PLC和GE369在同步機(jī)電控系統(tǒng)中的應(yīng)用

冉祥濤

（中冶集團(tuán)資源開發(fā)有限公司，北京 100000）

球磨機(jī)在銅礦的生產(chǎn)過程中至關(guān)重要，驅(qū)動(dòng)筒體的同步機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行直接關(guān)系到球磨系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其重要性不言而喻。中冶集團(tuán)位于巴基斯坦的山達(dá)克項(xiàng)目位于該國西北部，其選礦廠的三臺(tái)球磨機(jī)都是采用美國通用公司生產(chǎn)的型號(hào)為TS39857的無刷勵(lì)磁同步機(jī)，額定電壓為6000V，額定功率為3028kW。在同步機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)行過程中，因?yàn)樾枰獧z測(cè)和保護(hù)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(hù)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(jì)算機(jī)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(yán)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(dòng)機(jī)保護(hù)控制設(shè)備，應(yīng)用在同步機(jī)電控系統(tǒng)中，具有先進(jìn)的保護(hù)特性如反轉(zhuǎn)檢測(cè)，先進(jìn)的熱模型如定子熱檢測(cè)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(shí)間等；具有模擬示波器的功能，監(jiān)測(cè)功率因數(shù)以及電流電壓的變化情況，縮短故障排除時(shí)間并降低維護(hù)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(jī)、PLC、交換機(jī)、GE369 以及傳感器組成。其中，上位機(jī)中使用Wincc 組態(tài)軟件監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，控制器PLC 采用西門子S7-200 和S7-300。 為避免出現(xiàn)一臺(tái)球磨機(jī)故障停機(jī)對(duì)其他兩臺(tái)造成影響，分別采用三組S7-300 和GE369 來分別監(jiān)測(cè)和控制三臺(tái)同步機(jī)的運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

采用PLC 與工控機(jī)相結(jié)合，構(gòu)成上下位機(jī)控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)既能及時(shí)采集、存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

GE369 在系統(tǒng)中的功能是負(fù)責(zé)采集同步機(jī)的各項(xiàng)起動(dòng)和運(yùn)行參數(shù)、檢測(cè)到參數(shù)異常時(shí)保護(hù)跳閘、與S7-200 進(jìn)行通信。通過與S7-200 之間的通信將三臺(tái)GE369 的監(jiān)測(cè)和控制參數(shù)匯總，傳遞給S7-300，然后進(jìn)行各種邏輯運(yùn)算，將最終運(yùn)算結(jié)果輸送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（同步機(jī)斷路器手車、起動(dòng)球磨機(jī)筒體的離合器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)等），同時(shí)通過與上位機(jī)之間的通信來對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。S7-200 在與S7-300通信時(shí)作為從站運(yùn)行，在與GE369 通信時(shí)作為主站運(yùn)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(jì)

系統(tǒng)的核心控制邏輯是通過PLC 來實(shí)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面可靠的控制，同時(shí)考慮到系統(tǒng)的靈活性、方便性、可靠性和易維護(hù)性等因素，通過上位機(jī)組態(tài)軟件Wincc 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)和控制。

2.1 S7-200 與GE369 之間的通信

GE369 有兩個(gè)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(jī)的各項(xiàng)保護(hù)參數(shù)，RS485 接口主要用于和S7-200 之間的通信。S7-200 和GE369 保護(hù)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(tái)S7-200 同時(shí)和三臺(tái)GE369 保護(hù)器進(jìn)行通信，S7-200 最多可以與247 個(gè)從站同時(shí)通信。通過與GE369 的通信，將同步機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)傳遞給S7-200，并將各控制參數(shù)傳輸給GE369。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)同步機(jī)各項(xiàng)參數(shù)的采集和對(duì)同步機(jī)的各項(xiàng)控制功能。

2.2 S7-200 與S7-300 以及上位機(jī)之間的通信

S7-200 通過GE369 采集到同步機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)之后，作為從站通過交換機(jī)與S7-300 之間進(jìn)行基于工業(yè)以太網(wǎng)的通信，這時(shí)只對(duì)作為從站的S7-200 進(jìn)行相關(guān)配置和程序設(shè)計(jì)即可，而作為主站的S7-300 則只需要對(duì)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算和轉(zhuǎn)化，以浮點(diǎn)數(shù)的形式傳送給上位機(jī)監(jiān)控軟件Wincc，同時(shí)接收上位機(jī)的各項(xiàng)控制指令傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)和GE369保護(hù)器，從而實(shí)現(xiàn)通過Wincc 對(duì)同步機(jī)的監(jiān)測(cè)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?duì)S7-200 進(jìn)行相關(guān)配置。

2.3 程序設(shè)計(jì)

S7-200 與GE369 之間的通信利用STEP7 編程軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。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(duì)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(shí)現(xiàn)S7-200 對(duì)同步機(jī)各項(xiàng)參數(shù)的采集和對(duì)同步機(jī)的各項(xiàng)控制功能。程序如圖3（因?yàn)閭鬏敂?shù)據(jù)塊較多，所以取部分?jǐn)?shù)據(jù)塊說明）所示。程序中Network1 為定時(shí)中斷程序，用SM0.1 觸點(diǎn)導(dǎo)引能流來觸發(fā)使能，僅第一個(gè)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(shí)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(shí)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?yàn)樾枰虶E369 傳遞的數(shù)據(jù)較多，所以定義INT0 為一個(gè)計(jì)數(shù)子程序C30（計(jì)數(shù)程序在此不再贅述），計(jì)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(shí)候觸發(fā)一次S7-200 到GE369 的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，從站接收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)就會(huì)做出響應(yīng)并將請(qǐng)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(cè)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(gè)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(shí)首先需要對(duì)S7-200 進(jìn)行以太網(wǎng)通信配置，此時(shí)通過STEP7 中以太網(wǎng)向?qū)韺?duì)S7-200 進(jìn)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(diǎn)SM0.0 觸發(fā)使能，數(shù)據(jù)交換時(shí)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(jìn)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(jī)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(gè)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(jìn)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(jì)監(jiān)控界面時(shí)，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(gè)主要畫面中，操作人員只需調(diào)用這些畫面便可進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測(cè)和控制。

本監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)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(cè)各球磨機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率、功率因數(shù)、有功無功、電壓電流等參數(shù)，來實(shí)時(shí)反應(yīng)球磨機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀況，方便操作人員及時(shí)判斷球磨機(jī)是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)。主畫面還設(shè)置了勵(lì)磁調(diào)節(jié)，失步報(bào)警等功能。

圖5 上位機(jī)Wincc 人機(jī)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(jī)起動(dòng)和運(yùn)行時(shí)的電壓電流和功率因數(shù)曲線，可以觀察球磨機(jī)整個(gè)起動(dòng)過程，如投勵(lì)前投勵(lì)后各參數(shù)的變化情況，從而判斷球磨機(jī)起動(dòng)是否正常。尤其是起動(dòng)出現(xiàn)故障造成同步機(jī)起動(dòng)失敗時(shí)，能夠通過各曲線的形狀直觀快速的判斷起動(dòng)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(gè)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(bào)警記錄、實(shí)時(shí)報(bào)警和球磨機(jī)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(shí)查看各球磨機(jī)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(bào)警記錄畫面如圖7所示，當(dāng)溫度、過壓過流、功率因數(shù)報(bào)警時(shí)，自動(dòng)記錄報(bào)警時(shí)的日期、時(shí)間、故障點(diǎn)、故障原因和持續(xù)時(shí)間等。

圖7 報(bào)警記錄信息

實(shí)時(shí)報(bào)警畫面如圖8所示，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，與之對(duì)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(shí)時(shí)報(bào)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(bào)警限值，當(dāng)同步機(jī)運(yùn)行時(shí)檢測(cè)到某項(xiàng)參數(shù)達(dá)到或超過設(shè)定的限制時(shí)，設(shè)備就會(huì)執(zhí)行報(bào)警或者跳閘。

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

圖9 參數(shù)設(shè)定

圖10 球磨機(jī)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(shì)

傳統(tǒng)的同步機(jī)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(shì)，除了表中所列出的各項(xiàng)之外，新系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)還有很多，比如故障自診斷、能耗低、可根據(jù)需要隨時(shí)更改保護(hù)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(shì)

4 結(jié)論

采用上位機(jī)監(jiān)控+PLC+GE369 控制的新系統(tǒng)，經(jīng)過了3年多的運(yùn)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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