PLC和GE369在同步機電控系統(tǒng)中的應(yīng)用

冉祥濤

（中冶集團資源開發(fā)有限公司，北京 100000）

球磨機在銅礦的生產(chǎn)過程中至關(guān)重要，驅(qū)動筒體的同步機的平穩(wěn)運行直接關(guān)系到球磨系統(tǒng)的正常運行，其重要性不言而喻。中冶集團位于巴基斯坦的山達克項目位于該國西北部，其選礦廠的三臺球磨機都是采用美國通用公司生產(chǎn)的型號為TS39857的無刷勵磁同步機，額定電壓為6000V，額定功率為3028kW。在同步機的起動和運行過程中，因為需要檢測和保護的參數(shù)較多，所以采用了繼電器+接觸器+大量的參數(shù)采集和保護設(shè)備，可靠性較差、控制精度低、接線復(fù)雜、故障率高，隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，特別是新技術(shù)新設(shè)備的不斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)的這種電控系統(tǒng)已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)今的生產(chǎn)，嚴重的影響了產(chǎn)量和效益。

GE369 是美國通用公司生產(chǎn)的一款電動機保護控制設(shè)備，應(yīng)用在同步機電控系統(tǒng)中，具有先進的保護特性如反轉(zhuǎn)檢測，先進的熱模型如定子熱檢測的多RTD 輸入；具有完整的設(shè)備監(jiān)視功能，如繞組溫度、有功和無功、電流電壓、功率因數(shù)、加速時間等；具有模擬示波器的功能，監(jiān)測功率因數(shù)以及電流電壓的變化情況，縮短故障排除時間并降低維護成本。

1 系統(tǒng)的組成

如圖1所示為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)主要有工控機、PLC、交換機、GE369 以及傳感器組成。其中，上位機中使用Wincc 組態(tài)軟件監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行，控制器PLC 采用西門子S7-200 和S7-300。 為避免出現(xiàn)一臺球磨機故障停機對其他兩臺造成影響，分別采用三組S7-300 和GE369 來分別監(jiān)測和控制三臺同步機的運行。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

采用PLC 與工控機相結(jié)合，構(gòu)成上下位機控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)既能及時采集、存儲數(shù)據(jù)，又可處理和使用數(shù)據(jù)，并直觀地顯示出來，從而實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控。

GE369 在系統(tǒng)中的功能是負責(zé)采集同步機的各項起動和運行參數(shù)、檢測到參數(shù)異常時保護跳閘、與S7-200 進行通信。通過與S7-200 之間的通信將三臺GE369 的監(jiān)測和控制參數(shù)匯總，傳遞給S7-300，然后進行各種邏輯運算，將最終運算結(jié)果輸送給執(zhí)行機構(gòu)（同步機斷路器手車、起動球磨機筒體的離合器、勵磁調(diào)節(jié)等），同時通過與上位機之間的通信來對各項參數(shù)進行監(jiān)測和控制。S7-200 在與S7-300通信時作為從站運行，在與GE369 通信時作為主站運行。所以在系統(tǒng)的通信中，S7-200 既做主站又做從站，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的通信及程序設(shè)計

系統(tǒng)的核心控制邏輯是通過PLC 來實現(xiàn)的。通信及軟件部分主要分為兩部分，基于MODBUS 協(xié)議的S7-200 與GE369 之間的通信和程序，基于工業(yè)以太網(wǎng)的S7-200 與S7-300 之間的通信和程序。為了能對系統(tǒng)進行全面可靠的控制，同時考慮到系統(tǒng)的靈活性、方便性、可靠性和易維護性等因素，通過上位機組態(tài)軟件Wincc 對系統(tǒng)進行全方位的監(jiān)測和控制。

2.1 S7-200 與GE369 之間的通信

GE369 有兩個通信接口，RS232 接口和RS485接口，RS232 接口在本系統(tǒng)中主要用于與電腦的連接，通過電腦簡單直觀的設(shè)置同步機的各項保護參數(shù)，RS485 接口主要用于和S7-200 之間的通信。S7-200 和GE369 保護器的RS485 接口都支持基于MODBUS 的通信協(xié)議，本系統(tǒng)中用一臺S7-200 同時和三臺GE369 保護器進行通信，S7-200 最多可以與247 個從站同時通信。通過與GE369 的通信，將同步機的各項參數(shù)傳遞給S7-200，并將各控制參數(shù)傳輸給GE369。從而實現(xiàn)對同步機各項參數(shù)的采集和對同步機的各項控制功能。

2.2 S7-200 與S7-300 以及上位機之間的通信

S7-200 通過GE369 采集到同步機的各項參數(shù)之后，作為從站通過交換機與S7-300 之間進行基于工業(yè)以太網(wǎng)的通信，這時只對作為從站的S7-200 進行相關(guān)配置和程序設(shè)計即可，而作為主站的S7-300 則只需要對接受到的數(shù)據(jù)進行邏輯運算和轉(zhuǎn)化，以浮點數(shù)的形式傳送給上位機監(jiān)控軟件Wincc，同時接收上位機的各項控制指令傳送給執(zhí)行機構(gòu)和GE369保護器，從而實現(xiàn)通過Wincc 對同步機的監(jiān)測和控制。本系統(tǒng)中利用STEP7 編程軟件工具欄中Ethernet wizard（以太網(wǎng)向?qū)В7-200 進行相關(guān)配置。

2.3 程序設(shè)計

S7-200 與GE369 之間的通信利用STEP7 編程軟件進行程序設(shè)計。STEP7 編程軟件中有專門基于MODBUS 協(xié)議的庫函數(shù) MBUS_CTRL 和MBUS_MSG，前者是控制程序塊，后者是傳輸程序塊。通過對MBUS_CTRL 和MBUS_MSG 程序塊分別定義來完成GE369 和S7-200 之間的數(shù)據(jù)傳遞。從而實現(xiàn)S7-200 對同步機各項參數(shù)的采集和對同步機的各項控制功能。程序如圖3（因為傳輸數(shù)據(jù)塊較多，所以取部分數(shù)據(jù)塊說明）所示。程序中Network1 為定時中斷程序，用SM0.1 觸點導(dǎo)引能流來觸發(fā)使能，僅第一個掃描周期接通為ON，其他剩余的程序塊都由SM0.0 來觸發(fā)使能，SM0.0 為始終接通為ON。程序中設(shè)置中斷時間為150ms，即每隔150ms 觸發(fā)一次事件10，根據(jù)S7-200 自由口通信協(xié)議可知，事件10 為定時中斷，通過ATCH 中斷連接指令將INT0 和事件10 連接到一起，即每隔150ms 程序執(zhí)行一次INT0。因為需要和GE369 傳遞的數(shù)據(jù)較多，所以定義INT0 為一個計數(shù)子程序C30（計數(shù)程序在此不再贅述），計數(shù)子程序從0～30 不斷循環(huán)，循環(huán)到數(shù)據(jù)傳輸程序塊中設(shè)置的相關(guān)數(shù)據(jù)時候觸發(fā)一次S7-200 到GE369 的數(shù)據(jù)請求，從站接收到數(shù)據(jù)請求時就會做出響應(yīng)并將請求的數(shù)據(jù)傳輸給PLC。數(shù)據(jù)傳送程序塊中Slave 為從站地址，可以通過設(shè)置來確定，Addr 為GE369 里參數(shù)的地址值，通過查詢手冊可得，RW 為讀寫設(shè)定，“0”為讀從站中的數(shù)據(jù)，“1”為向從站中寫數(shù)據(jù)，Count為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個數(shù)，DatePtr 為接收到數(shù)據(jù)后存入S7-200 中的地址。

圖3 S7-200 與GE369 的通信程序

S7-200 與S7-300 通信時首先需要對S7-200 進行以太網(wǎng)通信配置，此時通過STEP7 中以太網(wǎng)向?qū)韺7-200 進行設(shè)置，參考S7-200 自由口通信資料，此處不贅述。設(shè)置好以后用STEP7 軟件編寫通信程序，如圖5所示，由常閉觸點SM0.0 觸發(fā)使能，數(shù)據(jù)交換時需要上升沿來觸發(fā)，程序中用了SM0.5，在1s 的掃描周期內(nèi)，SM0.5 接通為0.5s，關(guān)斷為0.5s。Network2 和Network3 程序中Chan～為數(shù)據(jù)連接名稱，指數(shù)據(jù)傳輸中作為從站還是主站進行數(shù)據(jù)交換，本程序中為從站。Data 為數(shù)據(jù)傳輸名稱，指數(shù)據(jù)傳輸中是向主機寫入數(shù)據(jù)還是讀取數(shù)據(jù)，本程序即寫入數(shù)據(jù)又讀取數(shù)據(jù)，所以需要兩個數(shù)據(jù)交換程序塊來完成，Network2 向 S7-300 主站寫入數(shù)據(jù)，Network3 從S7-300 主站讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)連接名稱和數(shù)據(jù)傳輸名稱都在工業(yè)以太網(wǎng)向?qū)е羞M行定義。

圖4 S7-200 與S7-300 的通信程序

2.4 WinCC 監(jiān)控畫面開發(fā)

在設(shè)計監(jiān)控界面時，畫面應(yīng)該簡潔美觀，操作簡單方便。盡可能將設(shè)備的各種監(jiān)視和操作信息集中在幾個主要畫面中，操作人員只需調(diào)用這些畫面便可進行相關(guān)監(jiān)測和控制。

本監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面由主監(jiān)控畫面和子監(jiān)控畫面構(gòu)成，主畫面如圖5所示，通過監(jiān)測各球磨機運行時的功率、功率因數(shù)、有功無功、電壓電流等參數(shù)，來實時反應(yīng)球磨機運行時的狀況，方便操作人員及時判斷球磨機是否處于正常運行狀態(tài)。主畫面還設(shè)置了勵磁調(diào)節(jié)，失步報警等功能。

圖5 上位機Wincc 人機界面

在子監(jiān)控畫面中，電流曲線界面如圖6所示，電壓和功率因數(shù)曲線與之相似。通過監(jiān)控球磨機起動和運行時的電壓電流和功率因數(shù)曲線，可以觀察球磨機整個起動過程，如投勵前投勵后各參數(shù)的變化情況，從而判斷球磨機起動是否正常。尤其是起動出現(xiàn)故障造成同步機起動失敗時，能夠通過各曲線的形狀直觀快速的判斷起動失敗的原因，為故障的檢查和處理提供數(shù)據(jù)支持。

圖6 電流曲線

在本監(jiān)控系統(tǒng)中，除了電壓電流功率因數(shù)三個主要監(jiān)控畫面之外，還在工具欄中設(shè)置了歷史曲線、參數(shù)設(shè)置、報警記錄、實時報警和球磨機流程圖的子監(jiān)控畫面。

歷史曲線方便現(xiàn)場工作人員隨時查看各球磨機的電壓、電流、功率因數(shù)等歷史數(shù)據(jù)，畫面類似于電流電壓曲線，此處不贅述；報警記錄畫面如圖7所示，當(dāng)溫度、過壓過流、功率因數(shù)報警時，自動記錄報警時的日期、時間、故障點、故障原因和持續(xù)時間等。

圖7 報警記錄信息

實時報警畫面如圖8所示，當(dāng)故障發(fā)生時，與之對應(yīng)的故障名稱由黑色變?yōu)榧t色，方便故障的診斷和處理。

圖8 實時報警

參數(shù)設(shè)置如圖9，設(shè)置溫度、電流電壓、功率因數(shù)等報警限值，當(dāng)同步機運行時檢測到某項參數(shù)達到或超過設(shè)定的限制時，設(shè)備就會執(zhí)行報警或者跳閘。

球磨機流程圖如圖10 所示，方便操作人員熟悉整個球磨系統(tǒng)工作原理，不具備監(jiān)測和控制的功能。

圖9 參數(shù)設(shè)定

圖10 球磨機流程圖

3 新系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)的區(qū)別及其優(yōu)勢

傳統(tǒng)的同步機電控系統(tǒng)與基于PLC 和GE369組成的新系統(tǒng)區(qū)別見表1。

與繼電器加大量接觸器的電控系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)有著傳統(tǒng)控制系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，除了表中所列出的各項之外，新系統(tǒng)的優(yōu)點還有很多，比如故障自診斷、能耗低、可根據(jù)需要隨時更改保護參數(shù)等。

表1 新系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)的區(qū)別及優(yōu)勢

4 結(jié)論

采用上位機監(jiān)控+PLC+GE369 控制的新系統(tǒng)，經(jīng)過了3年多的運行，較之以前的老系統(tǒng)，故障率顯著降低，生產(chǎn)率得到提高，安全性得到保障。

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