6ES7331-7NF10-0AB0性能參數(shù)

1 引言
可編程邏輯控制器(PLC—Programmable Logic Controller)，簡稱可編程控制器，它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、通訊技術(shù)和自動控制技術(shù)發(fā)展而來的一種新型工業(yè)控制裝置。它問世于20世紀60年代，到現(xiàn)在仍保持旺盛的發(fā)展勢頭。它具有體積小、功能豐富、配置靈活、適應(yīng)惡劣環(huán)境、抗干擾性強、可靠性高、編程方便、價格便宜等優(yōu)點，廣泛用于電力、機械、冶金、化工、輕紡等各個工業(yè)過程自動控制中。它不僅可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，還可構(gòu)成復雜的過程控制網(wǎng)絡(luò)。
現(xiàn)場總線技術(shù)是20世紀80年代后期發(fā)展起來的，它是目前自動化領(lǐng)域中的一個熱點，是新一代控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，它綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點對點”式的模擬信號或數(shù)字—模擬信號控制的局限性，構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化、多變量、多節(jié)點的通信與控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線則是連接現(xiàn)場智能設(shè)備和自動化控制設(shè)備的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，其基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置。分散在各個現(xiàn)場的數(shù)字智能現(xiàn)場裝置通過現(xiàn)　　　　場總線連為一體，并與控制室中的控制器和監(jiān)視器一起構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS—Fieldbus Control System）。
現(xiàn)場總線技術(shù)實際上是采用串行和連接方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的并聯(lián)信號傳輸和連接方式的方法，它依次實現(xiàn)了控制層和現(xiàn)場總線設(shè)備層之間的，同時在保證傳輸實時性的情況下實現(xiàn)信息的可靠性和開放性。一般的現(xiàn)場總線具有以下幾個特點：（1）布線簡單；（2）開放性；（3）實時性；（4）可靠性；（5）診斷；（6）硬件靈活。
目前，國際上各種各樣的現(xiàn)場總線有很多種，統(tǒng)一的國際標準尚未建立。其中有較強實力和影響的有： FF（Foundation Fieldbus 基金會現(xiàn)場總線）、HART（Highway Addressable Remote Transducer）、CAN（Controller Area Network 控制器局域網(wǎng)）、Profibus（Process Field Bus 過程現(xiàn)場總線）、INTERBUS、LonWorks（Local Operating Network 局部操作網(wǎng)絡(luò)）、WorldFIP、MODBus、DeviceNet、ControlNet 、ASi（Actuator Sensor Interface 執(zhí)行器傳感器接口）等。
基于PPC工業(yè)計算機、PLC及現(xiàn)場總線的電氣控制系統(tǒng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域，如冶金、電力、石化、礦山、水泥、水處理、乳品飲料、啤酒罐裝、加工、機械裝配、產(chǎn)品包裝等已得到廣泛的應(yīng)用，但是在鐵路大型養(yǎng)路機械電氣控制系統(tǒng)中還沒有廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)鐵路大型養(yǎng)路機械控制系統(tǒng)的特點，提出一種基于PPC工業(yè)計算機、PLC及INTERBUS現(xiàn)場總線的鐵路大型養(yǎng)路機械電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。
2 現(xiàn)狀
養(yǎng)路機械化是實現(xiàn)鐵路維修養(yǎng)護現(xiàn)代化、保鐵路不間斷運輸和行車安全的重要技術(shù)手段。為適應(yīng)鐵路快速、重載以及軌道結(jié)構(gòu)重型化的技術(shù)發(fā)展要求，發(fā)達國家鐵路相繼采用大型養(yǎng)路機械進行鐵路線路維護，到上世紀80年代末，已基本形成以大型養(yǎng)路機械為主要作業(yè)手段的格局。而此時，我國還在依靠手工、小型機械和非標準自制設(shè)備進行線路維護，作業(yè)質(zhì)量差、效率低，特別是在繁忙干線，線路維護與運營的矛盾尤其突出。
上世紀80年代初期，我國從奧地利普拉塞—陶依爾公司引進了先進的大型養(yǎng)路機械制造技術(shù)，確立了大型養(yǎng)路機械的發(fā)展采取“技術(shù)引進—消化、吸收—國產(chǎn)化生產(chǎn)—開發(fā)、創(chuàng)新”的途徑。通過20多年的引進技術(shù)和國產(chǎn)化生產(chǎn)，我們學習了國外大型養(yǎng)路機械的先進技術(shù)，更新了傳統(tǒng)的設(shè)計觀念，拓寬了開發(fā)思路，增強了開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的能力。
隨著鐵路的跨越式發(fā)展和市場競爭的加劇，加快推進大型養(yǎng)路機械引進、消化、吸收國外先進技術(shù)的進程，加快具有自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的研發(fā)，加快新產(chǎn)品開發(fā)速度，發(fā)展核心技術(shù)，創(chuàng)新和超越已經(jīng)成為現(xiàn)階段工作的重中之重，已經(jīng)刻不容緩。
鐵路大型養(yǎng)路機械是集機械、液壓、氣動、電氣、計算機、激光等技術(shù)于一體的鐵路專用機械。按功能分有以下系列：清篩機、搗固車、配碴車、穩(wěn)定車、鋼軌打磨車、鋼軌探傷車、軌道檢測車、架線車、焊軌車、道岔鋪換機組等。對于不同功能的鐵路大型養(yǎng)路機械電氣控制系統(tǒng)來說，其本質(zhì)的區(qū)別在于作業(yè)監(jiān)視控制系統(tǒng)。到目前為止，我國的清篩機、搗固車、配碴車、穩(wěn)定車等鐵路大型養(yǎng)路機械的技術(shù)主要是在引進、消化吸收奧地利普拉塞—陶依爾公司鐵路大型養(yǎng)路機械技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它屬于模擬集中式控制系統(tǒng)，它主要由以下子系統(tǒng)組成：
（1）整車電源子系統(tǒng)；
（2）柴油機監(jiān)視控制子系統(tǒng)；
（3）高速走行監(jiān)視控制子系統(tǒng)；
（4）作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)；
（5）輔助設(shè)備子系統(tǒng)：包括照明、通話、取暖及空調(diào)等。
其中作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)是各類鐵路大型養(yǎng)路機械電氣控制系統(tǒng)的核心，它完成作業(yè)機構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)視、完成作業(yè)機構(gòu)動作的控制。不同功能的鐵路大型養(yǎng)路機械，其作業(yè)監(jiān)視控制系統(tǒng)的復雜程度有著很大的差別。如清篩機和配碴車，它的作業(yè)監(jiān)視控制系統(tǒng)比較簡單。而搗固車、穩(wěn)定車、鋼軌打磨車、鋼軌探傷車、軌道檢測車、架線車等，它們的作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)就比較復雜。下面以穩(wěn)定車的作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)為例作一介紹，它由以下部分組成：
（1）計算機控制部分：由上位機控制板、鍵盤、顯示器構(gòu)成；
（2）程序控制部分：由下位機控制板、I/O板、功率輸出板組成的微機系統(tǒng)構(gòu)成；
（3）模擬量控制部：由A/D轉(zhuǎn)換板、D/A轉(zhuǎn)換板、頻率測量板、各種功能的模擬控制板構(gòu)成；
（4）測量部分：由左、右抄平傳感器，加速度傳感器，振頻傳感器等構(gòu)成；
（5）軌道參數(shù)記錄部分：由記錄儀、前、后電子擺，正矢傳感器，測量輪等構(gòu)成。

普拉塞—陶依爾公司的模擬集中式控制系統(tǒng)的特點如下：
（1）各子系統(tǒng)的監(jiān)視部分都使用模擬儀表或數(shù)字顯示器或指示及報；
（2）功能復雜機型作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)的控制部分都使用插裝式模擬電路板和由插裝式電路板組成的微機系統(tǒng)；
（3）作業(yè)監(jiān)視控制子系統(tǒng)中各I/O信號的接線方式均為“終端（開關(guān)、傳感器/電磁閥、繼電器）—作業(yè)主控制柜”或“終端元件（開關(guān)、傳感器/電磁閥、繼電器）—中間過渡箱—多芯電纜—作業(yè)主控制柜”的傳統(tǒng)接線方式（如圖1）；
（4）軌道參數(shù)記錄系統(tǒng)為一個獨立的系統(tǒng)，與微機及計算機系統(tǒng)沒有通訊和數(shù)據(jù)交換。

常用的數(shù)控機床維修方法：數(shù)控設(shè)備維修是一項很復雜、技術(shù)含量很高的一項工作，數(shù)控設(shè)備與普通設(shè)備有較大的差別。 

1、利用數(shù)控系統(tǒng)的自診斷功能 

一般CNC系統(tǒng)都有較為完備的自診斷系統(tǒng)，無論是發(fā)那科系統(tǒng)還是西門子系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)上電初始化時或運行中均能對自身或接口做出一定范圍的自診斷。維修人員應(yīng)熟悉系統(tǒng)自診斷各種報警信息。根據(jù)說明書進行分析以確定故障范圍，定位故障元器件，對于進口的數(shù)控系統(tǒng)一般只能定位到板級，其片級維修一般可依靠各數(shù)控系統(tǒng)的廠家售后維修部門。 

2、利用PLC程序的邏輯查找。 

現(xiàn)在一般CNC控制系統(tǒng)均帶有PLC控制器，大多為內(nèi)置式PLC控制。維修人員應(yīng)根據(jù)梯形圖對機床控制電器進行分析，在CRT上直觀地看出CNC系統(tǒng)I/O的狀態(tài)。通過PLC程序的邏輯分析，進口泵方便地檢查出問題存在部位，如FANUC-OT系統(tǒng)中自診斷頁面等。根據(jù)圖紙PLC梯圖進行分析，定位機床與CNC系統(tǒng)接口故障，以確定故障部位是機械、電器、液壓還是氣動故障。 

3、與當場的操作人員充分溝通 

現(xiàn)場操作人員是數(shù)控機床最親密的伙伴，操作人員也是各種故障的第一發(fā)現(xiàn)人。因此，當故障發(fā)生后，維修人員一般不要急于動手，先與操作人員進行充分的溝通，要仔細詢問故障發(fā)生時機床處在什么工作狀態(tài)、表現(xiàn)形式、產(chǎn)生的后果、是否是誤操作，故障能否再現(xiàn)等，這樣有助于維修人員快速分析和判斷故障原因。

系統(tǒng)簡介

為改善生產(chǎn)環(huán)境，某公司清潔水技改工程并建成一座日產(chǎn)水2.5萬頓的供水系統(tǒng)，分別建設(shè)了抽水泵系統(tǒng)、加壓泵系統(tǒng)和高位水池。根據(jù)公司用水需求特點，從抽水泵系統(tǒng)過來的水一部分直接供給生產(chǎn)用水部門，一部分則需通過加壓泵輸送到高位水池，而供給生產(chǎn)用水部門的水壓與供給高位水池的水壓相差較大。同時高位水池距抽水泵房較遠達十多公里，高位水池的液位高低和加壓泵系統(tǒng)的設(shè)計以及如何與抽水泵系統(tǒng)“聯(lián)動”也是較難解決的。

鑒于以上特點，從技術(shù)可靠和經(jīng)濟實用角度綜合考慮，我們設(shè)計了用PLC控制與變頻器控制相結(jié)合的自動恒壓控制供水系統(tǒng)，同時通過主水管線壓力傳遞較經(jīng)濟地實現(xiàn)了加壓泵系統(tǒng)與抽水泵系統(tǒng)“遠程聯(lián)動”的控制目的。

系統(tǒng)方案

系統(tǒng)主要由三菱公司的PLC控制器、ABB公司的變頻器、施耐德公司的軟啟動器、電機保護器、數(shù)據(jù)采集及其輔助設(shè)備組成。

抽水泵系統(tǒng)

整個抽水泵系統(tǒng)有150KW深井泵電機四臺，90KW深井泵電機兩臺，采用變頻器循環(huán)工作方式，六臺電機均可設(shè)置在變頻方式下工作。采用一臺150KW和一臺90KW的軟起動150KW和90KW的電機。當變頻器工作在50HZ，管網(wǎng)壓力仍然低于系統(tǒng)設(shè)定的下限時，軟起動器便自動起動一臺電機投入到工頻運行，當壓力達到高限時，自動停掉工頻運行電機。

系統(tǒng)為每臺電機配備電機保護器，是因為電機功率較大，在變頻器的控制下穩(wěn)定運行；當用水量大到變頻器全速運行也在變頻器的控制下穩(wěn)定運行；當用水量大到變頻器全速運行也不能保管網(wǎng)的壓和穩(wěn)定時，控制器的壓力下限信號與變頻器的高速信號同時被 PLC檢測到，PLC自動將原工作在變頻狀態(tài)下泵投入到工頻運行，以保持壓力的連續(xù)性，同時將一臺備用的泵用變頻器起動后投入運行，以加大管網(wǎng)的供水量保證壓力穩(wěn)定。若兩臺泵運轉(zhuǎn)仍，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運行，而將另一臺備用泵投入變頻運行。

當用水量減少時，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號有效，這時壓力上限信號如仍出現(xiàn)，PLC首先將工頻運行的泵停掉，以減少供水量。當上述兩個信號仍存在時，PLC再停掉一臺工頻運行的電機，直到最后一臺泵用主頻器恒壓供水。另外，控制系統(tǒng)設(shè)計六臺泵為兩組，每臺泵的電機累計運行時間可顯示，24小時輪換一次，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)的泵有相同的運行時間，確保了泵的可靠壽命?？刂葡到y(tǒng)圖見圖3。

◆半自動運行

當PLC系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，自動控制系統(tǒng)失靈，這時候系統(tǒng)工作處于半自動狀態(tài)，即一臺泵具有變頻自動恒壓控制功能，當用水量不夠時，可手動投入另外一臺或幾臺工頻泵運行。
◆手動

當壓力傳感器故障或變頻器故障時，為確保用水，六臺泵可分別以手動工頻方式運行。

實施效果

實際運行證明本控制系統(tǒng)構(gòu)成了多臺深井泵的自動控制的最經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，在軟件設(shè)計中充分考虎變頻與工頻在切換時的瞬間壓力與電流沖擊，每臺泵均采用軟起動是解決該問題關(guān)鍵。變頻器工作的上下限頻率及數(shù)字PID控制的上下限控制點的設(shè)定對系統(tǒng)的誤差范圍也有不可忽視的作用。

采用變頻恒壓供水，了主管網(wǎng)壓力波動，保證了供水質(zhì)量，而且節(jié)能效果明顯，并延長了主管網(wǎng)及其閥門的使用壽命。

◆采用變頻恒壓供水，了主管網(wǎng)壓力波動，保證了供水質(zhì)量，而且節(jié)能效果明顯，并延長了主管網(wǎng)及其閥門的使用壽命。

◆用穩(wěn)壓減壓閥經(jīng)濟地解決了不同用水壓力的問題。

◆拓寬運用變頻恒壓控制原理，較好地解決了加壓泵房與抽水泵房的遠程通訊總是并達到異地連鎖控制的目的。

◆在抽水泵房設(shè)置連續(xù)液位顯示，并將信號傳與PLC，防止泵缺水燒壞電機，設(shè)定的取水位置，確保水的質(zhì)量。

過載、欠壓、過壓、過流、相序不平衡、缺相、電機空轉(zhuǎn)等情況下為確保電機的良好使用條件，達到延長電機的使用壽命的目的。

系統(tǒng)配備水位顯示儀表，可進行高低位報警，同時通過PLC可確保取水在合理水位的水質(zhì)監(jiān)控，同時也保護電機制正常運轉(zhuǎn)工況。

系統(tǒng)配備流量計，既能顯示一段時間的累積流量，又能顯示瞬時流量，可進行出水量的統(tǒng)計和每臺泵的出水流量監(jiān)控。系統(tǒng)配備流量計，既能顯示一段時間的累積流量，又能顯示瞬時流量，可進行出水量的統(tǒng)計和每臺泵的出水流量監(jiān)控。

不同壓力供水需求的解決為穩(wěn)定可靠地滿足公司內(nèi)部分區(qū)域供水太力（0.4~0.45Mpa）低于主管網(wǎng)水壓力（0.8~0.9Mpa）的要求，配備穩(wěn)壓減壓閥來調(diào)節(jié)，可調(diào)范圍為0.1~0.8Mpa。

加壓泵系統(tǒng)

由于抽水泵房距離高位水池較遠，直接供水到高位水池抽水泵的揚程不足，為此在距離高位水池落差為36米處設(shè)計有一加壓泵房，配備立式離心泵兩臺（一用一備）電機功率為75KW，揚程36米。該加壓泵的控制系統(tǒng)需考慮以下條件：

（1）若高位水池水位低和主管有水，則打開進水電動蝶閥和起動加壓泵向高位水池供水；

（2）若高位水池水位滿且主管有水，則給出報警信號并關(guān)閉加壓泵和進水電動蝶閥；

（3）若主管無水表明用水量增大或抽水泵房停止供水，必須開啟出水電動蝶閥由高位水池向主管補充不。

像抽水泵一樣，我們?yōu)榧訅罕门鋫淞塑浧饎悠骱碗姍C保護器，確保加壓泵長期可靠地運轉(zhuǎn)，同時配備了高位水池的水位傳感器和數(shù)顯儀和缺水傳感器。

為保證整個主水管網(wǎng)的恒壓供不，當高位水池滿且主水管有水時，加壓泵停止，此時主管壓力將“憋壓”，最終導致主管壓力上升，并將此壓力傳遞到抽水泵房，抽水泵的控制系統(tǒng)檢測到此壓力進行恒壓變頻控制，進而達到整個主管網(wǎng)的恒壓供水，這是整個控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

系統(tǒng)實現(xiàn)功能

◆自動平穩(wěn)切換，恒壓控制

主水管網(wǎng)壓力傳感器的壓力信號4~20mA送給數(shù)字PID控制器，控制器根據(jù)壓力設(shè)定值與實際檢測值進行PID運算，并給出信號直接控制變頻器的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。當用水量不是很大時，一臺泵在

◆電機既有電機保護器，又有軟起動器，克服了起動時的大電流沖擊，相對延長了電機制使用壽命。

◆由于采用PLC控制的壓力自動控制，可以實現(xiàn)無人遠程操作，系統(tǒng)的PLC預留有RS485接口，可與公司總調(diào)度室計算機網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)如圖所示的人機控制系統(tǒng)：

◆由于系統(tǒng)采用閉環(huán)恒壓控制，電機在滿足主水很容易網(wǎng)的壓力的前提下，節(jié)能效果顯著，年節(jié)電61萬度，折合為人民幣36萬元。

◆通過采用變頻器控制，可在不同季節(jié)、節(jié)日、日夜及上下班等全面調(diào)控水量，按日節(jié)水100噸計，則年可節(jié)水36500噸。

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