西门子(邯郸)模块代理商

1 引言
电动机的应用几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域，在这些应用领域中，电动机常常运行在恶劣的环境下，导致产生过流、短路、断相、绝缘老化等事故。对于应用于大型工业设备重要场合的高压电动机、大功率电动机来说，一旦发生故障所造成的损失无法估量。
电动机常见的故障可分为对称故障和不对称故障两大类。对称故障包括:过载、堵转和三相短路等，这类故障对电动机的损害主要是热效应，使绕组发热甚至损坏，其主要特征是电流幅值发生显著变化;不对称故障包括:断相、逆相、相间短路、匝间短路等，这类故障是电动机运行中常见的一类故障。不对称故障对电动机的损害不仅仅是引发发热，更重要的是不对称引起的负序效应能造成电动机的严重损坏。因而，对大型电动机进行综合保护非常重要。

2 基于PLC的电动机综合保护

对电动机的保护可以分为以下几类:
在电动机发生故障时，为了保护电动机，减轻故障的损坏程度，继电保护装置的快速性和可靠性十分重要。在单机容量日益增大的情况下，电机的额定电流可达数千甚至几万安，这就给电动机的继电保护提出了更高的要求。传统的继电保护装置已经无法满足要求，因此微机保护应运而生。

PLC是用来取代传统的继电器控制的，与之相比，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、设计施工周期短、调试修改方便、而且体积小、功耗低、使用维护方便。因此，本文研究了基于可编程控制器（PLC）的电动机综合监控和保护系统的方法。

3 系统硬件设计

3.1 系统的总体结构
基于可编程控制器（PLC）的电动机综合监控和保护系统的总体结构如图1所示。

3.2 PLC机型选择及扩展
选择PLC机型应考虑两个问题:
（1） PLC的容量应为多大？
（2） 选择什么公司的PLC及外设。在本系统中，包含以下输入输出点，见附表,本系统共包括12路开关量，7路模拟量。

SIMATIC S7-200系列PLC是由西门子公司生产的小型PLC，其特点是:SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测，监测及控制的自动化，S7-200系列的强大功能使得其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能，因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200 CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点,可连接7个扩展模块，大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点;13K字节程序和数据存储空间;6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器;1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力;I/O端子排可以很容易地整体拆卸，是具有较强控制能力的控制器。根据系统的实际情况，结合以上特点，SIMATICS7-200 CPU 224完全可以作为本系统的主机。
CPU224可扩展7个模块，而其本身具有14输入/10输出共24点数字量，因此已无须数字量扩展模块。但由于有7路模拟量输入，故需选择模拟量输入模块。S7-200系列提供了EM231，EM232，EM235等模拟量扩展模块。根据以上技术数据，选择两个EM231作为模拟量输入模块，这样共可以扩展4×2=8路模拟量输入。

4 系统软件设计

4.1 主程序
程序开始，从输入单元检测输入量，首先判断KM是否闭合，如果闭合，说明电动机已经处于运行状态，此时应无法按下启动按钮，若KM未曾闭合，则说明电动机处于停机状态，可以按启动按钮。接着判断启动按钮是否按下，若是，则继续下面的程序，若否，则重新检测。如果按钮已经按下，则检测电动机是否启动，若是，则继续下面的程序，若否，则转入欠压保护子程序，若是电动机已经启动，则判断起动是否成功，若是，则继续下面的程序，若否，则转入起动保护。如果电动机已经正常起动，则绿灯亮。接着判断停止按钮是否按下，若否，则继续下面的程序，若是，则程序直接结束，开始下一次扫描。
如果停止按钮并未按下，即电动机仍然在运行中，则进行运行过程中的故障判断，首先检测是否发生短路故障，方法是:检测三相电流，再判断Imax是否大于整定值，若是则跳转至保护动作子程序段，电动机起动短路保护，警报响，并且短路故障指示灯亮。若否，则继续下面的程序。接着判断是否发生断相故障，方法是:检测三相电流，判断是否有某相电流为零，或者检测Umn，判断是否不为零，如果其中之一满足，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动断相保护，警报响，并且断相故障指示灯亮。若否，则继续下面的程序。接着判断是否发生欠压故障，方法参见欠压保护子程序说明。接着判断是否发生接地故障，方法是:检测I0，若大于整定值则跳转至保护动作子程序段，电动机起动接地保护，警报响，并且接地故障指示灯亮。接着判断是否发生过负荷故障，方法是:检测三相电流，若到达整定时限后，电流仍大于整定值，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动过负荷保护，警报响，并且过负荷故障指示灯亮。若判断未发生过负荷故障，则程序完成一次扫描，再次从第一条开始，进行第二次扫描，所以结束是指一个循环的结束，并不是整个程序的结束。
4.2 欠压保护子程序
在该程序段中，采集A相和C相的电压量，求出其平均值，再与整定值相比较，若小于整定值，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动欠压保护，警报响，并且欠压故障指示灯亮。若未发生欠压故障，则直接结束本次循环。
4.3 起动时间过长保护子程序
在该程序段中，采集三相电流量，若发现在起动过程中，电流大于整定值，或在整定时间到达后，电流仍大于另一整定值，则跳转至保护动作子程序段，起动时间过长保护动作，警报响，并且起动故障指示灯亮。

5 结束语

通过本系统设计、试验与运行，得到如下结论:
（1） 利用PLC进行电动机综合保护硬件简单可靠。
（2） 可以采用梯形图语言进行编程，简单易行。
（3） 系统运行可靠，便于检修维护。
（4） 由于采用集成综合设计，系统体积小、功耗低、使用操作方便。

　　PLC的型号为CPU222，属于小型PLC,但其指令功能非常丰富，能完成各种复杂控制功能。它具有8输入/6输出，共14个数字量I/O点。控制程序采用STEP-7Micro/Win32 V4.0 SP3编程软件开发。
　　触摸屏作为人机对话窗口，用于修改系统的工作参数，监控系统的工作过程。它防护等级高（IP65）,可用于恶劣的工作环境。触摸屏的使用省去了复杂的控制面板和仪表显示。TP170A通过Protool/Pro csV6.0为其组态。以通讯的方式读取PLC内部相应寄存器上的数据、状态及工作参数。
　　本控制方案中主要作用是从现场启动设备，整定内部参数，显示瞬时流量、累计流量，输入参数的设定，上下限报警值的设定，流量实时趋势曲线，在调试变频器时，也可以通过趋势来观察效果。TP170A与CPU222通过9针电缆进行通讯。
　　当所有设备处于正常工作状态，测得的仓重信号经过变送器处理后，送入DCS和EM231。流量计下端带有力矩传感器及速度传感器，测得扭矩与转速信号经过变送器，由EM231模块输入至PLC，计算出实际流量，并且与设定值进行比较，经过PID调节后，通过EM232，控制变频器的频率从而改变给料机转速，实现流量控制。
　　窑头喂煤大流量13t/h，窑尾喂煤大流量15t/h。两套喂煤的给料机及流量计所配电机功率相同分别是：5.5kW和1.1kW。
　　5 变频器的选择：
　　每套科氏力秤喂煤系统配有2台变频器,一台拖动流量计中的测轮旋转，另一台控制给料机。变频器要根据工艺环节的具体要求选择性价比相对较高的产品。后确定4台变频器都使用ABB公司的Comp-AC变频器。为确保现场的快速调试，Comp-AC变频器预置了多种应用宏。宏是一组事先预先定义参数集，应用宏将使用过程中所需设定的参数数量降至少。选择一个宏，所有参数和控制方式即自行改变。典型的应用宏包括：工厂应用宏，ABB标准宏，交变应用宏，PID应用宏，手动自动应用宏等。这些应用宏为用户提供了方便的使用性能。
　　3.1 流量计变频器
　　两台流量计的原理相同，为了保证计量精度，要求测轮启动后能够稳定恒速运转。厂家依照电机和传动比计算出频率应设定在45Hz，两台流量计的转速相同,采用的变频器也相同是ACS 400系列。
　　3．2窑尾给料机变频器
　　当回转窑因故障停机时，分解炉要立刻停止喂煤。工艺上没有其他特殊的要求，选择具有V/F控制方式的变频器即可，我们也选用了ACS400系列。
　　3．3窑头给料机变频器
　　当回转窑因故障停机时，窑头要少量喂煤，用于窑的保温，喂煤量只有大流量的1／8左右，为了保证在如此低流量状态下喂煤的性，选用的是具有矢量控制功能的变频器，型号是ACS550系列。ACS550是新推出的智能性变频器，具有三种控制方式，即标量V/F控制、无传感器矢量控制、转矩控制，所以该款变频器不仅能够适合于简单的电机运转，也可以同时满足普通负载和重载工作。　
　　6 变频器的安装调试：
　　每套系统均带有1个控制柜，为了减少变频器对传感器的干扰，除了控制信号（包括模拟信号和数字信号）需要使用屏蔽电缆，变频器到电机的强电线也必须采用屏蔽电缆。
　　为防止煤粉易结露、起拱后，导致不下料情况的发生。给料机设计成能够正反向转动。用一个拨动开关控制它的转动方向。将系统电源过开关后，接入到DI2,得电正转，失电反转。
　　应用不同的宏，手册里有相对应的接线方式。基本可以按图接线。
　　做好变频器参数的设置及调试工作是设备正常运转的一个根本保障措施。现场中出现的许多问题往往是参数的设置问题而与设备本身无关，由此可见，合理正确设置参数很重要。
参数的定义过程：
　　1） 起动数据。是将电动机的主要参数输入到变频器，包括电机的额定电压、额定电流、功率、转速等。
　　2） 输入输出端子的定义。根据设计好的接线图用参数的方式定义数字量的输入输出和模拟量的输入输出。
　　3）其他参数的定义，上述两项定义好后，变频器就可以使用了。为了更好的发挥变频器的功能，还要定义一些其他参数。
表1 调试后修改的参数表