6GK7243-1EX01-0XE0选型说明
1 引言
电源监控是铁路信号的重要的监控系统。在此之前信号的电源监控系统基本上是采用单片机作为信号采集系统的核心。单片机监控系统一方面存在采集速度慢、界面不友好、操作不方便等技术局限，另一方面由于其中的电源模块部分的监控相对独立，对电源系统带来了诸多不便，比如维护困难、界面显示繁琐等。基于以上原因本项目配套开发了基于台达PLC作为信号采集核心、台达HMI触摸屏作为操作和监视界面的电源监控系统。监控子系统与电源模块通过工业总线网络互连实现整合的经济实用、技术先进的铁路信号的电源监控系统。
2 硬软件系统设计
2.1硬件体系设计
图1 硬件体系设计
铁路信号电源监控硬件体系设计参见图1。系统规模：44个数字量输入；1个数字量输出；6个电源模块；39路模拟量输入。
控制系统配置如下：触摸屏：DOPA75CSTD；PLC：DVP16EH00T＋1个DVP04AD-H＋3个DVP16HM11N；电源模块通讯卡1块；分时采集电路卡1块。
触摸屏主要是用来显示采集数据、报警、报警上下限设定、采集数据显示微调、报警数据显示、历史趋势图显示等。PLC主要是采集数据并计算，由于考虑系统对模拟量采集的速度要求不是很高，为了节省成本，系统中使用了1个DVP04AD-H对39路模拟量进行了分时采集，为了实现这个功能我们与厂家共同实验开发了一个电子开关电路，对39路模拟量分了十组、每组4路，通过输出不同的组别进行采集。电源通讯卡主要负责把6块电源模块的数据汇总并且通过RS484接口以MODBUS协议与PLC通讯，使PLC采集得到6块电源模块的数据，为实现这个功能我们公司的电源研发部门做了大量的工作，终使PLC与电源模块的通讯卡实现了通讯，电源模块的信息得到了采集。
2.2软件体系设计
（1）系统功能设计：44个数字量采集显示，故障判断；6个电源模块的数据采集显示、显示电源模块的工作状态并判断报警；39路模拟量显示、并判断上下限报警；显示报警画面、报警信息、当前报警、报警频次；报警上下限设定；数据微调功能，并且显示微调值；
历史趋势图显示；不同画面开启权限设定；
以上有必要说明的是数据微调功能，由于现场的一次测量元件测量会有误差，此误差是固定的，短时间内是不变的，在程序当中增加这部分功能，使终显示出来的数值是消除误差之后的值；
（2）系统结构设计分为HMI人机对话界面部分和PLC现场监控部分。HMI部分主要构架参见图2。
图2 HMI人机对话界面
PLC监控部分主要包括：电源模块通讯；分时采集40路模拟量，每次采集4路；对采集的模拟量根据量程进行计算得出显示值，显示电源模块的工作状态并判断报警；微调值计算，显示值微调，并做负值消除；故障和报警；数字量采集显示，故障判断；
3 工程调试
调试分时采集功能时需要注意分时采集的时间，过大会影响整体数据采集的时间，过小会造成采集数据混乱，需要在两次采集数据之间加一段间隔时间，避免两组数据的重叠。对采集的模拟量根据量程进行计算得出显示值。微调值计算，显示值微调，并做负值消除；注意微调时可能会出现负值情况，要考虑负值的消除。电源模块通讯注意电源通讯时的通讯协议一定要在通讯卡中设置好，包括站号设定，注意地址对应。故障和报警；因为报警点共有79个，很繁琐，需要思路清晰。
引言
随着我国城乡建设的迅速发展,水、电供应不足的矛盾越来越成为人们关注的问题。例如,人们日常生活中的用水量越来越大,中的用水量的波动也越来越大。以往的供水系统中,水泵的选取往往是按大供水量来确定,而实际的用水量在不断变化。高峰用水时间较短,这样水泵在很长一段时间内有较大余量,不仅水泵效率低,供水压力不稳,造成大量电力、水资源的浪费;并且以往依靠手动操作控制泵的启动、停止,也已不能满足要求。这里,介绍一种变频控制的恒压供水系统,它既能解决人工操作的繁杂劳动和精神压力,又能节约能源[5]。
一、系统介绍
该控制系统主要装置包括：可编程控制器（PLC）、变频器、压力传感器、PID控制器以及相关软件控制单元。该装置形成一套完整的、全自动的、智能的恒压供水控制系统，如图1所示。该系统能够以三种方式工作，分别为全自动、半自动和手动操作方式，其中后两种是在全自动方式出现故障时的弥补。
图1 恒压供水系统简图
2全自动恒压供水控制原理
当主水管网压力传感器的压力信号4~20mA送给数字PID控制器，控制器根据压力设定值与实际检测值进行PID运算，并给出信号直接控制变频器的转速以使管网的压力稳定。当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，控制器的压力下限信号与变频器的高速信号被PLC检测到，PLC自动将原工作在变频状态下的泵，投入到工频运行，以保持压力的连续性，将一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量，保证压力稳定。若两台泵运转仍，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。当用水量减少时，表现为变频器已工作在低速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，PLC将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述两个信号仍存在时，PLC再停掉一台工频运行的电机，直到后一台泵用主频器恒压供水[4]。控制系统设两台泵为一组，每台泵的电机累计运行时间可显示，24小时轮换一次，既保证供水系统有备用泵，又保证系统的泵有相同的运行时间，确保了泵的可靠寿命。
二、系统原理图
1.PLC系统原理图，如图2所示：
图2 PLC系统原理图
2.外部设备接线图，如图3所示：
三、 恒压供水控制系统的编程
本程序用富士专用的FLEX PLC编程器编译[1]，利用梯形图清晰直观地展示各设备的运转状况等等。具体编程思想如下：
选择利用FLEXPLC的输入继电器、输出继电器以及内部继电器，确定本设计方案所包括的仪器仪表。即一台富士NB系列PLC、两台7.5KW水泵、一台富士G11/P11变频器、一台压力传感器、一台SR90系列PID调节器、若干个空气开关、断路器、中间继电器等。根据PLC接线原理图（如图2所示），进行详细接线，并参考FUJINB系列可编程控制器得参考手册，对PLC输入输出端子进行定义。
部分梯形图
PLC的恒压供水控制系统部分梯形图如下[2]：
四、系统操作说明
4.1自动控制
1. 设定用户需要的目标压力值
系统送电之后，控制柜面板上的电源指示灯点亮，其下方的温控表将会有显示：PV---.---、SV---.---。其中PV---.---表示水管网中的实测压力值,SV---.---表示用户需要的目标压力值.用户可按动▲、▼键使SV---.--- 中的数字发生改变，直到显示用户需要的水管网的压力值时按下ENT键，结束目标压力值设定。
2.选择需要开启的泵组
自动/停/手动开关向左45度扳动一次时，泵组处于启动状态，系统将选择1号泵组启动；控制柜面板上的自动/停/手动开关扳到垂直位置时，四台泵组均处于停止状态。当将自动/停/手动开关向左45度扳动一次时，系统将选择2号泵启动；
3.变频自动工作开始
当系统检测到某台泵组的启动信号以后，便会使变频器开始升频工作，此时水管网中的压力开始上升，即PV---.---中的显示值开始上升，并不断趋向于用户设定的SV---.---中的目标压力值。当水管网中的压力和用户的设定的目标压力值相吻合（即PV---.---中的显示值和SV---.---中的显示值相吻合）时，变频器的输出频率便会稳定[3]。
4.2自动控制中的部分功能
1.自动切换至工频
2.故障泵组自动退出运行
3.定期倒换工作泵组
五、恒压供水控制系统的优点
1.采用变频恒压供水，消除了主管网压力波动，保证了供水质量，节能效果明显，并延长了主管网及其阀门的使用寿命。
2.用稳压减压阀经济地解决了不同用水压力的问题。
3.拓宽运用变频恒压控制原理，较好地解决了加压泵房与抽水泵房的远程通讯总是并达到异地连锁控制的目的。
4.在抽水泵房设置连续液位显示，并将信号传与PLC，防止泵缺水烧坏电机，设定的取水位置，确保水的质量。
5.电机既有电机保护器，又有软起动器，克服了起动时的大电流冲击，相对延长了电机制使用寿命。
6.由于采用PLC控制的压力自动控制，可以实现无人远程操作，系统的PLC预留有RS485接口，可与公司总调度室计算机网络进行连接。
7.通过采用变频器控制，可在不同季节、节假日、日夜及上下班等全面调控水量。
随着电力电子技术以及工业自动控制技术的发展，使得交流变频调速系统在工业电机拖动领域得到了广泛应用。由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。本设计就是利用变频器和PLC实现水池水位的控制。
变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的jingque控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。完善的保护功能:变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。
PLC特点：，可靠性高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。第二，编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，简化了编程。第三，设计安装容易，维护工作量少。第四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。第五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。第六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。
在应用PLC系统设计时，应遵循以下的基本原则，才能保证系统工作的稳定。
（1）大限度地满足被控对象的控制要求；
（2）系统结构力求简单；
（3）系统工作要稳定、可靠；
（4）控制系统能方便的进行功能扩展、升级；
（5）人机界面友好。
本系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，采用ABB公司的ABBACS800变频器，系统中由S7-200系列PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。基于S7-200PLC的编程软件,采用模块化的程序设计方法，大量采用代码重用，减少软件的开发和维护。系统利用对PLC软件的设计,实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止。
1 本设计的控制要求：
1)系统要求用户能够的直观了解现场设备的工作状态及水位的变化；
2)要求用户能够远程控制变频器的启动和停止；
3)用户可自行设置水位的高低，以控制变频器的起停；
4)变频器及其他设备的故障信息能够及时反映在远程PLC上；
5)具有水位过高、过低报警和提示用户功能；
2 本设计控制结构:
由于现场有一台电机作为被控对象，可以使用单台PLC进行单个对象的控制，只要适当的选用高性能的PLC,完全能够胜任此功能。系统控制结构如图1所示。
PLC采集传感器、监控电机及变频器等有关的各类对象的信息。本系统中，对电机采用一台变频器来进行频率的调节控制。采用PLC输出的模拟量信号作为变频器的控制端输入信号，从而控制电机转速大小，并且向PLC反馈自身的工作状态信号，当发生故障时，能够向PLC发出报警信号。由于变频调速是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现的，故在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差功率，具有高效率、宽范围、高精度的调速性能。
3 设备的选型
（1）PLC及其扩展模块的选型：
目前，存在着种类繁多的大、中、小型PLC，小到作为少量的继电器装置的替代品，大到作为分布式系统中的上位机，几乎可以满足各种工业控制的需要。新的PLC产品还在不断的涌现，那么，如何选择一个合适PLC？
本系统有一台电机、一个液位传感器、一个变频器、五个继电器，共有十八个I/O点，它们构成被控对象。综合分析各类PLC的特点，终选西门子公司的S7系列PLC。
由于CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，完全能满足控制要求。此PLC可连接7个扩展模块，大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
根据上述分析，参照西门子S7-200产品目录，选用主机为CPU226 PLC一台、另加上一台模拟量扩展模块EM235。
（2）变频器模块的选型：
目前，市场上存在各种各样的变频器，本设计采用ABB公司的ABBACS800变频器。ACS800系列传动产品大的优点就是在全功率范围内统一使用了相同的控制技术，例如启动向导，自定义编程，DTC控制，通用备件，通用的接口技术，以及用于选型、调试和维护的通用软件工具。内含启动引导程序，令您调试易如反掌；自定义编程：内置可编程模块，犹如PLC令您发挥自如；体积小巧：内置滤波器，斩波器及电抗器、性能卓越。
4 系统的控制流程：
（1）程序设计前准备工作：了解系统概况，形成整体概念，熟悉被控对象、编制出高质量的程序，充分利用手头的硬件和软件工具。
（2）程序框图设计：这步的主要工作是根据软件设计规格书的总体要求和控制系统具体要求，确定应用程序的基本结构、按程序设计标准绘制出程序结构框图，在根据工艺要求，绘制出各功能单元的详细功能框图。
（3）编写程序：编写程序就是根据设计出的框图逐条地编写控制程序，这是整个程序设计工作的核心部分。
（4）程序测试和调试：程序测试和调试不同，软件测试的目的是尽可能多地发现软件中的错误，软件调试的任务是诊断和改正软件中的错误。
（5）编写程序说明书：程序说明书是对程序的综合说明，是整个程序设计工作的
下面是系统设计流程图：
图2 PLC水位控制流程图
5 程序结构：
本程序分为三部分：主程序、各个子程序、和中断程序（见第四章）。逻辑运算及报警处理等放在主程序中。系统初始化的一些工作及液位显示放在子程序中完成，用以节省时间。利用定时中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。在本系统中，只用比例积分控制，确定增益和时间常数为：增益Kc=0.25；采样时间Ts=0.1S；积分时间Ti=30S；微分时间Td=0S。
6 PLC编程软件。
本设计使用的是软件是STEP7-Micro/WIN,该软件主要协助用户开发应用程序，除了具有创建程序的相关功能，还有一些文档管理等工具性功能，还可直接通过软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。
该软件可以工作于联机和离线两种工作方式，所谓联机是指直接与PLC连接，允许两者之间进行通信，如上装或下载用户程序和组态数据等。离线则是指不直接与PLC联系，所有程序及参数暂时存入磁盘，联机后再下载至PLC。