6ES7231-7PC22-0XA0产品规格
1引言
PLC广泛应用于工业控制领域,因其具备良好的扩展性和独有内部逻辑的二次编程功能,大大扩展其在工业生产和工业控制领域的应用范围。本文从电力系统智能装置的自动测试系统原理出发,简要介绍自动测试系统结构,详细介绍PLC在本系统功能和具体应用, 并针对PLC在电力系统智能装置自动测试系统特殊领域的应用中出现的触点检测的条件、采样数据上送和特殊控制逻辑的要求问题进行讨论,并给出一般解决办法。实践应用表明,可编程控制器的良好的扩展性和其独有逻辑编程特点有效扩大其应用领域和范围。
2 系统基本原理
电力系统智能装置一般包括是继电保护装置和测量控制装置。继电保护装置主要功能是保护电力系统的一次设备安全运行,确保电力系统输电系统的安全运行,而测控装置主要负责电力系统开关的控制和电气量的测量,二者构成完整电力系统二次保护设置。
从电力系统智能装置和外部一次设备的发生联系的主要电气量包括:一次设备的模拟量、一次设备的信号开入和继电保护出口三个主要部分。模拟现场运行环境的电力系统智能装置自动测试系统也必须具备模拟量输出、开关量输入和开出触点的检测功能,但不仅于这三部分的功能的检测,其他还应包括时钟同步等等功能的检测。
目前, 电力系统智能装置是属于微机型,其具备完好信息记录功能,具备和其他外部系统良好的信息交换功能。电力系统智能装置的自动测试系统应包括四个主要的功能:用于模拟故障模拟量输出模块、提供保护装置开人的开入模块、用于检测保护装置动作接点的开出检测模块和装置信息的解析模块。电力系统智能自动检测系统的基本原理:通过专用设备模拟电力系统故障状态模拟量输出,并通过开入模块提供保护装置的开入量,从而满足保护装置保护动作基本条件,通过解析保护装置的信息和检测保护装置的动作出口触点, 从而完成保护装置的基本功能的检测任务。
3系统组成和各模块基本功能
从电力系统智能装置的自动检测系统原理的出发,一个完整的电力系统智能装置的检测系统包括:微机继电保护测试仪、保护装置的开入模块、保护装置的触点检测模块和控制计算机模块。自动检测系统它主要由测试控制计算机、微机继电保护测试仪、可编程控制器、被测智能装置构成。
微机继电保护测试仪接受自动测试控制平台发出控制参数及命令类型, 向保护装置输出模拟量,完成向保护装置输出模拟量完成保护功能的测试, 并及时将测试仪器反馈信息以标准统一格式上报到自动测试控制平台。
可编程控制器根据自动测试控制平台发过来的命令, 输出开关量信号,实现保护装置硬压板的控制和保护开关量输出功能,将基于保护装置继电器开出触点检测输入的采样数据, 上送自动测试控制平台,为保护动作触点判断提供连续有效开入量采样数据。
测试控制计算机是整个控制系统的核心硬件,它通过网络和系统中其他硬件进行信息交互,控制继电保护测试仪向保护装置输出模拟量,接收保护装置信息解析模块上送的保护动作信息并通过其完成对保护装置的控制,控制可编程控制器输出保护测试的开入量命令,检验保护装置继电器开出触点动作。
微机继电保护测试仪选用北京博电PW30AE, 可编程控制器选用GE公司的GE-9030,可编程控制器通讯模块使用以太网模块。
4 PLC应用主要问题及解决办法
可编程控制器在本系统的任务是完成智能装置的保护出口继电器触点或者遥控触点的检测和智能装置的遥信开入检测,具体到可编程控制器各模块是开入模块负责检测出口继电器触点导通和开出模块负责提供开出完成智能装置的遥信的检测功能。为了交换信息的需要,可编程控制器必须配置相对应的通讯模块以满足可编程控制器和上位机信息交换要求。
在本系统设计时, 对开入模块的功能有具体的要求,这些要求是和电力系统的智能装置实现的功能是密切相关,如触点类型和触点的导通时间等,必须分析智能装置的保护出口继电器触点和遥控触点检测的具体要求,并以此为要求进行可编程控制的硬件选择和内部逻辑回路的设计,充分满足本系统对触点检测的特殊要求。可编程控制器的开出模块逻辑回路的设计也必须满足本系统的特殊需要。
4.1 继电器出口触点检测特殊要求
可编程控制器开入模块负责检测继电保护出口继电器辅助触点的通断情况,并将开入模块数据上送到控制计算机,并作为控制计算机自动检测成功标准之一。可编程控制器开入模块检测功能的强弱决定本系统的可靠性和稳定性。
继电保护装置的出口继电器触点包括四类:保持型常开接点、保持型常闭节点、瞬动型常开接点和瞬动型常闭节点。对于保持型出口触点的检测来说,可编程控制器的开入是满足自动检测的需要。而对于瞬动型触点的检测,可编程控制器开入模块检测功能是否满足要求取决于PLC本身扫描周期T1和瞬动接通的时间T2两者的关系。考虑到可编程控制器由于扫描方式引起开入延时长可能达两个扫描周期,如果保护装置的瞬动触点的接通时间T2大于两倍的扫描周期T1,该触点的状态变化就可以被PLC 开入模块所检测到。
瞬动触点的接通时间取决两个因素,一是装置软件内部对瞬动继电器出口延时整定的时间,目前各厂家提供的技术参数来看,装置软件触点延时的时间一般设置为50-100毫秒,二是出口继电器本身动作时间和断开时间参数也会影响瞬动触点的接通时间。假设瞬动型触点的接通时间为100毫秒,要求可编程控制器的扫描周期的时间小于50 毫秒,才能保证可编程控制器的开入模块的检测功能的有效性。
可编程控制器的扫描周期和可编程控制器的硬件参数和用户的程序的大小有密切的关系。只要通过硬件配置和相关技术手册提供的技术参数并结合用户的PLC程序指令类型和各指令类型数目计算出可编程控制器扫描周期, 选择合适可编程控制器模块, 保证可编程控制器扫描周期小于50毫秒,保护装置的瞬动型触点检测就可以在可编程控制器开入模块来完成。
4.2 上位机数据采样特殊要求的实现
在前面小节中, 讨论了可编程控制器必须满足检测保护装置的四类节点的检测的基本条件。但前面条件的符合,只能保证PLC开入模块能够检测保护装置动作触点状态的变化情况。在自动测试系统设计中,可编程控制器的开入模块仅仅采集触点状态,而完成触点状态检测标准判断是在控制计算机中完成,如何保证上位机能够得到完整、连续的基于采样周期为50毫秒可编程控制器开入模块采样数据是本系统必须要解决的关键问题。
电力系统智能装置自动测试系统检测的对象是继电保护设备中出口继电器动作情况,由于继电保护设备的动作的快速性,部分保护动作时间实现小于50ms,部分出口继电器触点状态在较短的时间会出现反转,根据系统设计要求,要求上位机能将保护动作前和保护动作后出口继电器接点动作情况进行检测处理,并将动作前后出口继电器接点状态作为该系统中继电器接点检测判断依据。要通过上位机和可编程控制器通讯数据交换,实现采样时间间隔不大于50ms可编程控制器开入采样数据上送到上位机的目标。
目前, 上位机获得可编程控制器的开入采样数据是通过通讯交换信息得到,而提高上位机和PLC数据信息交换效率是解决数据采样的实时性的措施之一,但仅仅依靠提高上位机和PLC 数据交换速度是无法到达采样数据周期50ms 指标要求,上位机使用以太网介质能达到此要求,也会占用上位机比较多资源。由于可编程控制器扫描工作方式的特点,通讯模块频繁和上位机数据交换会影响可编程控制器其他模块功能执行,如影响可编程控制器扫描周期。
对于可编程控制器来说,在其内部实现50ms 采样周期的数据采样是完全可以的实现的,充分利用可编程控制器中数据转存和逻辑控制功能,将每50ms一次采样数据寄存到连续但不相同数据缓冲区。通过采样周期时间的整定,结合上位机和可编程控制器通讯协议的大数据长度,上位机只需要在给定的时间内进行一次读取多次采样数据即可。上位机读取采样数据后,根据PLC采样数据转存的原则和逻辑,将已接收到采样数据进行采样时序的还原即可。
4.3可编程控制器顺序开出的实现
可编程控制器开出模块顺序开出主要是满足电力系统测控装置的遥信检测要求, 设计具体要求为:①上位机下发一次命令,启动顺序开出,PLC接受命令启动顺序开出逻辑回路,由可编程控制器本身完成开出模块开出接点顺序开出。②在顺序开出过程不允许出现两个开出接点接通状态。③顺序开出执行一次完毕即可停止开出。
设计基本思路: 在启动命令后, 启动维持一个扫描周期时间的定时T1 脉冲信号回路,启动另一个计时器T2(T2<T1)。在一个扫描周期脉冲到来时,由设定计数器和目标进行比较, 决定开出继电器序号, 开出执行并保持时间T2后,计数器加一和执行复位判断程序, 等待下一个脉冲到来后执行上一过程直到全部执行完毕。
设计维持一个扫描周期时间的定时脉冲信号,定时的时间参数为两个开出之间的时间。一个周期定时脉冲梯形图如图1所示。通过修改定时器类型和计时器参数,确保M100 能够在T1 的时间后产生一个能够维持一个扫描周期间的脉冲信号,是一个通用的标准的定时脉冲信号程序。M103 为定时脉冲到来后宽度为T2 脉冲。
图1 定时脉冲信号程序和梯形图
在定时脉冲到来时, 通过数据比较程序, 由计数器R500当前值和特殊指定值比较进行逻辑判断,决定是否接通中间继电器,再由该中间继电器决定控制特定的开出,并在自保持回路中串联一个M103中间继电器触点状态,以控制开出维持的时间。数据比较驱动程序和梯形图如图2 所示。
图2 数据比较驱动程序和梯形图
执行一次开出后, 执行计时器计数和复位程序, 本文中使用M00400-M00404 分别控制第1 个到第5 个开出的执行,每次执行开出后均进行计数器自加一,并通过计数器逻辑回路进行计数器复位。计数器复位后立刻复位启动线圈,结束本次顺序开出控制任务执行。计数器计数和复位梯形图如图3所示。
图3 计数器计数和复位梯形图
通过以上控制逻辑的设计,实现启动顺序开出功能的实现, 并实现系统要求一次启动,按照循序开出不重叠。通过此逻辑的实现,可以简化上位机在进行遥信检测的控制逻辑,充分利用可编程控制器开入开出二次编程功能,在不影响可编程控制器性能指标上,减少上位机和可编程控制器的控制命令的交换,提高上位机遥信的检测效率。
5 结束语
在本系统设计中, 充分利用可编程控制器模块化的组合特点以及其独有开入开出二次逻辑编程的优点,保证系统设计功能的实现的减少系统主控制平台的在开入和开出功能检测资源开销,并带来系统稳定性和可靠性。可编程控制器独有可编程的特点为其在工业领域的应用奠定坚实的基础,随着计算机技术的的发展,特别可编程控制器的核心模块CPU运算的速度得到提高,通过提高指令的执行速度和扩展其计算功能,可编程控制器在工业控制领域的应用会越来越广泛。
在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。以太网现场总线就是利用当今世界上流行的开放式局域网Ethernet作为工业I/O控制模块的通信网络，作为真正开放式的现场总线系统。
工业以太网专题">工业以太网协议主要有以下几种：ModbusTCP/IP（Schneider，1998）、Interbus（Phoenix，1999）、EtherNet/IP（ODVA，1999）、IDA（Vendor Alliance，2000）、HSE（Foundation Fieldbus，2000）、ProfiNet（Profibus，2001）。
EAST极向场电源控制系统由12套电源子系统组成，在空间上具有较强的分散性，需要发送至现场的控制量信号及采集的状态有上千个，如此分散而庞大的信号量要实现实时、可靠的通信好的解决方法就是采用工业现场总线。考虑到以太网技术的成熟性、开放性及高的性价比，极向场电源控制系统使用德国WAGO公司的以太网总线模块，采用ModbusTcp/IP协议，Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其他设备之间可以通信，它已成为一种通用工业标准。通过它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络进行集中监控。
Modbus/TCP协议是为制造自动化和过程自动化独立设计的一种开放的现场总线标准。它是MODBUS协议的变异，可以通过TCP/IP的连接来优化现场的通讯。MODBUS/TCP协议定义了通过以太网通讯时，服务器/客户机请求和响应消息的帧格式。如图1所示：
通讯标识、协议标识、单元标识均为16进制0x0000，这是因为底层的IP帧头中已经有类似的标识符。控制器通过IP帧头已经可以识别帧是发给谁的了。消息长度是用来描述此区域后总共还有多少个字节。功能代码是用来描述此帧数据是干什么用的。传输数据是用来描述想要读写的I/O通道，及所传送的数据值。 由于TCP/IP 协议以及链路层的求和校验机制可以保证数据包传递的正确性,Modbus/TCP协议中没有定义CRC-16 或LRC 校验。
WAGO以太网总线通讯时，需要在以太网标准上叠加几种重要的通讯协议。在ISO/OSI标准化模型的第三层网络层上需叠加IP,ICMP和ARP协议，在第四层传输层视传输情况需叠加TCP协议或UDP协议。现场总线适配器还包含了几种额外的用户协议以用于传输和接收数据。其中Modbus/TCP协议用于对模块读取和写入数据，端口号为502；Bootstrap协议用于配置总线IP地址；HTTP协议用于访问总线适配器中存储的HTML页面以监控总线适配器的状态，端口号为80。图2所示为数据传输时协议的叠加情况。
在WAGO以太网总线适配器和控制器的应用层有Modbus协议的多种操作程序，通过这些操作程序实现数字或模拟输入输出数据的对现场总线模块的写入或读出。在极向场电源控制系统中对WAGO总线模块的操作既有读取状态量的操作也有发出控制量的操作，通常采用操作程序代码为FC23:0x0017.
前，铝箔产品竞争日趋激烈，市场对铝箔的种类、质量、精度的要求也越来越高，特别是对于厚度仅为几十微米的铝箔产品。为了能在市场中立于不败之地，必须对铝箔的生产过程进行技术革新或改造。现阶段轧铝箔行业的自动厚度控制(AutomaticGaugeControl，AGC)系统，大多数是依靠工业PC进行控制，由于工业PC的稳定性和实时性不如PLC，本文针对冷轧铝箔生产过程，采取增设液压控制系统和以PLC为核心的AGC系统，实现了控制系统模块化、网络化的也大幅度地提高了铝箔冷轧机系统的控制精度。
1AGC系统的组合控制
AGC控制的目的是将轧机出口的铝箔厚度尽可能地控制在要求的目标值范围之内。为获得良好的控制精度，AGC系统设置了多种控制器和补偿环节，这些控制器和补偿环节分别由不同的测量仪表和传感器组成。AGC控制的输出值，始终作为补偿值施加到冷压机系统的液压压下伺服机构内环控制器之中。现阶段的铝箔生产过程中，为了获得厚度更加jingque的铝箔，尽量减少坯料波动、轧制速度不稳定等因素对铝箔厚度带来的误差，AGC系统利用组合控制的方法使铝箔厚度误差处于可以控制的范围之内。
组合控制的具体过程如图1所示，通过PI调节器的增益参数来实现对辊缝、液压伺服缸的位置以及压力的控制，确保了铝箔厚度误差值处于允许范围之内。一次PI调节起到了反馈控制的作用，控制器在一定的调节范围内对铝箔厚度作初步的PI调节;假如铝箔厚度没有达到期望的精度要求，AGC系统将会自动对铝箔厚度进行二次PI调节，二次PI调节是基于一次PI调节的溢出部分(处于盲区位置)作为误差信号进行的。
2AGC系统的硬件组成
如图2所示，采用西门子S7-400系列PLC作为AGC系统的核心控制单元。利用FM485功能模板提高了AGC系统实时性的也与分散的ET200通讯模块组成FROFIBUS-DP网络，进而减少了主站与测量点的接线。人机界面采用西门子公司生产TP27-6触摸屏，使用S7-400系列的443-1CPU完成主站与人机界面计算机的通信。位移信号的测量采用德国生产的MTS值传感器，左/右卷机的转速测量选用增量编码器，利用FM485功能模板上的值和增量编码器模块读取位移和转速值。相对于液压压下伺服机构的位置内环控制(APC)而言，AGC是铝箔厚度的外环控制，其输出信号主要是用来修正位置内环的辊缝设定值，通过液压伺服驱动，使轧辊快速动作，以达到迅速消除厚度误差的目的。
参与控制的信号有模拟量和开关量。模拟量信号可以使AGC系统的响应速度加快，进而提高了对于铝箔的精度要求(μm级)，模拟输入信号主要由传感器采集的位移、压力、速度值和测厚仪所测的厚度值组成，模拟输出信号由速度调节量和液压机伺服的调节量组成。设置开关量信号，主要是方便操作人员通过这些开关和按钮控制轧制铝箔的过程，开关输入量有测厚仪的状态信号和触摸屏的控制信号，输出则包括对测厚仪的控制以及与系统其他部分的通讯信号等。
AGC系统的控制原理框图如图3所示。该控制系统采用双闭环控制方式，测厚仪、S7-400系列PLC和轧机构成铝箔厚控制的外环，该外环控制由厚度监控环的下位机完成。内环使用了两个闭环，分别是控制伺服液压缸的位移传感器回路和液压压下伺服机的压力传感回路。
3AGC系统的软件组成
AGC系统的监控软件部分主要凭借TP27-6触摸屏的WinCCflexible组态软件来进行编写，能够实现对铝箔厚度、液压压力、直流调速电机的速度等值的显示，以及AGC系统参数设置和报警等功能。对于S7-400系列PLC来说，AGC系统的软件设计部分，主要依靠STEP7编程软件来实现，STEP7是用于SIMATICPLC组态和编程的标准软件包，该软件包提供了一系列的应用程序(工具)，其能够支持自动化项目创建的各个阶段，利用STEP7，系统设计人员可以通过在线诊断PLC硬件状态、控制PLC运行状态和I/O通道状态，开发出符合现实需要的PLC控制程序。
3.1 系统的软件设计原理
在进行软件设计之前，需要考虑AGC的功能执行过程和通信过程。如图4所示，系统软件设计的基础主要由三部分组成。
(1)触摸屏用来实现实时数据、系统状态和报警信息的显示，以及操作人员对轧机参数的设定和修改。
(2)传感器和伺服系统属于检测和执行部分，实时采集各种需要的信号并传入PLC，将PLC输出的数字信号或模拟信号转换成传感器和伺服系统的操作。
(3)PLC则是整个系统数据交换和处理的中心，主要功能是数据格式转换、报警判断、输出显示和厚度控制。从模板输入的数据信号必须转换成统一数据格式才能参与数据的运算与显示。设立公共数据区，无论是操作人员通过触摸屏设置的参数，还是传感器采集的参数，都必须存入公共数据区。数据区设为事件触发模式，当AGC控制器或其他运算需要读写数据时，事件触发之后就可以对数据区的数据进行操作。
3.2 软件设计
系统的软件设计流程图如图5所示，具体可分为自动操作和手动操作两部分。
铝轧机在工作之前，需要先将液压站的冷水泵和加热器打开，以便降低油温和均匀^^^化液的温度。在自动操作或手动操作之后，必须进行调零处理和P-H曲线测试，调零是为了使轧辊充分接触;P-H曲线测试是为了去掉轧机弹性曲线中的非直线部分，消除轧辊轴承引起的辊缝误差，避免辊缝差过大对铝箔板行造成不良影响。当进行辊缝调零和P-H曲线测试时，FM485通过压力传感器检测到带铝的张力，使液压缸工作在轧制力闭环控制方式下。其他情况下，液压缸一般工作在位置闭环控制方式下，具体过程如下：MTS高精度位移传感器检测液压缸的位置，被FM485模板上的值编码器获取，经过PI算法之后，输出电压值到伺服驱动，从而完成对液压缸的位置闭环控制。
铝箔的厚度控制过程具有时间滞后性、多时变性和非线性。为解决此问题，本系统采取模糊PID控制算法，模糊PID控制适合于多变量、非线性、多扰动、强耦合的对象模型难以建立的系统。
模糊PID控制器由三个主要的环节组成。
(1)模糊化：模糊化是将模糊控制器输入量的确定值转换为相应模糊语言变量值的过程;
(2)模糊推理：模糊推理包括三个组成部分：大前提、小前提和结论。大前提是多个多维模糊条件语句，构成规则库;小前提是一个模糊判断句，称为事实。以已知的规则库和输入变量为依据，基于模糊变换推出新的模糊命题作为结论的过程叫做模糊推理;
(3)清晰化：清晰化是将模糊推理后得到的模糊值转换为用作控制的数字值的过程，提高了系统的响应速度，并且能够在短时间内获得较高的控制精度。
模糊PID控制器的控制效果如图6所示。图6中PID控制曲线几乎没有超调的过程，就快速稳定地达到了设定值厚度为O.1mm，基于模糊控制的PID调节比简单的PID调节稳定性高，能够解决整个AGC系统对铝箔控制的时间滞后问题。
经过实践应用，基于PLC和AGC的铝箔板厚度控制系统在产品生产中获得了令人满意的效果。如表1所示，针对厚度为0.1mm的铝箔板，AGC控制厚度在20μm范围内的比例为95%，远远高于人工轧制78%的比例，事实验证，本方案所采取的模糊PID控制器完全能满足铝箔板厚度控制的要求。
4 结语
在实际使用过程中，FM458工作稳定可靠，编程功能强大且易于修改维护，并能很好地融入到S7-400的控制系统中。铝箔厚度在基于S7-400PLC的AGC系统作用下，满足了预期的效果。具体生产过程验证了在铝轧机上安装AGC系统提高了轧机精度的也方便了现场操作人员的人工操作。基于S7-400的AGC系统人机界面友好、维护方便、成本投入低的优点，对我国铝箔生产产生了较大的社会效益和经济效益。