6ES7222-1BF22-0XA8详细资料
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QuantumPLC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 概述
由莱钢集团自主设计、开发的50吨氧枪顶吹转炉系统于2002年10月正式投产。该系统由转炉本体、汽包汽化和煤气回收3部分组成，过程控制采用电器控制、仪表控制和计算机自动控制三电一体化实现，提高了控制的安全性和可靠性。其中计算机自动控制系统由1台工程师站，2台操作员站，3台西门子S7-400可编程控制器组成，通过Profibus现场总线实现数据传递。
2 工艺过程
转炉系统主要完成将铁水和废钢冶炼成钢水，将冶炼过程中产生的煤气和水蒸气进行回收再利用。转炉主体设备主要包括炉体、炉门、烟罩、倾动机构、氧枪升降机构、氧枪横移机构、称重装置、上料装置、冷却装置等组成，其中氧枪有两套，靠衡移小推车转换，实现互为备用。
装料时炉门打开，烟罩提升，装料完成后，炉门关闭，烟罩下移。冶炼过程中，氧枪下降，从炉体顶部向炉内吹氧，或加合金料以改善钢水成分。出钢时，氧枪上升，倾动炉体，钢水由钢包车运至精炼炉精炼。炼钢过程中，氧枪和烟罩通过循环冷却水降温，产生的汽包蒸汽经加压后送用户使用;风机将烟罩内气体吸出，经煤气回收后放散到大气。
3 自动控制系统构成
转炉自动控制系统采 用3台SIMATIC S7-400-414-2 PLC主站分别完成实现转炉本体控制、汽包汽化和煤气回收及风机控制，其配置主要有主机架、扩展机架、电源、CPU、接口模块、通信模块，以及数字量和模拟量输入/输出模块等。3台主站之间通过以太网完成数据通讯。汽包汽化和煤气回收PLC主站共下设2个ET200-M远程从站，通过工业现场总线Profibus-DP完成主从通讯。1台工程师站用于完成系统的开发设计，2台操作员站完成整个生产过程监控。自动控制系统构成如图1所示。
4 自动控制系统控制方式和功能
整个转炉系统的自动控制由PLC控制程序完成，通过开放的Profibus-DP现场总线连接各个部件，构成分布式控制系统，实现顺序逻辑控制、联动联锁控制、以及信号传输、报警和数据采集等，设有人工紧急停车处理按钮。
4.1 工程师站
基于SIMATICSTEP7编程软件的工程师站，完成3台PLC主站系统的硬件组态、地址和站址的分配以及用户程序的设计开发和调试工作。程序设计采用模块化、结构化编程，应用OB、FC、FB块和相关数据块DB组成整个控制系统，并且在软件设计中采用了抗干扰措施。
4.2 操作员站
操 作员站作为整个系统的人机界面，采用通用工业PC，配置SIMATICWinCC画面组态监控软件，通过以太网实现对现场设备的过程监控。WinCC能实现过程数据动态显示、参数设定、操作控制等功能，并具有过程信息归档、报警信息顺序显示、报表打印等功能，具有很强的实时行。
4.3 转炉本体PLC主站
转炉本体PLC主站主要完成炉前的炉门动作和炉体的倾动操作，炉后倾炉和出钢钢包车、出渣渣车操作，烟罩的升降操作和冷却水流量、压力联所控制，氧枪的升降操作和氧枪定位及冷却水流量压力联所控制，氧枪横移换枪操作，上料称重和进料操作，并完成转炉水冷烟罩、水冷炉壁、水冷氧枪等水冷系统48个测温点温度变化的实施数据采集以及冷却水系统压力、流量等实时数据采集监视和超限及事故报警。通过以太网实现PLC和操作站之间的实时数据传送，由人机界面完成生产过程监控。
4.4 汽包汽化PLC主站
汽包汽化PLC主站设置有1台Profibus-DP远程控制从站ET200M。主站主要完成对冶炼过程中产生蒸汽的压力、流量、温度检测，控制加温水槽水位，控制送出热水的流量、压力、温度等，并由操作站对过程信息进行实时监控。从站主要完成液压泵站主、辅液压泵的切换和运行控制，对高压液罐和气罐的液位和压力控制，对空气压缩机的控制，对主液箱和回液箱的液位自动控制以及液压介质自动温度控制。
4.5 煤气回收PLC主站
煤气回收PLC主站也设置有1台Profibus-DP远程控制从站ET200M。主站主要完成一纹水、二纹水的冷却控制，检测转炉煤气进出一纹水、二纹水前后的温度、压力和流量，根据对一氧化碳和二氧化碳的检测含量，控制是否进行煤气回收。从站主要完成两台风机的主、辅切换和运行控制，检测风机轴温、轴振动和进出口压力、流量、温度，通过联锁控制保障风机的正常运行。
5 抗干扰功能的设计与实现
由于电器设备的存在，尤其是高压变频器每次启动所产生的高频冲击，大电流运行时所产生的强电磁场，以及电网谐波等诸多干扰因素的存在，严重威胁控制系统的正常运行和通信网络的安全、稳定畅通，为此设计中根据各种干扰源的存在增机一下抗干扰功能:
(1) 接地
计算机、PLC和通信网络采用单独的专用接地处理。
(2) 模拟量输入信号滤波
对于电器设备的电压、电流及风机转速等重要模拟量输入信号在进PLC模拟量通道之前，先经过信号隔离器消除通道中的串模干扰，在保证有用信号不被衰减的情况下大限度的衰减高频干扰，提高通道的信噪比。
(3) 模拟量通道屏蔽
模拟量信号的输入导线采用有屏蔽线的双绞线电缆，以降低辐射干扰和电磁耦合性干扰。
(4) 模拟量通道隔离
模拟量模块采用通道光电隔离模块，降低通道间共模干扰。
(5) 数字量通道隔离
数字量模块采用通道光电隔离模块，在信号进出PLC通道之前加设中间继电器对通道进行双重隔离，防止串入强干扰电压烧坏通道。
(6) 通讯电缆设置
工业以太网通讯缆和Profibus-DP电缆敷设时单独穿金属管，电缆走向避免与动力缆平行，尽可能远离转炉本体和大电流线路。
(7) 电源隔离
工作电源通过带屏蔽的隔离变压器给PLC主站和从站供电，使PLC和大功率的电器设备的电位隔离，避免供电线路干扰。
(8) 程序设计抗干扰处理
对于模拟量输入信号采用延时滤波技术，消除瞬时干扰。对于数字量输入信号采用锁存和指令对比技术，降低误信号。
6 结束语
系 统投运至今运行稳定可靠，抗干扰技术的合理化应用保证了PLC设备和通讯网络在恶劣环境中的安全畅行。SimensPLC程序故障诊断、在线监控和修改技术，方便了程序维护，开放的、标准的Profibus-DP现场总线增强了系统的扩展能力。整套系统自动化水平高、操作间接方便、报警明了清晰、故障率低、维护量小，达到国内先进水平。