五強(qiáng)溪電廠門機(jī)PLC數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)改進(jìn)探討

李 滔

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙410004）

1 引言

五強(qiáng)溪電廠壩頂1號(hào)門機(jī)采用門機(jī)上部控制機(jī)房總控制屏柜內(nèi)的PLC進(jìn)行集中控制，所有控制信號(hào)全部進(jìn)入門機(jī)頂部控制機(jī)房，門機(jī)高度高（35 m）、跨度大（11 m），機(jī)構(gòu)多分布在門機(jī)的各個(gè)部位，控制線路冗長，線路壓降大，線路繁雜，且門機(jī)環(huán)境惡劣，線路過長導(dǎo)致線路故障頻發(fā)。為了優(yōu)化控制線路，使線路簡單，線路更短，故障率更低，讓控制回路更簡單，明了。通過對(duì)門機(jī)控制回路特性進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)的通信技術(shù)，在第2臺(tái)門機(jī)（壩頂2號(hào)門機(jī)）改造過程中進(jìn)行了全面的優(yōu)化和升級(jí)。

2 壩頂2號(hào)門機(jī)控制系統(tǒng)簡介

壩頂2號(hào)門機(jī)PLC系統(tǒng)采用S 7300的315-2DP模塊作為CPU，負(fù)責(zé)電氣室的信號(hào)采集；在司機(jī)室采用分布式I/O ET200 M作為聯(lián)動(dòng)臺(tái)信號(hào)的采集，通過Profibus-DP總線與CPU通信進(jìn)行交換數(shù)據(jù)（Profibus-DP總線傳輸技術(shù)）；再加上信號(hào)檢測、操作、報(bào)警等設(shè)備組成起重機(jī)自動(dòng)控制操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有如下功能：

（1）起重機(jī)的運(yùn)行操作與控制；

（2）信號(hào)資料的采集和控制；

（3）各種運(yùn)行信號(hào)、保護(hù)信號(hào)的顯示；

（4）安全制動(dòng)與工作制動(dòng)的互換控制；

（5）各機(jī)構(gòu)的電動(dòng)控制；

（6）具有自我診斷能力及緊急情況發(fā)生時(shí)的快速報(bào)警，使操作者能監(jiān)視、控制、記錄運(yùn)行故障；

（7）有較嚴(yán)格的防誤操作系統(tǒng)，當(dāng)運(yùn)行人員誤操作時(shí)拒絕執(zhí)行，并及時(shí)發(fā)出警告信號(hào)，最大限度地減少由于誤操作給設(shè)備造成的損害；

（8）作為Profibus-DP現(xiàn)場總線的主站，接受、處理從站的數(shù)據(jù)。

3 對(duì)比壩頂1號(hào)門機(jī)相同的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式

3.1 PLC產(chǎn)品選型

由于2×250 t門式起重機(jī)的控制系統(tǒng)屬于中小型的控制系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)的處理沒有太高的要求。選用S7-300系列CPU 312-1AD10-0AB0就可以實(shí)現(xiàn)門機(jī)各機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制。其性能特點(diǎn)如下：

S7-300系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能，使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測、自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域。系統(tǒng)配置既固定又靈活，具有編程簡單、透明、系統(tǒng)運(yùn)行更為可靠、維護(hù)方便、擴(kuò)充性好等特點(diǎn)。

3.2 電源模塊

經(jīng)過計(jì)算所有模塊的總電流消耗，選用6ES7 307-1BA00-0AA0電源模塊作為PLC控制系統(tǒng)的24 V電源供電模塊。

3.3 輸入模塊

本系統(tǒng)的工作環(huán)境為0～+50℃。選型時(shí)采用常溫模塊。實(shí)際選擇SM321系列模塊中的6ES7 321-1BL00-0AA0模塊。

3.4 輸出模塊

本系統(tǒng)的工作環(huán)境為0～+50℃。選型時(shí)可采用常溫模塊。實(shí)際選擇SM321系列模塊中的6ES7 322-1HH01-0AA0模塊。根據(jù)實(shí)際需要結(jié)合門機(jī)的控制特點(diǎn)，考慮到需10%的裕量，選擇4塊16點(diǎn)的6ES7 322-1HH01-0AA0模塊。

根據(jù)本次改造的工程實(shí)際情況，組成壩頂1號(hào)門機(jī)PLC主要配置（表1）。

表1 壩頂1號(hào)門機(jī)PLC系統(tǒng)主要配置

3.5 編程方法

本系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大的STEP7 V5.4軟件包作為系統(tǒng)支持軟件，采用梯形圖等多種編程語言編寫用戶軟件。

采用獨(dú)特的模塊式編程方式編寫用戶程序，以增加PLC程序的透明度，易于理解，方便維護(hù)。

3.6 數(shù)據(jù)傳輸原理

1號(hào)壩頂門機(jī)采用傳統(tǒng)的PLC輸入/輸出方式原理：當(dāng)司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)發(fā)出一個(gè)指令（如接通一個(gè)按鈕），則該回路接通，連接在該回路末端的6ES7 321-1BL00-0AA0輸入模塊的PLC輸入指示燈點(diǎn)亮，PLC接受到該指令，并根據(jù)程序運(yùn)行，通過輸出模塊6ES7 322-1HH01-0AA0接通相應(yīng)的輸出回路，使輸出中間繼電器得電，從而使相應(yīng)的接觸器動(dòng)作，啟動(dòng)相應(yīng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行。壩頂1號(hào)門機(jī)常規(guī)傳輸功能框圖見圖1。

4 改進(jìn)后，壩頂2號(hào)門機(jī)采用Profibus總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸方式

圖1 壩頂1號(hào)門機(jī)常規(guī)傳輸功能框圖

4.1 PLC產(chǎn)品選型

當(dāng)采用Profibus總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸方式時(shí)，必須選用S7-300系列315-2DP CPU來實(shí)現(xiàn)門機(jī)各機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制，且架構(gòu)符合Profibus-DP通信協(xié)議的現(xiàn)場總線，PLC作為通信主站負(fù)責(zé)完成大量的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

CPU315-2 DP模塊自帶一個(gè)Profibus-DP主站/從站接口，無需另配通信模塊；兼具有中、大規(guī)模的程序存儲(chǔ)容量，可用于大規(guī)模的I/O配置，可用于建立分布式I/O結(jié)構(gòu)。

4.2 電源模塊

電源模塊是保證系統(tǒng)正常、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。經(jīng)過計(jì)算所有模塊的總電流消耗，選用6ES7 307-1BA00-0AA0電源模塊作為PLC控制系統(tǒng)的24 V電源供電模塊，

4.3 輸入模塊

本系統(tǒng)的工作環(huán)境為0～+50℃。選型時(shí)采用常溫模塊。實(shí)際選擇SM321系列模塊中的6ES7 321-1BL00-0AA0模塊和6ES7 321-1BH02-0AA0模塊。

本系統(tǒng)需對(duì)各機(jī)構(gòu)空氣開關(guān)“分/合”位置、各接觸器“分/合”位置、各機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)熱繼電器動(dòng)作、操作手柄各檔位位置、各限位開關(guān)動(dòng)作等信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)實(shí)際需要結(jié)合門機(jī)的控制特點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算各類輸入信號(hào)共計(jì)134個(gè)點(diǎn)。考慮到需10%的裕量，選擇3塊32I的6ES7 321-1BL00-0AA0模塊及3塊6ES7 321-1BH02-0AA0模塊。

4.4 輸出模塊

本系統(tǒng)的工作環(huán)境為0～+50℃。選型時(shí)可采用常溫模塊。實(shí)際選擇SM321系列模塊中的6ES7 322-1HH01-0AA0模塊。根據(jù)實(shí)際需要結(jié)合門機(jī)的控制特點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算各類輸出信號(hào)共計(jì)55個(gè)點(diǎn)。考慮到需10%的裕量，選擇5塊16點(diǎn)的6ES7 322-1HH01-0AA0模塊。

4.5 分布式I/O模塊

本系統(tǒng)采用分布式I/O模塊進(jìn)行分布設(shè)備的信號(hào)采集，通過Profibus總線和CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這樣可以有效地提高系統(tǒng)的可靠性，并減少了控制電纜的敷設(shè)。本次改造在司機(jī)室設(shè)置一個(gè)分布式I/O模塊，用來采集聯(lián)動(dòng)臺(tái)的輸入輸出信號(hào)。根據(jù)實(shí)際需要結(jié)合門機(jī)的控制特點(diǎn)，選用ET200M IM 153-2模塊。該模塊自帶Profibus-DP接口，可以掛接8個(gè)I/O模塊。

根據(jù)本次改造的工程實(shí)際情況，針對(duì)1號(hào)門機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了全面改進(jìn)，組成了壩頂2號(hào)門機(jī)PLC系統(tǒng)主要配置（表2）。

表2 壩頂2號(hào)門機(jī)PLC系統(tǒng)主要配置

4.6 編程方法

本系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大的STEP7 V5.4軟件包作為系統(tǒng)支持軟件，采用梯形圖等多種編程語言編寫用戶軟件。

采用獨(dú)特的模塊式編程方式編寫用戶程序，以增加PLC程序的透明度，易于理解，方便維護(hù)。

4.7 數(shù)據(jù)傳輸原理

2號(hào)門機(jī)所采用的新技術(shù)是通過采用分布式I/O模塊進(jìn)行分布設(shè)備的信號(hào)采集，通過Profibus總線和CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換：當(dāng)司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)發(fā)出一個(gè)指令（如接通一個(gè)按鈕），該信號(hào)直接輸入到司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)從站的輸入模塊6ES7 21-1BH02-0AA0，輸入模塊將信號(hào)傳至分布式I/O模塊進(jìn)行處理編碼，然后將編碼通過Profibus總線傳輸?shù)轿挥陔姎馐襊LC控制柜內(nèi)的CPU315-2 DP模塊自帶的一個(gè)Profibus-DP主站接口，PLC通過對(duì)Profibus-DP主站接口接收到的編碼進(jìn)行處理，根據(jù)PLC程序運(yùn)行結(jié)果，通過輸出模塊6ES7 322-1HH01-0AA0接通相應(yīng)的輸出回路，使輸出中間繼電器得電，從而使相應(yīng)的接觸器動(dòng)作，啟動(dòng)相應(yīng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行。Profibus總線傳輸技術(shù)功能框圖詳見圖2。

圖2 Profibus總線傳輸技術(shù)功能框圖

5 Profibus-DP總線傳輸技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

采用Profibus-DP總線傳輸信號(hào)，提高了信號(hào)傳送精度及系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，增強(qiáng)現(xiàn)場控制靈活性，降低設(shè)計(jì)施工費(fèi)用，減少電纜敷設(shè)，易于維護(hù)和擴(kuò)展的目的,尤其是與傳統(tǒng)集中控制比較，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試、維護(hù)及擴(kuò)展上，現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)十分明顯。五強(qiáng)溪電廠壩頂1號(hào)門機(jī)到2號(hào)門機(jī)的技術(shù)改進(jìn)過程證明了該技術(shù)正在全面廣泛的推廣和應(yīng)用。

6 結(jié)束語

Profibus現(xiàn)場總線是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線技術(shù)，主要包括最高波特率可達(dá)12 M的高速總線 Profibus－DP（H2）。DP 使得 Profibus現(xiàn)場總線在結(jié)構(gòu)和性能上優(yōu)越于其他現(xiàn)場總線。Profibus既適合于自動(dòng)化系統(tǒng)與現(xiàn)場信號(hào)單元的通信，也可用于可以直接連接帶有接口的變送器、執(zhí)行器、傳動(dòng)裝置和其他現(xiàn)場儀表及設(shè)備，對(duì)現(xiàn)場信號(hào)進(jìn)行采集和監(jiān)控，并且用一對(duì)雙絞線替代了傳統(tǒng)的大量的傳輸電纜，大量節(jié)省了電纜的費(fèi)用，也相應(yīng)節(jié)省了施工調(diào)試以及系統(tǒng)投運(yùn)后的維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用。Profibus現(xiàn)場總線將在大型起重設(shè)備及遠(yuǎn)距離機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周志敏. Profibus總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社.