6ES7211-0BA23-0XB0原装库存

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矿用组合开关具有简化电缆连接、减少设备空间、降低线路电压损耗、使用维护方便等特点，在煤矿有着广泛的应用。

由于矿用组合开关使用场合复杂、组合种类繁多，而且每种开关的生产量都不够大，相对于使用固定程序的单片机控制器，组合开关更适合使用可编程控制器（PLC）作为其核心控制和保护元件。PLC在组合开关上的使用，不仅提高了设备的可靠性，更使得用户可以灵活地改变程序逻辑来适应客户和现场各种各样的控制需求。
目前国内的主流组合开关厂家在选择PLC时，主要有两种选择：选择和利时独创的组合开关专用PLC或选择通用PLC，比如西门子S7-200系列。

和利时专用PLC针对通用PLC的不足，对组合开关进行了量身定制，在为用户产品带来的同时降低了用户的使用成本，已经成为组合开关的首选控制器。

本文详细地介绍了和利时组合开关专用PLC的方案和产品，并与通用PLC进行了比较。

专用方案

组合开关保护与控制系统采用和利时公司可编程控制器，对系统进行监测控制，并完成漏电闭锁、过载、短路、断相、欠压和过压等保护功能；具有智能化高、性能稳定、动作可靠等特点。人机界面选用和利时HT6000系列触摸屏，具有良好的人机对话功能。

本方案采用和利时LM小型PLC作为控制系统的主控制器。接收先导回路起动信号，及控制方式设定；采集每一个回路的参数并进行保护，各回路工作参数和故障信息；根据设定控制方式采取相应的起动和停止方式；输出起停信号给操作机构，通过控制中间继电器的分合来控制真空接触器的分断和吸合；接收真空接触器辅助触点的反馈信号，实现对多个回路的闭环控制；给人机界面提供显示信息，包括：工作状态、故障参数和设定信息。所有参数都可以在触摸屏上进行显示和设定， PLC通过以RS-232串口和触摸屏进行通讯，并预留RS-485通信口和上一级通讯分站进行通讯。

系统整体性能具有如下特点：

l 控制系统采用先进的LM3316B，LM3313K模块直接进行交流采样，省去变送设备，提高采集速度，增加可靠性，降低了成本。

l 组合方式灵活，可根据客户的不同要求编制不同的程序，实现不同的功能，满足井下各种负荷组合。

l 控制系统在严格的工业环境下长期、稳定地运行。系统组件的的设计符合真正的工业等级，满足国内、国际的安全标准。并且易配置、易接线、易维护、隔离性好，结构坚固，抗腐蚀，适应较宽的温度变化范围。

l 系统具备良好的电磁兼容性，能够承受工业环境的严格要求，平均无故障间隔时间（MTBF） 1×105小时。

产品介绍

目前大部分组合开关应用的PLC保护控制系统，虽然可以完成电动机的过载、短路、漏电闭锁和绝缘监测等保护功能，但是需要在PLC外围加上由分立元件和小规模集成元件组成的保护电路，不仅增加了空间，而且元件的分散性和对保护的可靠性和稳定性影响很大。主要原因是：

l 由于普通PLC信号输入都是直流输入，组合开关中采集电压和电流信号都需要转换成直流信号，这样增加了成本，而且还降低了可靠性，在使用中也发现，组合开关故障多发生在信号变送装置；

l 组合开关一般都是给大功率的三相异步电机供电，对短路保护要求比较灵敏，而要求短路保护时间短，就要求PLC处理速度快，同时减少信号采集时间，普通的直流采集无法满足保护的时间要求；

l 在部分需要显示交流电量（电压、电流、功率）的场合，用户无法使用现有的PLC模块来完成，必须另外购买单独的电量采集模块通过串口接入系统，影响了系统的性能和协调性。

针对以上问题，和利时公司开发出了6路交流电流直接输入的模拟量处理模块LM3316A、7路超前漏电检测1路交流电压输入模块LM3313K和LM3317交流电量采集模块。

LM3316A采用交流芯片，采集信号时间在毫秒量级，完成6路交流电流的测量与过流判断，并提供2路继电器保护输出。6路交流电流分成2组，每组对应三相交流电流输入，量程0~8A(有效值)。用户可分别设定每组的过流门限值，LM3316A模块采集电流量并与门限值进行比较，若发生过流则完成保护动作，从过流事件发生到模块完成保护动作完成，响应时间约为100ms。

LM3313K在正常8路模拟量输入模块的基础上，7通道超前漏电检测增加运算放大器，产生一个需要检测漏电电阻用的附加直流电源，这样直接在通道上直接加上一个电阻，就可以直接产生一个10V以内的直流电压供模块采集计算。1路交流电压通道用来测量组合开关的系统电压，系统电压通过变压器变成220V以内的交流电压，这路通道通过半波整流将220V变为0~10V的直流电压，供模块采集计算。

LM3317可完成三相交流电压和电流的测量，并可进行过流判断，提供1路继电器保护输出。用户设定电流信号的过流门限值后，LM3317模块采集电流并与门限值进行比较，若发生过流则完成保护动作，响应时间约为100ms。

以六组合为例，采用和利时PLC为控制系统的核心，完成对主回路的通断控制，当线路出现漏电、过流、过载、三相不平衡等故障时，由相应的程序进行保护，使启动器分断，并给予故障显示。主回路设三台隔离换向开关，称为三个系统。每个系统控制方式可分为单台控制、延时控制、单回路双速控制、双回路双速控制等，达到了相互组合，混合控制的目的，再将三个系统控制方式进行组合，根据控制方式的不同，PLC控制主回路的通断，每一回路之间可任意组合。

和利时在2010年推出组合开关专用PLC，创造性地把电力保护和可编程技术结合在一起，解决了通用PLC在组合开关应用时无法克服的交流信号直接采样问题，提高了产品的性能、减少了安装空间、降低了使用成本。
三年多的现场使用使得该产品积累了大量的使用经验，实践表明该产品具有良好的抗干扰能力和可靠性，适合于在煤矿井下环境使用。

plc在电除尘系统中主要作用是控制所有低压设备自动运行和远程监控高压整流供电设备，对低压设备的控制一般都有现场手动和远程自动两种控制方式，所控制的设备包括阴极振打、阳极振打、灰斗卸灰阀电机、仓壁振动器、绝缘子保温梁电加热器、灰斗保温电加热器、灰斗料位计、烟气进出口温度显示、绝缘子保温梁温度显示、声波清灰装置、输灰系统、高压供电设备安全联锁以及远程监控等[2]（见图3）。下面对自动控制方式进行简要介绍。

1.阴、阳极振打的控制

电除尘器的阴、阳极振打都是由电机通过传动轴将动力传给阴、阳极振打机构，使阴极线、阳极板上的积灰振落到灰斗中。plc系统通过控制器中的时间继电器控制阴、阳极振打电机按照一定的时间规律相互配合运行，并根据振打电机对应的接触器和热继电器的返回信号对电机状态进行监控和保护。阴、阳极振打的一般控制规律为：一电场的阴、阳极振打周期最短，以后的各个电场振打周期逐渐加长，具体时间需根据电除尘器刚投产时的测试情况及工艺参数进行确定；以24小时为总振打周期，夜间运行周期要比白天运行[3]；阴、阳极振打相互配合运行，但振打周期各自独立计算，阳极振打要比阴极运行时间长、强度大；振打反馈信号只起状态监视和保护作用，不加入周期运行控制当中；为节约能源，振打运行反馈信号与高压整流供电设备有联锁，当大量振打运行时，高压整流供电设备低电压运行或停止，以实现降压振打，此方式可节约大量能源。

2.绝缘子保温梁电加热器的控制

plc系统通过绝缘子保温梁内温度检测设备检测到的温度返回信号对电加热器进行控制，以防止保温梁内温度低于露点温度，阴极绝缘子表面结露，使绝缘子表面产生爬电或沿面放电，以致电除尘器工作电压无法升上去，除尘器无法正常工作。本系统电加热器共有两路电源，可实现高、低两种功率加热，当保温梁内温度接近露点温度时，plc控制电加热器两路全部加热，尽快提高保温梁温度；当温度在露点温度以上未到设定温度时，单路加热器加热保持温度缓慢上升；当温度高于设定温度值时，停止加热。plc系统还可根据接触器和热继电器返回信号对电加热器状态进行监控和保护。

3.灰斗卸灰阀电机及仓壁振动器的控制

灰斗卸灰阀电机是用于灰斗卸灰时电动控制阀门开关的。plc对灰斗卸灰阀电机以及该灰斗仓壁振动器的自动控制是根据灰斗料位计返回信号实现的，当料位计高料位信号返回plc时，plc控制该灰斗卸灰阀电机开启，同时仓壁振动器联锁振动；当料位计低料位信号返回plc时，plc控制该灰斗卸灰阀电机关闭，同时仓壁振动器联锁停止。当不使用料位开关控制或料位开关存在故障时，也可根据经验运行时间对灰斗卸灰阀电机和仓壁振动器进行周期控制，具体时间可根据现场情况自行设定，但灰斗卸灰阀电机要与仓壁振动器有一定配合关系或一起联锁运行，否则会造成卸灰不畅甚致堵灰。

4.输灰系统的控制

本输灰系统使用的是机械干输灰方式，输灰系统由刮板机、集合刮板机、斗提机、卸灰阀电机、加湿机等组成。输灰系统的控制与皮带流程控制相似，当灰斗卸灰电机运行时，灰斗卸灰阀开启，与此一排灰斗对应的刮板机联锁运行，其他排灰斗卸灰控制同理，每台刮板机可单独运行也可同时运行。当任意一排灰斗对应的刮板机运行时，集合刮板机联锁运行，斗提机联锁运行，将除尘灰刮入卸灰仓内，当控制器接到卸灰仓料位高信号时，卸灰阀电机、卸灰仓电振、加湿机联锁运行，将除尘灰排出。

5.高压供电设备的安全联锁及远程监控

所有电除尘器的高压整流供电设备都有自己的控制器，这些控制器的网络接口都各有不同，以串口通讯为例，plc系统可通过串口采集器及与logix5000相匹配的专用模块与该控制器进行通讯，可实现plc系统对高压整流设备远程控制启动和停止，也可对高压整流设备运行状态及参数进行监视。安全联锁是专门为高压供电设备设计的程序，在远程控制高压供电设备启动时，整流变压器及三点隔离开关返回plc的安全联锁信号必须满足条件，否则高压供电设备不允许启动，此联锁对检修设备时的人身安全及设备运行都起到很大作用。

6.声波清灰装置的控制

声波清灰装置是与电除尘器相对独立的一个系统，作用是在电除尘器停运时对除尘器内部积灰进行彻底清理，运行时将积灰振到灰斗中排出。故plc对声波清灰装置的控制经常用集中手动操作方式运行，当点击运行时，声波清灰装置按照固定顺序清灰一次，并可通过时间继电器对运行时间进行控制，在规定时间内执行循环清灰。

plc控制在济钢炼铁厂400㎡烧结机机头除尘系统的应用中可以看出，plc系统可使电除尘系统自动化水平、控制性能、智能化等方面都有显著提高，现场操作和维护工作量大大减少，设备故障率也大大降低。plc控制对实现电除尘器运行的自动化和管理的智能化，改善电除尘器的运行情况，提高电除尘器的除尘效率，延长各部分构件的使用寿命及节约能源等都具有直接影响和现实意义。

PLC由于具有功能强、程序设计简介控制工程网版权所有，维护方便等优点，特别是高可靠性、较强的适应恶劣工业环境的能力，已被广泛应用于自来水行业。但由于现场环境条件恶劣、湿度高、以及各种工业电磁、辐射干扰等，会影响系统的正常工作,因此必须重视工程的抗干扰设计。
    水厂应用中的PLC所受的干扰源主要有电源系统引入的干扰、接地系统引入的干扰和输入输出电路引入的干扰三类。如果PLC的干扰问题解决得不好，系统将无法可靠运行控制工程网版权所有，将会影响到正常供水。因此，有必要对PLC应用系统中的干扰问题进行探讨。主要本文分别讨论PLC的三种抗干扰技术。

抗干扰的技术对策分析
    为防止干扰，可采用硬件和软件的抗干扰措施，其中，硬件抗干扰是最基本和最重要的抗干扰措施，一般从抗和防两方面入手来抑制和干扰源，切断干扰对系统的耦合通道，降低系统对干扰信号的敏感性。
    1.电源系统引入的干扰
    电网的干扰，频率的波动，将直接影响到PLC系统的可靠性与稳定性。如何抑制电源系统的干扰是提高PLC的抗干扰性能的主要环节。
    (1)加装滤波、隔离、屏蔽、开关稳压电源系统。
    设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从电源线传导到系统中，使用隔离变压器，必须注意:屏蔽层要良好接地;次级连接线要使用双绕线(减少电线间的干扰)，隔离变压器的初级绕组和次级绕组应分别加屏蔽层，初级的屏蔽层接交流电网的零线;次级的屏蔽层和初级间屏蔽层接直流端。
    为了抑制电网大容量设备起停(如送水泵等)引起电网电压的波动，保持供电电压的稳压，可采用开头稳压电源。
    (2)分离供电系统
    PLC的控制器与I/O系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主电源分开，这样当输入输出供电断电时，不会影响到控制器的供电。
    2.抑制接地系统引入的干扰
    PLC系统分为逻辑电路接地和功率电路接地，有共地、浮地及机壳共地和电路浮地等三种方式。一般采用控制器与其它设备分别接地方式最好，接地时注意:接地线尽量粗，一般大于2mm2的线接地;接地点应尽量靠近控制器，接地点与控制器之间的距离不大于50m;接地线应尽量避开强电回路和主回路的电线，不能避开时，应垂直相交，应尽量缩短平行走线的长度。
    实践证明，接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段，良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。
    3.抑制输入输出电路引入的干扰
    为了实现输入输出电路上的完全隔离，近年来在控制系统中光电耦合得到广泛应用，已成为防止干扰的最有效措施之一。
    光电耦合器具有以下特点:首先，由于是密封在一个管壳内，不会受到外界光的干扰;其次，由于靠光传送信号，切断了各部件电路之间地线的联系;第三，发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，能够传送到光电耦合器输入输出的干扰信号就变得很小;第四，光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数相比，一般很小，远不如晶体管对干扰信号那么灵敏，而光电耦合器的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，即使是在干扰电压幅值较高的情况下，由于没有足够的能量，仍不能使发光二极管发光，从而可以有效地抑制掉干扰信号。由于光电耦合器的线性区一般只能在某一特定的范围内，因此，应保证被传信号的变化范围始终在线区内。为了保证线性耦合，既要严格挑选光电耦合器，又要采取相应的非线性较正措施，否则将产生较大的误差。
   
    以上是对开关量输入输出信号的处理方法，而对模拟输入输出信号，为了工业现场瞬时干扰对它的影响，除加A/D、D/A转换电路和光电耦合外，可根据需要采取软件的数字滤波技术如中值法、一阶递推数字滤波法等算法。
    PLC控制系统的抗干扰性设计是一个复杂的系统工程，涉及到具体的输入输出设备和工业现场的环境，在设计抗干扰系统时要求要综合考虑各方面的因素。

220kV韶钢松山站是韶钢2000年投资兴建的四大工程之一，是一座电压等级高，容量大，技术装备水平先进的综合自动化变电站。3台变压器总容量170MVA。220kW系统由双电源单母分段组成，采用全封闭式SF：组合开关(GIS)。由4个断路器33个闸组成，分成7个间隔。G1S开关设置了两套五防闭锁装置，一套为常规的导线硬接点式闭锁，另一套为西门子SIMATICS7-300型的PLC程序控制装置闭锁。该装置由PLC设定联锁条件检验程序，并时刻检验联锁条件是否满足倒闸操作要求，只有满足倒闸操作要求才执行操作命令，还可以通过PLC系统对33个闸的分合状态进行监视及实现远程遥控。

1系统组成

该PLC系统主要组成部分为：7个ET200M分布式IlO站作为外围设备，通过PROFIBUS-DP现场总线连接到带集成PROFIBUS-DP接口的CPU315-2DP模板上，再通过通讯模板和规约转换器与变电站综合自动化网(LonWorks)相连接。

7个ET200M分布式I／0站分布在7个间隔中，各间隔通过PROFIBUS-DP电缆相连接，再与带集成PROFIBUS-DP接口的CPU315-2DP模板相连，PLC系统总机设置在第一间隔，这样就构成P L C系统PROFIBUS-DP网。变电站监控机与PROFIBUS-DP网的通讯由带集成RS-422／485接口CP341通讯模板和规约转换器通过报文形式发送和接收信息。

2 PLC组件简介

2．1电源

PLC选用SITOP电源，可输入120-230VAC和120-320VDC 2种电压，可输出24V／10ADC电源。该站输入端电压是220VAC。

2．2CPU模板

SIMATICS7-300型PLC系列有6种CPU模板，型号不同的CPU性能和功能都有不同。本站选用CPU3J5-2DP模板。该模板具有大容量程序存储器，适于既包含集中式又包含分布式外围设备的复杂配置。模板板上有状态和出错LED指示灯、选择操作方式的钥匙开关、MPI接口、存储器插槽等。在正常运行状态只有"DC 5V"和"RUNLED指示灯亮绿灯。存储器插槽的作用是为了在掉电状态下保护程序一一可插接有多至5l 2k字节的存储器卡。变电站选用64k字节FLASH EPROM存储卡。

2．3ET200M分布式I／O站

变电站PLC系统有7个ET200M分布式I／O站。每个ET200M分布式I／O站有2个SM321数字输入模板，1个SM322数字输出 模板。SM321数字输入模板将过程送来的外部信号电平转换成S7-300内部信号电平。它的额定电压为24VDC，"1"信号电压为15-30V，"0"信号电压为-3-5V，"1"信号输入电流为7．5mA。

SM322数字输出模板将S7-300内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平，它的额定电压为24VDC，"1"信号时输出电压为24VDC，输出电流为0．5A。

3 故障处理

韶钢松山站自2000年9月投运以来，PLC防误操作系统发生过几次不能在后台监控机远程控制GIS闸的故障。这其中包括硬件、软件、通讯、连接等方面造成的系统故障：

(1)由于该站的PLC防误操作系统输入电源采用的是220VAC，因此一旦交流电失压，就会导致ET200M分布式I／O PLC系统"死机"，即使交流电源恢复正常后也不能自动恢复正常状态。遇到这种情况首先将站用电源恢复正常，其次将CPU板的选择操作方式的钥匙开关由 "RUN"转到"STOP"再转回"RUN"，也就是将其断电复归，便可使PLC系统恢复正常。

(2)该套PLC防误操作系统采用事件触发方式。要在后台机上正常操作GIS室的闸，就要使7个间隔的"远方／就地"控制把手打到"远方"位置。如果有1个间隔的控制把手位置不同，后台监控机的遥控命令将被控制单元屏蔽，无法实现遥控命令。因此，在遥控之前应将各间隔"远方／就地"控制把手都打到"远方"位置，遥控命令才可以实现。

(3)该站的LonWorks网与PLC系统的通讯通过许继四方的CSN022A规约转换器以"一问一答"的报文形式发送和接收信息。在该站投运初期，LonWorks网所有报文信息都向PLC系统发送，导致PLC系统因处理不了这么多的信息量造成信息"塞车"而死机，使闸操作命令无法执行。后来将发送到PLC系统的报文经过过滤，即把和PLC系统操作无关的报文信息过滤后，才向PLC系统发送。经过这种"信息过滤"处理后，PLC系统执行命令的速度加快了，也未出现过因信息"塞车"而造成PLC系统死机的现象。

(4)PLC防误操作系统的7个间隔采用的是串接方式，因此，若有1个间隔的PLC单元死机，则影响所有的PLC系统的操作。第1个间隔的PLC防误操作系统总机检测7个间隔的PLC系统分机是否正常，如果所有分机正常才可以进行闸的操作。如果其中有1套PLC系统分机死机则闭锁闸的操作。因此，如果发现有分机死机的现象，也要对第一间隔的总进行断电复归，这样就可使PLC系统恢复正常。

(5)有时监控后台机会发生一些误报警的情况，后台机的监控画面显示的GIS闸的位置和实际位置不同。比如在没有进行过任何操作的情况下，某个闸在合位时，后台机却显示在分位。这些情况发生时并不是PLC系统本身引起的故障，而是PLC系统输入回路的电缆接头有松动现象，造成PLC系统检测到闸是在分位，于是通过通讯模板向后台机上传该闸在分位的信息。这种情况是比较容易发生的，处理方法也很简单，只要将松动的接线头拧紧就可以了。

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