直流调速装置转矩控制在高炉探尺中的应用

1、目 录1 绪论11.1 选题背景及意义11.2 国内外研究现状及发展史11.3课题来源21.4设计主要内容及发展前景21.5本章小结32 方案论证42.1高炉探尺的简介42.2高炉探尺系统组成52.3高炉探尺的工作原理52.4本章小结93 系统硬件电路的设计与选型103.1 PLC选型103.2西门子6RA7018183.3低压电器的选型223.4系统硬件设计263.5本章小结284 系统软件设计294.1程序流程图294.2程序设计294.3 6RA7018设计324.4加压站监控组态设计334.5本章小结37结 论38参考文献39附 录A电气控制图402毕 业 设 计 说 明 书 ( 论

2、文 ) 第 81 页 共 81 页1 绪论1.1 选题背景及意义我国是钢铁生产、出口大国。高炉是钢铁生产的主要组成部分，高炉探尺能否准确、实时反映炉内物料决定了该高炉能否安全生产。物料过多或者过少都会发生危险，轻则减产浪费原料，重则发生爆炸，严重影响生命安全和经济发展。所以研究高炉探尺的意义重大而深远。老式探尺采用传统的空开、接触器和接触调压器驱动形式。工作过程为：提尺时电机定子接入电网额定电压，电机正转；放尺时通过接触调压器使电机定子接入几十伏左右的电压，改变供电相序，电机反转，重锤下放。老式探尺存在问题：1）放尺不畅，电压波动时，放尺速度波动，经常需手动干预。2)放尺过程采用小电压且使电机

3、向下转，易松绳，乱绳和倒锤，烧锤。3）不能很好跟踪料面，影响及时向炉内布料。4）更换重锤时，调试时间相对长。5）对重锤重量偏差要求较严。6）需经常维护，控制精度低,调试难度大，故障率高维护工作量比较大。新型高炉探尺工艺控制过程，新型高炉探尺采用直流调速电机传动，低速恒转矩控制。高炉探尺作为监视和控制高炉内料位的重要设备，其控制的关键点在于准确地进行料面跟踪。新探尺的优点：1)保证探尺的重锤在下放过程中能均匀、顺畅、可控的下放。2)重锤在下放到料面后，“浮”在料面上，重锤不倒不歪，随着料面的下降自动平稳地下降，即一直“浮”在料面上，保持力矩的动平衡。3)探尺重锤可控稳定地快速提升。4)探尺重锤可

4、控、准确、平稳地停车。5)随着电机的发展高炉探尺控制将越来越精确准确1。1.2 国内外研究现状及发展史可编程控制器（PLC）的发展。可编程逻辑控制器 PLC出现在 60 年代末，由于工业生产从大批量少品种的生产转变为小批量多品种的生产方式。而当时大规模生产线的控制电路大多是继电器控制系统，难以改变生产程序，且体积大、耗电多、可靠性低。对此，美国通用汽车公司 GM 于1968 年提出编程方便，现场可修改程序维修方便的插件式结构。数据可直接输入管理计算机的可靠性高于继电器控制装置。1969 年，美国数字设备公司（DEC）制成了世界上第一台可编程控制器 PDP-14，它在美国通用汽车公司汽车装配线上

5、的应用成功，立刻引起全世界的关注，开创了 PLC 在工业上使用的新时代。我国从 1974 年开始研制，1977 年开始工业应用。高炉探尺发展。以前探尺的电机型号为YZR系列,额定功率有以下几种2.2KW、3.7KW、4.0KW、5.0KW等，额定频率50HZ，额定转速970转/分左右，Y接线方式，定子额定电压380V。传动采用传统的空开、接触器和接触调压器驱动形式。新型探尺采用全数字直流调速技术，直流调速器就是调节直流电动机速度的设备，上端和交流电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电转化成两路输出直流电源，一路输入给直流电机砺磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通

6、过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。同时直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，以此来再次调节电机的转速。能够保证探尺稳定运行。现在国内主要是用德国西门子和美国AB公司的直流调速器较多。国内这方面技术还不是特别成熟。21.3课题来源本课题来源某公司已完工的高炉项目，并且已经正式投产，经过半年多时间未出现异常状况。针对老式探尺中出现的不能稳定运行，维修、操作困难，不能精确测量高炉中的物料。我们采用了西门子的直流调速器来控制探尺，直流调速器能够直接跟PLC直接通讯，缩短响应时间；能够保证探尺长时间稳定运行，监控更能保证实时性，维修维护

7、方便。所以改进探尺是非常必要的。这也是本设计的研究的意义。 1.4设计主要内容及发展前景高炉料位探测系统是采用直流电机拖动重锤来进行料位探测的。直流电机具有良好的调速性能，但高炉生产情况千变万化，随着气流、风温 、料位和料种的不同，要求料位探测系统在高炉冶炼过程中，保持稳定的料线是准确布料和高炉正常工作的重要条件之一。料线过高，对料位设备是危险的；料线过低，会使炉顶煤气温度显著上升，对炉设备的寿命造成不利影响。为了获得高炉装料的可靠依据，必须准确探测炉料位置。它具有较高的可调性。因此采用直流调速器控制的高炉料位探测系统是非常必要的。实现了Siemens s7400 PLC和6RA70直流调速器

8、的综合应用。该探尺控制系统很方便的实现了高炉料面的探测，满足了高炉系统的工艺要求。系统自投人运行以后将一直稳定运行，对高炉稳产、高产起着重要作用，能够取得较好的经济效益和社会效益。将来高炉探尺将都是用直流调速转矩装置和PLC代替。1.5本章小结 本章简单介绍了探尺和PLC的发展前景，简述了研究内容和研究的意义以及研究的前景。812 方案论证2.1高炉探尺的简介高炉智能探尺是根据长期的高炉自动化现场施工经验，为满足高炉炼铁工艺的需要，精心研制开发的一种运行可靠，测量精准,调整方便快捷，集智能数字主令控制器、探尺卷扬机、直（交）流调速系统为一体的综合测量产品，系统维护量小，使用方便,造价低廉，输出

9、标准信号。探尺的机械卷扬部分以他励直（交）流电机驱动，配以特别设计的减速机实现速度和力矩变换，可以对提尺、放尺过程实现稳定的速度及力矩调节，实现探尺的精确控制，本产品使用过程中不出现倒尺和钢丝绳松圈的故障。探尺的测控部分选用西门子S7-400系列的PLC组成逻辑控制单元，采用触摸屏做为人机界面，可实现探尺运行数据的动态显示。采用绝对型位置编码器可实现系统掉电情况下的位置记忆，系统输出当前料位及料速4-20MA标准信号，可供上位机显示使用，同时还输出“到料线”、“到零点”、“到下限”的干结点信号输出。因此可以非常方便地与可编程控制器(PLC)或集散系统(DCS)连为一体从而完成高炉主控与现场产品

10、的完美结合3。此工艺为当探尺在零位时，打开下密封阀，再打开节流阀开始放料，当放料完成，关闭节流阀，关闭密封阀，探尺下降，当到达物料时随物料下降，探尺与料面成一定角度并且实时保持这个角度，直到探尺到达下限位，开始提尺。探尺工艺流程图如图2.1所示。图2.1 探尺工艺流程图 2.2高炉探尺系统组成探尺是长度70cm的重锤，下卷扬，上卷扬，直流调节器6RA7018（自带编码器），减速器，开关阀门及其他的电气设备。2.3高炉探尺的工作原理准确测量物料位置是保证高炉正常工作的重要条件，工作过程如下，电机运行时带动重锤上升或是下降，通过采集编码器的脉冲换算出探尺的位置，其系统图如图2.2，探尺为铸钢圆柱重

11、锤，由电动机拖动上卷扬，上卷扬通过钢丝绳拖动下卷扬，下卷扬与滚筒同轴转动，滚筒与重锤通过高温链相链接。 图2.2系统图高炉探尺系统有三种工作状态：提尺、放尺和料面跟随。其系统图如上图。下面分介绍这三种状态，来说明探尺的控制原理。要求在直流电机轴端安装增量码盘作为位置检测元件。电机机轴端接多圈绝对值码盘，信号经高速计数器接口进PLC，由PLC进行处理读出探尺的高度，作为检测探尺位置的信号。提尺：探尺处于提尺状态时,电动机正转，如图2.2.1 所示。 Md 为电动机电磁力矩, Mg 为重锤重力矩，Mf 为系统静摩擦力矩， v 为提尺速度。当重锤以v 匀速上升时，电动机电磁转矩Md =Mg + Mf

12、 ,电动机电磁力矩和电动机转向相同,为驱动转矩，可控硅处于整流工作状态，如图2.2.1 所示。 图2.2.1 提尺状态放尺:探尺处于放尺状态时,电动机反转,如图2.2.2 所示。当重锤以v 匀速下放时，电动机电磁转矩Md = Mg- Mf ,电磁转距与电动机转向相反，为制动转矩,电动机处于制动状态，可控硅处于逆变工作状态。图2.2.2 放尺状态跟随料面:当重锤下放至料面时,被料面挡住,停在料面上，如图4所示.电动机电磁转矩Md = Mg - Mz ， Mz 为料面对重锤的支持力矩。电动机处于堵转状态，可控硅处于整流工作状态。当料面下降， Mz 减小甚至为0时，在Mg 的作用下，电动机反转，可控

13、硅又进入逆变工作状态4。图2.2.3 跟随料面重锤下降直到重新停在料面上，这个过程就是重锤跟随料面。此时，可控硅处于整流和逆变频繁转换过程中。探尺的跟随性是判断探尺系统好坏的一个重要因素。如Md 太小， Mz 偏大，重锤容易发生倾倒现象,探尺就不能反映料面的真实高度。如Md 太大，Mz 偏小，重锤就不易完全跟随料面，发生重锤悬浮现象,探尺也不能反映料面的真实高度。实际应用中,这两种情况都是不允许出现的3。直流调速器可以对PLC系统发出的关于提尺和放尺的开关量信号，进行很好地执行。同时，对于放尺力矩信号，PLC系统也能很好地进行控制。探尺的放尺控制是决定探尺控制好坏的关键，放尺控制不仅要求探尺要

14、对料面进行实时地控制， 同时也要求探尺的重锤不能出现倒锤的现象。当探尺需要下放时，由PLC的控制系统下达放尺的信号，与此同时，PLC系统会根据料线的位置自动地检测出克服重力的力矩，由于探尺在高炉内的位置不一样，因此下放时需要克服的重力也是不同的。需要由PLC进行自动地调节控制。料线越深，重锤受到的重力影响就会越大，PLC提供的力矩就需要越大，根据探尺下放的曲线，可以精确地计算出探尺的控制数学模型，得到力矩与料线之间的一次方程。PLC就可以根据这个数学模型，计算并且发出相对应的下放力矩。由PLC系统控制直流调速器进行自动放尺，在探尺接近料面时，仍然需要保持一定电机所需要的提尺力矩，让其保持直立的

15、状态。这种控制的方法，解决了以往直流调速器只能进行固定力矩下放 ，造成了探尺出现倒锤或者是无法反映实时料面的情况等诸多缺点。采用6RA70的优点：（1）与原交流能耗制动相比，西门子6RA70直流调速装置采用全程可视性数字调节，对速度和转矩进行调节和控制，配置相应的直流电动机，整流变压器等。生产时，探尺提、尺放尺等开关量信号由上位机通过PLC给定，同时数控通过自身的输出端子可以输出状态信号：如在提尺、在放尺、故障等开关量信号及电枢 的电流、电压等模拟量信号，探尺下放提升速度，高低度位置，所有这些信号都通过系统PLC在值班室电脑画面上显示，直观易懂，方便操作人员实时监控，以及出现故障易于及时判断和

16、处理。( 2 ) 同时从安装硬件上来说其结构紧凑，体积小。装置内装有调节插槽板，各个单元易于拆装，使检查，维护变得简单易行。外部信号连接的开关量输入、 输出，模拟量输入、输出，脉冲发生器等，通过插槽端子排实现，装置软件存放 去(Flash)一EPPOM内，通过串行接口写入可以方便的更换，无需调速电阻，并具有自诊断功能。( 3 ) 在实际运行中抗干扰能力强，调速平稳，精度高，软硬件结合控制，大 大提高系统运行的稳定性和可靠性。装置接口卡实现PLC控制，组成自动化程度很高的控制系统，而且在运行中省电、节能、环保，从而有更广泛更灵活的应用 前景。( 4 ) 有效防止“ 崩料” 现象出现，由于励磁恒定

17、，在发生“崩料”时，下 降加速，电流加大，产生向上的力矩加大，此时使之迅速减速。直到接触到料 面，电流逐渐稳定，速度随之稳定，正常跟随料面。探尺柜主器件为全数字直流调速装置。直流调速装置一般选用四相限工作制。一般小型高炉两套探尺，大型高炉三套到四套探尺。本系统选用了两套探尺，确保在一套探尺故障时，高炉还能正常运行5。2.4本章小结本章介绍了高炉探尺系统的组成，探尺的工作过程及原理；西门子直流调速器6RA70的优点。3 系统硬件电路的设计与选型3.1 PLC选型3.1.1 PLC基本结构简介可编程控制器的基本结构PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构：主要是由CPU模块、编程器、电源、存

18、储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC可分为：小型PLC、中型PLC、大型PLC。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同如图3.1所示。编程器输入点输出点中央处理单元CPU系统程序存储器系统RAM存储器电源图3.1 PLC的结构（1）CPU模块CPU模块是PLC的核心，每套PLC至少有一个CPU模块，它按PLC的系统程序赋予的

19、功能接收并处理用户程序和数据，用扫描的方式采集现场输入装置的状态或数据并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。（2）存储器虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区；系统RAM存储区，包括I/O映像区和系统软件设备等；用户程序存储区。（3）输入/输出模块I/O模块是PLC与外部电器回路的接口，I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入寄存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。PLC输入接口的输入设备一般是各种开关、按钮、传感器触点等。PLC的输出接口与被控对象相连

20、，一般是接触器、电磁阀、指示灯等。I/O模块分为数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出等模块。（4）电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源，同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源220VAC或110VAC；直流电源常用的为24VDC。（5）底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上实现各个模块间的联系使CPU能访问底板上的所有模块；机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。（6）可编程控制器系统的其它设备。3.1.2 PLC工作原理（1）工作过程PLC采用了一种不同于一般计算机的运行方式即扫描方式。当PLC投入

21、运行后，其工作过程一般分为三个阶段，其工作原理主要分为三个阶段：输入采样阶段用户程序执行阶段输出刷新阶段。PLC工作过程如图3.2所示。完成上述三个阶段称作一个扫描周期8。用户程序执行第（n-1）个扫描周期输入采样输入采样输出刷新第N个扫描周期第（n+1）个扫描周期输出刷新图3.2 PLC的工作过程第一段，PLC以扫描方式读入所有输入状态和数据，存入I/O印象区的相应单元。第二阶段，PLC总是按照从上到下的顺序依次扫描用户程序。在扫描每一条梯形图时，按照先左后右、先上后下的顺序对控制线路进行逻辑运算。然后根据这个结果刷新I/O印象区的状态，排在下面的梯形图，被刷新的逻辑线圈在下个扫描周期才对排

22、在上面的程序起作用。第三阶段，输出印象寄存器中存放的是1，对应继电器的常开触点闭合，输出印象寄存器中存放的是0，对应继电器的常开触点断开。第二阶段和第三阶段即使输入状态和数据发生变化，I/O印象区中对应单元的状态和数据不会改变。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。输入采样在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于

23、一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。用户程序执行在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生

24、变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。输出刷新当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了

25、。根据现场工艺要求本方案选择的是德国西门子SIMASIC S7-400控制系统。功能强大的PLC，适用于中高性能控制领域；解决方案满足最复杂的任务要求；功能分级的CPU以及种类齐全的模板，总能为其自动化任务找到最佳的解决方案；实现分布式系统和扩展通讯能力都很简便，组成系统灵活自如；用户友好性强，操作简单，免风扇设计；随着应用的扩大，系统扩展无任何问题。（2）扫描周期PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如图3.3所示。一个周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间之和。图3.3 PLC的扫描周期3.1.3 PLC主要功能和应用可编程控制器的设计思想是尽可能地利用当前先进的计

26、算机技术去满足用户的需要，PLC与继电器接触器控制电路的一个本质区别就是除了必要的与外部物理世界的接口(即I/0点)外，其它的逻辑功能均在其内部实现。这些逻辑功能不仅可以取代，而且远远超过诸如中间继电器、时间继电器等硬件逻辑所能达到的功能，从而为PLC在可靠性和便利性上形成特色奠定了基础14。PLC的功能可分类如下：逻辑控制 定时控制 计数控制 步进(顺序)控制PID控制 数据控制：PLC具有数据处理能力 通信和联网其它：PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT模块等。SIMATIC S7-400是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。模块化及无风扇的设计

27、，坚固耐用，容易扩展和广泛的通讯能力，容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使SIMATIC S7-400成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案。SIMATIC S7-400的应用领域包括： 自动化工业(如：生产线) 机械工程，包括专业化的机械制造 仓储业 建筑系统自动化 钢铁工业 发电和配电 造纸和印刷业 木材加工业 纺织品生产 医药业 食品和饮料加工 工艺工程，如：供水和处理 石油和化工工业 水泥业 玻璃陶瓷业S7-400自动化系统采用模块化设计。它所具有的模板的扩展和配置功能使其能够按照每个不同的需求灵活组合。3.1.4 PLC编程语言PLC与微机一样，是以指令程序的形式进行工作的

28、，各种型号的PLC一般均以梯形图语言为主，同时也兼顾一些其它形式的编程语言。如图3.4所示，三种编程语言。本文逻辑程序较多，故采用FBD编程。梯形图(LAD) 指令语句表(STL) 逻辑功能图(FBD) 图3.4 PLC的编程语言3.1.5 简述PLC400一个系统包括： 电源模板；将SIMATIC S7-400连接到120/230 V AC或24 V DC电源上。 中央处理单元（CPU）有多种CPU可供用户选择，有些带有内置的PROFIBUS-DP接口，用于各种性能范围。一个中央控制器可包括多个CPU，以加强其性能。 各种信号模板（SM）用于数字量输入和输出（DI/DO）以及模拟量的输入和输

29、出（AI/AO） 通讯模板（CP）用于总线连接和点到点的连接。 功能模板（FM）：专门用于计数、定位、凸轮控制等任务。根据用户需要还提供以下部件： 接口模板（IM），用于连接中央控制单元和扩展单元。SIMATIC S7-400中央控制器最多能连接21个扩展单元。SIMATIC S7-400是一种通用控制器 由于有很高的电磁兼容性和抗冲击、耐振动性能，因而能最大限度的满足各种工业标准。模板能带电插、拔。功能 。S7-400在编程、启动和服务方面有众多特点： 高速指令处理 用户友好的参数设置 用户友好的操作员控制和监视功能（HMI）已集成在SIMATIC的操作系统中 CPU的诊断功能和自测试智能诊

30、断系统连续地监视系统功能并记录错误和系统的特殊事件 口令保护 模式选择开关 系统功能SIMATIC S7-400有多种通讯方式： 组合式多点MPI和DP主接口，集成在所有CPU内，S7-200和S7-300系统以及其它的S7-400系统。 附加的PROFIBUS-DP接口，集成在某些CPU内，适用于经济型ET-200分布式I/O系统。 用于连接到PROFIBUS和工业以太网的通讯模板。 用于功能强大的点对点连接的通讯模板。 过程通讯：通过总线（AS-I或PROFIBUS）周期地寻址I/O模板（过程映象数据交换）。从循环执行级调用过程通讯。 数据通讯：自动化系统之间或HMI站和若干个自动化系统之

31、间的数据交换。数据通讯可以周期执行或基于事件驱动由用户程序块调用。3.1.6系统PLC模块的选型此项目选用CPU为414-2。图3.5 CPU414-2CPU 装配有： 功能强大的处理器：CPU 的指令执行时间仅为每个二进制指令0.04 微秒。 CPU 414-2: 1MB RAM (其中，程序和数据各使用0.5 MB);用于执行用户程序的快速RAM。 灵活扩展：最多131072 点数字量和81932 点模拟量输入/输出。 MPI多点接口：通过MPI，可简便地将最多32 个站连成网络，数据传输速率高达12 Mbit/s。CPU 可与通讯总线（C 总线）和MPI 的站之间建立最多32 个连接。

32、模式选择开关：波动开关设计。 诊断缓冲区：最后的故障和中断事件保存在一个环形缓冲器中，用于进行诊断。可以对输入数目进行设定。 实时时钟：日期和时间附加在CPU 的诊断消息后面 存储卡: 用于扩展内置的装载存储器。 存储在装载存储器中的信息包括S7-400参数数据以及程序，因此需要2倍的存储空间。其结果是：内置的装载存储器不能满足大程序量的要求，因此需要存储卡。 可使用RAM 和FEPROM 卡。 PROFIBUS-DP 接口和组合的MPI/DP 接口：通过PROFIBUS DP 主站接口，可以实现分布式自动化组态，从而提高了速度，便于使用 。对用户来说,分布式I/O 单元可作为一个集中式单元来

33、处理(相同的组态、编址和编程). 组合式配置：SIMATIC S5和SIMATIC S7可以作为PROFIBUS主站符合EN 50 170规范。数字量模块：数字量模块分为输入输出、输入、输出模块。图3.6数字量模块输入输出模块用于SIMATIC S7-400的数字量输入/输出；可根据控制任务灵活适配；用于连接数字传感器和执行器。数字量输入/输出将二进值过程信号连接到S7-400。通过这些模板，能将数字传感器和执行器连接到SIMATIC S7-400。使用数字量输入/输出模板可提供用户以下利益： 优化的适配性能；模板能任意组合，因此能根据任务恰如其分地适配输入/输出模板的数量，以避免多余的投资。

34、 灵活的过程变量连接；通过各种不同型号、规格的传感器和执行器将S7-400连接到过程。输入模块用于S7-400的数字量输入 用于连接开关或2线接近开关（BERO）数字量输入模板将外部过程发送的数字信号电平转换成S7-400内部的信号电平。模板适合于连接开关或2线BERO接近开关。输出模块用于SIMATIC S7-400的数字量输出用于连接电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电机启动器用于SIMATIC S7-400的数字量输出；用于连接电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电机启动器。数字量输出模板将S7-400的内部信号电平转换成过程所需要的外部信号电平。模板适合于连接如电磁阀，接触器，小型电动机，灯

35、和电机启动器等装置。模拟量模块分为输入输出模块、输入模块、输出模块输入输出模块用于SIMATIC S7-400的模拟量输入和输出；用模拟量信号来解决即使是相当复杂的控制任务；用于连接模拟量传感器和执行器但不需要增加放大器。模拟量输入/输出模板包括用于S7-400的模拟量输入/输出。通过这些模板，能将模拟量传感器和执行器连接到SIMATIC S7-400。使用模拟量输入/输出模板能提供用户以下利益：优化的适配性能；模板能任意组合，因此能根据任务恰如其分的适配模板数量，以避免不必要的多余投资。强有力的模拟量技术；不同的输入/输出量程范围和很高的分辨率，因此能连接各种不同类型的模拟量传感器和执行器。

36、输入模块用于SIMATIC S7-400的模拟量输入；用于连接电压和电流传感器、热电偶、电阻器和热电阻；分辨率为13到16位。图3.7模拟量模块模拟量输入模板将从过程来的模拟量信号转换成S7-400内部处理用的数字量信号。电压和电流传感器、热电偶、电阻器和热电阻可作为传感器连接到S7-200。输出模块用于SIMATIC S7-400的模拟量输出；用于连接模拟量执行器。模拟量输出模板将从S7-400来的数字量转换为过程用的模拟量信号。电源模块PS 405和PS 407电源模板用于对SIMATIC S7-400的供电；用于将AC或DC网络电压转换为所需的5 V DC和24 V DC工作电压；输出电

37、流为4 A，10 A和20 A。电源模板通过背板总线向SIMATIC S7-400提供5 V DC和24 V DC电源。电源可提供85到264 V的AC网络电压和19.2到300 V的DC电压。每个机架均需要电源模板，除了：包含有电源传输的接口，中央控制器中的电源模板也向扩展单元中的所有模板供电。传感器和执行器用的负载电压应单独提供。使用冗余电源时，标准系统和容错系统可作为无故障安全系统运行。还有一些其他模块就不一一介绍，西门子400功能非常强大6。3.2西门子6RA70183.2.1西门子6RA7018简介以及应用1）、应用范围：耐用、高效的传动技术。顶尖的性能和集成的信息，多领域应用。完整

38、的产品系列。单台电流为15-2000A，通过并联可达12000A，电压为400-830V。采用国际标准。单台电流为15-2000A，通过并联可达12000A，电压为400-830V。2）、功率变换系统：电枢回路为三相桥式电路电枢不可逆系统由6个晶闸管（3个模块）组成三相全桥整流系统（B6C），将三相交流电整流成直流电。电枢可逆系统由12个晶闸管（6个模块）组成反并联三相全桥整流系统（B6A，B6C），将三相交流电整流成直流电。励磁供电系统由1个晶闸管模块和1个二极管模块组成单向半控桥式整流（B2HZ）。3）、冷却系统：额定电流小于125A为自然冷却，大于125A为强迫风冷。4）、电枢及励磁控制

39、系统：参数设定单元：A、本操作板PMU，5个数码管和3个发光二极管用于状态显示，3个发光二极管分别为准备、运行、故障；三个按键用于参数设定，其作用分别为切换、增大、减小；X300插头带有RS232或RS485的USS接口。B、通过PC设定参数，由DRIVEMONITOR软件通过USS接口实现PC与SIMOREG的连接，此方法需要一根专用连接电缆。（电缆定货号为6SX7005-0AB00）。C、面板故障复位为“P键”；报警复位为“P+上升键”。D、先按上升键后同时按下降键可提高参数上升的速度；先按下降键后同时按上升键可提高参数下降的速度。转速给定值：模拟量给定（G113，X174：4，5）；电动

40、电位计（G126，K0240）；固定给定值（G120，P401）；网络（G180，DP）；转速实际值模拟测速机（G113，XT：103，104）；脉冲编码器（G145，X173：26-33）；EMF（G165，内部）模拟测速机（G113，XT：103，104）；脉冲编码器（G145，X173：26-33）；EMF（G165，内部）斜坡函数发生器（G136，P303，P304，P305，P306）转速调节器：（G151，P225，P226）；转矩限幅（G160，P180，P181）电流限幅（G161，P171，P172）：电流调节器（G162，P155，P156）；预控制器无环流控制（G163，

41、P159，P160，P161，P179）；电枢触发装置（G163，P150，P151）；EMF调节器（G165，P275，P276）；励磁电流调节器（G166，P255，P256）；励磁触发装置（G166，P250，P251）。5）、开关量及模拟量控制系统：开关量输入：（G110，X171：34，36，37，38，39），内部24V电源、准备好、停止/运行、使能、励磁切换。开关量输出：（G112，X171：46，47；48，54）电枢可逆系统未用，磁场可逆系统用于正、反励磁的切换。模拟量输出：（G114，X175：12，13实际电流值；14，15电机转速；16，17电机电流），本系统X175：

42、12，13实际电流值未用。6）、控制箱的硬件组成：CUD1板：模拟量输入口2个、脉冲编码器输入口1个、其它模拟量输入口1个（电机温度）、模拟量输出口3个、开关量输入口4个、开关量输出口3个、串口2个。触发及电源板：提供系统工作电源及电枢触发脉冲放大、电流检测。励磁控制板：提供励磁触发脉冲放大、电枢及励磁功率元件的阻容保护。电枢功率模块：将交流电转换为直流电。励磁功率模块：将交流电转换为直流电。控制面板（PMU）：进行系统参数设置及显示。整流器3AC400V，15A125A，4Q。7)、整流器3AC400V，15A125A，4Q。6RA7018-6DV62-0电枢额定电压3AC 400V(+15

43、%/-20%)电枢额定输入电流：25A,电子电路电源额定供电电压： 2AC380V(-25%)460(+15%)；In=1A或1AC190(-25%)230(+15%)；In=2A(-35%1分钟)励磁额定电压：2AC400V(+15%/-20%)额定频率：4565Hz额定直流电压： 420V额定直流电流：30A,过载能力：最大为额定电流的180%，额定功率：12.6Kw,额定直流电流下的功耗(大约)：163W，励磁额定直流电压：最大325V励磁额定直流电流：3A运行环境温度：045I额定，自冷存贮和运输温度：-25+70，安装海拔高度：额定直流电流下1000m控制精度：n=0.006%的电机

44、额定转速，是对于脉冲编码器和数字给定而言。n=0.1%的电机额定转速，是对于模拟测速机和模拟给定而言环境等级：DINIEC60721-3-33K3防护等级：DINEN60529IP00外形尺寸：(HWD)mm385265239385265283重量(约)：11kg。8）、电抗器和无线电干扰抑制滤波器。励磁回路的进线电抗器应按电动机励磁额定电流来选取。电枢回路的进线电抗器应按电动机电枢额定电流来选取，交流侧电流等于直流电流的0.82倍。电枢回路的无线电干扰抑制滤波器应按电动机电枢额定电流来选取，交流侧电流等于直流电流的0.82倍。只对电子板供电的400V电源的无线电干扰抑制滤波器按1A选取。对励

45、磁回路和电子板供电的400V电源的无线电干扰抑制滤波器按电动机励磁额定电流加1A选取。对电子板供电的230V电源的无线电干扰抑制滤波器按2A选取！此次工程选用6RA7 018-6DV62-0 其中70表示SIMOREG DC Master 18表示额定直流和冷却 6表示晶闸管模块 D表示400V V表示整流器连接(B6)A(B6)C 6表示闭环控制 4象限数字 2表示可控励磁 0表示更新7。6RA7018如图所示。图3.8 6RA7018实物图3.2.2西门子6RA7018的调节西门子6RA7018调节是非常困难的一步。首先检查装置和电机安装是否正常。然后设置基本参数，用MPU执行功能P052

46、1=40优化参数更改级别，根据参数文件，用P052=0显示与工厂设置不同的参数。P052=3显示所有的参数。整流器调节。P078.01=400V电枢回路供电电压，P078.02=400V励磁回路供电电压。（FDS）P100.01=12.3A功能数据组电机电枢额定电流，P100.02=12.3A电机电枢额定电流。(FDS)P101.01=440V功能数据组电机电枢额定电压， P101.02=440V电机电枢额定电压。(FDS)P102.01=2.13A功能数据组电机励磁额定电流， P102.02=2.13A电机励磁额定电流。(FDS)P083.01=3功能数据组电机励磁速度实际值由EMF提供，由

47、P115加权，电压反馈， P083.02=3电机励磁速度实际值由EMF提供，由P115加权，电压反馈。(FDS)P115.01=55%功能数据组电机额定电压/P100， P115.02=55%电机额定电压/P100。P082=2励磁接入方式。（FDS）P171.01=80%功能数据组放尺时的正向电流限幅（=80%*K166），P171.02=100%提尺时的正向电流限幅。(FDS)P172.01=-0%功能数据组放尺时的反向电流限幅，P171.02=-100%提尺时的反向电流限幅。(FDS)P303.01=3S功能数据组上升时间， P303.02=3S上升时间。(FDS)P303.01=3S功

48、能数据组下降时间， P303.02=3S下降时间。（输入完毕后进行电流环和电压环的优化，之后复制FDS参数可P055=112）。3.23东探尺放尺设置（放尺使用第一套FDS参数）3.24东探尺提尺设置（提尺使用第二套FDS参数）3.25西探尺放尺设置（放尺使用第一套FDS参数）3.26西探尺提尺设置（提尺使用第二套FDS参数）P771=B106 故障输出，P772=B104装置运行8。3.3低压电器的选型3.3.1低压断路器低压断路器(曾称自动开关)是一种不仅可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电流，还可以接通和分断短路电流的开关电器。低压断路器在电路中除起控制作用外，还具有一定的保护功能，如过

49、负荷、短路、欠压和漏电保护等。当发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路。低压断路器的分类方式很多，按使用类别分，有选择型（保护装置参数可调）和非选择型（保护装置参数不可调），按灭弧介质分，有空气式和真空式（目前国产多为空气式）。低压断路器容量范围很大，最小为4A，而最大可达5000A。低压断路器广泛应用于低压配电系统各级馈出线，各种机械设备的电源控制和用电终端的控制和保护。本次设计采用的施耐德断路器型号为EN9AN 3P，然后根据每路的容量选择额定电流9。断路器实物图如图3.9所示。图3.9断路器3.3.2中间继电器(intermediate relay)它用于继电保护与自动控制系

50、统中，以增加触点的数量及容量。 它用于在控制电路中传递中间信号。中间继电器的结构和原理与交流接触器基本相同，与接触器的主要区别在于：接触器的主触头可以通过大电流，而中间继电器的触头只能通过小电流。所以，它只能用于控制电路中。 它一般是没有主触点的，因为过载能力比较小。所以它用的全部都是辅助触头，数量比较多。新国标对中间继电器的定义是K，老国标是KA。一般是直流电源供电。少数使用交流供电。图3.10中间继电器工作原理 线圈装在U形导磁体上，导磁体上面有一个活动的衔铁，导磁体两侧装有两排触点弹片。在非动作状态下触点弹片将衔铁向上托起，使衔铁与导磁体之间保持一定间隙。当气隙间的电磁力矩超过反作用力矩

51、时，衔铁被吸向导磁体，同时衔铁压动触点弹片，使常闭触点断开常开触点闭合，完成继电器工作。当电磁力矩减小到一定值时，由于触点弹片的反作用力矩，而使触点与衔铁返回到初始位置，准备下次工作。本继电器的U形导磁体采用双铁心结构，即在两个边柱上均可装设线圈。对于DZY、DZL和DZJ型只装一个线圈，而对于DZB，DZS，DZK型可根据需要在另一个铁心上装以保持线圈或延时用阻尼片等。从而使线圈类型大不相同的继电器都通用一个导磁体。本设计采用的是施耐德的中间继电器RXM4AB2P7(4个触点)。实物图如图所示。3.3.3电流继电器和热继电器1、电流继电器用途 电磁式电流继电器，为电磁式瞬动过电流继电器，它广

52、泛用于电力系统二次回路继电保护装置线路中，作为过电流启动元件。图3.11电流继电器结构原理 1. 继电器系电磁式，瞬时动作，磁系统有两个线圈，线圈出头接在底座端子上，用户可以根据需要串并联，因而可使继电器整定变化一倍。2. 继电器名牌的刻度值及额定值对于电流继电器是线圈串联的(以安培为单位)转动刻度盘上的指针、以改变游丝的反作用力矩，从而可以改变继电器的动作值。3. 继电器的动作：电流升至整定值或大于整定值时，继电器就动作，动合触点闭合，动断触点断开。当电流降低到0.8倍整定值时，继电器就返回，动合触点断开，动断触点闭合。本设计采用DL-11/10。2、热继电器热继电器是由流入热元件的电流产生

53、热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。热继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。热继电器是用于电动机或其它电气设备、电气线路的过载保护的保护电器。热继电器的选择主要是根据电动机的额定电流来确定其型号与规格。热继电器元件的额定电流IRT应接近或略大于电动机的额定电流Ied，即IRT=(0.951.05)Ied热继电器的整定电流值是热元件通过电流超过此值的20%时，热继电器应当在20min内动作。选用时整定电流应与电动机额定电流一致。如电动

54、机的额定电流是为15.4A选用JR16B/3型热继电器，热元件电流等级为16A，它的电流调节范围为1016A可将电流调整在15.4A。图3.12 热继电器在一般情况下，可选用两相结构的热继电器，对于电网电压严重不平衡、工作环境恶劣条件下工作的电动机，可选用三相结构的热继电器，对于三角形接线的电动机，为了实现断相保护，则可选用带断相保护装置额热继电器。常用的热继电器有JR1、JR2、JR0、JR16等系列。JR16系列双金属片式热继电器，它电流整定范围广，并用温度补偿装置，适用于长期工作或间歇工作的交流电动机的过载保护，而且具有断相运转保护装置。JR16B是由JR0改进而来的该系列产品是用来代替

55、JR0的三极和带断相保护的继电器。故采用JR16。型号为JR16-20/3。3.3.4 避雷器交流无间隙金属氧化物避雷器具有优异的非线性伏安特性，响应特性好、无续流、通流容量大、残压低、抑制过电压能力强、耐污秽、抗老化、不受海拔约束、结构简单、无间隙、密封严、寿命长等特点。避雷器在正常系统工作电压下，呈现高电阻状态，仅有微安级电流通过。在过电压大电流作用下它便呈现低电阻，从而限制了避雷器两端的残压避雷器的作用是用来保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏的一个电器。避雷器的类型主要有保护间隙、阀型避雷器和氧化锌避雷器。保护间隙主要用于限制大气过电压，一般用于配电系统、线路和变电所进线段保护。阀型避雷器与氧化锌避雷器用于变电所和发电厂的保护，在500KV及以下系统主要用于限制大气过电压，在超高压系统中还将用来限制内过电压或作内过电压的后备保护。避雷器的保护作用基于三个前提： 1、伏秒特性与被保护绝缘的伏秒特性有良好的配合 2、保证其残压低于被保护绝缘的冲击电气强度 3、被保护绝缘必须处于该避雷器的保护距离之内 。此设计采用的是YH1.5W-0.28/1.3。 图3.13 避雷器3.4系统硬件设计3.5.1系统总体框图图3.14系统总体框图3.5.2电气原理图设计 图3.15电气系统总体框图图3.1