PLC和GE369在同步机电控系统中的应用

作者介绍了基于PLC和GE369组成的电控系统在同步机的监控和保护中的设计和应用，并对新系统的结构、性能进行说明，充分证明了新设备新技术在同步机电控系统中的重要性和必要性。同时，还对传统的继电器-接触器控制的球磨机的电控系统和改造后的新系统进行比较，论证了新系统的稳定性和优越性，能很好地满足铜矿安全生产的需要。

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。

在同步机的启动和运行过程中，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、功率因素、加速时间等；具有模拟示波器的功能，监测功率因素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，系统主要由工控机、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它两台造成影响，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。

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。

图1 系统的结构框图

GE369在系统中的功能是负责采集同步机的各项启动和运行参数、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、启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 系统的通讯及程序设计

系统的核心控制逻辑是通过PLC来实现的。通讯及软件部分主要分为两部分，基于MODBUS协议的S7-200与GE369之间的通讯和程序，基于工业以太网的S7-200与S7-300之间的通讯和程序。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之间的通讯

GE369有两个通讯接口，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的通讯协议，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讯

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则只需要对接收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150毫秒，即每隔150毫秒触发一次事件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150毫秒程序执行一次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的通讯程序

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自由口通讯资料，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1秒钟的扫描周期内，SM0.5接通为0.5秒，关断为0.5秒。

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的通讯程序

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、功率因素、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，电压和功率因素曲线与之相似。通过监控球磨机启动和运行时的电压电流和功率因素曲线，可以观察球磨机整个启动过程，如投励前投励后各参数的变化情况，从而判断球磨机启动是否正常。尤其是启动出现故障造成同步机启动失败时，能够通过各曲线的形状直观快速的判断启动失败的原因，为故障的检查和处理提供数据支持。

图6 电流曲线

在本监控系统中，除了电压电流功率因素三个主要监控画面之外，还在工具栏中设置了历史曲线、参数设置、报警记录、实时报警和球磨机流程图的子监控画面。

历史曲线方便现场工作人员随时查看各球磨机的电压、电流、功率因数等历史数据，画面类似于电流电压曲线，此处不赘述；报警记录画面如图7所示，当温度、过压过流、功率因数报警时，自动记录报警时的日期、时间、故障点、故障原因和持续时间等。

图7 报警记录信息

实时报警画面如图8所示，当故障发生时，与之对应的故障名称由黑色变为红色，方便故障的诊断和处理。

图8 实时报警

参数设置如图9，设置温度、电流电压、功率因数等报警限值，当同步机运行时检测到某项参数达到或超过设定的限制时，设备就会执行报警或者跳闸；

图9 参数设定

球磨机流程图如图10所示，方便操作人员熟悉整个球磨系统工作原理，不具备监测和控制的功能。

图10 球磨机流程图

​3 新系统与传统的电控系统的区别及其优势

传统的同步机电控系统与基于PLC和GE369组成的新系统区别见表1。

与继电器加大量接触器的电控系统相比，新系统有着传统控制系统无法比拟的优势，除了表中所列出的各项之外，新系统的优点还有很多，比如故障自诊断、能耗低、可根据需要随时更改保护参数等。

表1 新系统与传统的电控系统的对比

​4 结论

采用上位机监控+PLC+GE369控制的新系统，经过了3年多的运行，较之以前的老系统，故障率显著降低，生产率得到提高，安全性得到保障。

本文编自《电气技术》，标题为“PLC和GE369在同步机电控系统中的应用”，作者为冉祥涛。

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