西门子模块6ES7223-1BF22-0XA8产品特点
1 引言
近年来,我国电力装机容量速度增加,大大缓解了供电紧张的局面。随着供电量的增加,系统线损也将增大。据统计,电力系统的无功功率损耗多可达总发电容量的20%～30%,也就是说大约1/4的发电容量都将用来抵消输配电过程中的功率损耗。所以功率因数越低，对电力系统运行越不利，主要原因有如下两方面：
1）发电机、变压器的额定视在功率为SN=UNIN，它代表设备的额定容量，在数值上等于允许发出的大功率。因为发电机在额定工作状态下发出的有功功率为
P=UIcosφ
当负载的功率因数cosφ=1时，PN=SN，其容量得到了充分利用。当负载的功率因数cosφ<1时，发电机的电压和电流又不容许超过额定值，显然，这时发电机所能发出的有功功率较小，而无功功率则较大。无功功率越大，电路与电源之间能量交换的规模越大，发电机发出的能量得不到充分利用。同时，与发电机配套的原动机及变压器等设备也不能充分利用。
2）在电压一定的情况下，对负载输送一定的有功功率时，功率因数愈低，输电线路的电流就愈大。不仅增大线路上的压降，同时也加大了线路上的功率损耗。
由此可见，提高电网的功率因数即无功补偿，对国民经济的发展有着极为重要的意义。
2并联电容器进行无功补偿
1） 补偿原理
实际工程中大多数为感性负载，其功率因数都比较低，感性负载并联电容器是提高功率因数的主要方法之一。
感性负载的电流超前于电源电压，而容性负载的电流滞后于电源电压，所以超前电流与滞后电流的可以互补,从电容并联点之前的电源（或电网）吸收的无功功率减少了,也就是电容性负荷的无功功率补偿了电感性负荷的无功功率。当电网容量一定时,使无功功率减少,从而可大大提高功率因数。
2） 补偿与控制方式
常用补偿的方法：一种是集中补偿（补偿电容集中安装于变电所或配电室，便于集中管理）;一种是集中与分散补偿相结合（补偿电容一部分安装于变电所，另一部分安装于感性负载较大的部门或车间。这种方法灵活机动，便于调节，且可降低企业内供、配电线路的损耗。
补偿常用控制方式：
根据用电设备负载的情况，测算出补偿电容容量，选用合适的无功补偿装置，并利用交流接触器进行分级手动投切电容。这种控制方式显然不能满足自动化工业控制的要求。
由分立元件组装的自动控制设备，这种产品元件繁多，设备笨重庞大，线路复杂，可靠性差，出现故障时维修难度大。有的使用单位由于设备无法修复，只好人工手动来进行控制，在科学技术迅速发展，集成电路、微电子技术已经普及的，这种状况已远远不能适应现代化生产的要求。
以单片机为主控单元的电压无功控制系统得到很大发展，但单片机抗干扰能力较差，在中、高压无功补偿领域的可靠性不易保证。另一方面电压等级越高的变电站其辐射范围也越大，故障的波及面也大，因此系统对它的控制能力、通信能力要求也更高。
3PLC无功自动补偿系统设计
3.1 PLC的引入
PLC是以微机技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，它的结构形式基本上与微型计算机相同，小型PLC是为取代传统的继电接触式控制系统和其它顺序控制器而设计的，故又与通用微型计算机的硬件有所区别。它是把继电器控制的优点，与计算机的功能齐全、灵活性、通用性相结合，用计算机编程软件逻辑代替继电器接线逻辑的通用性自动控制备。是一种较理想的新型工业控制装置。因此，对大港油田炼油厂无功自动补偿系统进行了改造，在原分立元件组装的补偿设备的基础上，设计了可编程控制器（PLC）无功自动补偿系统。
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3.2 系统的硬件设计
原分立元件组成的无功自动补偿控制器主要由相角检测电路、加法电平转换与延时电路、减法电平转换与延时电路、可逆计数器、译码器、输出电路等十部分组成，改用PLC控制后，系统构成的硬件框图如图1。
原系统的主回路、相角检测电路、输出电路、稳压电源继续采用，而加法电平转换与延时电路、减法电平转换与延时电路、时钟脉冲发生器、可逆计数器、清零电路、译码器等硬件电路的控制功能用PLC实现。相角检测电路的输出信号较弱，不足以驱动PLC的输入，所以该信号要经放大处理后，作为PLC的输入信号。根据系统的控制要求，利用PLC的软件实现自动控制。原输出电路中的三极管开关电路，用PLC的输出继电器实现。由于受到PLC输出点容量的限制，加入中间继电器作为输出电路。
3.3 PLC的选型
选用日本OMRONC28P作为控制主机，其主要技术参数和性能为：存储容量1194地址，内部辅助继电器136点，保持继电器160点，定时器/计数器48个，输入光电隔离，输出继电器隔离，主机I/0点数可扩展为80/60点，具有基本逻辑指令和功能较全的专用指令，具有较强的数据处理能力，可以满足无功自动补偿控制系统的要求。
3.4 PLC软件设计
控制程序采用模块化、结构化设计，层次分明，结构清楚。程序流程图如图2。检测模块随时采集用电系统的相角信息，然后和给定参数进行比较，如果不满足要求，及时投入或切除补偿电容器，保证用电系统的功率因数满足设定要求。
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4PLC无功自动补偿控制系统的优点
4.1可靠性高。
采用分立元件组装的控制系统，每个部分都由几十个元件成，整个控制器有数百个元器件，任何一个元器件出现问题都会造成整个控制器故障而不能正常工作。而采用PLC进行控制，使线路大大简化，从根本上减少了故障的机遇。另外还采用了模块式结构，使得该系统的可靠性大大提高。
4.2抗干扰能力强
由分立元件组成的控制系统，其中采用了大量的二极管、三极管、电容等元件，对电路的工作环境和温度有一定的要求而PLC是专为工业控制设计的，在设计和制造过程中采取了多种抗干扰措施，可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作，抗干扰能力强，运行稳定性高。
4.3便于安装，维护方便
与分立元件控制系统比较，PLC控制系统体积小、重量轻，便于安装。该系统具有自检和监护功能，而且能动态地监视控制程序的执行情况，为现场的调试和维护提供了方便，由于接线少，所以维护方便，修复时间短。
5 结论
实际运行结果证明，以上控制系统完全满足技术指标要求。采用PLC进行无功自动补偿控制，整个系统结构简单，运行稳定，可靠性高。无论从经济的角度考虑，还是从技术方面分析，都不失为佳的选择。
本文作者创新点:采用PLC进行无功自动补偿，提高了无功补偿系统的可靠性和系统的无功优化，组态灵活，易于扩展;对无功补偿系统老设备的改造有着较高的参考价值和非常广阔的前景。
1 前言
某钢铁厂造型生产线一直以来使用美国TEXAS INSTRUMENTS 公司的MEDEL 560PLC系统，采用模拟盘操作显示（系统框图见图1）。由于该系统为上世纪80年代的产品，已经严重老化，没有备件更新。因此，生产线急需进行改造。
图1、系统框图
根据现场情况，拟设计一套控制系统对生产装置进行控制。新系统要求有数据采集和存储、流程显示及控制、连锁、报警报表,安全维护等功能。而且稳定可靠，监控画面符合操作习惯。
2 现场总线选择
在现场总线领域内,近十年来,世界上出现了多种有影响的现场总线.现已成为德国和欧洲标准的PROFIBUS现场总线,是一种开放的、不依赖于生产厂家的通信系统,是一种比较成熟的总线.
此造型生产线系统工艺复杂，I/O点较多且位置分散，其中数字I/O信号184点，模拟信号64路，这些信号分布在整个车间，控制并监测着每部机器的正常运行。基于上述原因,我们在此生产线技术改造工程中采用了PROFIBUS-DP过程现场总线技术,实现了生产过程的通信、分布式控制、上位机的集中监控及可视化等功能.
3 PLC控制系统设计
PLC选型根据通用性、标准性、可靠性等原则，并考虑高的性能价格比，故新建系统采用德国SIEMENS S7-400PLC作为数据采集控制系统，上位机采用WINCC5.0作为组态软件。
SIEMENS公司是国际上的大公司，其PLC系统成熟、性能稳定、价格适中、备件方便，是一款性能价格比比较高的PLC系统。SIEMENS S7-400PLC系统采用工业PROFIBUS局域网形式，结构安全、稳定、可靠、可扩充性强。本设计考虑PLC和扩展单元之间PROFIBUS连接，PLC和总站之间使用ETHERNET连接。这样的设计使得PLC系统相对独立，而操作站与其他网络的连接较为灵活。
3.1系统设计
控制系统网络结构图如图2所示。
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图2 系统网络结构图
系统网络结构分为二层，即下层控制网和上层管理网。
下层控制网采用双芯屏敝电缆，适合PROFIBUS，满足现场信号的采集、处理和控制器的通讯，为PROFIBUS-DP现场通讯网。
上层管理网分为TCP/IP协议的管理以太网，通过OS站、ES站上的网卡连接，主要实现工程师和操作员站之间文件管理。
3.2软件及组态设计
操作员站OS和工程师站ES均采用微软中文版bbbbbbS 2000和Internet explorer6.0，使得除工程师组态以外的所有信息、界面均实现汉化。
操作员站另加载了SIMATIC WINCC RT 64K Tags、 NET Profibus-S7、PDM等监控软件。
硬件组态也是一种图形化的组态方式，十分方便。对某一过程站而言，实际带有若干ET200远程I/O，组态画面中，就在该过程站后的PROFIBUS-DP网络线上拖放几个IM153模块形成几个ET200远程I/O接点（本系统根据实际需要选用7个从站）。硬件组态中的所有模块，都可以从S7提供的元件库中找到相应型号、定货号的模块，将其拖放至与实际安装相对应的位置即可。
硬件组态配置完成后，下载到相应的过程控制站。这样，就使得实际硬件安装模件和硬件组态相一致，从而，I/O模块上的每一点的点号地址就得以确定。
系统欲留网络接口可以同公司局域网连接，相关信息画面通过IE浏览的方式在局域网上实现信息共享，为管理层提供必要的信息。
4上位机及组态软件选型与设计
上位机选用DELL计算机，DELL 21"平面直角CRT并配打印机。组态软件选用 SIMATIC公司WinCC5.0组态软件。
主站部分主要软件流程图如3所示。
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图3 主站软件流程图
系统主要特性为：
⑴图形用户界面（GUI）
WinCC5.0允许用户使用易于理解和配置的工具为他们的应用程序快速开发定制的屏幕。
⑵分布式的历史数据系统
分布式的历史趋势数据系统允许用户动态地为趋势图的每支笔指定不同的历史文件数据源。这种特性允许操作员在同一
个趋势图中查看本地WINCC的历史数据和SQL Server的历史数据。
⑶动态引用地址
用户可以更改对数据源的引用，以便使用同一个标记名称定位多个数据源。
以PC机为基础和标准的操作系统;可选不同容量规模;所有SCADA功能（开放的系统内核）：图形系统，报警信息系统，变量存档，用户档案库，报表系标准接口，编程接口;各种PLC系统的驱动软件。该软件全面开放，易于学习、使用，利于开发应用、维护管理。
5 结束语
经实践证明，采用PROFIBUS-DP和Ethernet组建的工业网络控制管理系统实现了分布式控制，可大大降低现场连接工作量和费用，提高信号的传输精度与灵活性。采用SIEMENSS7-400PLC以及WinCC5.0实现了控制手段的更新和控制效率的提高,使人机交互可视化以及生产管理与控制的一体化，给系统的安装、调试和设备维护带来方便。
伺服系统的常见故障有以下几种：
1．超程
当进给运动超过由软件设定的软限位或由限位开关设定的硬限位时，就会发生超程报警，一般会在crt上显示报警内容，根据数控系统说明书，即可排除故障，解除报警。
2．过载
当进给运动的负载过大，频繁正、反向运动以及传动链润滑状态不良时，均会引起过载报警。一般会在crt上显示伺服过载、过热或过流等报警信息。同时，在强电柜中的进给驱动单元上、指示灯或数码管会提示驱动单元过载、过电流等信息。
3．窜动
在进给时出现窜动现象：①测速信号不稳定，如测速装置故障、测
速反馈信号干扰等；②速度控制信号不稳定或受到干扰；③接线端子接触不良，如螺钉松动等。当窜动发生在由正方向运动与反向运动的换向瞬间时，一般是由于进给传动链的反向间隙或伺服系统增益过大所致。
4．爬行
发生在起动加速段或低速进给时，一般是由于进给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益低及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是：伺服电动机和滚珠丝杠联接用的联轴器，由于联接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠转动与伺服电动机的转动不同步，从而使进给运动忽快忽慢，产生爬行现象。
5.机床出现振动
机床以高速运行时，可能产生振动，这时就会出现过流报警。机床振动问题一般属于速度问题，所以就应去查找速度环；而机床速度的整个调节过程是由速度调节器来完成的，即凡是与速度有关的问题，应该去查找速度调节器，因此振动问题应查找速度调节器。主要从给定信号、反馈信号及速度调节器本身这三方面去查找故障。
6．伺服电动机不转
数控系统至进给驱动单元除了速度控制信号外，还有使能控制信号，一般为dc+24v线圈电压。伺服电动机不转，常用诊断方法有：①检查数控系统是否有速度控制信号输出；②检查使能信号是否接通。通过crt观察i/o状态，分析机床梯形图(或流程图)，以确定进给轴的起动条件，如润滑、冷却等是否满足；③对带电磁制动的伺服电动机，应检查电磁制动是否释放；④进给驱动单元故障；⑤伺服电动机故障。
在或其他数控设备中，往往都会用到光栅尺或编码器等位置传感部件，用以来测量机械运动部件的实际运动位置及速度信息。那么光栅尺或编码器测量到的数值，就需要专门的接收部件来处理。一般的编码器输出的信号是ab（或abz）相正交编码信号，之所以这样编码也是为了将方向信息加入码流，同时也有利抗干扰等方面的处理。因此在接收这个信号时就需要专门的解码接口电路，将所得的数据也就是实际运动位置/位置信息传递给处理单元，或通过总线（比如pci）传递给数控设备的中央控制系统中，让控制系统的软硬件根据测来的实际信息与理想（逻辑）信息进行对比，然后根据比较的误差结果再去调节运动部件的位置和速度，或做其他中断、开关性的输出动作以达到控制机械运动的目的。甚至，通过一套完整的算法来把位置、速度、力矩等信息纳入体系中来，做实时反馈处理，这也就是我们所说的闭环（半闭环）处理，我们常见的算法就是pid（或pi）算法。这样以来，就比较方便于让机械设备在全自动的运行下达到快、准、柔的特性。
图1：sm2100功能框图
图2：解码计数部分的原理