球磨機在銅礦的生產過程中至關重要，驅動筒體的同步機的平穩運行直接關系到球磨系統的正常運行，其重要性不言而喻。

中冶集團位于巴基斯坦的山達克項目位于該國西北部，其選礦廠的三臺球磨機都是采用美國通用公司生產的型號為TS39857的無刷勵磁同步機，額定電壓為6000V，額定功率為3028kW。

在同步機的啟動和運行過程中，因為需要檢測和保護的參數較多，所以采用了繼電器+接觸器+大量的參數采集和保護設備，可靠性較差、控制精度低、接線復雜、故障率高，隨著計算機控制技術的發展，特別是新技術新設備的不斷出現，傳統的這種電控系統已經不適應當今的生產，嚴重的影響了產量和效益。

GE369是美國通用公司生產的一款電動機保護控制設備，應用在同步機電控系統中，具有先進的保護特性如反轉檢測，先進的熱模型如定子熱檢測的多RTD輸入；具有完整的設備監視功能，如繞組溫度、有功和無功、電流電壓、功率因素、加速時間等；具有模擬示波器的功能，監測功率因素以及電流電壓的變化情況，縮短故障排除時間并降低維護成本。

1 系統的組成

如圖1所示為系統的結構框圖，系統主要由工控機、PLC、交換機、GE369以及傳感器組成。其中，上位機中使用Wincc組態軟件監控整個系統的運行，控制器PLC采用西門子S7-200和S7-300。為避免出現一臺球磨機故障停機對其它兩臺造成影響，分別采用三組S7-300和GE369來分別監測和控制三臺同步機的運行。

采用PLC與工控機相結合，構成上下位機控制系統，使系統既能及時采集、存儲數據，又可處理和使用數據，并直觀地顯示出來，從而實現工業生產過程的實時監控。

圖1 系統的結構框圖

GE369在系統中的功能是負責采集同步機的各項啟動和運行參數、檢測到參數異常時保護跳閘、與S7-200進行通信。通過與S7-200之間的通信將三臺GE369的監測和控制參數匯總，傳遞給S7-300,然后進行各種邏輯運算，將最終運算結果輸送給執行機構（同步機斷路器手車、啟動球磨機筒體的離合器、勵磁調節等），同時通過與上位機之間的通信來對各項參數進行監測和控制。

S7-200在與S7-300通信時作為從站運行，在與GE369通信時作為主站運行。所以在系統的通信中，S7-200既做主站又做從站，系統的網絡結構如圖2所示。

圖2 系統的網絡結構圖

2 系統的通訊及程序設計

系統的核心控制邏輯是通過PLC來實現的。通訊及軟件部分主要分為兩部分，基于MODBUS協議的S7-200與GE369之間的通訊和程序，基于工業以太網的S7-200與S7-300之間的通訊和程序。為了能對系統進行全面可靠的控制，同時考慮到系統的靈活性、方便性、可靠性和易維護性等因素，通過上位機組態軟件Wincc對系統進行全方位的監測和控制。

2.1 S7-200與GE369之間的通訊

GE369有兩個通訊接口，RS232接口和RS485接口，RS232接口在本系統中主要用于與電腦的連接，通過電腦簡單直觀的設置同步機的各項保護參數，RS485接口主要用于和S7-200之間的通信。

S7-200和GE369保護器的RS485接口都支持基于MODBUS的通訊協議，本系統中用一臺S7-200同時和三臺GE369保護器進行通信，S7-200最多可以與247個從站同時通信。通過與GE369的通信，將同步機的各項參數傳遞給S7-200，并將各控制參數傳輸給GE369。從而實現對同步機各項參數的采集和對同步機的各項控制功能。

2.2 S7-200與S7-300以及上位機之間的通訊

S7-200通過GE369采集到同步機的各項參數之后，作為從站通過交換機與S7-300之間進行基于工業以太網的通信，這時只對作為從站的S7-200進行相關配置和程序設計即可，而作為主站的S7-300則只需要對接收到的數據進行邏輯運算和轉化，以浮點數的形式傳送給上位機監控軟件Wincc，同時接收上位機的各項控制指令傳送給執行機構和GE369保護器，從而實現通過Wincc對同步機的監測和控制。本系統中利用STEP7編程軟件工具欄中Ethernet wizard（以太網向導）對S7-200進行相關配置。

2.3 程序設計

S7-200與GE369之間的通信利用STEP7編程軟件進行程序設計。STEP7編程軟件中有專門基于MODBUS協議的庫函數MBUS_CTRL和MBUS_MSG,前者是控制程序塊，后者是傳輸程序塊。通過對MBUS_CTRL和MBUS_MSG程序塊分別定義來完成GE369和S7-200之間的數據傳遞。

從而實現S7-200對同步機各項參數的采集和對同步機的各項控制功能。程序如圖3（因為傳輸數據塊較多，所以取部分數據塊說明）所示。程序中Network1為定時中斷程序，用SM0.1觸點導引能流來觸發使能，僅第一個掃描周期接通為ON，其他剩余的程序塊都由SM0.0來觸發使能，SM0.0為始終接通為ON。

程序中設置中斷時間為150毫秒，即每隔150毫秒觸發一次事件10, 根據S7-200自由口通信協議可知，事件10為定時中斷，通過ATCH中斷連接指令將INT0和事件10連接到一起，即每隔150毫秒程序執行一次INT0。

因為需要和GE369傳遞的數據較多，所以定義INT0為一個計數子程序C30（計數程序在此不再贅述），計數子程序從0~30不斷循環，循環到數據傳輸程序塊中設置的相關數據時候觸發一次S7-200到GE369的數據請求，從站接收到數據請求時就會做出響應并將請求的數據傳輸給PLC。

數據傳送程序塊中Slave為從站地址，可以通過設置來確定，Addr為GE369里參數的地址值，通過查詢手冊可得，RW為讀寫設定，“0”為讀從站中的數據，“1”為向從站中寫數據，Count為傳輸的數據個數，DatePtr為接收到數據后存入S7-200中的地址。

圖3 S7-200與GE369的通訊程序

S7-200與S7-300通信時首先需要對S7-200進行以太網通信配置，此時通過STEP7中以太網向導來對S7-200進行設置，參考S7-200自由口通訊資料，此處不贅述。設置好以后用STEP7軟件編寫通信程序，如圖5所示，由常閉觸點SM0.0觸發使能，數據交換時需要上升沿來觸發，程序中用了SM0.5，在1秒鐘的掃描周期內，SM0.5接通為0.5秒，關斷為0.5秒。

Network2和Network3程序中Chan~為數據連接名稱，指數據傳輸中作為從站還是主站進行數據交換，本程序中為從站。Data為數據傳輸名稱，指數據傳輸中是向主機寫入數據還是讀取數據，本程序即寫入數據又讀取數據，所以需要兩個數據交換程序塊來完成，Network2向S7-300主站寫入數據，Network3從S7-300主站讀取數據。數據連接名稱和數據傳輸名稱都在工業以太網向導中進行定義。

圖4 S7-200與S7-300的通訊程序

2.4 WinCC監控畫面開發

在設計監控界面時，畫面應該簡潔美觀，操作簡單方便。盡可能將設備的各種監視和操作信息集中在幾個主要畫面中，操作人員只需調用這些畫面便可進行相關監測和控制。

本監控系統的人機界面由主監控畫面和子監控畫面構成，主畫面如圖5所示，通過監測各球磨機運行時的功率、功率因素、有功無功、電壓電流等參數，來實時反應球磨機運行時的狀況，方便操作人員及時判斷球磨機是否處于正常運行狀態。主畫面還設置了勵磁調節，失步報警等功能。

圖5 上位機Wincc人機界面

在子監控畫面中，電流曲線界面如圖6所示，電壓和功率因素曲線與之相似。通過監控球磨機啟動和運行時的電壓電流和功率因素曲線，可以觀察球磨機整個啟動過程，如投勵前投勵后各參數的變化情況，從而判斷球磨機啟動是否正常。尤其是啟動出現故障造成同步機啟動失敗時，能夠通過各曲線的形狀直觀快速的判斷啟動失敗的原因，為故障的檢查和處理提供數據支持。

圖6 電流曲線

在本監控系統中，除了電壓電流功率因素三個主要監控畫面之外，還在工具欄中設置了歷史曲線、參數設置、報警記錄、實時報警和球磨機流程圖的子監控畫面。

歷史曲線方便現場工作人員隨時查看各球磨機的電壓、電流、功率因數等歷史數據，畫面類似于電流電壓曲線，此處不贅述；報警記錄畫面如圖7所示，當溫度、過壓過流、功率因數報警時，自動記錄報警時的日期、時間、故障點、故障原因和持續時間等。

圖7 報警記錄信息

實時報警畫面如圖8所示，當故障發生時，與之對應的故障名稱由黑色變為紅色，方便故障的診斷和處理。

圖8 實時報警

參數設置如圖9，設置溫度、電流電壓、功率因數等報警限值，當同步機運行時檢測到某項參數達到或超過設定的限制時，設備就會執行報警或者跳閘；

圖9 參數設定

球磨機流程圖如圖10所示，方便操作人員熟悉整個球磨系統工作原理，不具備監測和控制的功能。

圖10 球磨機流程圖

?3 新系統與傳統的電控系統的區別及其優勢

傳統的同步機電控系統與基于PLC和GE369組成的新系統區別見表1。

與繼電器加大量接觸器的電控系統相比，新系統有著傳統控制系統無法比擬的優勢，除了表中所列出的各項之外，新系統的優點還有很多，比如故障自診斷、能耗低、可根據需要隨時更改保護參數等。

表1 新系統與傳統的電控系統的對比

?4 結論

采用上位機監控+PLC+GE369控制的新系統，經過了3年多的運行，較之以前的老系統，故障率顯著降低，生產率得到提高，安全性得到保障。

本文編自《電氣技術》，標題為“PLC和GE369在同步機電控系統中的應用”，作者為冉祥濤。