6SL3120-1TE21-8AD0详细说明

1 概述
　　电弧炉以及精炼炉在运行过程中其产生的高次谐波及强电磁场所形成的强大干扰，是严重威胁控制和通讯系统安全运行的主要原因。50吨炼钢电弧炉的电炉变压器额定容量为31500KVA，二次额定电流可达到42KA以上，其冲击和短路电流有时可达到和超过100KA。强电磁场和电弧的弧光放电引起的宽带噪声干扰及高次谐波分量与闪变（电压波动），成为计算机及通讯网络，电子设备稳定和安全运行的主要问题。在方案设计和系统设计及PLC选型以及制造工艺设计时，都必须充分考虑和关注到系统所处的恶劣运行现场工业环境的抗扰问题。
　　在为太钢集团公司第一炼钢厂设计的50吨炼钢电弧炉及60吨钢包精炼炉控制系统中?穴50吨电弧炉和60吨钢包精炼炉的系统总结构图略，可向作者索取?雪，两台电炉的控制系统全部采用SIEMENS公司的S7－300系列PLC及其通讯技术。经过现场调试和运行结果证明该系统运行状态良好，性能可靠稳定。 2 系统的总体设计
2．1 硬件结构的设计
　　　整个系统采用4台SIEMENS S7－315－2DP PLC主站分别完成对电弧炉炉体控制、电弧炉电极调节，钢包精炼炉炉体控制和钢包精炼炉电极调节。在四台PLC主站之间采用SIEMENS公司的CP－342通讯模块构成PROFIBUS－S7通讯网完成各主站间的数据通讯。电弧炉炉体和钢包精炼炉炉体控制PLC主站共下设6个ET200远程从站，通过SIEMENS公司工业现场总线PROFIBUS－DP完成主——从通讯。系统设计使用一台工程师站，两台操作员站。三台工业计算机中分别采用SIEMENS公司CP5412网卡通过PROFIBUS－S7 数据通讯网络完成计算机与各PLC主站之间的数据通讯。操作员站的画面组态软件选用SIEMENS公司的WINCC完成用户二次软件的开发。
　　炼钢电弧炉炉体控制PLC主站主要完成对35KV高压系统的合分闸操作及高压系统事故分闸的控制，对31500KVA电炉变压器及变压器油水冷却系统运行状态的监控和保护，并完成电炉水冷炉盖、水冷炉壁等水冷系统23个测温点水温变化情况的模拟量实时数据采集以及冷却水系统压力、流量等的实时数据采集监视和越限及事故报警。同时通过PROFIBUS－S7网向操作员站进行实时数据的传输，由人机界面完成监控数据的记录、显示和故障报警。
　 　炼钢电弧炉的各ET200远程从站分别设置在炉前操作室、炉后操作室、液压泵站和液压阀站以及炉门碳氧喷枪的操作站内。分别构成炉前的炉盖和炉体动作操 作和控制炉前倾炉操作，三相立柱锁定和炉前电极升降操作及炉门钢水测温I／O。炉后倾炉及EBT出钢操作、出钢钢包车操作和修理平台的旋转操作I／O。液 压泵站主、辅液压泵的切换和运行控制，对高压液罐和气罐的液位和压力控制、空气压缩机的控制、主液箱和回液箱的液位自动控制及液压介质自动温度控制的 I／O ，液压阀台的I／O 及炉门碳氧喷枪三维动作的操作及控制I／O。
　　钢包精炼炉炉体控制PLC主站的作用同炼钢电弧炉相似，ET200远程从站仅设置在钢包精炼炉的液压站内。
　 　用于控制炉内电弧功率的炼钢电弧炉和钢包精炼炉电极调节系统设计各采用一台SIEMENS S7－315－2DP PLC主站。主要承担输入炉内的三相电弧功率的实时自动控制，根据不同冶炼工艺和冶炼期自动修正功率配电曲线和控制参数，以满足冶炼工艺要求。设计采用独 立设置的两套PLC主站作为电炉和精炼炉电极调节系统可以减轻电炉和精炼炉炉体控制PLC主站CPU的负担，缩短程序扫描周期，有利于提高实时系统相应的 响应速度和调节精度。
2．2 控制软件的设计
　　四台PLC主站的用户程序是在基于SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 Basis V5．0 软件平台上完成硬件组态、地址和站址的分配以及电弧炉和钢包精炼炉用户程序的设计开发的，在主程序（OB1）中将各种控制功能和各PLC站点间的通讯数据分别编写在不同的子程序（功能块FB、DB、FC）中，其中35KV高压合分闸、事故高压分闸，模拟量信号的输入均充分考虑了现场工业运行环境的强干扰问题，在软件设计中采用了抗干扰措施。
　　人机界面的画面组态采 用SIEMENS公司的SIMATIC WINCC作为二次用户程序开发的软件平台，在工程师站安装WINCC－RC用于开发，操作员站安装WINCC－RT用于运行，WINCC运行于 bbbbbbs NT V4．0 操作系统平台之上，以增加系统运行安全和稳定性，并给用户将来建立工厂管理网带来方便。
现场操作人员通过分别设置在电炉和精炼炉操作员站的人机界面监视整个系统各个主要参数的运行情况；这些参数包括：
　 　输入炉内的三相电弧电流，三相电弧电压，三相电弧功率，电能耗的实时显示和历史趋势显示。冷却水系统温度监测点的水温监测以及流量及压力的监测和超温越 限报警。35KV高压系统过流、欠压监测。电炉变压器的各种故障报警信号监测和报警，变压器低压侧过电流和高压跳闸信号的监测。炉体状态显示及液压系统的 工作状态监测。同时，在不同冶炼阶段炉内三相电弧工作电流的给定值、冶炼时间、35KV高压通电时间，钢水温度的显示以及各种报警参数的历史记录和打印报 表的生成。
2．3 通讯网络的组态
　　网络组态采用SIEMENS公司的SIMATIC NET，NCM S7 PROFIBUS组态软件完成PROFIBUS S7通讯网的网络组态。
　　在工程师站、操作员站分别设计安装CP5412网卡，在四台PLC主站安装CP342－5通讯模块，通过SIEMENS公司的PROFIBUS S7通讯电缆完成工程师站、操作员站和分别分布在电弧炉及钢包精炼炉主控制室的四台PLC主站之间的通讯网络硬件组态
3 抗干扰措施的设计和实施
　　在电弧炉炼钢的工业环境中，切实有效的硬件和软件抗干扰措施的实施成为系统设计和工厂设计及设备制造和安装过程中必须谨慎考虑的非常主要的环节。
　 　根据现场运行实践证明，电炉变压器在高压合闸瞬间所产生的浪涌，大电流运行时变压器所产生的强磁场，炉内电弧以及大电流线路在电弧短路时所产生的强电磁 场，电网的谐波分量等诸因素综合起来的干扰源可视为一个从低频到甚高频的宽带噪声源，其所产生的各种干扰都将严重威胁系统运行及通讯网络的安全和稳定。 故而在设计中针对各种干扰的存在考虑了以下的抗干扰措施：
3．1 隔离电源
PLC主站和远程从站的工作电源均通过带屏蔽的隔离变压器完成对PLC电源供电，使PLC与大功率电气设备的电位隔离开来，以避免供电线路带来的噪扰。
3．2 电源滤波器
　　隔离变压器的二次侧采用电源滤波器以滤除和衰减以共模和串模形态出现的工频干扰。共模形态出现的干扰将沿地线被滤除，串模干扰则被旁路。
3．3 有源隔离端子
　　现场引入的模拟量输入信号和输出信号采用有源隔离端子将由地环路引起的噪声隔离，切断通过现场引入的模拟量信号地环路中的噪声通道。
3．4 模拟量输入通道的滤波
　　三相电弧电流、电弧电压等主要电气参数的模拟量采样信号输入通道在进入PLC模拟量通道前在经过有源隔离后再由有源滤波器抑制模拟量通道中的串模干扰，在保证有用信号不被衰减的情况下*大限度地将高频噪声衰减，提高通道的信噪比。有源滤波能确保通道信号的增益。
3．5 模拟量通道的屏蔽
　　模拟量通道的输入信号传输导线设计采用耐高温的有屏蔽的双绞线电缆以降低辐射干扰和电磁耦合性干扰。
3．6 数字量输入通道的隔离
　　PLC的数字量输入通道采用光电隔离模块，从强电场现场环境（如高压开关室的真空断路器柜）引入的数字量信号在其触点和模块间加设中间继电器对通道进行双重隔离，防在真空断路器合闸操作同时强干扰串入而引起真空断路器误分闸动作。
3．7 数字量输出通道的隔离
PLC的数字量输出通道主要驱动交流和直流感性负载，大电流负载采用中间继电器过渡，所有通道均设计采用浪涌吸收和RC组件做为保护。
3．8 电磁屏蔽
　　工程师站和操作员站采用钢壳机箱的工控机，系统中的电子设备亦采用屏蔽外壳，再置入控制柜台内形成与柜台外壳间绝缘的双重电磁屏蔽。PLC采用悬浮安置方式将金属安装底版与柜壳绝缘隔离。所有电子设备均采用独立引出的专用地线接地，柜台的外壳则接保护地。
3．9 电子设备的浮地供电
　　电子设备的直流供电电源采用浮地供电，输入和输出通道直流供电电源各自独立。计算机采用在线式UPS电源供电，电子设备采用线性电源供电，其它直流负载采用开关电源供电。
3．10 通讯电缆的敷设
　　两个物理层的通讯电缆采用SIEMENS公司的 PROFIBUS通讯电缆（bus cable solid）?熏在敷设时单独金属穿管。电缆的屏蔽层通过电缆插头的金属外壳经PLC的通讯模块CP和DP的接口接入独立引出的专用地线接地。同时在电缆走向上注意避免与动力电缆平行，并尽可能远离电炉炉体和大电流线路。
3．11 地线
电弧炉炉体外壳采用相对独立的接地线引出接地。
电气设备的保护接地进入工厂接地网。
　　计算机、PLC和通讯网络及电子设备的接地则进入独立的专用地线。浮地处理的电子设备的地线各自独立。
3．12 电气设备制造工艺的保证
　　电气设备柜内的布局，柜内各种电缆和导线（动力、信号、通讯以及接地）的走向，屏蔽和接地的合理布置也是须在设计和设备制造过程中加以认真考虑的。
3．13 软件设计中的抗干扰处理
　　合理设置PLC的硬件看门狗时间及采样中断时间。在程序设计中对数字量输入信号采用脉宽甄别、锁存、指令复执技术。在对缓变的模拟量信号进行运算处理之前采用滑动均值滤波等数字滤波技术措施。在PID调节过程中对干扰比较敏感的一是当偏差e较小时，易受影响，二是微分项易引起较大变动。前者用一阶及一阶滞后滤波处理，后者则用微分型PID算法。
　　设置合理的通讯波特率?熏包括PROFIBUS－S7和PROFIBUS－DP通讯物理层。
4 结语
　　在系统的热负荷调试和以后的运行情况表明，在设计中只要充分注意和采用正确合理的抗干扰措施，在恶劣的工业环境中SIEMENS S7－300系列PLC（四台主站设计选型均为S7－315－2DP）及其PROFIBUS的S7和DP通讯网络的可靠稳定及经济安全运行是可以得到保证的。
　 　SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 Basis V5．0 编程平台安装在工程师站。基于bbbbbbs NT操作平台的支持下在系统运行过程中对各PLC主站程序的诊断、在线监控、修改和下载都比较方便和快捷。而符号名寻址方式使用户参照硬件原理图阅读理解 程序变得简明容易，NCM、Configuration等组态工具以及PID、Fuzzy Control＋＋等软件开发工具包给设计编程人员减少了二次开发的工作量

内部集成的PPI接口为S7-200的用户提供了强大的通讯功能。PPI接口物理特性为RS485，可在三种方式下工作：

    一、PPI方式
        PPI通讯协议是西门子专为S7-200系列PLC开发的一个通讯协议。可通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网。波特率为9.6kbit/s,19.2kbit/s和187.5kbit/s。PPI通讯网络是一个令牌传递网，在不加中继器的情况下，*多由31个S7-200系列PLC，TD200,OP/TP面板或上位机（插入MPI卡）为站点，构成PPI网。
    二、MPI方式
        S7-200可以通过内置接口连接到MPI网络上，波特率为19.2k/187.5kbit/s。它可与S7-300/S7-400 CUP进行通讯。S7-200 CUP在MPI网络中作为从站，它们彼此间不能通讯。
    三、自由通讯口方式
        S7-200可以与任何通讯协议公开的其它设备、控制器进行通讯，即S7-200可以由用户自定义通讯协议（例ASCII协议）。波特率*高为38.4kbit/s（可调整）。因此，使可通讯的范围大大增加，使控制系统配置更加灵活，方便：1、任何具有串行接口的外设，如打印机、条形码阅读器和变频器等；2、用于S7-200系列两个CUP间简单的数据交换。
    在S7-200系列的CUP中，CPU222,224,226,226XM，都可以通过增加EM277 PROFIBUS-DP扩展模块的方法支持Profibus DP 网络协议。*高传输速率可达12Mbit/s

电力电缆按其内芯的数量划分，可分为单芯电缆和三芯电缆两种。不论是单芯电缆还是三芯电缆，电力电缆按其导线截面划分，又可分为各种截面的型号规格。但是，不论是单芯还是三芯电缆，也不论是哪种截面型号规格的电缆，其基本结构都是一样的，即都是由导体、绝缘层和保护层组成。其中：导体在电缆*中央，起电流电能传导的作用；绝缘层在导体和外保护层之间，起绝缘作用；保护层在*外层，起保护电缆承受一定的拉力的作用。目前应用*广泛的是由铜导体、交联聚乙烯绝缘和高密度聚乙烯材料构成的电缆。在电力系统中，高压部分，如110kV、220kV、500kV电缆常采用单芯电缆；中低压部分，如10kV和低压电缆线路采用三芯电缆。
　　一、电力电缆故障点定位方法
　　1.冲击高压闪络测试法
　　冲击高压闪络测试法也是我们常说的“冲闪法”。用于大部分闪络故障，断路和低阻、短路性故障。电力电缆发生故障七成以上为高阻故障，尤其是预防性试验中出现击穿故障有九成为高阻故障。冲击高压闪络检测法适用于各种类型的高阻故障检测，它具有试验过程简便、准确和快捷等特点。采用冲击高压闪络检测法进行故障检测分为两类，包括电感冲闪法和电阻冲闪法。二者*大的不同在于球形间隙相互串联的电感线圈L可换为电阻。两种方法的工作原理相近，但前者应用更为宽泛，高阻电力电缆故障查测多使用本方法。下面介绍电感冲闪法的工作原理：系统接通电源，电流经过调压器、变压器整流器对电容器充电，如充电电压升至一定值后，球间隙波击穿，电容器的电压通过球间隙短路电弧和小电感直接加设到电力电缆测量端。此冲击电压波沿着电力电缆方向朝故障点进行传播，电压峰值足够大，故障点因电离放电，故障点放电产生短路电弧同时沿着电力电缆发送电压波并反射。判断冲击高压闪络测试法的关键是判断故障点是否击穿放电方法如下：（1）故障点击穿时，球形间隙放电声清脆响亮，火花较大；（2）故障点击穿时，电流表指针摆动范围大。
　　2.跨步电压法
　　跨步电压法对于单相接地故障或两相、三相短路并接地故障，外护套故障适用。需用仪器：电缆护层故障定位电源，跨步电压指示器。其工作原理是在故障相与地之间，加上负极性的直流电源，从故障点流入土壤的电流在土壤表面形成漏斗状电位分布，通过探棒寻找土壤中的电势*低点。当仪表的指针偏向右侧，则向右测寻找，偏向左方，则向左方寻找，逐渐缩小故障的距离位置，直到指针位于正中间。跨步电压法的操作步骤如下，首先在目标电缆加脉冲电源升压3～5kV，然后把跨步电压指示器，通过专用连线与探棒相连，把功能键旋至跨步和*大灵敏度，探棒相隔2m左右，在初测故障点附近，插入土壤，选择合适灵敏度，观察指针指向，若电压为+，指针往+方向有规律摆动，说明故障点在红棒方向，向红棒方向移动一间隔，若电压仍为+，说明故障点仍在红棒方向，继续移动红棒，直到电压为-，指针往-方向摆动，调节红棒，使跨步电压为0，两棒中心为故障点位置。
　　3.声测定点法
　　声测法，顾名思义是按照故障电力电缆的释放电声查找故障，声测定点法适合电缆主绝缘故障的**定点。利用故障点在高压冲击时的击穿放电声音进行**的定位。其工作原理首先需要一个能使故障点产生规则放电的装置，利用该装置使故障点放电，然后才可以在初测的距离附近，沿电缆线路，用拾音器来接收故障点的放电声波，如果已经听到有规律的啪啪声，故障点就在此附件，此时沿电缆走向，前后移动定点仪，*后集中于*响点，以此来确定故障点**位置。明敷电缆可根据听觉直接查找，而暗敷电缆则首先需求表明电力电缆的走向，在电声*小时借助助听器或听诊器放大电声的办法进行查找。
　　二、电力电缆故障点定位新技术
　　1.高频感应定位法
　　通过利用高频信号波发生装置向电力电缆输入高频电流，由此产生高频电磁波，并由地上探头沿着电力电缆的路径接收电力电缆周边的高频电磁场，电磁场的变化经接收和处理直接显示于液晶屏幕上，按照显示数值的大小判定故障点位置。高频感应定位法和传统音频感应定位法更具优势，高频信号源比音频信号源更易实现且制造简单，也可减少定点探测设备的体积和重量，为小型化、便携式设备创造更为有利的条件。
　　2.红外热象技术
　　电力电缆过载，芯线的温度急剧攀升，由此可以对电力电缆的芯线温度变化作为判定故障位置的依据。采用红外热象仪扫描电力电缆表面，拍摄表面温度场的分布图像，进一步处理得到温度场的数值分布，然后可根据已建立的传热数学模型、电缆结构参数、物性参数、环境温度和表面温度对电力电缆芯线的温度进行反演计算，从而可以实现电力电缆芯线温度的非接触故障探测。正是红外技术不需接触设备，不要求设备停运，且具有操作简便、检测速度快、工作效率高等优点，在未来的电缆故障检测中，红外热像技术必将发挥更大的作用。
　　电力电缆故障点定位应借助先进的测量仪器和检测设备，准确、快速地确定电力电缆故障点的位置，为及时处理故障赢得宝贵时间。本文通过介绍我国电力电缆的故障类型及诊断，并重点就电力电缆故障的检测和电力电缆故障点定位新技术进行探讨分析，旨在促进交流和学习，通过理论研究为我国电力事业创造更好的经济效益和社会效益。