佛山西门子中国授权代理商CPU供应商

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 引言

3 控制系统设计
本净水系统是以PLC为控制，由执行机构（如电磁阀，水泵）、声光报警和开关按钮等外围设备组成。其中，对水泵的控制通过接触器实现。系统组成如图3-1所示。

通过PLC的运算控制，使净水设备能够进行净水工作，避免了人工操作产生的失误和时间浪费或使用其他控制设备产生的复杂的维护工作。

4 硬件选型
4.1 PLC硬件配置
根据控制的工艺和要求确定控制点数。其中开关量输入27点，开关量输出20点。无模拟量处理。据此选择以下PLC模块可满足使用要求。
1、 LM3109 CPU，自带24路数字量输入和16路数字量输出及RS232和RS485通讯口；
2、 LM3231数字量扩展模块，为4路数字量输入和4路继电器输出；
LM3109和LM3231共计数字量输入28点，继电器输出20点，满足使用要求。理论上应多预留些点，但考虑到成本和PLC相当高的性，终硬件选型如上。
4.2 PLC I/O分配

5 应用特点
准确性及性
准确性、性是所有PLC产品都具有的特点。 LM PLC可以定时，且运算速度很快，当判断条件满足时，会立刻进行输出动作，保了执行的准确性。PLC具有优良的结构和抗干扰能力，且维护方便（若工作环境好几乎不需要维护），充分体现了其高性。
系统功能强
净水过程需要一套较复杂的逻辑控制完成，其控制点数较多，各结构关联性强。 LM PLC可以轻易完成复杂模拟量的处理和控制，对于开关量运算速度仅为0.37微秒，并支持模块扩展。因此应用于净水设备可以满足所有的控制要求，并可根据今后的需要进行扩展，完成复杂的逻辑控制。

1 引言
矿用隔爆型真空馈电开关（以下简称馈电开关），适用于煤矿井下和其它周围介质中含有爆炸性气体的环境中，在中性点不接地的三相电网中，作为配电总开关或分支开关之用。本文介绍开关采用智能型保护器，性能，动作准确，具有欠压、过载、短路、漏电闭锁、选择性漏电保护功能，并可外接远方分励脱扣按钮。
目前国内馈电开关产品一般是由分立元器件或单片机组成的控制，结构复杂，安装调试困难；抗干扰能力差，故障率高，元件的分散性对保护的性和稳定性影响很大；显示采用普通数码管或指示灯，不直观。国外同类产品也普遍采用PLC系统组成，工艺水平较国内高。但是，一旦出现故障，维修跟不上，影响生产。另外，国外产品价格高，是国内同类产品的十倍以上。
        针对这种情况，某电器有限公司开发了一种新型智能矿用隔爆型高压真空电子馈电开关。该装置采用技术的工业可编程控制器PLC 和人机界面（文本显示器及设置键盘），构成的智能型综合保护控制器，使配电装置既又。

2 馈电开关结构及保护原理
馈电开关的隔爆外壳呈长方形，用4只M12的螺栓与撬形底座相连，隔爆外壳上、下两个空腔，分别为接线腔与主腔。接线腔在主腔的上方，它集中了全部主回路与控制回路的进出线端子。主回路电源进线端子上罩有防护板。接线腔两侧各有两个主回路进出线喇叭口，可引入电缆外径为φ68～φ78的电缆。主腔由主腔壳体与前门包容组成，主要装有主体芯架和千伏级电源控制开关，前门采用快开门结构。
交流真空断路器安装在主体芯架左侧上方，三根进线直接接在断路器的进线端子上，三根出线则接在芯架反面的出线端子上。千伏级电源控制开关安装在主腔右侧壁上方，由连接套与主腔外的操作手把相连。过电压吸收装置安装在断路器的下方，控制变压器、电流互感器、零序互感器安装在主体芯架的反面，芯架正面还装有中间继电器、熔断器、电抗器、变压器，及两个插接件用以连接前门、接线腔七芯接线端子过来的插头和插座。
前门上装有观察窗、按钮、试验按钮、保护器整定按钮、保护器、保护器电源、PLC及显示屏等。 前门与外壳之间有的机械联锁，当需要打开馈电开关前门时，须将右侧壁上的电源控制开关的手把打至断开位置（中间位置），断开控制电源，断路器因控制电路失电而自动分闸，然后拧进闭锁杆，使其里端进入电源开关手把的闭锁孔内，将电源开关闭锁与断开位置，其外端才能脱离前门上的限位块解除前门闭锁，此时方能打开前门，前门闭合的方法与打开的程序相反，从而实现了馈电开关前门闭锁后才能进行合闸操作。
系统原理框图如图1。该配电开关的线路保护功能需在高压互感器上采集三相电流、零序电流、一个线电压、零序电压、绝缘以及相敏共信号。这信号通过低压互感器，然后经过整流和滤波变成直流的标准信号，后进入PLC 以控制断路器的分闸输出。

PLC 对进入的电压信号进行计算，电压计算结果大于1.2 倍额定电压，显示过压，过压保护5s 内动作；电压计算结果小于0.8 倍额定电压，显示欠压，欠压保护5s 内动作；三相不平衡度计算结果大于0.7，显示断相，10～20s 内保护动作。电流计算结果中任何一相在6～10 倍额定电流范围内，显示短路，短路保护0.08s 内动作；电流计算结果中任何一相在1.2～6 倍额定电流范围内时，显示过载，过载保护按反时限特性动作。若线路发生漏电故障，根据相敏及电压信号漏电保护动作，切断线路。

3 控制系统
PLC使用和利时公司LM系列可编程控制器，LM系列PLC是和利时公司生产的小型一体化PLC。本应用中CPU模块选择本体上集成14 点输入/10点继电器输出的LM3107模块，模拟量输入选择和利时公司特有的电量采集模块LM3315模块，它为12 位精度，完成电压和电流采集的同时，完成功率计算。本模块能够满足井下比较恶劣环境，能够满足中性点不接地的供配电系统供电保护要求。系统中显示部件选用了和利时公司四行蓝色文本屏，通过串口以Modbus RTU协议与PLC通讯，实时显示采集值。控制系统配置图见图2。

4 控制功能
馈电开关控制系统通过软件编程主要完成功能为：
a) 参数设定
额定电流：额定电流的整定范围为100A－－－－630A。
供电电压：供电电压的整定范围为660V和1140V二挡。
短路倍数：整定范围为3－－－－10倍连续可调。
b) 漏电保护
漏电闭锁：1140V系统42K闭锁,50K恢复，660V系统 23K闭锁,28K恢复。
漏电故障：1140V系统23K保护，660V系统12.2K保护。
c) 过电流保护
按照煤炭行业标准要求，根据不同实际电流/额定电流的比值确定不同的动作时间，为了提高保护准确性和灵敏性，B相与A、C相使用不同精度互感器。

d) 短路保护
在短路故障发生时，PLC得到的是一个缓慢上升的电压信号，因为从它发出切断指令到开关真正动作，存在一个故有的“机械动作延时”，为了使动作值准确，同时满足不大于100 mS的时间要求，PLC的判定值一定要前要求的动作值，从而弥“机械动作延时”所带来的不良后果。
e) 模块自检保护
本程序具有模块自检功能，当PLC出现故障时，本装置具有如下保护：
PLC自诊断：当扩展模块出现故障时， 有“模块故障”报警画面。
模块供电电源丢失时，有“模拟量模块一无电源”和“模拟量模块二无电源”的报警画面。
f) 性能试验功能
漏电试验：是利用继电器外接1K电阻实现的。
短路试验：模拟电流是“额定电流”与“短路倍数”的积送内存单元。
过载试验：为1.9Ie，动作时间为60秒，因为动作时间较长，为此在程序中设置了显示。
g) 故障记忆功能：
装置能对近50次故障进行记忆，并可分别报出十四种故障，包括动作时间和动作值。进入故障记忆画面和在内进行上下翻页时具有人性化风格，改变了过去的车轱轳转方式。
h) 开机时间记忆功能：
本装置能记忆“累计带电时间”和“累计吸合时间”
除了上面罗列的基本功能本馈电开关还有漏电电阻、电压、电流以及功率显示功能，移动变压器温度限、瓦斯限、高压据动、低压据动等功能。

5 结束语
本配电开关的控制系统以我国煤矿电气设备特性为基础，吸纳了的智能化技术和结构形式，使用PLC控制系统代替分立电子元器件或单片机，实现了对井下供电系统的控制、保护和计量，具有性能好、性高、稳定性强和开发等特点。
另外值得注意的是LM3315模块的特点，本模块非常适合应用到馈电开关系统，可以满足在井下苛刻工作环境中的配电系统电量采集和保护要求。主要体现2个特点：
1、电量计算的功能
本模块可以通过采集三相电的电流、电压及各相电流之间的相位差，准确地计算出配电系统的总有用功率和总无功功率以及功率因数。
2、过流保护
LM3315模块对输入电流瞬时值进行监测，过流时直接通过模块芯片上硬件中断控制继电器动作，切断电流通路。
过流保护时间由以下3部分组成：T1：从过流信号加到输入端子，到该信号传输到AD输入端子，这部分时间主要为互感器的延时（互感器之后没有容性滤波电路），互感器延时约为15微秒，因此这部分延时不过0.02ms。T2：从过流信号加载到AD芯片IN+、IN-端子到该电流值被采集之后芯片引脚上输出保护控制信号，这段时间在5ms左右（程序里面每隔4.2ms查询一次）。T3：继电器动作时间。在上电后正常工作时继电器闭合，出现过流时，继电器再次释放（release），继电器释放时间为2ms（典型值）。
所以模块过流保护时间为T1+T2+T3<10ms，这在其它的PLC中是不可能实现的，利用此模块的馈电开关过流保护到真空断路器动作时间可以控制在30ms的时间内，大大提高馈电开关的性能。

摘要：本文阐述了胶囊硫化机的工艺特点和控制要求，分析了当前胶囊硫化机控制的一些常见问题。然后结合LM系列 PLC的特点，针对胶囊硫化机控制系统提出了一套完善解决方案，对国内胶囊硫化机控制有很好的参考。
关键词：PLC；硫化机；橡胶机械

1 概述
胶囊是轮胎加工时的配件，在轮胎硫化过程中，胶囊需要经受反复的膨胀和收缩、拉伸等变形，还要经受急剧的升温和冷却，因此对胶囊有很高的性能要求。
胶囊硫化是胶囊生产中重要的一道工序。胶囊硫化是将胶囊的胶料经过适当加工后制成的半成品在一定的压力和温度条件下，通过化学作用，将半成品制成胶囊外型，并符合轮胎加工的使用性能的工艺过程，因此胶囊硫化是胶囊获得的使用性能的关键工序。
胶囊硫化机是完成胶囊硫化所需的设备。胶囊硫化机通过控制上芯杆、下芯杆和主油缸的动作，组合成一定的芯模腔，形成胶囊硫化所需的压力。同时通过控制蒸汽的进入以控制硫化所需的温度。硫化过程包括合模、紧模、保压硫化、启模等。
对现代硫化机有以下要求：
高质——能严格按照工艺参数工作，保证硫化质量，降低次品率；
——能提高工作效率，减少各环节的工作时间，提高生产率；
低故障——故障率低，能尽量减少人为操作不当引起的故障，提高设备的稳定性；
远程监控——能远程监控各硫化机的当前状态，并记录近一段时间的工作参数，便于查询，实现精益控制。
目前国内很多胶囊硫化机依然采用传统继电器电路控制，无法进行的压力、温度和时间控制，胶囊质量得不到，并且故障率高。也有部分硫化机采用PLC控制，但模拟量采集模块精度不高，网络延展性不好等因素，也限制了硫化机的性能。

2 系统设计
大部分胶囊硫化机采用液压系统。液压站包括电机和泵、电磁阀、换向阀、蒸汽阀等。液压站通过油路管道，来控制上芯模、下芯模和主油缸的升降动作。蒸汽阀控制蒸汽管路的通断。压力变送器和温度变送器用于采集系统的压力和温度。系统控制图如1所示。

胶囊硫化机控制系统采用LM系列PLC。LM系列PLC是和利时公司利用多年自动控制经验，经过多年研发，于2004年推出的新型小型一体化PLC。LM系列PLC以其性能稳定、等优点，广泛应用于众多行业中，赢得了广大用户的。
根据输入输出点数，选择40点CPU模块LM3109和4通道模拟量输入模块LM3310。控制系统的开关量输入主要包括运行方式切换按钮、设置按钮以及各动作按钮等。系统的模拟量输入包括温度变送器信号输入和压力变送器信号输入。系统的输出包括电机、电磁阀、指示灯等。触摸屏用于输入参数，同时监控当前运行状态和时间。计算机作为远程监控的设备，同时可以与PLC连接，用于保存和监控胶囊硫化机的运行状态。
CPU模块：LM3109，本体集成24 DI / 16 继电器DO，其输出有4个公共端，具有一个RS232端口和一个RS485端口。
模拟量输入模块：LM3310，4路AI，可以采集0~10V、0~20mA、4~20mA等模拟量输入信号。

3 工艺流程控制
胶囊硫化机的控制，主要包括在硫化各个阶段，实现对压力、温度和时间的控制，同时完成故障检测报警和参数记录以及通讯工作。
硫化机可以实现手动/自动两种运行方式。
手动状态下，上芯杆、下芯杆和主油缸均可实现升降的立动作。硫化过程各步骤结束后返回总停状态而不会自动跳入下一步骤，需要手动按钮才能进入下一个步骤。
自动状态下，上芯杆、下芯杆等为组合动作而非立动作。硫化过程的各步骤完成后能自动进入下一步骤而无须人工进行操作。在自动状态下，无法实现主油缸的升降动作。
在自动状态下，按下快速合模按钮后，硫化机开始自动工作，压力开始上升，当达到一定压力后自动转为高压紧模阶段，此时打开蒸汽阀，温度开始上升。当高压紧模时压力继续上升到设定值以后，自动转为保压硫化阶段。在该阶段，先判断温度是否达到设定值，如没有达到，则继续升温，当温度达到设定值以后，进入保压硫化保持阶段，这个时候开始计时。当时间到达设定值以后，保压硫化结束，开始自动启模，其时间可设定。自动启模完成后，设备返回总停状态。这个时候可以人工按启模等动作按钮，完成后续脱模、晾模和上料工作。其工作流程图如下图所示。

该气发电机组监控系统要求上位机通过串口通讯的方式采集现场的温度、压力、速度、气浓度、蓄电池电压等数据，要求现场控制设备对以上参数作出判断产生相应的报警信号或是停机信号，对于各个参数报警值要求能通过上位机或是触摸屏修改并保存。该气发电机组控制系统以前采用单片机进行数据采集与控制，单片机程序的可读性差，系统不易维护，程序改复杂。而且由于单片机控制系统的性和抗干扰能力较差，在现场恶劣的环境下，该控制系统经常出现故障。对运行环境进行了现场考察和反复研究，在性、稳定性、方便性等方面做了大量工作，提出了基于和利时公司LM系列PLC的解决方案，采用、实用、的PLC组件进行数据采集与控制。
该系统需要与上位机、触摸屏通讯，而且现场共有31路温度信号，6路压力信号，2路4-20mA电流信号，1路高速输入信号，9开关量信号，由于1个CPU大只能扩展7个模块，故采用两个CPU分别采集，数据共享进行控制并且将相关数据通过串口通讯的方式送到上位机以及触摸屏。
如图1气发电机组控制系统图所示，PLC模块分为两组，上面为组PLC，下面为二组PLC，共采用2个LM3109 CPU，6个LM3311模拟量输入模块，4个LM3312模拟量输入模块，1个LM3310模拟量输入模块。系统的I/O点分配如表1及表2所示。

3  PLC系统介绍
上位机组态王软件与组PLC通过RS232口采用ModBus协议通讯，可以方便的监控和修改PLC的位状态和数据区数据，方便了客户管理层，提高了设备的性。
触摸屏与二组PLC通过RS232口采用ModBus协议通讯。
两PLC之间通过RS485口采用无协议通讯，实现了两PLC之间数据的共享，间接扩展了和利时公司LM系列PLC的扩展能力。
为客户订制了压力传感器模拟量输入模块，方便了客户。
热电偶、热电阻模拟量输入模块具有断线、短路等检测，提高了设备的性。

4  PLC控制系统的优点
气发电机组自动化控制系统选用和利时公司的PLC取代了原系统中的单片机，较大程度地提高了系统的配置，增加了系统的灵活性，能够好地满足用户的需求。本系统有以下优点。
（1）采集精度、分辨率高
和利时公司HOLLiAS-LEC G3PLC模拟量模块误差在0.2%以内，采用16位精度的数据寄存器。
（2）采集速度快
和利时公司LM系列PLC模拟量模块采集周期小于500毫秒。
（3）性高
本系统的控制是和利时公司LM系列PLC，能够在恶劣的环境中长期、、无故障地运行，接线简单，维护方便，隔离性好，抗腐蚀能力强，能够适应较宽的温度变化范围，平均无故障时间间隔（MTBF）大于15年。
（4）功能强大
和利时公司LM系列PLC的编程语言遵从IEC61131-3标准，易学、易懂、易用。除了具有传统的指令表、梯形图和功能块图等编程功能外，还具有结构化语言和顺序功能图等编程功能。和利时公司的PLC系统提供了多种应用功能模块，包括各种通讯功能模块、可以具体到年月日和时刻的多种定时器和长时间继电器等，方便了各种功能的实现，有利于缩短开发周期和节省程序容量。