制过程的程序设计
按照用户的要求，控制系统应具有自动循环、手动、单周期运行过程。其中，手动调节是指火车模型的运行速度、方向、叉道的切换以及启停等均由技术人员通过组态王的控制画面来进行手工调节，主要是为了调试各个输入信号和输出信号的实时和准确性；单周期运行则是在一定的条件下，让一辆或几辆火车模型同时在轨道上运行一个周期，主要是为了对火车模型在各运段的运行速度大小和叉道的切换进行细调，它通常结合手动调节来进行；而自动循环运行方式是在前两种调节方式完全无误的情况下才可以进行，由于实际的运行过程中会发生这样或者那样的干扰，因此这一过程在实际的环境中也要结合手动调节来进行，但只要环境条件不发生特别大的变化，一般不需要手动调节（由于本系统是在实验室中实现的这一过程，所以在这一过程中未考虑手动调节）。
首先考虑PLC程序是和上位机组态王程序相结合来实现对火车模型的控制，因此较初的运行方式必须由技术人员在人机对话的画面上选中，然后让PLC根据输入的开关量信号执行运算产生开关量和模拟量的输出来控制火车。程序设计的流程图如图3所示。3.2 组态王监控画面的设计及它同PLC的数据交互过程
组态王是一套以实时数据库为核心的组态软件系统，实时数据库中含有丰富的数据类型，系统在进行刷新、趋势显示、
报警判断、历史数据记录等工作时所采用的数据皆是取自实时数据库，而实时数据库对用户是开放的，所以用户可以方便的构造适应自己需要的“数据采集系统”。同时由于组态王提供了内嵌的类C语言环境，使用起来更加方便。
组态王的画面包括监视画面和控制画面。限于篇幅，我们只给出手动的控制画面，如图4所示。
组态王中的每一个手动控制按钮都对应使PLC中继电器区域中的某个字变化一位或几位（即将该字中的一位或几位置高或低电平）。而该位的变化就可以产生开关量的输出，这只是程序设计的较基本思想。当然在PLC的程序中，包含着对火车模型运行的各个位置的判断，并以此为根据来判断运行的策略，由此作出较佳路线以及车速的运行状态。 注意：在调节车速的时候，不宜将车速调的过高或者过低，以免翻车或者，造成不必要的实验事故，另外，红外线传感器一定程度上受日光中红外成分的影响，所以开始时应该在火车模型实验台下面的硬件电路上调试其红外传感器相对应的放大器微调电位器，使其输出电压低端在5V以下，高端在20V即可。另外叉道由脉冲小于50ms的脉冲信号控制，如果脉冲时间过长，易对叉道造成损坏，这在PLC的程序中必须用TIMH（高速定时器）才能产生这样标准的脉冲。
4 结束语
经过一段时间的运行证明，本系统成功的实现了对火车模型的自动控制和监测，并实现了车辆及时进站、准确停车、正反行、红绿灯控制以及相向运行或同向车辆的及时避让等功能，并可借助实验盘上所设置的22个红外传感器，采用组态王实现直观跟踪，以便操作人员及时的控制车辆的运行,在控制策略的实现过程中，我们更是利用了优化控制的算法，从而实现了车辆的自动避让和自动选择优化路线的智能功能。
这种基于PC及PLC和火车模型监控系统的设计，涵盖了现代控制理论中有关决策过程中的较优化问题，对于当前铁路系统客车、货车的上等级、上水平、提益创造了技术上的前提。相信随着现代计算机自动控制技术的飞速发展，类似的系统的应用前途将会越来越广泛

1 引 言
励磁系统是同步电动机中较核心、较主要的且成部分之一。长期以来同步电动机励磁装置技长性能不完善，导致同步机损坏，成为影响生产的安全、连续及稳定运行的制约环节。
随着可编程控制器(PLC)技术的发展，以微型PLC为核心、功能更加完善的励磁控制系统的出现成为可能。该系统接线简单、控制功能丰富、可配置汉显的人机界面、价格适中、适合于恶劣的工业环境。采用PLC技术，首先克服同步机所配老式晶闸管励磁装置(俗称可控硅励磁装置)技术性能不完善；充分发挥PLC的作用，使控制系统更为人性化。
2 同步机励磁装置的功能
同步电动机的励磁装置主要有三个方面的作用，一是完成同步机的异步启动并牵人同步运行；二是在牵入同步以后励磁电流的调节控制；三是监控系统故障，确保同步机安全运行。
2．1 励磁装置在启动过程中的作用
在异步启动的过程中，励磁装置保证启动回路具有良好的异步驱动特性，避免异步启动过程中所存在的脉振现象，满足带载起动及再整步要求。达到亚同步速时，准角度投励，励磁绕组产生同步力矩，使电机尽早进入同步。
2．2 励磁装置在运行过程中的作用
同步运行过程中的励磁电流控制模式分为：
(1)恒励磁电流模式：适合于负载恒定工况，如通风机、水泵。实际选取功率因数为**前0.95-1之间任意值。
(2)恒无功功率模式：适用于电网负载不断变化，同步机向电网提供恒定的无功功率以补偿电网的功率因数，但同步机的功率因数是随着负载的变化而变化。
2．3 励磁装置的监控作用
同步电机在正常运行过程中，不可避免地会受到各种各样的扰动，就会引起电机失步，造成生产中断和设备损坏的严重事故。励磁装置能检测，同步机的失步，识别后判断是报警还是再整步运行，既**设备的安全性，又保持运行连续性。
同样，励磁装置在正常运行过程中，自身也会受到各种干扰，造成可控整流器缺相或失控、灭磁晶闸管误导通、熔断器故障、励磁电流**限等故障。当出现上述故障，励磁装置识别后报警或跳闸，以保证励磁装置的安全运行。
3 系统硬件设计
为了满足同步机起动、运行和故障监控的要求，同时便于将机械设备的控制柜与励磁装置融为一体，减小体积、增强控制功能、提升原来系统的自动化水平。本励磁装置主控制器采用西门子微型可编程序控制器S7-200，并使用成熟的晶闸管的触发电路TC787。
显示电路采用西门子的TD200来完成，一是参数设置，如投励时刻、后备投励、强励时间；运行模式选择。二是工作状态显示，如实验投励、正常投励、后备投励；运行模式。三是故障显示，如失步、整步失败、晶闸管故障、灭磁晶闸管误导通、熔断器故障、励磁**限。全部采用汉字显示。

3．1 启动回路
(1)起动时灭磁继电器接点CJll、CJ22闭合，见同步电机起动回路图2，使同步电机在异步驱动状态时，灭磁晶闸管7KGZ、8KGZ在较低的电压下便可开通，保证感应电流在正负半周是对称的。有效地了传统励磁屏在同步电机异步启动过程中转子回路感应电流正负半周不对称现象，避免了异步启动过程中所存在的脉振现象，具有良好的异步驱动特性。
(2)在启动结束后，灭磁继电器接点CJll、CJ22断开，灭磁 晶闸管7KGZ、8KGZ在较高的电压下便可开通。当电机在同步状态时，灭磁晶闸管在过电压情况下才开通，既起到保护器件的作用，又当电机正常同步运行时，保证附加电阻RFl、RF2被可靠切除，并防止灭磁晶闸管误导通，可使电机在遇到故障，被迫跳闸停机时，减少电机受损伤程度。
(3)起动前，人为按下ANl、AN2可以实验灭磁回路。
3．2 投励控制
同步电动机的投励过程控制是一个非常重要的问题，主要表现为对投励时间和投励角度的选择上。理想的投励时间是指当电机异步启动到亚同步速时，即转速达到同步速的95％-98％之间；准角度投励是指在转子感应电流的过零点，即从负半周到正半周的零点准确投励。满足两者条件时，励磁绕组产生同步力矩，使电机尽早进入同步。
转子两端的电压经电阻R12、R11、二极管D7后，在稳压管Z7两端得到了近似的矩形波，经过光耦TPl送人PLC。经过计算和判断后，PLC输出点PLCDO控制光耦TP3，控制TC787的5脚，当其为低电位时，输出6路触发信号，完成投励，
4。有两种投励方式：
(1)按照"准角强励整步"的原则设计，并具有强励磁整步的功能。所谓准角度投励，系指电机转速进入临界滑差，按准角度投励方式，这样电机进入同步时轻松、快速平滑无冲击。投励时刻的滑差大小，通过面板按键菜单操作任意设定。
(2)后备投励
若滑差投励不成，即达不到设定的滑差值，可按预定的后备投励时间和准角度方式投励。后备投励时间的大小，通过面板按键菜单操作任意设定。

3．3 励磁电流控制
三相晶闸管移相触发电路选用TC787，经三极管后，驱动6路脉冲变压器，输出为调制脉冲列，触发1KGZ～6KGZ晶闸管。TC787有移相控制端和投励控制端。
18、1、2脚是三相同步信号，来自同步变压器的三相电源电压Va、Vb、Vc；16、15、14、13脚外接电容用于调节脉冲列的频率；12、11、10、9、8、7输出六相脉冲，分别与T1、T2、T3、T4、T5、T6六个三极管的基较连接。三极管驱动脉冲变压器，其二次经整流二极管输出到晶闸管的门较和阴极，以满足电气隔离和触发功率的要求。4脚是有移相控制端；5脚是投励控制端；17、3脚是工作电源输入端；6脚为全桥控制端。
为了满足同步机各种工况的要求，运行过程中的励磁电流控制模式分为：恒励磁电流模式和恒无功功率模式。因此选用了模拟量模块与S7-200配合使用，构成单闭环控制系统。励磁给定值由外接电位器提供，无功电流由无功电流转换器提供，励磁电流由霍尔元件LEM块检测励磁电流得到。三个模拟信号送入PLC的模拟输入端。
3.4 系统故障监控
系统故障主要包括：同步机失步、可控整流器缺相或失控、灭磁晶闸管误导通、熔断器故障、励磁电流**限等。
3.4.1 失步监测
失步保护采样信号，来自串接在转子励磁回路的分流器两端的不失真毫伏信号。此信号经放大、变换，光耦隔离后输入PLC，对其波形特征进行分析，判断电机是否失步。当发生带励失步时，首先应切断励磁，识别后判断是报警还是再整步运行。
3.4.2 晶闸管故障监控
晶闸管励磁整流波形整型后经光耦送入PLC，如果波头相互比较，宽度误差较大，说明全控整流桥出现故障，如：脉冲丢失、三相丢波缺相、失控、管压降波形崎变等各种现象，造成励磁电流不稳定。
3.4.3 灭磁晶闸管误导通
在实际运行当中，偶尔会出现灭磁晶闸管误导通，引起附加电阻加热，经过一段时间后，造成控制柜内的控制线烤焦、进而发生电气短路事故。
检测附加电阻RFl、RF2两端的电压信号，经过比较判断，将结果送入PLC，进行联锁和报警。
3.4.4 励磁电流**限
在整流变压器的一次侧，A相和C相装有电流互感器，二次引线经变换识别电路后，将信号送入PLC，过流信号达到设定时间后，报警或跳闸。以防止励磁电流过大引起励磁绕组过热，损坏电机。
3.5 辅助控制环节
3.5.1 停车后逆变控制
当同步机停车或故障跳闸时，PLC发出指令使三相全控整流桥晶闸管1KGZ-6KGZ的控制角变为140°，可控整流桥工作在逆变状态，不致因同步机停车时转子电感放电造成续流或颠覆而烧坏元件。
当电网电压下降到整定值，一般为80％时，PLC发出强励信号，可达到正常励磁电流的1.4倍，进行强励，以防止同步机失步，10s钟后，若电网电压不回升，PLC撤消强励信号，以防转子绕组过热。
强励时间为10-14s，具体时间人机界面设定。

二是后备投励：若正常投励不成功，在主机起车后，开始记时，若记时到后备投励设定时间，同样选择在"感应电压顺极性尾端过零点"的时刻投励，完成后备投励。
4.3.2励磁调节模块
一是恒定励磁调节模式，将励磁给定信号和励磁电流反馈信号经模拟量输人模块送人PLC进行数字PID运算，通过模拟量输出端控制晶闸管移相触发电路；
二是恒定无功功率调节模式，将励磁给定信号和无功电流反馈信号经模拟量输入模块送人PLC进行数字PID运算，通过模拟量输出端控制晶闸管移相触发电路。
4.3.3 晶闸管故障检测模块
如果励磁整流波头相互比较，宽度误差大于10％，报警；如果波头相互比较误差大于20％，或周期内缺一个波头，而且时间**过1 min，停机并报警。总之，正常情况下，三相全控桥的整流波形在一个周期，有六个波头，而且，每个波头几乎相同。不符合此标准者，被认为故障，会引起带励失步，若不及时处理必将事故扩大。
4.3.4 失步检测模块
将失步信号整形后送人PLC，测量矩形的宽度和频率，与设定值比较，达到者被认为失步。当电机失步后，PLC立即封锁投励控制信号，同时灭磁继电器复位，使电机进入异步驱动阶段，然后电机转速自动上升，待进入临界滑差后，励磁装置自动投励，按准确强励对电机实施整步，使电机恢复到同步状态。如整步失败，PLC发出跳闸信号动作于跳闸回路。液晶显示屏显示"失步"或"整步失败"，按复位键复位。
4.3.5 故障连锁模块
同步机的负载以压风机为例来说，把压风机的保护检测信号，如轴温、一排温度、二排温度、一排压力、二排压力、冷却水压等等报警信号送人PLC，依据压风机的具体要求实现连锁。
5 结束语
上述系统已通过实验验证，各项指标达到预期目标，样机进入工业实验阶段。
(1)同步机励磁装置PLC控制器，与单片机控制器相比较，研制，整个系统成本小、功能强大，配置汉显的人机界面、适合于恶劣的工业环境。
(2)便于将机械设备的控制柜与励磁装置融为一体，减小体积、增强控制功能、提升原来系统的自动化水平。