6ES7322-1HF10-0AA0详细说明

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可编程序控制器(习惯上简称为PLC)。是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有体积小、功能强、灵活通用与维修方便等一系列优点，特别是其高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到了用户的青睐。

       PLC在不断发展，尚没有确切的定义，美国电气制造商协会(NEMA)(National E1ectric Manufacturer Association)对PIE的定义是：PLC是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。

        总起来说，PLC是一种成熟通用的工业控制计算机。其优点是：软硬件功能强、使用维护方便、运行稳定可靠。由于PLC配置方便，特别是简单易懂的图形化编程语言，易于工程技术人员掌握，因此施工设计周期可以大大缩短。另外，PLC的输入输出点均设有状态指示灯，便于故障的查找与处理。

        内燃机车的顺序控制一般采用继电器控制电路，中间继电器较多，接线复杂，通用性差。1990年后，液力传动工车开始采用PLC完成顺序控制，取消了大部分中间继问器、计数器和定时器，减少了接线，机车控制电路得到简化，同时运用可靠性得到很大提高。

         电传动内燃机车除完成比液力传动机车更多的逻辑控制外，还需要完成大量的模拟量控制。电传动内燃机车的模拟量控制主要是柴油机的恒功率控制，就是保证柴油机在某一恒定转速下，输出功率恒定。最初柴油机的恒功率控制用柴油机调速器上的功调电阻实现，恒功率范围较窄。后来采用电子恒功率控制装置，又采用了微机恒功率控制装置，恒功率范围得到扩展，但是这些控制装置可靠性很差，故障频繁。随着PLC功能的不断完善，在电传动内燃机车上采用PLC完成恒功率控制成为可能。本文主要介绍PLC在DR型机车上的应用情况。

PLC 控制系统的特点和功能

根据DF5型机车的控制要求，选用日本欧姆龙(OMRON)公司的CQM1H型PLC。

1　 特点 

(1)欧姆龙公司是国际PLC生产商，国内应用广泛、部件供应齐全，产品升级换代相兼容，bbbbbbS开发界面；

(2)通过PLC控制系统实现整车逻辑控制的无触点化，控制逻辑软件化，提高了整车可靠性；

(3)机车所有开关量输入、输出信号，均采用光电隔离，为PLC的安全运行提供了可靠保；

(4)机车所有开关量输入、输出信号，均有LED指示灯，指示信号的输入、输出状态，这对了解机车工作状态、快除机车故障，提供了有利支持：

(5)提供了对整车从恒功率励磁控制到机车逻辑控制的全套解决方案，有利于数据信息的综合利用；

(6)具有机车的电气保护和故障自动检测、显示功能；

(7)系统结构明晰，有利于排查机车电气系统的故障，简化了系统的常规维护。

2　 功能 

(1)机车操作指令、状态的接收和处理；

(2)柴油机恒功率励磁控制；

(3)机车逻辑控制；

(4)柴油机控制；

(5)辅助系统控制；

(6)故障检测、保护及显示记录；

(7)机车参数显示及参数修改等。

3　PLC 控制系统组成 

       PLC控制系统以DF5型机车的控制要求为基础，选用日本OMRON公司的可编程序控制器，其型号为CQM1H。该PLC为完全模块化结构，由直流24 V电源供电。共配置有11个模块。

3．1　 PLC部分硬件组成

       该PLC控制系统由6部分组成，各部分的规格及参数分述如下：　　(1)24 V电源模块。用于连接24 v直流电源。　　(2)CPU模块。包括两块内插板以及16路开关量输入，内插板1暂时不用，内插板2用于频率信号输入，CPU模块具有运行、故障、通讯指示功能，可通过通讯接口外接显示器。　　(3)模拟量输入模块。共3块，12路模拟信号输入，该模块将模拟量转换为数字量，其输入范围可根据需要自行设定：-10～10 V；0～10 V；1～5 V(4～20 mA)；模拟量输入模块还具有均值处理功能和断线检查功能，均值处理功能是对每个输入值进行8次转换求平均值。当输入电压低于0．95 V或输入电流低于3．8 mA时判定为断线。　　(4)开关量输入模块。共3块，用于开关信号的输入，其电路结构如图1所示。　　 　　　　(5)模拟量输出模块。共1块，把从CPU来的数据转换为电压或电流信号输出。　　(6)开关量输出模块。共3块，48路，采用继电器输出

系统概述 水质监测系统包括中心站和监测子站两部分。监测子站内部包括采水部分、分析仪表、和计算机控制系统部分。中心站主要是以数据处理分析为主。这里我们主要讲的是中心站部分和计算机控制系统部分。 监测子站中，水样经过采水系统通过泵、阀、管路进入到相关的仪器、仪表进行水质的自动分析与检测，检测后的数据信息通过RS485现场总线进入工控机。除仪器、仪表外的其它数据信息和控制信息，（如：泵、阀状态、室内温度、烟雾传感、系统电源状态等）则通过电压、电流信号进入MODCELL采集器的I/O模块，MODCELL采集器将电压或电流信号转换成数字信号，通过RS485现场总线进入工控机。RS485现场总线将工控机、仪表、MODCELL采集器联结成完整的子站采集和监控系统。工控机又通过拨号网络与主站工作站形成广域网，实现历史数据和实时数据的共享。 中心站主机通过MODEM与市话网相连，通过拨号网络和各子站通讯。当操作员希望查看某子站数据时，首先通过拨号网络拨通监测子站，建立连接后，监测主机就可通过Client/Server(客户/服务器)的通讯方式，监视子站的实时数据，历史曲线，并可以直接控制输出，和在子站进行监控时只是速度上的有些差别。中心站主机实现历史数据的统计、各种报表的自动生成。 中心控制主站与监测子站通过MODEM与市话网相连，当拨号连通建立连接后，则通过远程访问服务（RAS）连接到拨号网络。使管理人员可以象在本地网（LAN）一样方便地访问中心控制子站和监测子站的实时数据，历史数据，并实现数据文件的相互传输。当中心控制站的管理人员需要查看某监测子站的信息时，只需要拨号连通监测子站，子站的远程访问服务将自动启动与中心控制站连网。它包括两种方式：通讯程序之间的和两台监测计算机之间的历史文件的传送。通讯程序之间的主要是通过邮槽（MAILSLOT）方式进行的主要用于传输命令、对时、报警等数据量小的信息。两台监测计算机之间的历史文件的传送是通过基于Internet服务的FTP（文件传输协议）实现的

1引言

      全社会日益增长的用电需求和电网输配电能力的矛盾越来越突出。另外，随着现代工业的发展，在配电网中，一方面，多种干扰工业负荷，由于其非线性、冲击性和不平衡的用电特性，使供电网的电压波形发生畸变，引起电压的波动、闪变以及三相不平衡，甚至引起系统频率的波动，对电网的电能质量构成了严重的威胁；另一方面，配电网中的许多用电设备，例如计算机、医用设备以及其它精密电子设备对供电系统的干扰更加敏感，对电能质量提出了高可靠性、高暂态恒定性、高可控性的要求。目前，大部分用于改善和提高电能质量的补偿装置都具有抑止电压波动与闪变的功能[1][2]，利用晶闸管技术的静止无功补偿装置(SVC)可以就地提供动态无功补偿，是解决这些问题的经济有效的措施。

      TCR＋FC型SVC是SVC装置最主要的型式，它的基本构成包括：阀组、冷却系统、相控电抗器、控制系统、滤波器组。其中控制系统是SVC装置的核心，SVC补偿功能的实现、安全稳定的运行、与其它设备的协调以及人机交互都是靠控制系统来实现的。SVC控制系统在出现的初期就基本进入了数字化时代。但是由于电信号的瞬时值是交流信号，控制系统的计算任务非常繁重，早期的微型计算机，甚至后来的16位和32位微处理器(MPU)，都无法满足高速实时运算的要求，因此早期的SVC控制系统基本采用了“模拟＋数字”的方法，其主要思路是利用模拟电路实现无功功率和有功功率的计算和滤波处理，再将结果输入数字计算机作进一步的处理[3][4]，模拟电路＋单片机是其中一种很典型的实现方案，至今在工程中仍有一定的应用。

      SVC控制策略的实现受微处理器运算性能的影响非常大，模拟和数字相结合的实现方案也限制了更先进的控制策略的实现，所以模拟和数字结合的SVC硬件平台上实现控制策略基本上是以平均功率理论为基础的控制策略。这样的硬件平台基本上无法实现以矩阵运算(坐标变换)为基础的瞬时补偿算法。

      为提高SVC控制系统的性能和可靠性，在浙江大学、清华大学和SIEMENS A&D的支持下，顺特电气有限公司基于SIMATIC-TDC/SIMADYN-D的基础上研发出了适用于恶劣工业环境下的高性能、高可靠性的SVC控制系统，并在实际工程中得到了成功的应用。

2 SVC控制系统构成

      SIMATIC-TDC控制器是SIEMENS公司近年来在SIMADYN-D的基础上推出的新一代工业控制系统，目前，该控制系统已在大容量交-直流传动得到了一定的应用，已成为SIEMENS公司在工业控制领域实现大型系统实时控制的主推产品。与SIMADYN-D类似，SIMATIC-TDC控制系统采用多CPU并行处理结构，它的信号处理和算术运算能力十分强大，处理器模板采用了64位RISC处理器，基本采样时间达到了μs级。SIMATIC-TDC采用了自由组态、模块化的设计思想，使得系统的结构便于扩展。系统可以快速实现闭环和开环控制，算术运算以及系统监视和信号通信等功能。SIMATIC-TDC拥有一套完整的模块化的硬件和软件设计思想模式，能够保证硬件可以广泛地满足各种系统的设计要求。每个系统独立的插件板可以直接插入独立的控制单元。SIMATIC-TDC尤其适用于相关联的大动力及高精度的控制系统，适合于不同的交流、直流调速系统以及电力系统的控制和保护系统。

      与SIMADYN-D比较起来，SIMATIC-TDC的性能更加卓越。与SIMADYN-D最大的区别是，SIMATIC-TDC采用了符合VMEbus标准的64位总线，总线速度大幅度提高，因此不再有L-bus和C-Bus的区别。SIMATIC-TDC系统采用STEP/CFC组态语言，计算机用户界面十分的友好，易于操作和掌握，适合于从简单到复杂的控制系统的要求。简单任务可以组态在一个功能包中，较复杂的任务则由几个功能包共同来完成。对于复杂的功能，是由几个过程处理器组合在一个SIMATIC-TDC控制单元中来完成。更高级的系统可由几个SIMATIC-TDC控制单元组合在一起，通过通讯线连接交换数据而达到设计要求。

      SIMATIC-TDC采用的是实时操作系统(固定时隙25µs)，采样速度很快(最短100µs)，其中A/D采样转换时间约为20µs，D/A转换输出时间为4µs，D/I和D/O延时时间均为100µs，测试证明完全满足在0.5ms内完成从采集、计算到控制信号输出的要求。强大的循环处理，高达5种采样时间(T1~T5)，能够进行处理周期性中断(T0)和非周期性中断(I1~I8八级中断)任务。基于基本采样时间T0，可以定义5种采样时间的周期中断任务(T1~T5)以处理不同实时性要求的任务，其中T1~T5与T0的关系是：

      Ti = T0 * 2j

      式中：1≤i≤5，0≤j≤15。该控制系统超高的采样速度，超快的运算速度，的计算能力，从而保证SVC控制器响应时间只受数字滤波器限制，速度达到10ms以内，满足设备要求。

      将SIMATIC-TDC应用于SVC控制系统可以大大提高SVC装置的性能和可靠性。同时该控制系统结构简单合理、可以实现多种复杂的控制算法、响应速度极快。

      顺特电气有限公司SVC控制系统使用CPU551实现主要的计算和开、闭环控制任务，人机界面采用TP270系列触摸屏。其中SIMATIC-TDC与水冷系统的通信采用Profibus-DP通信协议；SIMATIC-TDC与人机接口(例如TP270)及远方监控系统的通信采用了SIEMENS的MPI协议；SIMATIC-TDC与调试设备之间采用DUST1协议进行通信；SIMATIC-TDC与微机保护装置的通信采用工业以太网。

      SIMATIC-TDC实现的主要功能包括：进行信号的采集和处理、实现SVC的控制算法、实时计算TCR触发角；实现SVC系统的开停机控制；SIMATIC-TDC还要实现与晶闸管冷却系统的通信以达到对冷却系统的监控目的；对晶闸管状态进行监控；对微机保护装置进行通信；对主电路进行监控。图1为采用双CPU结构SVC控制系统实现的基本功能。 图2是在SIMATIC-TDC/SIMADYN-D中实现的负荷补偿SVC控制框图。图3是顺特电气应用于工业产品的基于SIMADYN-D/SIMATIC-TDC的SVC控制系统外形图。

图1 基于SIMATIC-TDC/SIMADYN-D的SVC控制系统的控制功能

图2加入无功电流反馈的负荷补偿SVC控制原

a) SIMADYN-D控制器

b) SIMATIC-TDC控制器

图3基于SIMADYN-D/SIMATIC-TDC的SVC控制系统外形图

3 应用实例 '

      顺特电气有限公司开发基于SIMADYN-D的SVC控制系统2005年已经成功地应用到首钢秦皇岛板材有限公司110kV变电站、天津津滨轻轨有限公司110kV变电站等4个SVC工程。基于SIMATIC-TDC的SVC控制系统已于2006年6月在青岛四方-庞巴迪-波尔铁路设备运输公司110kV变电站SVC工程正式投运，这是第一个将SIMATIC-TDC应用于SVC工程的实例。这里主要以首钢秦皇岛板材有限公司SVC为例对应用情况进行简单介绍。首钢秦皇岛板材有限公司110kV变电站SVC投运前后6kV系统3s功率因数曲线如图4、图5所示。 

      从图4可以看出，轧机运行时6kV系统的功率因数较低，约为0.78；从图5可以看出，轧机运行时，由于无功功率基本由SVC提供，6kV系统的功率因数很高，功率因数维持在0.99以上。由此可见，SVC的功率因数校正效果非常明显。

图4 SVC投运前6kV系统功率因数曲线

图5 SVC投运后6kV系统功率因数曲线

      根据首钢秦皇岛板材有限公司对SVC投运前后统计数据的分析，结论如下：

1) 提高了设备利用率，降低了设备容量。由于轧机需要的无功功率基本由SVC实时提供，因此主变基本不再提供无功功率，有功功率输出增加4000kW，因此不再需要改换原有主变，节省了约200万的投资。

2) 电费的节省：SVC的投入使电源得到净化，质量得到提高，系统中无功功率基本不存在，有功功率增加，无功电流和谐波电流的降低使线路损耗和电机的无功损耗大大降低，电机效率和出力得到提高。在相同电量下SVC的运行与停运，产量将截然不同，预计年节约电量约300万度，每年的直接经济效益达160万元。

3) 其他效益：电源质量提高后将延长电气设备的使用寿命（如变压器、电机的使用寿命等），降低自动控制设备的故障发生率（如轧机可控硅控制系统的不稳定、计算机死机等问题造成的系统保护电机跳闸，给生产带来影响）。

4 结论

      SIMATIC-TDC应用于SVC控制系统可以大大提高SVC装置的性能和可靠性。同时该控制系统结构简单合理、可以实现多种复杂的控制算法、响应速度极快。首钢秦皇岛板材有限公司110kV变电站、天津津滨轻轨有限公司110kV变电站、青岛四方-庞巴迪-鲍尔铁路运输设备有限公司110kV变电站、首钢一线材等实际SVC工程的应用证明该方案的可行性和实用性，给用户带来了明显的经济效益。

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