PLC和GE369在同步机电控系统中的应用

2015-05-25 06:09冉祥涛

电气技术 2015年5期

冉祥涛

（中冶集团资源开发有限公司，北京 100000）

球磨机在铜矿的生产过程中至关重要，驱动筒体的同步机的平稳运行直接关系到球磨系统的正常运行，其重要性不言而喻。中冶集团位于巴基斯坦的山达克项目位于该国西北部，其选矿厂的三台球磨机都是采用美国通用公司生产的型号为TS39857的无刷励磁同步机，额定电压为6000V，额定功率为3028kW。在同步机的起动和运行过程中，因为需要检测和保护的参数较多，所以采用了继电器+接触器+大量的参数采集和保护设备，可靠性较差、控制精度低、接线复杂、故障率高，随着计算机控制技术的发展，特别是新技术新设备的不断出现，传统的这种电控系统已经不适应当今的生产，严重的影响了产量和效益。

GE369 是美国通用公司生产的一款电动机保护控制设备，应用在同步机电控系统中，具有先进的保护特性如反转检测，先进的热模型如定子热检测的多RTD 输入；具有完整的设备监视功能，如绕组温度、有功和无功、电流电压、功率因数、加速时间等；具有模拟示波器的功能，监测功率因数以及电流电压的变化情况，缩短故障排除时间并降低维护成本。

1 系统的组成

如图1所示为系统的结构框图，系统主要有工控机、PLC、交换机、GE369 以及传感器组成。其中，上位机中使用Wincc 组态软件监控整个系统的运行，控制器PLC 采用西门子S7-200 和S7-300。为避免出现一台球磨机故障停机对其他两台造成影响，分别采用三组S7-300 和GE369 来分别监测和控制三台同步机的运行。

图1 系统的结构框图

采用PLC 与工控机相结合，构成上下位机控制系统，使系统既能及时采集、存储数据，又可处理和使用数据，并直观地显示出来，从而实现工业生产过程的实时监控。

GE369 在系统中的功能是负责采集同步机的各项起动和运行参数、检测到参数异常时保护跳闸、与S7-200 进行通信。通过与S7-200 之间的通信将三台GE369 的监测和控制参数汇总，传递给S7-300，然后进行各种逻辑运算，将最终运算结果输送给执行机构（同步机断路器手车、起动球磨机筒体的离合器、励磁调节等），同时通过与上位机之间的通信来对各项参数进行监测和控制。S7-200 在与S7-300通信时作为从站运行，在与GE369 通信时作为主站运行。所以在系统的通信中，S7-200 既做主站又做从站，系统的网络结构如图2所示。

图2 系统的网络结构图

2 系统的通信及程序设计

系统的核心控制逻辑是通过PLC 来实现的。通信及软件部分主要分为两部分，基于MODBUS 协议的S7-200 与GE369 之间的通信和程序，基于工业以太网的S7-200 与S7-300 之间的通信和程序。为了能对系统进行全面可靠的控制，同时考虑到系统的灵活性、方便性、可靠性和易维护性等因素，通过上位机组态软件Wincc 对系统进行全方位的监测和控制。

2.1 S7-200 与GE369 之间的通信

GE369 有两个通信接口，RS232 接口和RS485接口，RS232 接口在本系统中主要用于与电脑的连接，通过电脑简单直观的设置同步机的各项保护参数，RS485 接口主要用于和S7-200 之间的通信。S7-200 和GE369 保护器的RS485 接口都支持基于MODBUS 的通信协议，本系统中用一台S7-200 同时和三台GE369 保护器进行通信，S7-200 最多可以与247 个从站同时通信。通过与GE369 的通信，将同步机的各项参数传递给S7-200，并将各控制参数传输给GE369。从而实现对同步机各项参数的采集和对同步机的各项控制功能。

2.2 S7-200 与S7-300 以及上位机之间的通信

S7-200 通过GE369 采集到同步机的各项参数之后，作为从站通过交换机与S7-300 之间进行基于工业以太网的通信，这时只对作为从站的S7-200 进行相关配置和程序设计即可，而作为主站的S7-300 则只需要对接受到的数据进行逻辑运算和转化，以浮点数的形式传送给上位机监控软件Wincc，同时接收上位机的各项控制指令传送给执行机构和GE369保护器，从而实现通过Wincc 对同步机的监测和控制。本系统中利用STEP7 编程软件工具栏中Ethernet wizard（以太网向导）对S7-200 进行相关配置。

2.3 程序设计

S7-200 与GE369 之间的通信利用STEP7 编程软件进行程序设计。STEP7 编程软件中有专门基于MODBUS 协议的库函数 MBUS_CTRL 和MBUS_MSG，前者是控制程序块，后者是传输程序块。通过对MBUS_CTRL 和MBUS_MSG 程序块分别定义来完成GE369 和S7-200 之间的数据传递。从而实现S7-200 对同步机各项参数的采集和对同步机的各项控制功能。程序如图3（因为传输数据块较多，所以取部分数据块说明）所示。程序中Network1 为定时中断程序，用SM0.1 触点导引能流来触发使能，仅第一个扫描周期接通为ON，其他剩余的程序块都由SM0.0 来触发使能，SM0.0 为始终接通为ON。程序中设置中断时间为150ms，即每隔150ms 触发一次事件10，根据S7-200 自由口通信协议可知，事件10 为定时中断，通过ATCH 中断连接指令将INT0 和事件10 连接到一起，即每隔150ms 程序执行一次INT0。因为需要和GE369 传递的数据较多，所以定义INT0 为一个计数子程序C30（计数程序在此不再赘述），计数子程序从0～30 不断循环，循环到数据传输程序块中设置的相关数据时候触发一次S7-200 到GE369 的数据请求，从站接收到数据请求时就会做出响应并将请求的数据传输给PLC。数据传送程序块中Slave 为从站地址，可以通过设置来确定，Addr 为GE369 里参数的地址值，通过查询手册可得，RW 为读写设定，“0”为读从站中的数据，“1”为向从站中写数据，Count为传输的数据个数，DatePtr 为接收到数据后存入S7-200 中的地址。

图3 S7-200 与GE369 的通信程序

S7-200 与S7-300 通信时首先需要对S7-200 进行以太网通信配置，此时通过STEP7 中以太网向导来对S7-200 进行设置，参考S7-200 自由口通信资料，此处不赘述。设置好以后用STEP7 软件编写通信程序，如图5所示，由常闭触点SM0.0 触发使能，数据交换时需要上升沿来触发，程序中用了SM0.5，在1s 的扫描周期内，SM0.5 接通为0.5s，关断为0.5s。Network2 和Network3 程序中Chan～为数据连接名称，指数据传输中作为从站还是主站进行数据交换，本程序中为从站。Data 为数据传输名称，指数据传输中是向主机写入数据还是读取数据，本程序即写入数据又读取数据，所以需要两个数据交换程序块来完成，Network2 向 S7-300 主站写入数据，Network3 从S7-300 主站读取数据。数据连接名称和数据传输名称都在工业以太网向导中进行定义。

图4 S7-200 与S7-300 的通信程序

2.4 WinCC 监控画面开发

在设计监控界面时，画面应该简洁美观，操作简单方便。尽可能将设备的各种监视和操作信息集中在几个主要画面中，操作人员只需调用这些画面便可进行相关监测和控制。

本监控系统的人机界面由主监控画面和子监控画面构成，主画面如图5所示，通过监测各球磨机运行时的功率、功率因数、有功无功、电压电流等参数，来实时反应球磨机运行时的状况，方便操作人员及时判断球磨机是否处于正常运行状态。主画面还设置了励磁调节，失步报警等功能。

图5 上位机Wincc 人机界面

在子监控画面中，电流曲线界面如图6所示，电压和功率因数曲线与之相似。通过监控球磨机起动和运行时的电压电流和功率因数曲线，可以观察球磨机整个起动过程，如投励前投励后各参数的变化情况，从而判断球磨机起动是否正常。尤其是起动出现故障造成同步机起动失败时，能够通过各曲线的形状直观快速的判断起动失败的原因，为故障的检查和处理提供数据支持。