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浔之漫智控技术(上海)有限公司
主营：西门子DP电缆代理商
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6ES7223-1PM22-0XA8产品
1 引言
铁路继电器是铁路信号控制系统中的重要执行元件之一，在出厂时和使用过程中定期对其电气特性参数进行测试。然而，传统测试设备存在测试精度低，性差，效率低下以及对测试人员要求高等缺点，不能满足现代继电器测试的要求。PLC作为一种新型的控制装置与传统继电器控制系统相比，具有时间响应快，控制精度高、性好、控制程序可随工艺改变、易与计算机相连、维修方便、体积小、重量轻、功耗低及等优点。触摸屏也是一种新型的人机交互设备，操作者只需用手触摸计算机显示屏上的图标或文字就能对主机进行操作，这样就摆脱了传统交互设备复杂操作，即使新手也能轻松操作整个设备。因此，既减少了对操作人员的要求，也提高了工作效率。本文采用PLC、触摸屏及相关辅助电路设计了一种综合电器测试台。
2 硬件电路设计
2.1系统概述
该继电器测试台采用欧姆龙CPM2A型号PLC作为控制单元、ET500系列触摸屏实现人机交互，测试普通继电器、接触器、过流继电器、接地继电器的吸合电压（电流）、释放电压（电流）及电磁（电子）式时间继电器的延时时间等参数。图1给出其硬件结构框图。
PLC通过I/O捕获继电器触点动作，通过扩展模拟I/O模块记录待测继电器动作时的电压（电流）值。同时，PLC把检测到的继电器状态和动作信号送人触摸屏显示，并对各种故障报警等。
2.2测试原理
测试前根据待测继电器型号及类型通过触摸屏设定参数，测试开始后可选择自动、人工方式通过PLC控制增（减）电压（电流），待达到待测继电器吸合电压（电流）、释放电压（电流）后，动合接点（衔铁）动作，PLC记录此时的电压（电流）值或和接点传唤时间存入内部数据区，待测试完毕后通过触摸屏显示并打印。
由于测试对象包括直流或交流继电器，电子式或电磁式继电器。电子式又包括共阴或共阳型。因此，该测试台在设计中满足了各种型号、类型继电器的测试需求，其原理如图2所示。系统通过扩展单元的4～20 mA模拟量控制信号选择直流或交流电源。
在测试时间继电器时，被测的是额定电压下继电器的动作延时时间或释放延时时间。考虑到继电器线圈电压从0 V加至额定值需要一定时间，这会带来测量误差。所以该测试台采用在电源输出端加上一个固体继电器（SSR），图2所示的是使系统自动识别延时类型。开始测试时，系统自动调整输出电压为设定的线圈额定电压，然后通过SSR切断输出电压，等待6 s使线圈两端电压降为0 V，然后再触发SSR使之导通，此时设定额定电压直接输出到时间继电器线圈，并开始计时。
当操作人员在测试前选择电磁或电子式时，测试台根据触摸屏传来的参数自动切换辅助继电器J10的触点位置，以完成类型的自动识别。图2中J10触点向上构成电子式测量电路连接，J11为电子式继电器的负载继电器;J10触点向下构成电磁式测量电路连接。在选择电子式的同时还要选择被测继电器为共阴还是共阳，测试台中采用辅助继电器J12的自动切换来完成共阴和共阳的切换，触点向右构成共阴，向左构成共阳。
3 软件部分设计
继电器测试台的软件设计主要包括PLC控制软件和触摸屏组态软件两部分。由于欧姆龙CPM2A中增加了一个内置的RS232连接器，PLC配置的通讯模块就能方便地与外部设备进行通信，所以通过触摸屏与PLC之间的RS232传输就能实现实时通信功能，点击触摸屏向PLC发出各种控制信号，PLC接到触摸屏发出的指令信号后执行运算与控制任务。
3.1 PLC控制软件
PLC作为控制单元，是整个系统的控制。通过接收开关量和模拟量的输入，经处理后输出开关量和模拟量去控制继电器的动作。PLC控制软件主要由初始化模块、状态检测模块、控制模块、通信模块和故障处理模块组成，如图3所示。
初始化模块用于测试电流、电压、时间和日期的初始化，以及所测继电器类型的选择。状态检测模块用于各组成部分的状态检测和显示，并通知故障处理模块进行故障处理。通信模块用于接收触摸屏传来的参数信息，实现与PLC的通信。控制模块用于电流、电压调节和人工调节。
3.1.1状态检测
状态模块主要是继电器的状态转换。由于触点的物理特性。动触点在吸合接触静触点的瞬间往往会先吸合，再以微小的幅值弹开后再次吸合。针对这样的"抖动"，传统测试装置因灵敏度太差，而对测试结果不会造成影响;然而，该测试台因采用PLC检测触点接触，虽然仅仅是不到0.01s，但是PLC会因捕捉到这样的"抖动"而误认为触点吸合了两次或多次，以致测量无法正常进行。因此，在软件设计中采取了防抖功能，如图4所示。接点不动作时定时器002计时开始，20 ms后输出为"1"。当接点闭合或断开瞬间，辅助继电器20.09或20.10接通一个扫描周期，高速计数器002开始计时，计时到后辅助继电器20.12接通一个扫描周期，表示继电器状态已转换。
3.1.2输出控制
在测试中，当需要对线圈两端升（降）电压（电流）时，为防止电压（电流）上升过快而造成测量误差较大的问题，通过PLC发出0.2 s的定时脉冲。在PLC发出每个脉冲的同时对电压进行增减，步长为0.1 V。但是有时需要快速增加输出，操作人员可以选择手动输出方式，长按时间2 s以上触摸屏上输出增按钮。这种情况下，采用单位输出增量△a为变值来实现。图5所示快速输出增量图。可见，n-1次输出增量为an-1，n次输出增量为△an，控制输出增量△a使△an=an-1+1，使每相同时间△t内的输出增量递增，就可实现输出值a的快速增加。人工输出快速减少时其原理一样。
3.1.3故障处理
测试过程中有异常情况时，系统会根据检测的结果进行相应操作。例如，在测量继电器的吸合电压时，如继电器线圈断线。根据常识在这种情况下无论系统怎么增加电压，触点都不会吸合，继电器都不会动作。因此，当系统加压到一定值后继电器如果还未动作，系统即认为继电器损坏，结束测量，弹出错误。还有其他异常情况，诸如打印时未接打印机、调压模块故障等。
3.2触摸屏组态
触摸屏界面由支持软件设计、编译，然后从支持工具下载到触摸屏即可使用。触摸屏与PLC之间通过RS232通信电缆进行连接。由PLC对触摸屏状态控制区和通知区进行读写，以达到两者之间的信息交互。 触摸屏的组态是在EasyBuilder组态软件下完成。根据综合电器测试台的要求，设计了初始界面、测试主控界面、电压测试界面、电流测试界面、接地继电器测试界面、电磁式时间继电器测试界面、电子式时间继电器测试界面和手动输出界面共8个人机交互界面。
图6所示为测试主控界面。其过程为是先完成测试界面各个窗口、按钮的布局;其次为了使触摸屏和PLC能够正常通信，还要对测试界面的各个子窗口、按钮和输入区域进行相应的设置。设置完成后对其编译，编译通过后就可通过RS232通信电缆将组态信息下载至触摸屏中，这样触摸屏和PLC的通信就建立起来了。然后，运行组态软件，操作人员用手触控这些输入区域时，系统将弹出数字字母键盘，如图7信息输入键盘所示。在该界面可以输入设备名称、规格型号、产品编号、操作员代号、上车号、下车号等信息。根据需要测试的项目触控界面中相应的按钮进入相应的测试操作界面。
4 结语
该设计的继电器电器测试台已经投入使用，运行结果证明，基于PLC和触摸屏控制的综合电器测试台的工作效率较传统测试设备有大幅度提高，系统工作稳定。具有下述优点：（1）触摸屏人机界面上设置的各种按钮、开关、信号显示灯、仪表等都是实物的替代品，触控寿命长，大大提高了电器测试的性。（2）触摸屏与PLC的连接通讯是通过软件实现的，不占用PLC的I/O点，只需要小型的PLC即可满足测试台的生产，节省了成本。（3）检测精度远远传统测试方式，且性高。（4）系统的程序接口简单，用户能够很方便地进行系统的二次开发，配置灵活，适应客户要求，保证了整体系统的灵活性和可伸缩性
太钢于1999年6月成立了项目攻关组，经过几个月的艰辛努力，采用的德国西门子SIMATICS7300PLC、德国UNI公司热值仪、德国西门子变频技术，投入了全过程自动控制，实现了混合煤气热值、加压机后压力双稳定的目标，确保了不锈钢的正常生产，节能效益非常可观。
1 系统概要
改造后的系统构成复杂，仅调节阀就有九个，此外还要增加变频器，由计算机控制切换调节三台风机转速；增加热值仪，串级调节高焦配比。采用德国西门子S7-300 PLC可编程控制 器和 闽台研华IPC 610工控机构成DCS系统。S7-300PLC可编程控制器作为下位来实现所有信号的采集、运算、调节，其特点是：模块化、无排风结构、易于实现分布、运行、。CP5611卡为 S7300PLC与工控机的通讯接口卡。RS485物理结构和187.5K的波特率，传输距离可达50m，使用中继器可达9100m。
2 控制原理
2.1 热值调节
热值是用户气源的主要质量指标之一。
冷轧煤气混合加压站以高炉煤气为主气，它不可控制，取决于用户用量；焦炉煤气为辅气，要求控制其两道阀门,使高、焦配比约4：1，折合热值1350大卡。
2.1.1 “高焦限幅”辅热值
本回路为一串级、交叉限幅调节系统。以热值调节为主环，焦炉煤气流量调节为副环，加入了高焦煤气流量单交叉限幅。焦炉煤气流量的设定值不单单取决于热值调节器输出信号MV，而且受到高炉煤气流量的瞬时值的限制，即按高、焦理论配比值求出应配焦炉煤气流量值，乘以1.05和0.95作为MV的上、下限幅值MH1、ML1。
该控制思想一则使焦炉煤气流量调节器的调节量不至于过大，从而使高焦配比值在小范围内波动；二则使主环调节器不至于产生调节饱和，加快了滞后较大的主环的动态响应，改善了系统的调节品质。
对热值仪信号故障也有保护性，在实际的运行中，我们发现工人有时忘记了给热值仪过滤器排水，使煤气入口压力太低，燃烧不够，造成仪表信号显示偏低很多，即使焦炉煤气阀开到大，也不可能把热值调至“正常”，但此时热值调节器输出信号受到高炉煤气流量的交叉限幅，故在此三个信号中，终以上限值为焦炉煤气流量调节器的设定值，从而使焦炉煤气流量调节阀被约束在了一定的阀位，终使混合煤气热值波动稳定在一定范围内。
2.1.2 “双阀同控”避“瓶颈”
原设计一阀自动、另一阀手动，实际上两阀都在手动方式，因而常常顾此失彼，致使南、北阀位相差太大；若采用两路单的调节器，二阀阀位加混乱,当系统工况变化较大时，其中一阀就会成为调节的“瓶颈”；若采用双调节器进行调节，二阀各自进行动作，虽能使系统在某一阀位组合状态下稳定，但有可能造成二阀阀位相差太大，同样可导致“瓶颈”的现象。
对此采用单台调节器串调双阀的控制方案，即在计算机中设置一台软调节器，其输出信号给到两台手操器，同时带动两台电动蝶阀。为防止二阀同时动作造成调，将两手操器内的死区设置的有所差别，当调节器输出要求的阀位信号与实际阀位反馈信号出现偏差时，死区小的手操器（电动调节阀）动作，若偏差不大时，就能纠正过来；当调节量不够时，偏差增大，死区大的手操器（电动调节阀）也动作，加大调节力度，使系统回到稳定状态上。当系统出现较大偏差时，常会出现同时出二者死区范围的现象，则二阀一同动作，使偏差减小到一定范围，此时大死区的电动调节阀停止动作，剩余的小偏差靠死区小的调节阀来进一步精调到位。
总之，本控制思想避免了上述两种调节方法的弊端，使操作人员对两个阀位“知其一即知其二”，无须高度紧张地频繁操作，既提高了调节品质，又减少了工人劳动强度。
2.2混压调节
混压调节表面上看来于用户的要求“无关”，实际中却扮演非常重要的角色，它既影响热值、又影响加压机后压力。可以说，混压调节不好，则热值调节、加压机后压力调节都无从谈起。
2.2.1 “水涨船高”调混压
本回路为一串级随动调节系统。在控制回路中建立数学模型，煤气混合压力的设定值随着高、焦气源的压力波动而自动计算设定，同时又加以上下限幅，使工艺操作变得加合理。从热值的稳定方面来看，机前混压能够随高、焦煤气压力波动而适时适度地调整，保证了焦炉煤气能够按所需的量顺利配入；从加压机后压力的稳定方面来看，机前压力变化范围不至于太宽，减少了对加压机后出口压力调节的干扰。混压调节就是控制高炉煤气的两道阀门，为了避免“瓶颈”，同样如上所述，也采用了一台软调节器控制两台电动调节阀的方式，减少对机后出口压力调节的干扰。
2.3 加压机后压力（变频）调节
加压机后压力是用户气源的主要质量指标之二。
本回路为一定值单回路调节系统。其设定值为13.5Kpa,当加压机后出口压力升高/降低时，增大/减小变频器的输出频率，从而改变加压机的转速，以“变”求“稳”。
在计算机和变频器上都设置了运行频率，从而保出口压不至于太低，也保证了自带油泵能够给出足够的油压油量，以免烧坏轴瓦。这两个频率运行下限是保证加压机设备、用户正常生产的两道防线。
2.4 加压机后压力（泄放）调节
这是加压机后压力调节的另一手段。
本回路为一定值单回路调节系统，其设定值为14KPa，当加压机后出口压力升高/降低时，增大/减小泄压阀的开度，以“泄”求“稳”。
2.4.1 变频、泄放“双管齐下”稳压力
通常，泄放调节器的设定值变频调节器的设定值，一般情况下，变频器“全权负责”系统的调节，而泄放阀处于关闭的“休闲”状态。当用户突然大减量，造成出口压骤然升高，变频的调节速度不足以使出口压降下来时（即出口压过14KPa），泄放回路立即参与调节。 泄放回路比例带、积分时间都设得很小，因而，动作很快，与变频“双管齐下”，可使压力降下来，保证了用户气源压力稳定，避免了以前类似情况下加压机进入喘振的可能，了设备。
在调节过程中，绝不会出现既保持加压机转速较高，又使泄放开启一定高度的“稳定平衡”状态。――这就是将设定值设得不同的奥妙所在。
综上所述,本系统在控制思想和软件编制上有许多新颖的特点：
（1）小偏差小动作、大偏差大动作，既加快了响应速度，又提高了调节精度。
（2）两阀在调节过程中，不会造成“瓶颈”现象。阀位死区大的南阀阀位“阶 段”性地跟踪死区小的北阀阀位。当偏差产生时，北阀“有错必纠”，南阀对北阀在调节中所累计的阀位变化不会坐视不管，而是“该出手时就出手”，大力度地“调一把”（当北阀阀位调到一定开度时效果就不显著了，此时取决于南阀的开度）。
（3）不怕“死机”、掉电保变频
软件多次调试后，寻找出一种方法，使得无论主机死机或PLC死机，或二者中任一掉电，或二者都掉电，变频器都运行在其保护下限频率上，加压机不会停机，保证了用户的正常生产。
（4）简单易“倒机”
通过软件的巧妙设计，使加压机的切换变得非常简单：将变频器输出频率下调为零，此时原运行的加压机处于停止状态，电流很小，可拉掉其开关，并马上再合上另一台备用加压机的开关，因变频器未停，3～4分钟即可调频加速到工作状态。当然二者切换期间，需关照冷轧关小烧嘴。
3 系统软件
控制系统在WIN98环境下运行，组态软件为STEP7 V5.0及Kingview5.0。
系统利用组态软件Kingview5.0的驱动程序与下位S7-300PLC进行 数据通讯， 包括数据 采集和发送数据/指令；下位S7-300PLC则通过 MPI卡与 上位计算机交换数据，每一个驱动程序都是一个COM对象，这种方式使通讯程序和组态软件构成一个完整的系统，保证了系统率地运行。
4 系统画面
系统监控操作画面多达20多屏，包括：方便工人操作的监控画面和为软件工程师提供接口的整定画面；形象直观的模拟画面；易于统计抄表的参数画面；便于追查事故原因的历史趋势画面；提供技术分析信息的实时曲线画面等等。
画面分为两大类：操作员画面、工程师画面
操作员画面向操作人员了各种数据、曲线、功能键，显示内容丰富鲜明、操作简捷。系统中画面的组态编制有很多新颖之处，其中模拟画面中九个调节阀的阀位均可以从画面中翻板示意的角度来得知，并在阀旁边给出了三位有效数字（一位小数）的百分开度，形象、准确地反映了现场阀门的实际开度，使操作人员感到熟悉亲切；系统共有三台加压机，通常开１备２，为了准确反映各加压机的运转情况，该画面中设置了加压机动态旋转叶片，运转的加压机其叶片在旋转，备用的加压机无叶片显示，故操作人员可以清晰明了的看到三台加压机的开备情况；因加压机的转速与变频频率成正比，所以加压机中的旋转叶片的转速随变频器的频率大小而改变，频率大时，旋转叶片转速大；频率小时，旋转叶片转速小，动态显示十分逼真；在整个系统管网的各个控制点均有相应的采集数字显示，真实的反映了各个控制点的瞬时值，总之，画面中三大管道走向明了，主体设备位置确切，工作状态形象生动，各种参数“就地显示”，整个系统运行工况集于一屏，一目了然，实为操作员、技术员所喜爱的主画面之一。
工程师画面：为软件工程师提供了进行系统整定的良好界面，是工程师在调节中进行参数修改和设定的重要环境，也是自控系统的。
5 结束语
该系统自投运以来，在生产正常的情况下，热值稳定在6.0左右、压力稳定在13.5Kpa左右，满足了用户的要求，同时变频运行于30～40Hz左右，泄放阀一般处于关闭的状态，大大减少了泄放煤气量和净焦煤气量，达到了预期的生产、提高产品质量、节能降耗的目的。系统的控制思路和方法十分新颖、特，是太钢乃至全国各大钢厂均未采用过，这些特的控制方法为所有钢厂的煤气混合加压站提供了新思路，也为节能、降耗的实现树立了榜样。
现用设备是由德国HAGGLUNDS DRIVES公司于93年底安装交付的，控制主机采用的是西门子代PLC产品S5-95U。控制机由双PLC构成，CPU和I/O模板均为冗余配置。控制机是双机一用一备，手动热备切换。由于S5产品正逐步退出市场，模块备件供应周期很长，性差，某些部件甚至有价无市。三台设备的PLC都已经配置不完整，只能单机维持运行。为了保证设备满足稳定生产的需要，决定将S5升级到S7。
原S5系统的构成：
控制主机采用的是西门子S5-95U，人机界面为DAA型ITT288-240S智能信息显示器。ITT信息显示器配带有操作按键和通讯口。可实现设备各种状态信息和报警的显示及确认，以及相关工作参数的设置和操作指令的下发。因设备期服役，人机界面现已经失效。虽然人机界面失效不会导致全系统停机，但系统只能默认在某一模式下工作，且无法在必要时候系统的状态和报警信息。柜内器件，除了PLC配置不完整外，其余器件状态尚可。系统所用压力，转速，温度及液位传感器的状态不明。由于人机界面失效，状态无法显示，而且设备一直在运行，无法检测，故系统所有传感器状态不明。器件勉强能维持工作，精度较差。
改造方案：
为恢复控制设备的可维护性、兼容性和可扩展能力，设备这些方面的不稳定对正常生产的影响和隐患，需要对现有控制系统进行改造升级。
经业主同意，对原有控制柜进行整体升级替换。一方面是全新换性能，同时为保证施工质量和进度，整体替换也是的选择；另一方面是原有柜体和低压器件已经没有保留的，在原柜体内改造，施工工期没；其三整体替换费用没有增加。设备新以控制柜端子为界，柜外保留不变，柜内全部新。新设备的功能不变，工艺原理和操作习惯立足原有规范，并根据积累的经验进行新设计升级。
PLC:根据设备的工艺性能要求，PLC采用西门子经济型产品S7-200。取消双PLC的运行模式。采用单PLC模式，辅以备件，保证系统在意外之时能快速恢复工作。
HMI：人机界面采用带按键的触摸屏。除保留系统原有功能，提供完备的信息提示和反馈，方便的操作。界面全部中文化。
原系统没有立于PLC的纯手动功能。从而系统失去了在PLC失效状态下，由操作人员进行立处置的灵活性。因此，在新的控制系统中，增设一套纯手动功能，手动逻辑与PLC无关。在手动模式下，只有液压主泵的启停和液压机构的换向操作可以由操作人员根据需要强制进行，没有其他连锁条件。其他部分比如提升机构，液压油温等不提供手动功能。
增设一旁路信号。用途是在特殊情况下，操作人员可以根据需要，在保证的情况下，人为地给其他系统一个允许开机的连锁信号。也就是在全系统的开机连锁逻辑中将炉渣破碎机的状态旁路掉。临时满足维持全系统的正常运行。
效果反馈：
控制系统S5升级改造工程于2007完工至今，设备状态及性能稳定正常，各项功能指标均达到用户的工艺要求。系统的扩充，性能的提升，设备的升级，服务的升级。