西门子模块6ES7232-0HB22-0XA8型号齐全
1 引言
近年来，随着水运市场的繁荣与发展，苏北运河作为贯通南北的水上交通大动脉，越来越得到人们的高度重视，成为了名符其实的“黄金水道”。而船闸则是这条黄金水道上的重要交通枢纽，单线船闸年均通过量近4000万吨左右，双线船闸则近8000万吨，而长江三峡货运量加上翻坝货运量每年在4300万，一个苏北运河上的复线船闸年通过量相当于两个三峡。可以说，船闸的安全与畅通直接影响到全省乃至全国的经济社会发展，成为世人瞩目的焦点。船闸的电气控制系统则是船闸安全与畅通的前提。船闸电气控制系统的高度自动化、运行安全可靠、故障率低、便于维修已成为各个船闸的客观需求。
2船闸电气自动控制的内容及其基本要求
2.1 运河船闸工作原理
船闸电气自动控制主要是根据船闸的闸阀门的门型、启闭机的类型、输水的形式及过闸工艺要求等来控制闸阀门启闭机组的运行及进出闸信号的转换、涨泄水语音广播等。目前，苏北运河各船闸中闸门多为人字门，少数船闸是横拉门(只有刘山、邵伯和施桥船闸三家)，阀门都是平板式提升门。人字门和阀门多采用电力液压驱动启闭机，这类电气控制的主要对象是液压泵站的电机接触器线圈和液压阀件线圈;横拉门采用的是电动机械传动启闭机，这类电气控制的主要对象是启闭电动机和电磁制动器的接触线圈或可控硅触发电路[1]。输水系统均采用短廊道集中输水形式，因苏北运河各船闸的水位落差均在3~5m之间(宿迁闸小一些，1~2m左右)，涨泄水时间为5~8min。过闸工艺流程，苏北运河各闸是一致的，如果以闸阀门关终及下游水位为初始状态，则过闸的工艺流程框图如图1所示。
图1 船闸工艺流程图
2.2 运行闭锁控制要求
上述流程当中有着严格的运行闭锁要求。
(1) 上游的闸阀门未关到位,下游阀门不能开启,同样,下游的闸阀门没有关到位,上游阀门不能开启;
(2)上游阀门开启之后，只有待闸室水位与上游平齐，才能开启上游闸门，闸门开到边后，出闸信号灯应为绿色。同样，下游阀门开启之后，只有待闸室水位与下游平齐，才能开启下游闸门，闸门开到边后，出闸信号灯应为绿色;
(3) 关阀应再闸门开到边之后，自动或手动操作完成;
(4) 当闸室船舶全部出完之后，进闸信号才能转换成绿灯，通知船舶进闸，面出闸信号应变成红灯;
(5) 闸门关闭，应当由现场值班人员在船舶进入闸室之后手动操作，此时进闸信号灯应由绿色变成红色，禁止船舶再进闸;
(6) 船闸一旦发生故障，要有紧急切断电源或开关闸阀门的应急措施。
2.3 运行安全控制要求
根据船闸的工艺流程要求及现场运行维护需要，人们对船闸电气控制系统提出了一些基本要求，即船闸的电气控制系统应安全可靠、操作简单、维护方便、经济实用，以有误操作而绝不误动作为前提。
(1) 具有满足过闸工艺要求的各种功能及必要的机电连锁和电气保护电路，确保自控系统安全可靠;
(2) 具备生产运行和调试所必需的操作方式，做到操作灵活以适应各种运行方式的需要;
(3) 满足船闸预定的操作程序和信号显示的要求。在此前提下，力求线路简练、使用元件省、系统电压种类少，便于维护;
(4) 各种操作方式之间要有互锁，电路应有使违反工艺流程的误操作失灵的保安措施;
(5) 闸阀门应设有运行到位和越位检测保护开关，人字闸门应有检测闸门合拢的设施和处理合拢失败的措施;
(6) 选用的元件、材料耐用、可靠[1-2]。
3船闸电气控制系统的发展及PLC的引入
多年来，船闸的工艺流程未发生大的变化，但为了缩短船舶通过时间，不断提高船闸电气控制系统的自动化水平，随着科学技术的发展及新产品、新技术的不断引入和应用，船闸的电气控制系统也得到了长足发展。原始的闸阀门开闭采用人工手摇游丝缆方式，后来发展到采用继电器——接触器控制卷扬机来进行闸阀门的开闭控制，进而随着液压传动在船闸上的广泛应用，与之配套步进器—接触器控制系统的得到了大范围的应用，并有了集中控制和分散控制二种模式，但由于这种控制系统故障率高，查找和维修故障费时费用，船闸的通航保率得不到保障，在使用几年之后，人们开始寻求一种更为先进的控制系统。由于PLC具有很强的灵活性、编程方便、功能多、体积小、抗干扰能力强等诸多优点，得到了船闸电气工程师们的青睐，并被引入到船闸控制系统中，且在极短的时间内取代了以往的其它形式的船闸电气控制系统。目前，苏北运河复线船闸的控制系统多采用某系列PLC控制，并将闸门错位检测、闸阀门电机的过流、过压、缺相、短路等故障检测、交通信号指示及语音广播等功能纳入了系统，同样可实现集中控制和现场分散操作，极大提高了控制系统的安全性能，降低了故障机率，有力保障了苏北运河的安全与畅通，但由于该系列PLC受运算速度、函数功能、网络接口及支技网络协议等限制，已逐步被施耐德Quantum系列PLC取代。施耐德Quantum系列PLC性能较好，能满足船闸运行的要求，对模拟量的运算处理性能较一般PLC有很大优势，具备完善的网络接口，扩展空间较大，便于与其它船闸进行联网控制，为近年来苏北运河新建三线船闸所普遍采用，并在一些新电改的复线船闸(如施桥一线、皂河二线等船闸)得到了推广和使用。由于苏北运河各船闸的施耐德QuantumPLC控制系统都极为相近，下面以笔者参加施工监理的皂河二线船闸电气控制系统为例，介绍一下施耐德QuantumPLC船闸控制系统的实现。
4施耐德Quantum系列PLC船闸控制系统的构成
皂河二线船闸电气控制系统于2006年6月进行了电气改造。使用施耐德Quantum PLC进行控制，其组成框图如图2所示。
图2 Quantum PLC系统配置图
4.1 PLC硬件配置
CPU模块:140CPU43412A;
电源模块:140CPS11420(双电源冗余);
以太网模块:140NOE77111;
开关量输入模块:140DDI35300(3块);
模拟量输入模块:140ACI04000(2块);
继电器输出模块:140DRA84000(6块);
工业网络交换机:499NES18100;
工业光电收发器:499NTR10100。
4.2 周边配置设计
采用三台研华原装工业控制计算机(PIV 2.4G，512 MDDR，80G×2，WIN2000 SP4，RAID1镜像)。选用三台三星液晶17寸显示器SAMSUNG173P+(1280×1024@75Hz)，不闪烁，无辐射。组态软件选用组态王6.51(2005年12月发布)。变频调速系统:施耐德ATV-71变频器及其成套滤波附件。本系统中所选用的所有接触器、断路器、中间继电器均为法国施耐德公司TE、梅兰日兰系列产品。
考虑到船闸控制系统既能进行集中操作，也满足分散现地运行的需要，并且保证控制系统在船闸大修等特殊时期的安全运行，将船闸控制柜、动力柜放置于下游左岸三楼机房，并配置了一个集中操作台，满足船闸集中操作运行的需要。操作台面板上安装上、下游闸阀门运行状态指示灯，以便于直观了解船闸闸阀门运行状况。安装程控/分散控制手动转换开关以及船闸控制的相应操作按钮。
上下游值班岗亭内各设置一台操作台，上下游操作台上各配置一台原装研华工控计算机并配以组态软件，面板上各配一台液晶显示器，并将收费系统显示器嵌放于操作台面板上，收费计算机放置于操作台内部，操作员既能直观了解船闸状况及PLC工作状态，在上位机上可以进行船闸的所有控制操作，又不影响船闸收费系统的正常运行。上下游两操作台功能完全相同，且互为备用，即一旦某一操作台的上位机发生故障，另一操作台任可进行船闸的所有操作。两操作台上位机与集控室PLC之间通讯采用光纤连接，既保证通讯的速度，亦可有效避免外界干扰、雷电波对系统安全稳定性的影响。
上下游机房手动箱上安装上、下游闸阀门状态指示灯及船闸控制的相应操作按钮。操作员可通过上位机进行船闸操作，也可通过控制按钮进行船闸操作，两种操作方法互为备用。
闸门采用变频调速系统，保证闸门安全平稳运行，为减少变频器对电网及控制系统的干扰，对变频器加装相应的设备以减少高次谐波对系统的干扰。
5系统的功能与安全设计
5.1 系统的功能设计
该PLC控制系统能直接和上位机相连，并使用组态控制软件，能在线编程和操作控制，使船闸的控制更为直观。系统采取程控与分散运行相结合，正常程序运行情况下，系统自动控制闸阀门的开关动作，并具备多重自动保护功能，自动检测动力、控制电源的电压、电流，闸阀门电机电流，自动形成数据库存入计算机，系统管理员能准确了解系统在过去任意时刻动力、控制电压、电流数值，以及电机运行时电流大小情况。由于在上下游闸首及闸室安放水位传感器，能实时观测船闸三级水位，保证船闸安全运行。在上下游闸首分别配置一套广播系统，上位机可进行自动广播，操作全部可在操作面板上进行。对通航信号指示灯系统根据船闸运行的实际状况自动进行切换控制。上位机平时显示闸阀门状态画面及三级水位，需要时，可进入报表界面，参数记录界面及故障报报警界面。
控制系统采用施耐德电动操作机构，可实现远程遥控分合闸。在船闸遇特殊情况需断开所有动力电源时，操作员按任一个“急停”按钮后，系统立即断开船闸所有动力电源。在故障排除后，只需按“合闸”按钮，系统自动合上动力电源。考虑到今后扩展、联网的需要，系统的所有开关量、模拟量输入、输出模块留有一定的空余点数，所有控制电缆均留有一定的未用芯数，所有动力电缆的容量也留有一定的裕度。使得一旦系统的功能需要完善，现有的PLC输入输出点及电缆能在一定范围内满足要求。
5.2 系统的主要安全保护措施
控制系统电源与动力电源完全隔离，控制电源经精密净化稳压后再经在线式UPS输出到控制系统，控制按钮全部使用24V直流电源。有效保护操作员及机电人员的操作、维护安全。
接触器采用施耐德产品，具有质量好、体积小、噪音小、使用寿命长等优点。接触器上端安装断路器，便于断开电源检修维护。
PLC输出端全部安装自动空气断路器，任一线路发生短路等故障时，能迅速断开，机电养护人员能迅速知道故障原因，并且无需更换熔丝。
对闸阀门电机采用双重保护措施:
(1)动力驱动柜内安装阀门电机综合保护器(闸门变频器本身就是性能较好的电机保护器)，在电机过压、过流、缺相、短路等情况下自动断开电源以保护电机;
(2) 在闸阀门电机上端加装电流传感器，信号送至PLC，PLC对传感器信号进行模/数处理后，发现异常情况断开相应的接触器电源。
闸阀门限位开关均使用进口元器件，动作可靠，并全部使用双限位，即一旦某一限位开关发生故障后，不影响船闸的安全运行，系统对限位开关的运行状况具有自动检测功能，便于机电养护人员进行检修。
6 结束语
自施耐德Quantum系列PLC在船闸控制系统中应用以来，以其优异的性能，极低的故障率，大大提高了船闸控制系统的安全性与可靠性，有力地保障了苏北运船闸的安全与畅通。可以预见，随着船闸电气自动化控制要求的逐步提高，终将实现船闸综合自动化，施耐德QuantumPLC必将在船闸有着更广泛的应用。
1 引言
“Moldmaster MoldingLine”是圣戈班(马鞍山)铸管有限公司投资建设的一条连铸生产线。该项目位于安徽省马鞍山市慈湖地区，项目总投资额数亿。主要包括连铸系统、供砂系统、干砂系统、精加工系统等。其中系统为本工程的核心部分，直接决定该工程项目的成功与否。
该项目总承包由荷兰GEMCO公司承建，安装由中机四建实施。自控系统共有三大部分，分别为连铸系统、供砂系统、干砂系统。其中供砂系统由GEMCO公司负责集成实施，其余两个系统由上海海得控制系统有限公司南京分公司负责集成实施。本文主要介绍连铸(Moldmaster)系统部分。
2 工艺描述
Moldmaster生产线共包括十个子系统，如图1所示。
图1 Moldmaster生产线
(1) Moldmaster，完成模型的更换和模箱的制作系统，可以处理A/B两种不同的模型;
(2) Rollover，主要完成模箱的反转，为合模系统做好准备;
(3) Walking beam，模箱的传输系统;
(4) Mold closing，合箱系统;
(5) Mold placing，模箱的搬移系统;
(6) Weight transfer，压块的搬移系统;
(7) Mold conveyor，模箱传输系统;
(8) Push off/Elevator，推进和提升系统;
(9) Punch out，打出系统，主要是将冷却后的产品从砂箱中打出;
(10) Splitter，分箱系统。
与该系统密切相关的辅助系统有干砂系统和供砂系统。干砂系统主要完成源砂的净化处理(灰尘、枝叶、垃圾等)和烘干;供砂系统主要完成工艺用砂的配置并为Moldmaster系统供砂。
3 系统配置
系统采用了的Premium57系列PLC，考虑到该工艺生产线的分布特点，遵循经济、简单、易维护、可靠性等原则采用了该系列PLC中应用为广泛的FIPIO总线方式，这样相关的一些输入输出设备可以就近安装。采用总线方式，使该系统的设计、成套、安装、调试、维护等工作的工作效率都得到了极大的提高，为该系统的顺利按期竣工提供了技术性的保证。
系统网络以及配置如图2所示。
图2 系统网络以及配置
4 FIPIO现场总线
FIPIO总线是TE公司主推的现场总线之一。该现场总线完全兼容FIP和WORLDFIP标准，多可连接128个站点，距离远达15KM，可用于连接传感器、执行器和终端设备。
FIPIO主要支持的设备有:PLC;分布式模块;编程终端;监视系统;操作编程器;变频器;其他符合FIPIO标准的第三方设备。
FIPIO总线上设备共计可以连接128个站点，地址从0到127，其中0号站点预留为FIPIO主站管理器地址，63号站点预留为编程终端，其他地址都可以自由编址为输入输出设备。每个输入输出设备有地址编码DIP设置开关，软件设置需要和硬件设置相一致。
总线特性如下:总线类型:开放式的工业现场总线，WORLDFIP标准。拓扑结构:总线式。数据存取方式:主从结构，由总线仲裁器及FIPIO管理器负责处理。通讯速率:1Mbps。通讯距离:15000m。通讯介质:屏蔽双绞线(150Ω)。站点数量:128(0号站点预留为主站)。网段数量:多44段。编程终端:默认地址为63。单段长度:电气网段段长为1000m，光纤网段段长为2500m或3000m(取决于光纤)
典型的FIPIO网络图如图3所示。
图3 FIPIO网络图
5 功能开发
主要实现功能:
(1) 系统总貌以及急停记忆查询功能;
(2) 各个子系统的详尽系统动态显示;
(3) 故障记录和历史查询(200个);
(4) 产品生产记录;
(5) 手动、自动操作模式;
(6) 记忆和系统恢复;
(7) 安全操作。
5.1 操作模式
该系统采用图形界面加结构化文本的编程方式(Graph7+ST)，采用图形编程方式简单、形象，非常适合于流程化编程和步序操作方式。主要工作方式分别为急停模式、手动模式、自动模式。操作模式参见图4所示。
图4 操作模式
(1)急停:在该模式下，所有可执行设备闭锁输出，并将在电气回路中切断电源(硬件回路中采用安全继电器模块)，双通道保证系统的安全冗余。当急停按钮动作或安全门被违规打开时都将进入急停模式;
(2) 手动模式:主要供系统测试、调整、检修、维护等操作。该操作模式下没有联锁和保护;
(3)自动模式:该操作模式为系统的主要操作方式，可以实现连铸生产线的全自动化运行。
5.2 系统总貌和急停查询分析
本部分内容主要是整个系统的流程分析，供操作人员熟悉和学习使用;提供了整个系统的急停记忆和查询功能。如图5所示。
图5 急停记忆和查询功能
急停开关动作或安全门违规打开后将导致系统切换至急停模式，并将屏蔽系统的操作。整个系统中的急停操作按钮有数十个之多，并且有的按钮为短脉冲信号，当动作复位后，无法得知是那个系统或那个相关工段的操作人员操作。在PLC内将所有急停信号的动作情况记忆保存，便于启动前对系统有一个正确的分析和处理。待处理完毕后操作急停复位按钮对记忆系统复位，方可以开始系统地重新启动。
5.3 各个子系统动态显示
本部分为HMI系统为常规的功能，主要完成系统的动态测试。如图示6(子系统)所示。
图6 子系统动态显示
5.4 故障分析
(1) 故障界面
由于该系统控制复杂，检测开关以及执行设备多大多设备安装拆卸极为不便，给系统的检修和维护带来很大困难。在本系统中我们设计并使用了大量的故障处理，使各种可能出现的故障分析、报告和汇总，给操纵人员在时间内了解设备运行和故障原因提供了可能和保障。界面如图7所示。
图7 故障分析界面1
图7是当前新的五个故障显示，主要包括故障时间和内容。在内容描述栏中包含了故障设备和故障原因，供维护人员检修参考处理，处理完毕后操作故障复位按钮，清除当前故障。除了可以参看当前新的故障外，还提供了历史故障的查询，设计保存新的200个故障，在PLC内存允许的情况下，可以放得更大。如图8所示。
图8 故障分析界面2
每个页面可以显示20个故障，200个共分为10页分别显示，按键翻页察看完成。每个故障包含故障时间(年月日时分秒)和故障内容。主要实现如下样例(一个移动梁的前行动作):
(*advance walking beam*)
IF NOT Default_walking_beam THEN
RESET Sv_retract_walking_beam;SET Sv_advance_walking_beam;
(*walking beam advanced not reached after movement*)
IF %X32.1.T>100 THEN
Numdef:=603;SET Default_walking_beam;SR0;
END_IF;
END_IF;
如图8程序所示，如果系统无故障则执行工作梁的前推动作;正常情况下5s该动作既可以完成，如果超过10s，该动作还没有结束，则调用故障处理子程序SR0。
IF Numdef>=1 AND Numdef<=9999 AND Ptrdf<5 THEN
(* non-existent test number in the table *)
IF FIND_EQW(Tbndft:5,Numdef)=-1 THEN
(* storage of the number at the end of the table *)
Tbndft[Ptrdf]:=Numdef;
INC Ptrdf;
(* storage of the fault number in the event archiving buffer*)
IF Numdef<>Memdef THEN
Num_evenement:=Numdef; SR1;
END_IF;
END_IF;
END_IF;
RETURN;
故障处理子程序主要记录当前故障号，并调用故障处理子程序SR1，将当前故障以及故障发生的时间信息压入存储区:
(*Event number archiving *)
(* archiving table 5 word offset *)
Teven_1_0:995:=Teven_0_0:995;
(* archive event number, second, hour-minute, day-month, year*)
Teven_0_0:=Num_evenement;
Teven_0_1:=Seconde;
Teven_0_2:=Heure_minute;
Teven_0_3:=Jour_mois;
Teven_0_4:=Ann;
RETURN;
从Teven_1_0开始的1000个字保存近的200个故障信息，每个故障占用5个字的空间。当故障发生后将可以在HMI上以故障描述的方式显示，供操作人员检修处理参考。如下所示:
“17:40 walking beam advanced not reached after movement”
这样操作人员就可以直接检查移动梁的到位信号是否正常或者移动梁的驱动部分是否正常。
(2) 系统处理的故障类型
●实际的故障信号:如过压、高温、热保护等;
●系统判断分析的故障:动作执行前信号有故障;主要是检测设备问题和误操作问题;动作执行后不到位信号;主要是检测设备问题或执行设备问题，如设备未动作、异常情况导致动作过慢等;
●I/O模块故障;
●通讯模块故障(上层以太网的检测);
●总线设备的断点检测。例如比如远程站点的异常退出，电源故障等。
5.5 产品分析
该部分主要完成系统生产状况的统计，主要包括:单件平均时间、系统每小时产品数量、系统累计运行时间、系统累计生产数量及类别、总要求生产数量、剩余待生产数量等。该部分功能完全在PLC内实现，HMI仅提供界面显示，如图9所示。
图9 产品分析界面5.6 记忆和系统恢复
由于该系统相关的检测设备和执行设备较多，控制相对较为复杂。故障或紧急停机后，会有部分执行设备处于中间位置。如果由操作人员操作或系统自动使之到要求位置则十分麻烦，切有可能导致设备的冲突和撞击，本系统编写了大量的记忆程序。当系统因为故障或者紧急停机而闭锁设备动作后，自动保存当前状态。由于系统中有部分设备属液压驱动，紧急停机后这些设备会因为油压的原使位置有所变动(比如提升机构，在重压下可能慢慢降落)，要特别注意该类设备的状态分析。
5.7 安全操作
(1) 系统安全设计
系统中安全区域(危险区域)共有两个，其中一个是Moldmaster部分，当Stripper部分需要人为调整时，操作和维护人员必须进入该生产区域内部进行操作，系统其他部分保持正常运行不停机，这就带来了人员的安全问题。系统设计设置了安全操作，保证既不停止系统的整体运行又可以保证操作人员的人身安全。
(2) 安全操作设计
●由操作人员在危险区域外操作相关按钮，向系统发出安全操作指令;
●系统接到请求指令后完成当前一个周期的动作，满足相关条件后，闭锁该部分的自动执行;
●向操作人员发出授权指示，提示操作人员可以进入该区域操作;
●断开区域外隔离保护开关，并上锁;
●打开安全门，进入危险区域;
●合闸危险区域内隔离开关，驱动设备上电;
●依据就地操作盒调整设备;
●操作完毕后断开区域内隔离开关，退出该区域;
●关闭安全门，并上锁;
●合闸区域外的隔离开关;
●操作完成按钮，告知系统该操作完成;
●子系统继续转入自动模式。
6 结束语
该系统于2004年9月份开始投入使用，到目前为止已经运行一年有余，运行安全可靠，并且监控画面清晰，切换灵活，自动化程度高，减少了劳动强度,提高了劳动生产率,满足了生产过程的自动化控制，获得了。