基于ＰＬＣ技术的变电站控制系统研究

[摘 要] 利用现代先进PLC技术进行全面的变电站控制系统设计,统筹安排,实现变电站的各部分功能,做到资源共享、减少冗余、节省投资、提高可靠性,提高运行水平,减轻运行人员的劳动强度,这就是变电站控制系统的实现目标。

[关键词] PLC 变电站 控制系统

PLC是Programmable Logic Controller的缩写,即可编程逻辑控制器。IEC(国际电工委员会)对PLC的定义是:PLC是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)取代传统继电器控制装置以来,PLC得到了快速发展,在世界各地得到了广泛应用。2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右,在自动化领域占据着十分重要的位置,而广泛应用于电气控制领域,成为了现代工业控制的三大支柱之一。

一、PLC控制系统架构

(1)PLC的上位连接系统

将计算机作为上位机,PLC作为下位机进行通信,就构成了PLC网络的上位连接系统。在上位连接系统中,计算机作为上位机提供良好的人机界面,进行全系统的监控和管理;PLC作为下位机,执行可靠有效的分散控制。在控制系统中,计算机仅用于编程、参数设定和修改,以及图形和数据的在线显示功能,不直接参与现场控制,现场的执行者是PLC,因此,即使是计算机出了故障,也不会影响整个生产过程的正常进行,大大提高了系统的可靠性。

(2)PLC的下位连接系统

PLC与远程I/O单元、远程终端或链接单元等部件链接,则构成下位连接系统。下位连接系统由远程I/O主单元、远程I/O从单元、I/O链接单元、光缆传送I/O单元、远程终端以及传感器控制器组成。

(3)PLC的SYSMAC网络连接系统

SYSMAC网络连接系统是通过网络链接单元、网络服务板(NBS)和网络服务单元(NSU)连接PLC和计算机所构成的高速局域网络系统。系统由一个线路服务器以及最多126个结点组成,线路服务器用于控制网络连接系统的通信,实现任意两个结点之间的通信。

二、PLC控制变电系统原理

以网络形式为连接纽带的PLC冗余控制系统,用于完成变电站电气控制、逻辑操作、故障保护等。其优越性主要表现在三个方面:1)可大大地优化变电站二次部分的硬件配置,避免重复,各种数据在各前置设备采集后,可通过网络共享。例如:就地监控和远动所需要的数据不再需要自己的采集软件,而可以从局域网共享,可以利用就地监控主机操作和显示各种画面,或者在无人值班时在远方操作。2)可大大的简化变电站各设备之间的互联线,不同设备可以用通信媒介相连以外,几乎不再需要别的任何连线。从而使变电站二次部分连线变得非常简单和清晰。3)可大大减轻安装施工和维护工作量。我们可以从下面一个示例图来说明。

(1)1#PLC与安装在变电站的轴编码器配合,完成整个控制功能;操作PLC将外部信号(操作台面板上的选择开关信号,按钮信号,由保护PLC传来的信号及由上位机传来的信号)接收过来,按照预定的逻辑控制进行处理,并发出变电站需要的各种信号,使整个系统安全运行。PLC还对轴编码器发出的脉冲进行记数,并进行脉冲量化处理,间接对变电站进行监视保护。

(2)2#PLC与继电器构成双线制安全保护回路。来自变电站各部分的保护信号PLC将其处理后送监视器显示故障类型并控制声光报警系统报警并拖闸,而立即拖闸类事故信号除引入到PLC中处理、显示、报警外,还直接引入到安全直动回路,系统的安全回路有两套,一套由PLC构成,另一套为继电器直动回路。

三、变电站控制系统的完整构建

在变电站监测系统中,PLC作为一种现场控制设备,通过程序设计完成了变电站所需的参数测量和控制要求,通过扩展I/O模块,实现对采集参数和输出量的扩充。开关量检测电路检测变电站各开关量的状态,并存储在CPU内存中,通过指示灯显示各路状态。通过模拟量检测电路采集各路电压、电流模拟量,并经过分析处理后,数据传输到显示器显示。显示器采用与S7-200匹配的TD200文本显示器,能够显示多种信息,具有良好的用户界面,并且具有8个用户自定义的功能键,而且它可以用电缆直接与主模块的一个PPI接口相连接,非常方便。传输数据采用RS-485传输协议。系统还具有声光报警功能,能够对故障及时报警。SIMATIC S7-200系列PLC是模块化设计的,使用的模块有基本模块、扩充模块等两类,即主机中包含一定数量的I/O输入输出,同时还可以扩展各种功能的模块,使系统结构简单、成本低廉。本系统采用了西门子S7-200的第二代产品, 主模块选用CPU224,其速度快,具有极强的通讯能力,这种模块主机输入和输出点数增到24点,最大可扩展168点数字量I/O或35路模拟量I/O,配有一个RS-485通讯/编程口,通讯能力大大增强,支持点对点(PPI)方式、自由方式(Free mode)等多种通讯协议,可以方便地实现同微机、同其它PLC、以及同打印机之类的外围设备的通信,是具有较强控制能力的小型控制器。拥有13KB的程序空间和13KB的数据空间,可以满足较复杂的编程需要;拥有128个定时器、128个计数器、256个内部继电器(内部寄存器位)、688个特殊用途寄存器位,可以控制复杂的过程;具有加、减、乘、除运算功能;丰富的移位、位操作、逻辑判断功能;具有较强的中断能力,这些功能都能满足本系统的需要。

SIMATIC S7-200系列PLC的扩充模块是通用的,用于扩充基本模块的输入、输出点数。数字量扩充模块有数字量输入模块EM221、数字量输出模块EM222 和混合数字量输入输出模块EM223。模拟量扩展模块有模拟量输入模块EM231、模拟量输出模块EM232和混合模拟量输入输出模块EM235。扩充模块不仅适用于所有基本模块的扩充,而且扩充操作十分方便,只需使用接口插销,将扩充模块和基本模块、或者和其它扩充模块连接起来,扩充操作就完成了。CPU224 型PLC最多可以扩充7个数字量扩充模块或7个模拟量扩充模块(但总的模块扩充数目最多为7个),构成最多可达到98个数字量输入和70个数字量输出(包括本机输入、输出)或者总的模拟输入点数达28个、输出点数达到7个。为了实现“人—机”或“机—机”之间的对话,PLC配有多种通讯接口。PLC通过这些通讯接口可以与监视器、打印机及其它的PLC或计算机相连。S7-200 CPU224型PLC的以上功能,为实现变电站自动化远动装置的各种功能(遥控、遥信、遥测等)提供了灵活、方便、快捷、经济、可靠、可扩充的途径。

数据采集系统首先从电流互感器和电压互感器取得信息,但这些互感器的二次侧电流和电压不能适应模拟量输入模块模数转换输入范围的要求,故需将电压或电流变换成满足模拟量输入要求的电压,即标准信号,电流信号4～20mA,电压信号1～5V(DC)。通常采用电磁感应原理的变换器来实现变换。例如:电压变换器,电流变换器,模数转换要求输入电压为+5V,由此可以确定上述各种中间变换器的变比。交流电流的变换器一般采用电流变换器,输出信号为电流信号,要转化为电压信号,需经I/V转换,最简单的I/V转换,就是可以利用一个500的精密电阻。将0～±5mA的电流信号转换为0～±15V的电压信号。

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