6ES7331-7HF01-0AB0接线图形

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异步电动机结构简单、运行、价格、过载能力强，使用、安装、维护方便，在农业用电中大多电力负荷均由异步电动机驱动。但它起动电流约为额定电流的5～7倍。电动机容量越大，起动时冲击电流对农网及其负载冲击就越大。所以大功率异步电动机需采用起动装置启动。常用的有自耦变压器降压、串饱和电抗器和Y/△转换降压起动等，靠接触器切换电压实施启动降压，无法根本解决起动瞬时电流尖峰冲击；起动转矩不可调，起动中二次冲击电流对负载产生冲击转矩，当电网电压下降，可能造成电动机堵转；起动过程接触器带载切换，易造成触点的拉弧、损坏等方面问题。 

1-全新的起动方式 

（1）软起动： 

软起动是采用软件控制方式来平滑起动电动机，一方面控制方式以软（件）控强（电），另一方面控制结果将电机起动特性由"硬"平滑为"软"，故被称之为"软起动"。它又分为两种：一种是采用变频恒矩限流；另一种是采用晶闸管调压起动，又称智能软起动。 

（2）两类软起动的对比： 

①技术性能。采用变频调速起动，起动时具有良好的静、动态性能，就是在低速情况下也能随意调节电动机转矩，能以恒转矩起动电动机，起动电流可以限制在150%额定电流。 
 
采用智能软起动，起动时由于转矩是按电压比的平方减少，因此起动转矩很小。软起动器有电流反馈，也可采用恒流起动，即在起动过程中保护起动电流不变，直到电动机接近同步转速。
  
从技术性能方面考虑，变频调速起动适用于较大起动转矩的负载，一般是大于50%的场合，例如往复式空压机、离心分离机、带负载的输送机、破碎机、螺旋式或振动式给料机、活塞式泵、带飞轮冲压机。智能软起动适用于较小转矩的负载，一般是小于50%的场合，例如旋转式空压机、离心式风机、离心泵、空载起动的输送机、各种空载起动的设备。  
②经济性。采用变频器调速起动比智能软起动的投资费用高两倍甚至三倍。 

综合以上技术性能和经济性，对农网而言，当前受欢迎、能实际推广的起动方式当数后者。
  
（3）智能软起动： 

智能软起动主要由串接于电源与被控电动机之间三对反并联晶闸管调压电路构成，以单片机为控制，整个起动过程是数字化程序软件控制下自动进行。利用三对晶闸管的电子开关特性，通过起动器中的单片机，控制其触发脉冲的迟早来改变触发角的大小。而触发导通角的大小，又改变晶闸管的导通时间，从而终改变加到定子绕组的三相电压的大小。异步电动机定子调压的，一方面其转矩近似与定子电压的平方成正比，另一方面电动机的电流又和定子电压成正比。从而电动机的起动转矩和初始电流的限制可以通过定子电压的控制来实现，而定子电压又是通过可控硅的导通相角来控制的，所以不同的初始相角可实现不同的端电压，以满足不同的负载起动特性。电动机起动过程中，晶闸管的导通角逐渐增大，晶闸管的输出电压也逐渐增加，电动机从零开始加速，直到晶闸管全导通，从而实现电动机的无级平滑起动。电动机的起动转矩和起动电流的大值可根据负载情况设定。 

2-智能软起动的技术特性与功能 

（1）基本特性： 

①采用单片机全数字自控监控。起动时起动电流以恒定的斜率平稳上升，对电网无冲击电流，不会造成大的电压降落，保证了电网电压的稳定。启动转矩、电流、电压、时间可按负载不同而设定，可的电流冲击和的转矩控制特性。大地减少了电动机转矩对负载的冲击，也满足了不同工作对象对起动转矩的不同要求，保护了驱动机构。 

②电动机起动不受电网电压波动的影响。由于在晶闸管的移相电路中，引入了电流反馈，因而使电动机在起动过程中保持恒流、平稳起动。同时，由于以起动电流为定值整定，当电网电压上下波动时，通过控制电路自动增大或减小晶闸管导通角来维持原设定值，可保护起动电流恒定。有的还采用双电源隔离，保证控制部分不受各种强电干扰。  
③根据工作对象的不同，可选择多种起停方式。而采用不同的起动方式，其起动力矩也不同。一般软起动的初始转矩可根据用户要求在锁定转矩的0%～范围内选择，从初始力矩水平开始，电动机的电压在斜坡加速时间内无级增加，加速的斜坡时间由用户设定。可以自由停车和软停车，软停车时间可调节。软停车特性大大延长电气触点寿命。 

④结构简单，重量轻，无噪音，占地小。作为无触点控制，其使用寿命比传统的接触器大大延长，若使用得当，可长达几十年，全免维修。而且安装、操作、使用简便。平滑、渐进的起动过程亦降低设备的振动和噪声，延长转动机寿命，并改善了工人的劳动环境。 

⑤可选择过流、过载、电源缺相多种保护，保证了设备和电机的。提供设备的监控保护的快速故障诊断信息，如限流、过载、缺相、转子堵转等。保护整定值可由用户，保护性能。有的还具相序自动识别、相序保护功能。 

⑥带标准的RS232C接口，具有通信功能。通过标准接口传输数据，可集成网络化，实现分散控制，集中管理。全数字设定和外控功能大大方便用户。人机界面友好：工作时显示工作电压，工作电流，大电流；故障时显示故障，性能价格比高。方便的外控接口具有数字延时起动控制；软停控制输入；起动延时继电器输出；故障继电器输出等多种功能。 

（2）起动特性： 

①限流型：限制起动电流，降低起动压降，任意调整，键盘设定。 

②电压控制型：设定允许电压降百分值，自动测量压降并限制压降。通过测量压降自适应控制起动电流。调试数据电脑自动记忆，运行时由智能程序自动监控运行。 

③转矩控制型：对电机运行特性的控制，尤其是在起动和停止期间。对电机和起动器的过载保护。对传动机械的保护，浪涌转矩并降低冲击电流。在给定区间内控制加速转矩和按应用要求调节电机转矩。
  
④转矩控制加突跳型：如果转矩控制起动时间长，通过转矩突跳克服静转矩，加快起动周期。 

（3）停车特性： 

①自由停机：自由掉电停机，外故障停机，自复位可编位。 

②软停机：0～200s（t=Os为自由停机）自设定。电机停车传统方式为自由停机，既通过瞬间停电来实现。但如皮带运输机、升降机等许多负荷并不宜突然停机，软停车功能正好能满足此要求。晶闸管在收到软停机信号后，导通角渐减，经一定时间才过度到全关，即电动机端电压渐减至零。停车时间可按实际需要设定。 

③制动停机：0～60s自设定，强制停机。 

（4）控制及通讯功能： 

①控制输入：无源开关量（无源触点）。起动：瞬停；软停；手、自动切换；共用端五种。 
 
②控制输出：旁路；延时；故障输出三种。 
 
③电流输出：4～20ma。 

④计算机通讯：RS232或RS485。 

⑤显示器：正常时，显示电动机运行电流或电压；故障时；显示故障内容。 

⑥键盘：设定参数；接点功能；锁停。 

（5）系统保护功能： 

①电子速断保护：内置，起动、运行、软停时输出短路，报警并动作； 

②单相接地保护：故障时报警并停车； 

③过电压保护：故障时报警并停车；  

④过负荷保护：故障时先报警，后停车； 

⑤断相保护：电动机上、下口断相对报警并停车； 

⑥倒相保护：电动机上口倒相时报警并不启动。 

（6）维护及管理功能： 

①故障自诊断，短路、过电压、单相接地、电机过载、堵转，加智能程序可判断拖动系统工况； 

②故障显示与继电器接点输出； 

③模块化组合设计，根据故障显示内容，5min排除故障； 

④可带4～20mA模拟量电流输出口，输出电机的起动电流和运行电流值； 

⑤可带计算机通讯接口（RS232C），可联上位微机管理或遥信。 

3-智能软起动的应用 

选用原则：在农业电气化实际应用中，一般根据下述原则来选用， 

①功率较大，直接起动对电网产生不允许的冲击的电动机； 

②防止起动时产生力矩冲击，而使转动机械断裂、损坏的场合； 
 
③较频繁起动的电动机（软起动装置一般允许起动10次/h，而使电动机不致过热）；
  
④需重载起动，且正常负载所需运行负载力矩又比大一号电动机额定转矩小得多的电动机； 

⑤需防止水锤效应，防止管道破裂的泵类负载； 

⑥拖动负载需特殊功能的电机。如突跳、平滑加速、减速、快速停止、低速制动和准确定位等。

3 项目评估
3.1 硬件评估
PLC采用SIEMENS SIMATIC S7-200系列PLC。S7-200适用于的过程与逻辑检测、监测及控制的自动化。它的强大功能使其无论在立的运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。并且，S7-200具有高的性能价格比。
(1) SIMATIC S7-200系列PLC具有如下特点:
●SIMATIC S7-200的结构牢固紧凑;易于安装和接线。
●SIMATIC S7-200在电气上符合VDE、UL、CSA、CE、FM标准和船籍社船用电器认证，其体系已获得ISO9001认证。
●SIMATIC S7-200的CPU配有EEPROM，可性地存储用户程序和其它重要的系统参数。
●SIMATIC S7-200的CPU内设有硬件实现的实时时钟，以便用户作故障报警时间记录工作以及其它基于时间控制的工作。
●SIMATIC S7-200可对外供给传感器/负载直流24V电源，输出电流可达180mA~400mA。此外，还有电源模块可供选用。
●SIMATIC S7-200备有的扩展模块，可以很方便地对系统的输入输出点作扩展。
SIMATIC S7-200具有高的性;丰富的指令集、集成功能和强劲的通讯能力;易于掌握和操作。
●SIMATIC S7-200 PLC具有高的抗干扰能力，特别适用于电磁干扰大的场合。
●S7-200 PLC编程灵活、调试方便，便于工程技术人员现场根据实际情况随时修改调整参数，节省调试周期。
●S7-200 PLC通过液晶中文文本显示器，方便用户管理人员现场察看设备运行使用情况及报警信息，同时可以操作现场液晶中文文本显示器调整参数。
●S7-200 PLC通过EM277模块接口，就能够联网到现场总线PROFIBUS-DP上进行高速，波特率为12Mbps。
(2) Pro-face Simple Touch可编程触摸屏特点
HMI则采用Pro-face公司新推出的小型可编程触摸屏Simple Touch系列。Pro-face(即Digital)公司是一家一直致力于Human Machine Interface(HMI)的领域，从1989年开发出世界台可编程触摸屏以来，一直以的产品满足客户的使用要求。Simple Touch系列小型可编程触摸屏作为Pro-face新推出的产品，具有以下特点:
●3.8英寸亮丽外观、体积小仅104mm×130mm,安装方便节约空间。
●强大的编程功能，6个功能键可自由定义。
●可连接国内外多种PLC，适应各种恶劣运行环境。
●琥珀色背光灯，支持2级亮度8级灰度。且可换背光灯，维护简易。
●ST402型具有RS285(MPI)口，专门用于和SIEMENS　PLC通信，速度可高达187.5kbps。
●和GP系列触摸屏共用一套编程软件GP-PROPBIII，该软件具有强大的网络通信功能，使用简单、组态方便。使用时，只需要设置PLC的类型和通信参数，并在监控画面的部件属性中设置正确的PLC位地址或字址，触摸屏工作时就能根据不同PLC的通信协议建立起与PLC内部地址的连接和通信。

3.2 软件评估
(1) 软件—WINCC6.0
“WINCC”即“bbbbbbS CONTROL CENTER”(窗口控制)，它是应用于标准PC机和bbbbbbS标准环境中的,拥有各种便利功能，确保地对生产和工艺过程进行控制的人机界面(HMI)。WINCC是结合SIEMENS在过程自动化领域中的技术和Microsoft的强大功能的产物。其的技术地表现再以下几个方面:
●开放—WINCC采用开放性标准，集成简便。Microsoft SQL Server 2000—的实时数据库，在任何场合下，可在压缩的基础上每秒大存储10,000个测量值或100条消息，然后通过WINCC内置工具进行分析。通过各种开放性接口(SQL，ODBC，OLE-DB和OPC)，可以随时应用外部工具进行数据归档处理。
●组态简便、—WINCC提供方便组态的用户界面、工具提示以及范围广泛的在线帮助和应用实例。级控制面板、组态向导、图形库、交叉引用表、多语言应用、离线检查、在线组态等一系列功能可使原本烦琐单调的组态工作变得简便和有趣。
●生动的用户界面—WINCC提供大量的图形库、开放的结构能导入各种制图软件所生成的图形，并能通过C++或VB对图形的各种属性进行变量连接或控制，从而使用户界面生动漂亮。
●性高—WINCC是SIEMENS公司与Microsoft公司共同开发的人机界面产品，结合SIEMENS公司在自动化控制领域的技术与Microsoft公司在IT的优势，WINCC在运行和控制上都非常稳定。
●强大的延展能力—WINCC提供大量的扩展功能，用户如有需要，只需花少量的价格,便能选购WINCC的其余功能软件，实现诸如多用户系统、服务器/客户机系统、Web Navigator、ProAgent、冗余、过程可视化和数据分析等功能。
(2) 远程数据软件—WI4.0
由于本工程有210台单机控制设备,而WINCC只能提供126个PROFIBUS从站的连接。故本系统采用WI 4.0作为从站设备数据采集。
西门子公司提供全范围的基于PC的自动化产品。作为工业领域中成熟的市场人，它已发展成为全集成自动化的中流砥柱，并把PC科技的开放性引入到了所有的自动化任务中。其优点在于:
● 4.0与上位软件WINCC通过bbbbbbS内部连接,将可视化功能和数据采集运算功能结合在同一台工控机,为用户节省投资成本。
将IT科技与远程数据采集结合在同一平台上，SIM- ATIC NET通过PROFIBUS现场总线使基于PC的自动化与管理系统以及现场领域的I/O之间得以通讯。
上传的采集数据由CP5613卡通过PCI总线与工控机CPU数据交换,PCI总线具有133MB/S的率及很强的带负载能力,故与传统的RS-232串口115.2K/S的率相比提高了上千倍的速率,突破了大型建筑楼宇自控监控系统的速率的瓶颈,为本系统成功实现提供了有力的。
工控机内插三个CP5613卡通过三条PROFIBUS-DP总线与208台单机控制设备相连，PROFIBUS是目前上通用的现场总线标准之一，它主要特点如下:
●12M的通信速率和的通信质量(海明距离=4)
●适用多种通信介质(电、光、红外、导轨以及混合方式)
●灵活的拓扑结构,支持线型、树型、环型结构以及冗余的通信模型
●强大的通信功能,支持基于总线的驱动技术和符合IEC61508的总线通信技术
●的网络规模(多支持126个总线站,网络规格可达90公里)

4 触摸屏(HMI)典型画面设计
共分为三个画面:控制画面、数据显示画面及报警信息画面
4.1 控制画面

  提高炼钢自动化水平，对炼钢钢水质量、提高炼钢的劳动生产率起着至关重要的作用。我所于2004年2月承建上海宝钢集团一钢公司炼钢区及不锈钢炼钢区测温取样装置。该测温取样装置是为配合不锈钢及碳钢热轧板卷技术改造项目炼钢工程配套而建，一期总共设计有十一套测温取样自动控制系统，其中两套采用德国西门子SIMATIC S7-300可编程控制器和6ES70变频器集成控制系统，其余采用日本富士PLC和变频器控制，仪表部分全部采用贺利氏电测骑士的测温取样仪表。由于新厂区结构紧凑，生产场地设计局促，生产流程如果由人工手动控制完成造成钢水输送紧张以致不畅;另外操作环境恶劣对人工操作也具有一定的难度和危险度。因此，在炼钢过程中实现全自动测温取样控制非常重要，使得整个设备操作加、，大大的提高了整个炼钢工艺的连续性，减少了故障率，同时也提高了炼钢的劳力生产率。
    电气控制主要功能针对炼钢区每套测温取样装置的结构特点，电气控制系统采用德国西门子S7-300系列PLC为控制设备，该系统主要的控制对象包括测温取样体传动电机和测温取样仪表装置。其中，测温取样体的控制主要包括:一台交流变频电机启/停控制、速度给定控制、变速控制、方向控制，一台编码器的行程控制及校零控制。测温取样仪表的控制主要包括准备测温、测温取样中、测温取样完成信号的、温度的采集、故障信号的采集及传输到上一级PLC系统信号的处理。
    电气控制基本结构及配置控制系统采用德国西门子SIMATIC S7-300系列PLC一钢不锈钢炼钢区测温取样电气控制系统采用西门子SIMATIC S7-300 PLC作为基础控制装置，根据体设备的实际需要现场安装有现场操作箱，采用分布式模式，将每个I/O子站设在体框架上，体上相应的控制信号直接送入子站，子站只需要一根PROFIBUS-DP现场通讯总线和一根电源线与PLC总站相连实现信息的上下传输，给现场操作带来很大的方便，同时，由于电气室和测温取样装置之间有一定间距，因此采用该控制方式减少了用户在电缆上的投资，也减少了铺设电缆所需的设备材料和人力资源，同时还减少了从现场到电气室的硬线连接，从而增加了信号的性，为以后的检修和维护都带来了方便。另外该系统这样的配置方式具有很好的可扩展性，如果现场需求有所变化，增加控制信号或改进控制自动化程度，都可直接将信号就近接入到I/O子站，方便设计及施工。
    仪表系统采用贺利氏电测骑士产品.本系统采用贺利氏电测骑士数字测温取样仪表，该仪表具有的的模式、的性能和强的数据处理功能，以及的部件和面向系统的操作软件确保测量数据的。仪表主要用于浸入式测温，通过测端部的热电偶来测量温度，可连续测温，具有完善的数据输出功能。
    电气控制系统主要设计思想系统控制主要是在装钢水的钢包抵达工作位后，由上一级系统发出指令控制测温取样装置工作。装置由上、下限位开关对体上、下运行做限保护，由编码器计数测量体行走行程进行调速停位、测量进入钢水液面行程，保证测温取样的准确性，测温取样仪表发出信号实现回位、准确停车及温度信号采集，完成一次动作循环。在此同时通过悬挂式补偿导线将测温的温度信号传输到相关控制单元及仪表上反映。 工艺要求根据装置动作要求，在PLC软件控制中，测温取样装置分为手动、半自动和自动三种工作方式，三种方式的切换在现场操作装置上完成。装置可一次性完成测温及取样功能，也能分别完成测温和取样功能。 手动控制手动控制主要用于现场设备维护和检修，不受任何外部联锁条件限制，操作工由此检测设备运行的性及系统运行的性。除此，也可在实际的生产中使用，只是要求操作工的熟练程度要高。 半自动控制主要用于在已知钢水液面深度的情况下，人工选择体行走行程，进行测温取样操作，同时实现单的取样功能。在现场设备维护和检修时，是检测设备准确停车精度的主要方式，这要求编码器信号读入及处理的性高。自动控制主要应用于生产实践中，人工干涉,立完成设备所要达到的工艺要求，这要求测温取样仪表发出信号的性高，控制系统响应快，变频控制。操作开始应保证测温在初始位也即在编码器的校零位，钢水罐车到达测温取样位，测温取样探头安装完毕，根据上一工序提供的钢水液面参数设定行程档位(半自动方式下)或不设定行程档位(自动方式下)，准备开始工作。测温取样功能执行完毕，使得测温回到初始位也即在编码器的校零位，编码器计数清零。根据系统所要实现的控制功能和以及系统上的硬件配置，设计整个系统的控制流程。 S7-300和6ES70变频器通讯参数设置体的行走由6ES70变频器控制，控制指令由S7-300向变频器发出。在此系统中，我们需要在变频器中增加一块CBP Profibus通讯板完成S7-300与变频器中CUVC板的通讯。PLC和变频器通过通讯传送控制状态

 结束语

    整套控制系统经过现场调试后，经过近两年的运行，系统良好稳定，测温取样成功，控制精度高，满足了现场的工艺要求，达到了预期的效果。由于系统运行效果好，又节约劳力，该厂在二期建设中也上了该系统，至今设备已调试完毕且投入使用，控制效果均良好