西门子6ES7312-1AE14-0AB0千万库存

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1  引言

              
  　 水位测控装置是水电厂的重要测控设备，水电厂的上下游水位是防汛的重要数据，拦污栅压差影响机组出力、水工，水头值影响调速器协联曲线，进而影响机组效率甚至稳定运行，因此水位测控装置需满足长期稳定运行。目前的水电厂水位测控装置普遍采用定制仪表采集水位传感器的格雷码值，换算栅差、水头等，输出开关信号报警，输出4~20ma信号至监控、远动、调速器。在运行维护中存在以下问题：采用电缆长距离输送格雷码信号，防雷、抗干扰能力差，仪表、传感器易损坏；4个24位格雷码传感器需100芯电缆维护困难；定制的仪表扩展性差，输入、输出校准，参数整定操作复杂；价格高，备品备件采购困难。因此开发基于通用硬件设备的水位测控装置意义重大。

 　 根据水电厂水位测控具体要求，我们自主设计了基于plc的水位测控系统，具有高性、配置灵活、安装维护简单方便特点。

2  系统功能结构
              
    水东水电站装设有上游、#1拦污栅后、#2拦污栅后、下游四个水位测量井，配置浮子式水位测量装置，采用光电编码器将水位信息转换成数字信号。坝上传感器距离中控室500m，下游传感器距离中控室30m，为提高系统的防雷、抗干扰能力，坝上传感器通信采用光纤传输。水位测控装置plc通过rs485串行口采集编码器水位数据，经过换算处理模拟量输出模块输出4～20ma的上游、下游海拔值信号至远动rtu装置，输出4～20ma的水头信号至机组调速器电气调节装置。计算机监控系统通过网络连接水位测控装置plc，所有水位信息，故障报警信号等，并可远程设置相关参数、定值，系统功能结构如图1所示。

                                  
图1 系统功能结构图

                                      
3  实现原理

3.1 浮子式水位测量装置
             
该装置安装在测井口上方，当液位变化时，浮子随之上升或下降，测绳带动线轮做旋动，与线轮同轴连接的多圈编码器就输出与液位对应的数字信号(见图2)。装置具有结构简单、合理，性高、适应性强等优点，能够长期用于液位测量。

                                    
图2 浮子式水位测量装置

3.2 编码器

根据现场实际需求，编码器选用现场总线型输出的多圈编码器。
             
编码器由机械位置确定编码，每个编码不重复，它不受停电、干扰的影响，记忆，找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取，这样，编码器的抗干扰特性、数据的性大大提高了。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富余较多，这样在安装调试时不必费劲找零点，将在测量范围内的某一中间位置作为起始点就可以了，从而大大简化了安装调试难度。
             
编码器信号输出主要有并行格雷码输出、串行ssi输出、总线型输出、模拟量4~20ma输出。并行格雷码和模拟量输出信号读取简单但不适合长距离传输，串行ssi输出大部分是与西门子plc的ssi模块配套成本较高。现场总线型编码器用通讯方式传输信号，信号遵循rs485的物理格式，连接线少，传输距离远，对于编码器的保护和性就提高了。信号的接收设备只需一个接口，就可以读多个编码器信号，多个编码器集中控制的情况下可以大大节省成本。

3.3 水位测控装置plc
             
plc选用m340模块化plc，它是施耐德公司生产的性能价格比很高的可编程控制器，已广泛应用于工业控制的各个领域。cpu模块选用、大内存的bmx p34 2020，带一个100m以太网、一个485串行口；输入、输出模块可根据现场实际需求灵活配置。

4  软件设计

4.1 编程步骤

plc的硬件配置、控制程序采用的编程软件包unity pro完成，pc通过网络或usb与m340 plc进行程序传送。进行plc硬件组态，含底版、电源、cpu、输入输出模块等。通过电源模块属性可查看电源使用情况，应保留一定余量，否则需换容量大的电源模块；在cpu模块的serialport口配置串行链路参数如：485 modbus主站、波特率9600、帧延时4ms、数据位8位、停止位1位、偶校验；创建网络链路ethernet1并配置ip地址等网络通信参数，将cpu模块的ethernet口链接到网络链路ethernet1；根据现场模拟量信号要求配置模拟量输出模块参数；定义相关变量等。

    图3 程序结构图

            
(2)程序注释。plc上电扫描执行初始化init()子程序，初始化通信参数，上、下游海拔预置值，各个传感器调零值，拦污栅压差整定值等。

传感器通信comm()子程序，分时读取传感器水位值，通信故障时水位保持原值。

计算calc()子程序，计算出上、下游，拦污栅后的实际海拔值，拦污栅压差、各机组有效水头等。

信号输出out()子程序，拦污栅压差过大报警、通信故障报警、装置故障报警、4～20ma模拟量输出等。

数据上送sent()子程序，根据监控上位机通信规约，组织上送数据信文，含各实际海拔值、有效水头、详细故障信息、拦污栅压差报警定值等。

4.3 水位信号读取

m340 plc和编码器串行rs485通信采用modbus rtu通信规约，这个通讯协议已广泛被国内外各行业作为系统集成的一种通用工业标准协议，有利于系统的维护和扩展。plc为主站，编码器为从站。

查编码器技术手册，水位测值的modbus地址是4x0000，根据modbus通信规约信息帧结构读取地址 1 传感器的水位测量值，应发送以下通信码：m340 plc读取水位信息主要用read_var功能模块：
              01       03        0000      0001      840a
              站地址 　功能码 　　地址 　　个数　　 crc校验码
              功能模块说明［1］
              adr
              通信地址：语法为 addm (`r.m.c.node`机架号.模块号.通道号.站地址) 类型。
              obj  要读取的对象类型
              　　’%m’：内部位
             　　 ’%mw’：内部字
              　　’%s’：系统位
              　　’%sw’：系统字
              num  读取的个对象的索引。
              nb   要读取的对象的数量。
              recp输出参数包含所读取对象的值的字表。
              gest交换管理表：4个字的数组。   

     图4  read_var功能模块

             
图4中read_var功能模块实现将地址1传感器水位值送入%mw1，交换管理表置于%mw400：4，%mw401==0，说明通信成功，非零值记录故障代码。通信过程需占用一定时间，保证通信，防止通信阻塞，4个传感器通信分时进行，用上升沿触发。读取交换管理表确认通信是否成功，通信失败应将故障代码上送上位机并报警，将水位值保持为上一次正确通信时读取的值。

4.4 上位机软件设计

上位机系统与plc之间通过以太网连接，水东电厂的计算机监控系统采用南瑞集团公司的nc2000系统。nari nc2000计算机监控系统是南瑞集团面向水利水电领域的新一代计算机监控系统软件［2］。nc2000具有良好的人机界面和网络功能，与施耐德plc网络通信采用tcp/ip modbus规约。在组态环境下，设计人员对plc进行驱动配置，运行环境以图形画面形式的人机界面监控水位信息、故障报警，对有关数据存储历史库，生成报表，同时利用web功能使系统具有在线监控功能，即在授权的情况下在任何一台联网的计算机上用标准的浏览器可远程监控。限于篇幅，上位机程序不再详述。

5  结束语
             
系统的设计结构合理，采用多圈编码器采集水位，以可编程控制器为控制，提高了系统的自动化程度，保证了系统运行的性；硬件、软件模块化设计具有良好的扩展性和灵活性，可根据现场实际需求改系统的配置规模。该系统在福建水东电站现场运行表明工作稳定，在监视报警、综合计算、信号输出等各方面满足电站的运行要求，了很好的效果，有较高的推广。

主站PLC：由于系统的控制规模不大，故选用q7—300PLC（315—2DP ceu）。 
分布式I／O：选用模块化的ET200M DP从站，带IM153.1 DP接口模块。 
总线传输介质：光纤、RS一485总线连接器。 
变频器：选用西门子MICR．ｍａｓｔｅｒ44o（MM440）变频器，带PR0nBUS模板和制动电阻。 
传动设备：选用带电子制动器的鼠笼异步电机，以及减速箱、卷筒和动滑轮。 
主要1／O设备：电磁阀、压力变送器、限位开关、按钮、指示灯及控制柜显示表盘等。 
 
3 系统的PLC程序设计 
系统的PLC程序设计主要用Step7（V5.2）软件来完成，step7是SIMATIC s7—300／400 PLC组态和编程的基本软件包，用于PLC的项目管理与编程，以及各种网络通信设置。 
PLC程序设计采用了“结构化”的编程方式，即按照系统任务和设备划分为若干个功能块（耶），按照控制要求相互配合并为主循环程序（oB1）调用。这些FB中的程序是用“形参”来编写的，由于没有针对具体的i／o地址，因此可作为通用程序块在具体使用时，两套喷吹系统都可以调用这些FB块，且只需要将各自的实际i／o地址（实参）来代替相应FB块中的“形参”即可，这样就大大减轻了程序编写的工作量。 
这些FB块具体包括自动程序、控制台／机旁两地手动与检修程序、PLC 与变频器通信程序、显示报警程序、主要执行设备定期检修提示程序以及系统初始化与复位程序。 
当然，程序设计中为关键的是自动程序，它是一个典型的顺序控制。按照系统的工艺及控制要求，自动程序的各步序之间都有严格的转换条件和连锁关系，以确保系统工艺的顺利完成。
 
4 系统的变频器控制设计 
4.1 变频器的选择 由于系统的传动对象都为典型的位能负载，所以传动装置具有很大的启动转矩、平滑的启动／停车曲线以及良好的制动、定位性能。 
西门子MM440变频器适用于各种变速驱动装置，也非常适用于吊车和起重系统。选择MM440对电机进行一对一的控制，并通过其PROFIBUS模板实现与主站PLC 的DP通信，将是一个很好的传动改造方案。 
通过对负载转矩及电机容量的计算，选择了带有电子制动器的三相鼠笼异步电机，包括喷电机（15 kw／6）两台和防溢罩电机（11 kw／4）两台。加以一定的裕量，选择了3AC380—44）O V 18.5 kW和15 kW 的MM440变频器各两台。 
4.2 电机运行特点分析 变频器参数设置根据异步电机的机械特性，当位能负载提升时，电机处于止向电动状态，工作于象限。当负载下降时，在很大的负载转矩作用下，电机将从反向电动状态终过渡到再电制功状态，工作于四象限。 
由于MM440变频器内置了制动单元，只需要选择适当的制动电阻就町防止电机因再电制动而产生的过电压，并将其产生的能量通过制动电阻释放，达到良好的电气制动效果。 
为保证负载启动、停车，选择了带有电子制动器的相鼠笼电机，由变频器的一个继电器输出控制电机的制动器，并在电机启动前的小频率（3 nz）时延时0.5 s释放抱闸，在电机停车前的小频率（3 Hz）时投入抱闸并延时1 s，从而达到了良好的机械制动效果，保证了提升机构的。 
另外，MMd40还设置了s型加速曲线，使电机的启／停过程加平滑、稳定，从而大大减少了对负载的机械冲击，提高了定位的准确性。 
在变频器参数的具体设置时，要根据电机的铭牌，对变频器进行快速参数化，之后根据具体的控制特点，再进行详细的参数设置。 
4.3 MM440与主站PI 的PROFIBUS—DP通信要实现MM440与主站PLC的PROFIBUS—DP通信，需要完成以下两个步骤： 
（1）在MM440中设置通信参数，如表2所示。（注：cB为PROFIBUS通信模板。）（2）在Step7软件中进行硬件组态，选择MM440的PPO类型（例如都为PPO1：4 PKW／2 PZD），设置各变频器的总线站地址（4、5、7、8）。建立数据块DB1 DB4分别与各MM440的PkW、VZD对应，用以存储各自的通信数据。后调用DP读／写系统功能块SFC14／SFC15来完成PLC与各MM440之间“控制字／状态字、主给定／主实际值”的通信。 
当然，还可通过两门子传动控制软件DriveMoniter在上位机Pc上进行变频器的参数设置与监控。总之，控制方式较为灵活。 
 
5 结束语 

PLC、变频器以及现场总线技术在铁水预处理脱硫喷吹控制系统中的应用，大大提高了系统的自动化装备水平，使系统生产的连续性、准确性、性大幅度提高，使系统的传动性能有了较大的改善，并有效地减小了电机启动电流对电网的冲击，同时还实现了对生产过程和现场设备的HMI远程监控，构建了较为完善的自动化网络结构。通过对旧的自动化系统的成功改造，配合炉内脱硫的工艺，使铁水预处理脱硫的产量和质量都匕了一个新台阶，了良好的技术、经济效益。在近期的三期改造中，采用了改进工艺的新喷吹系统即将建成投产。