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1  引言

随着水电厂“无人值班”(少人值守)工作的不断开展，以及电力体制的改革，对水电厂的自动化技术提出了更高的要求。计算机技术、信息技术、现场总线网络技术的飞速发展给水电厂自动化系统无论在结构上还是功能上，都提供了一个广阔的发展空间。水电厂自动化系统应该成为一个集计算机、控制、网络为一体的综合系统。本文就自主产权的国产mb40 plc在水电厂自动化系统中的应用作些探讨。

2  mb40 plc功能特点

2.1 mb40概要

mb40系列plc由国网电力科学研究自动控制研究所自主设计与研发，汲取了国际主流plc的成功经验，改进了其不足之处,根据当今plc的新发展方向，采用了计算机、通信、电子和自动控制等方面的国际先进技术，在cpu操作系统、i/o信号处理、网络通讯、软件开发及生产工艺等方面具有优越的性能，是适用于各种自动化控制的可编程控制器。mb40  plc是对传统plc功能的极大提升，其组网的灵活性、系统平台的开放性、编程软件的灵活性以及模块的智能性可使复杂的控制项目得以完美地实现。

2.2 mb40特色

mb40系列plc与其它厂家plc相比，功能更加强大，配置简单，编程方便，下面重点介绍mb40系列plc的特色。

(1) 可靠性高。全智能i/o设计和一系列安全性、可靠性设计为系统的安全可靠运行提供了保障；提供冗余系统的解决方案，支持电源冗余、cpu冗余、以太网冗余、总线冗余，切换无扰动；具有通信故障时的输出保持功能；模件支持带电热插拔，更换模件时无需中断系统运行，并且对于信号线及其它输入/输出无干扰 ；cpu与i/o信号、通讯网络、电源采用隔离保护措施；

(2) 功能强大、类型丰富的模件以适应各种不同应用领域，包括电源模块、cpu模块、通信模块、数字量输入模块、中断量模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、温度量模块、脉冲量模块、综合量模块等；采用嵌入式实时多任务操作系统，支持多任务分配，合理使用cpu资源 开放式网络：100m以太网，支持modbus/tcp协议；多串口通讯，支持modbus及自定义协议；丰富的内置集成功能，除提供各种标准操作符、控制功能模块、标准函数外，还提供pid、soe等实用性功能模块，低成本解决高端控制应用需求；支持包括硬件看门狗在内的广泛故障监视和诊断；

(3)编程调试方便快捷。支持iec61131-3；具有系统配置、数据库组态、程序编写、在线监视、在线修改、在线调试、在线仿真功能；支持编程语言：梯形图ld、顺序控制图scc；中/英文编程，大大提高了程序的可读性；

提供智能化的图形及文本编辑功能，界面友好；通过以太网支持远程编程与调试；

(4) 全智能i/o设计和一系列安全性、可靠性设计为系统的安全可靠运行提供了保障。

数字量输入模块的通道全部采用光电隔离，同时具有软件滤波功能，每一通道可以设置相应的滤波时间，可以有效地避免因现场信号抖动而产生的误动作信号。

数字量输出模块采用输出回路密码锁设计，通过模块的反读、校核及执行的联合控制保证在任何情况下不会发生误动。由于模块本身具有cpu可以实现的脉冲型输出脉宽的控制，和其它plc不同，mb40 plc的脉冲宽度控制是由模块来控制的，cpu模块将动作信息和动作时间发送到输出模块，输出模块完成输出动作及动作时间的控制。

模拟量采集采用了飞度电容的设计方法，保证了内部电路和外界干扰的隔离，大大提高了采集精度，大限度地降低了模拟量漂移。

温度量模块设计突破了常规温度量模块所有通道公用一路恒流源的设计，采用了先进的每路独立恒流源设计，因此有效地避免了因一路信号干扰过大而使其它各路产生串扰的问题，从而大大提高了采集速度和抗干扰性。

(5) 顺序控制图编程技术。采用了“所见即所得”技术设计的顺序控制图编程语言是一种可视化的编程语言，非常适合复杂的顺序控制过程，它与设计单位设计的控制流程非常类似。当控制流程设计完成时，即意味着编程的结束，编程过程简单易学。此外，用各种语言编写的程序之间可互相调用，使得程序编写更加灵活方便，能满足多种复杂工况的要求。支持顺序控制图组态和操作、图形化显示、单步执行、加锁、解锁；通过顺序控制图的预编译，确保程序正确执行。 

(6) 网络编程与调试。mb40-plc使用统一的编程和调试软件。提供10/100m以太网作为编程与调试接口，提供程序下载和联机在线调试功能。通过以太网支持远程编程与调试，满足在远方控制中心对现地控制装置控制流程的修改、在线维护。

(7) 强大的串口通讯功能。串口通讯模件：可自由配置串口通讯模块数量，每个串口通讯模块提供多达4到8个串口，每个串口均支持rs-232/rs-485接口标准，并且全部支持可编程方式。

3  水电站自动化系统

3.1 原理架构

目前，水电厂自动化系统大多采用全计算机监控系统，取消或简化常规控制手段。而当前，计算机监控系统一般采用全分布、开放式结构，设电厂级和现地控制单元级。其系统结构原理如图1所示。

图 1  水电站自动化系统原理与结构图

3.2 基于mb40 plc的水电站解决方案

基于mb40 plc的可编程序控制器基板配置方案如图2所示。

图2  plc配置系统图

(1) 在上述配置中，mb40 cpu 511是控制的核心，iim 214、dim 214分别负责采集开入量和中断开入量，tim212 和aim 212分别采集温度量和模入量；dom 214输出开出量。在mb40 cpu 511上有一个rs232串行通讯口，支持modbus规约，利用这个端口可以直接和触摸屏连接。

(2) 在本方案中，cpm 418模件可以提供八个个串口对外通讯，通讯协议可通过编程实现，编程语言采用c语言。编译环境为linux或虚拟linux环境，对外通讯接口为rs232或rs485。

(3) 该plc 配置方案中的cpu模件(cpu 511)，提供一个标准的网络接口，规约为modbus tcp/ip，这样可通过以太网与上位计算机通讯，以便上位机对现地单元监视和控制。

(4) 在水电厂自动化中，机组容量增大、控制信息增多、控制负荷增加等都会造成现地控制单元控制能力的降低。针对水电厂被控制对象分散的特点采用现场总线将分散在现场的智能i/o、智能控制器连成一体。正好体现了分散控制的特点，提高了系统的自治性和可靠性，节省了大量的信号电缆和控制电缆。对于现地控制单元，智能控制器(可编程序控制器)加上现场总线技术应是一个良好的发展趋势。

(5) 在plc软件的设计中，在plc的寄存器空间，开辟了一段寄存器作为上位机和plc交换数据的空间，同时根据开入量、开出量、模拟量以及通讯采集量的特点制定了相关的通讯规约，以便plc和上位机能快速可靠的交换数据。

采用mb40 plc系统运行稳定可靠、网络节点以及plc输入输出可灵活配置；具备数字量、模拟量、输入输出回路光电隔离保护功能；对外通讯功能增强，支持多达8口，规约可以自定义；所有mb40 plc 模块系国产，维护及售后服务方便；与同档次进口plc相比，成本低，显著的降低了投资成本。

4  结束语

采用mb40系列plc的现地控制系统已被国内上百个中、小型水电厂所采用。从系统运行情况来看，系统可靠性高，在各种方式下设备操作正确无误，数据采集与通讯正常，上位机监控也很正常，各项性能完全满足水电厂自动化系统的要求。

1  引言

高炉主卷扬上料系统核心是料车的主提升设备。它要求启动、制动平稳、加减速均匀、可靠性高。传统的控制方式常采用绕线式串级调速方式，设备投资大、控制可靠性差。采用plc交流变频系统替代上述调速方式，使上料系统控制简单，协调运行更稳定，实现了稳产、高产的工作目的。根据高炉主卷扬机电气传动的特点，本项目使用交-直-交电流型和电压型两种形式的变频器，分别应用在300m3高炉和390m3高炉主卷扬机电气传动系统中，取得了良好的效果。

2  系统工作原理

料车上料过程主要有两种形式：一种是卷扬料车上料，另一种是皮带上料。卷扬料车上料结构紧凑、占地面积小，对于中小高炉有足够的上料能力，能实现自动控制。在中小高炉中广泛采用料车卷扬上料。卷扬上料系统主要工作过程是：各种原料经过槽下配料放入中间料斗，料车到料坑后，中间料车把料放入料车，中间料斗闸门关到位，并且炉顶准备好后，料车启动，经过加速→匀速→减速1→匀速→减速2→匀速，到达炉顶。在工作过程中两个料车交替上料，当装满炉料的料车上升时空料车下行，空车重量相当于一个平衡锤，平衡了重料车的车箱自重，这样当上行或下行两个料车用一个卷扬机拖动时，不但节省了电动机的功率，而且电动机运行时总有一个重料车上行，没有空行程。拖动电动机总是处于电动状态运行。具体上料原理图如图1所示。 

图1  料车上料原理图

高炉上料系统中采用双料车运行方式，将准备上料的料车在料坑底部已经装好备料(矿石或焦碳)，另一料车在斜桥顶部，当炉顶布料器料空时，请求上料，由主控plc发出命令给控制柜内的传动plc，在综合各种情况关判断零压回路闭合后，传送运行命令至mm420变频器，由变频器系统发出打开抱闸命令，使抱闸打开，实现料车的平稳启动。料车启动运行时，起始阶段斜桥坡度较大，所带负载惯量较大，电机先以高速运行；在运行至第一减速点时，由行程开关返回位置信号至plc处理，输出低速信号至mm420变频器开关量输入端子，以选择低速给定，电机开始减速运行继续提升负载；料车继续上行，变频器将实际速度值与设定速度进行比较，如果实际速度小于或等于设定值，则变频器输出一个信号给plc，经综合判断系统是否工作正常或超速停机；若料车正常条件下向上运行到停车点时，行程开关发送停车信号给plc，plc控制变频器停车和抱闸闭合，料车停车位置应符合工艺要求的角度，即能将车内的炉料倒净，又不碰上超极限弹簧[1]。整个运动过程分为“一加速二减速三匀速”，速度调节曲线如图2所示。

图2  速度调节曲线

采用plc控制变频器，通过变频器控制电机，并实现多段速度切换，使料车根据运行要求实现不同运行，并包含极限保护、松绳保护、继电保护等等的控制框图如图3所示。

图3  plc控制框图

3  驱动控制系统设计

3.1 主卷扬系统设计

根据高炉上料系统工艺要求设计主要包括以下几个特点：

(1) plc可单独实现电机正反转和变频调速控制功能。

(2) 两个料车可同时用一个卷扬机拖动工作，没有空行程，拖动电机始终处于电动状态。

(3) 用mm420标准型变频器设置参数来实现多段速度。

(4) 系统设有保护功能(包括松绳保护、极限保护等)。

(5) plc和变频器结合使用，实现上料系统的自动控制。

plc开关输入量设计，以7个开关按扭来分别控制plc的模拟电压输出和电机的正反转，其电机保护装置的具体电路如图4所示。从图4中可知q0.3为抱闸保护装置, mm420中3、4号引脚为模拟频率输入口，通常与plc的vo、mo输出端口相连，实现变频器频率变化控制， plc的q0.1、q0.2输出端口与mm420的5、6号引脚相连，实现电动机正反转控制。

图4  plc－变频器控制系统电路图

为使电动机快速制动，在变频器的p+、n-端口中，设计了一个制动单元和一个制动电阻，当变频器在降低频率或停机过程中，由于负载惯性的作用，电动机将处于再生制动状态，拖动系统的动能产生泵升电压反馈到直流电路中，使直流电压上升，为消耗再生到直流电路的那部分能量，制动电阻起了非常重要的作用。根据p+、n-两端电压u和负载功率p，由公式i=p/u，其制动电阻rb的计算公式为：

rb=p/i2   (1)

主卷扬plc可编程控制器i/o分配表如表1所示。

表1  主卷扬plc可编程控制器i/o分配表

本系统采用速度闭环控制方式，一旦出现飞车失控现象，测速装置就会向变频器mm420发出真实的速度信号，mm420通过对速度信号鉴别，发现给定与所需的反馈信号不符，立即发出关闭指令，同时向plc发出故障信号，plc发出停车抱闸指令。

3.2 mm420变频器设计

按照主卷扬电机控制实际工作要求，料车定位、限位行程开关、松绳开关等均按实际情况进行设计。将变频调速频率设为正转：高速50hz、中速20hz、低速6hz；反转：高速50hz、中速20hz、低速6hz；停车：频率0 hz共七段频率。

变频器从零开始加速，通过斜坡时间至全速，实现对电机的软启动，考虑到卷扬机钢丝绳的伸缩以及减速机的齿隙影响，在加速开始加入圆弧曲线，从而进一步减小对机械部分的冲击。

西门子工程型高性能mm420变频器含有线性v/f控制、二次v/f控制、可编程多点控制、磁通电流控制等多种控制模式；具有3个数字输入、1个模拟输入、1个模拟输出、1个继电器输出；有7个可编程固定频率、4个可编程跳转频率和一个rs485通讯接口，可选送proflbus-dp/device-net通讯模块，电流过载能力1.50倍，具有快速电流限制功能和过电压、欠电压、过流、短路、过热、接地障碍、失速等一系列保护功能。mm420参数设置如表2所示。

3.3 s7-200 plc设计

采用西门子s7-200plc作为变频调速控制系统主站，按照工艺要求，设计一个7段频率控制功能，用定时器设定时间段来控制不同频率的转换，实现电动机的变频控制可靠保护。部分plc控制程序如图5所示，plc编程流程框图如图6所示。

 (a) 电机正转运行程序图

(b) 电机反转程序运行图

 (c) 定时器控制转速及模拟输出

图5　plc部分控制程序

图6  plc程序流程图

由程序流程图可知，当给定电机一个正转信号，料车起动，重料车开始上行，同时空料车自炉顶极限位置下行，钢绳自卷筒退出加速度不应超过料车加速度，以免产生钢丝绳松弛现象；检测电机上升速度是否达到大值，达到开始匀速运动，否则加速；重料车进入卸料曲轨道时开始第一次减速，卷扬电机低速运行，电机回馈制动使料车减速，匀速走一段时间后，重料车进入第二次减速，当速度降低到预期值时，开始匀速运行，否则继续进行减速；当收到制动信号时，重料车开始制动停车。制动运行指电机处于爬行状态，由plc发出停车指令，变频器执行调速制动，同时执行抱闸动作，防止料车下滑。

4  实验结果与分析

在plc－变频器控制台进行了模拟实验，对高炉主卷扬料车运行按1/10时间缩短比例进行了控制，绘制了高炉主卷扬plc－变频控制系统实际测试料车运行速度曲线如图7所示(其中正、负号分别代表料车上下运行)，图8是料车运行速度波形。

图7  料车运行速度测试曲线

图8  料车运行速度波形图

从实测结果可知，应用plc－变频控制系统可以实现高炉主卷扬优良控制，主卷扬电机在起动、停车保持稳定的低速运行，克服了电机低速运行转矩不足的问题。为防止料车倒滑现象，plc设有料车防倒滑保护故障控制信号，使主卷扬主回路跳闸，将料车抱闸，从而防止了重车倒滑和空车超极掉道现象的发生[7]。同时具有松绳保护功能，当松绳现象出现时，松绳开关立刻向plc发出信号，plc产生停车命令[8]。

5  结束语

通过高炉冶炼工艺和上料系统工作循环过程的控制研究，提出了基于plc－变频器综合控制方法，设计了高炉主卷扬plc－变频控制系统，改善了高炉上料控制系统自动化程度，生产效率，解决了主卷扬控制系统不稳定而造成的休风、停产问题，确保卷扬上料系统的稳定性。实验操做证明，控制维修方便，符合生产实际要求。