五強溪電廠門機PLC數據傳輸技術改進探討

李 滔

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙410004）

1 引言

五強溪電廠壩頂1號門機采用門機上部控制機房總控制屏柜內的PLC進行集中控制，所有控制信號全部進入門機頂部控制機房，門機高度高（35 m）、跨度大（11 m），機構多分布在門機的各個部位，控制線路冗長，線路壓降大，線路繁雜，且門機環境惡劣，線路過長導致線路故障頻發。為了優化控制線路，使線路簡單，線路更短，故障率更低，讓控制回路更簡單，明了。通過對門機控制回路特性進行分析，并結合現代先進的通信技術，在第2臺門機（壩頂2號門機）改造過程中進行了全面的優化和升級。

2 壩頂2號門機控制系統簡介

壩頂2號門機PLC系統采用S 7300的315-2DP模塊作為CPU，負責電氣室的信號采集；在司機室采用分布式I/O ET200 M作為聯動臺信號的采集，通過Profibus-DP總線與CPU通信進行交換數據（Profibus-DP總線傳輸技術）；再加上信號檢測、操作、報警等設備組成起重機自動控制操作系統。該系統具有如下功能：

（1）起重機的運行操作與控制；

（2）信號資料的采集和控制；

（3）各種運行信號、保護信號的顯示；

（4）安全制動與工作制動的互換控制；

（5）各機構的電動控制；

（6）具有自我診斷能力及緊急情況發生時的快速報警，使操作者能監視、控制、記錄運行故障；

（7）有較嚴格的防誤操作系統，當運行人員誤操作時拒絕執行，并及時發出警告信號，最大限度地減少由于誤操作給設備造成的損害；

（8）作為Profibus-DP現場總線的主站，接受、處理從站的數據。

3 對比壩頂1號門機相同的傳統數據傳輸方式

3.1 PLC產品選型

由于2×250 t門式起重機的控制系統屬于中小型的控制系統，對數據的處理沒有太高的要求。選用S7-300系列CPU 312-1AD10-0AB0就可以實現門機各機構的自動控制。其性能特點如下：

S7-300系列在集散自動化系統中充分發揮其強大功能，使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關的工業及民用領域。系統配置既固定又靈活，具有編程簡單、透明、系統運行更為可靠、維護方便、擴充性好等特點。

3.2 電源模塊

經過計算所有模塊的總電流消耗，選用6ES7 307-1BA00-0AA0電源模塊作為PLC控制系統的24 V電源供電模塊。

3.3 輸入模塊

本系統的工作環境為0～+50℃。選型時采用常溫模塊。實際選擇SM321系列模塊中的6ES7 321-1BL00-0AA0模塊。

3.4 輸出模塊

本系統的工作環境為0～+50℃。選型時可采用常溫模塊。實際選擇SM321系列模塊中的6ES7 322-1HH01-0AA0模塊。根據實際需要結合門機的控制特點，考慮到需10%的裕量，選擇4塊16點的6ES7 322-1HH01-0AA0模塊。

根據本次改造的工程實際情況，組成壩頂1號門機PLC主要配置（表1）。

表1 壩頂1號門機PLC系統主要配置

3.5 編程方法

本系統采用功能強大的STEP7 V5.4軟件包作為系統支持軟件，采用梯形圖等多種編程語言編寫用戶軟件。

采用獨特的模塊式編程方式編寫用戶程序，以增加PLC程序的透明度，易于理解，方便維護。

3.6 數據傳輸原理

1號壩頂門機采用傳統的PLC輸入/輸出方式原理：當司機室聯動臺發出一個指令（如接通一個按鈕），則該回路接通，連接在該回路末端的6ES7 321-1BL00-0AA0輸入模塊的PLC輸入指示燈點亮，PLC接受到該指令，并根據程序運行，通過輸出模塊6ES7 322-1HH01-0AA0接通相應的輸出回路，使輸出中間繼電器得電，從而使相應的接觸器動作，啟動相應機構運行。壩頂1號門機常規傳輸功能框圖見圖1。

4 改進后，壩頂2號門機采用Profibus總線傳輸的數據傳輸方式

圖1 壩頂1號門機常規傳輸功能框圖

4.1 PLC產品選型

當采用Profibus總線傳輸的數據傳輸方式時，必須選用S7-300系列315-2DP CPU來實現門機各機構的自動控制，且架構符合Profibus-DP通信協議的現場總線，PLC作為通信主站負責完成大量的數據處理任務。

CPU315-2 DP模塊自帶一個Profibus-DP主站/從站接口，無需另配通信模塊；兼具有中、大規模的程序存儲容量，可用于大規模的I/O配置，可用于建立分布式I/O結構。

4.2 電源模塊

電源模塊是保證系統正常、可靠運行的關鍵因素之一。經過計算所有模塊的總電流消耗，選用6ES7 307-1BA00-0AA0電源模塊作為PLC控制系統的24 V電源供電模塊，

4.3 輸入模塊

本系統的工作環境為0～+50℃。選型時采用常溫模塊。實際選擇SM321系列模塊中的6ES7 321-1BL00-0AA0模塊和6ES7 321-1BH02-0AA0模塊。

本系統需對各機構空氣開關“分/合”位置、各接觸器“分/合”位置、各機構電動機熱繼電器動作、操作手柄各檔位位置、各限位開關動作等信號進行監控，根據實際需要結合門機的控制特點，經計算各類輸入信號共計134個點。考慮到需10%的裕量，選擇3塊32I的6ES7 321-1BL00-0AA0模塊及3塊6ES7 321-1BH02-0AA0模塊。

4.4 輸出模塊

本系統的工作環境為0～+50℃。選型時可采用常溫模塊。實際選擇SM321系列模塊中的6ES7 322-1HH01-0AA0模塊。根據實際需要結合門機的控制特點，經計算各類輸出信號共計55個點。考慮到需10%的裕量，選擇5塊16點的6ES7 322-1HH01-0AA0模塊。

4.5 分布式I/O模塊

本系統采用分布式I/O模塊進行分布設備的信號采集，通過Profibus總線和CPU進行數據交換，這樣可以有效地提高系統的可靠性，并減少了控制電纜的敷設。本次改造在司機室設置一個分布式I/O模塊，用來采集聯動臺的輸入輸出信號。根據實際需要結合門機的控制特點，選用ET200M IM 153-2模塊。該模塊自帶Profibus-DP接口，可以掛接8個I/O模塊。

根據本次改造的工程實際情況，針對1號門機控制系統進行了全面改進，組成了壩頂2號門機PLC系統主要配置（表2）。

表2 壩頂2號門機PLC系統主要配置

4.6 編程方法

本系統采用功能強大的STEP7 V5.4軟件包作為系統支持軟件，采用梯形圖等多種編程語言編寫用戶軟件。

采用獨特的模塊式編程方式編寫用戶程序，以增加PLC程序的透明度，易于理解，方便維護。

4.7 數據傳輸原理

2號門機所采用的新技術是通過采用分布式I/O模塊進行分布設備的信號采集，通過Profibus總線和CPU進行數據交換：當司機室聯動臺發出一個指令（如接通一個按鈕），該信號直接輸入到司機室聯動臺從站的輸入模塊6ES7 21-1BH02-0AA0，輸入模塊將信號傳至分布式I/O模塊進行處理編碼，然后將編碼通過Profibus總線傳輸到位于電氣室PLC控制柜內的CPU315-2 DP模塊自帶的一個Profibus-DP主站接口，PLC通過對Profibus-DP主站接口接收到的編碼進行處理，根據PLC程序運行結果，通過輸出模塊6ES7 322-1HH01-0AA0接通相應的輸出回路，使輸出中間繼電器得電，從而使相應的接觸器動作，啟動相應機構運行。Profibus總線傳輸技術功能框圖詳見圖2。

圖2 Profibus總線傳輸技術功能框圖

5 Profibus-DP總線傳輸技術的優點

采用Profibus-DP總線傳輸信號，提高了信號傳送精度及系統的可靠性和抗干擾能力，增強現場控制靈活性，降低設計施工費用，減少電纜敷設，易于維護和擴展的目的,尤其是與傳統集中控制比較，從系統設計、安裝調試、維護及擴展上，現場總線技術的優勢十分明顯。五強溪電廠壩頂1號門機到2號門機的技術改進過程證明了該技術正在全面廣泛的推廣和應用。

6 結束語

Profibus現場總線是世界上應用最廣泛的現場總線技術，主要包括最高波特率可達12 M的高速總線 Profibus－DP（H2）。DP 使得 Profibus現場總線在結構和性能上優越于其他現場總線。Profibus既適合于自動化系統與現場信號單元的通信，也可用于可以直接連接帶有接口的變送器、執行器、傳動裝置和其他現場儀表及設備，對現場信號進行采集和監控，并且用一對雙絞線替代了傳統的大量的傳輸電纜，大量節省了電纜的費用，也相應節省了施工調試以及系統投運后的維護時間和費用。Profibus現場總線將在大型起重設備及遠距離機構控制系統領域發揮越來越重要的作用。

參考文獻：

[1] 周志敏. Profibus總線系統設計與應用[M].北京：中國電力出版社.