1、变电站电源变电所自动化系统的电源配置吴志强（河南省汤阴县电业局）要保证电网调度自动化系统和变电所综合自动化系统能够安全、稳定、可靠地运行，其供电电源是否稳定、可靠是一个重要因素。在这一方面，县级电力部门大多对自动化系统主站和通信枢纽站比较重视，基本都有多路互为备用的交流电源，或配备了性能比较好、容量比较大的备用直流电源，却往往忽视了变电所端的自动化设备对电源的要求。这样，不仅降低了自动化系统运行的可靠性，还直接影响对电力系统出现异常时的正确判断和及时处理。目前，在县级电网变电所中，大多是利用所用变压器的220V交流直接对自动化设备供电，没有备用，一旦交流断电，自动化系统便陷于瘫痪。而所用变压器
2、的输出电压普遍偏高，同时受所内一、二次设备产生的强磁场干扰，电压不稳定，波形指标差，同样也会影响自动化系统的正常运行。由于电源系统的不可靠和不稳定，而造成通信和信息中断的情况时有发生，主要有以下几种：1、由于电源不可靠，在变电所异常或故障时供电中断，造成自动化设备停机，话音和数据传输中断，直接影响对故障的及时诊断与排除；2、电源瞬时突然停、送电，会对自动化设备造成冲击破坏；3、电网的冲击，电压和频率的波动，都直接影响自动化系统运行的可靠性和稳定性，甚至烧坏设备的辅助电源；4、供电系统的电源线还是自动化系统的主要干扰途径之一。可见，配置性能优良的供电设备，对自动化系统的稳定和可靠运行是非常必要的
3、。对于自动化系统的电源配置，一般有几种方式：1、使用常规不间断电源(UPS)220V交流电流经过UPS内部的整流电路后，一方面给蓄电池充电，同时又给逆变器供电。一旦交流断电，则自动由蓄电池向逆变器供电，从而保证重要负载的不间断输出。选用的UPS电源最好是在线式的，输出为标准的正弦波。它接线简单、使用方便，可对自动化系统中各个设备同时供电。断电后能保证系统安全、稳定、连续运行，并能在一定程度上起到稳定输出电压和有效抑制电网低频常态干扰的作用。但是，常规UPS电源的蓄电池组一般容量较小，后备时间有限，只能维持几十分钟，不能完全满足电力系统通信管理规程对通信电源的要求。如果配备大容量的外置蓄电池组，
4、则不仅要增加投资，还将增加自动化系统维护人员的工作量。2、利用变电所直流屏的直流电源在电力系统中，许多变电所装有直流屏和专用蓄电池组，提供直流220V或110V电源，主要为合闸装置、继电保护、事故照明等提供备用电源。直流屏一般均采用阀控式密封蓄电池或免维护蓄电池，其可靠性高、寿命长。直流屏本身是电力系统的重要设备，有明确的维护规定，可靠性有保证。它容量大，电压稳定，因此可以充分利用它给自动化系统供电。3、利用蓄电池组直接给自动化设备提供直流电源蓄电池组中的每块电池的电压通常是12V，而自动化设备一般也有直流输入接口，这样就可以根据设备对直流电源的要求，取一块或几块电池作为自动化系统的供电电源，
5、可以不直接使用交流电路。采用这种方法不需增加任何附属设备，电源电压稳定。但是自动化系统中各种设备的直流额定电压不尽相同，有12V、24V、48V、220V等，如果都从直流屏内接电，则电池组上接线多，容易造成接线错误，而且在直流屏检修时，对自动化系统的供电也会中断。4、使用DCDC高频通信开关电源该装置的输入、输出均为直流。它结构简单，价格便宜，使用方便，可根据具体情况决定输入和输出的直流电压等级。它体积小，如在一个机架内放置多台，就可以得到所需的多个电压等级的直流输出。交、直流互为备用，平常由交流旁路供电，交流断电时可自动切换，使用直流。5、采用电力专用不间断电源(电力专用UP5)电力专用UP
6、S与常规UPS的结构和功能基本一样，它是利用变电所直流屏的蓄电池组做为逆变器的直流电源，输出为220V交流电流。正常情况时，交流电流通过UPS内的整流和逆变电路给自动化系统供电；交流断电后，由直流屏经UPS逆变后给自动化系统提供不间断电力。它采用全桥电路结构，可以带风机等电动机负载。配置该设备可节省资金和维护工作量。总之，在为自动化系统配备电源时，要综合考虑变电所的具体条件和自动化系统对电源的实际需要，进行合理选择。S7-200系列PLC 数字量扩展模块选型型号表系列号类别产品图片描述选型型号EM221输入扩展模块8点输入，24V DC6ES7 221-1BF22-0XA08点输入，120/2
7、30VAC6ES7 221-1EF22-0XA016点输入，24VDC6ES7 221-1BH22-0XA0 EM222输出扩展模块4点输出，24VDC6ES7 222-1BD22-0XA04点输出，继电器6ES7 222-1HD22-0XA08点输出，24V DC6ES7 222-1BF22-0XA08点输出，继电器6ES7 222-1HF22-0XA0 8点输出，120/230VAC 6ES7 222-1EF22-0XA0EM223输入/输出扩展模块4点输入，24V DC 4点输出，24V DC6ES7 223-1BF22-0XA0 4点输入，24V DC 4点输出，继电器 6ES7 22
8、3-1HF22-0XA08点输入，24V DC 8点输出，24V DC 6ES7 223-1BH22-0XA08点输入，24V DC 8点输出，继电器 6ES7 223-1PH22-0XA016点输入，24V DC 16点输出，24V DC6ES7 223-1BL22-0XA016点输入，24V DC 16点输出，继电器 6ES7 223-1PL22-0XA0一）分析被控对象并提出控制要求详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。（二）确定输入输出设备根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设
9、备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。（三）选择PLCPLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择，详见本章第二节。（四）分配I/O点并设计PLC外围硬件线路1.分配I/O点画出PLC的I/O点与输入输出设备的连接图或对应关系表，该部分也可在第步中进行。2.设计PLC外围硬件线路画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。
10、（五）程序设计1. 程序设计根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。除此之外，程序通常还应包括以下内容：1）初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。2）检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。3）保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认
11、真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱，。2. 程序模拟调试程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。1）硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。2）软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。（六）硬件实施硬件实施方面主要是进行控制柜（台）等硬
12、件的设计及现场施工。主要内容有：1) 设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图。2)设计系统各部分之间的电气互连图。3)根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短。（七）联机调试联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。（八）整理和编写技
13、术文件技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等组合逻辑设计法的PLC编程步骤组合逻辑设计法适合于设计开关量控制程序，它是对控制任务进行逻辑分析和综合，将元件的通、断电状态视为以触点通、断状态为逻辑变量的逻辑函数，对经过化简的逻辑函数，利用PLC逻辑指令可顺利地设计出满足要求且较为简练的程序。这种方法设计思路清晰，所编写的程序易于优化，。用组合逻辑设计法进行程序设计一般可分为以下几个步骤：1）明确控制任务和控制要求，通过分析工艺过程绘制工作循环和检测元件分布图，取得电气执行元件功能表。2）详细绘制系统状态转换表。通常它由输出信号状态表、输入信号状
14、态表、状态转换主令表和中间记忆装置状态表四个部分组成。状态转换表全面、完整地展示了系统各部分、各时刻的状态和状态之间的联系及转换，非常直观，对建立控制系统的整体联系、动态变化的概念有很大帮助，是进行系统的分析和设计的有效工具。3）根据状态转换表进行系统的逻辑设计，包括列写中间记忆元件的逻辑函数式和列写执行元件（输出量）的逻辑函数式。这两个函数式组，既是生产机械或生产过程内部逻辑关系和变化规律的表达形式，又是构成控制系统实现控制目标的具体程序。4）将逻辑设计的结果转化为PLC程序。逻辑设计的结果（逻辑函数式）能够很方便的过渡到PLC程序，特别是语句表形式，其结构和形式都与逻辑函数式非常相似，很容
15、易直接由逻辑函数式转化。当然，如果设计者需要由梯形图程序作为一种过渡，或者选用的PLC的编程器具有图形输入的功能，则也可以首先由逻辑函数式转化为梯形图程序1、PLC的基本概念 可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Comput
16、er)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC 2、PLC的基本结构 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a. 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕
17、之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可*性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 b、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 C、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可*得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到
18、交流电网上去。 3、PLC的工作原理 一. 扫描技术 当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。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。 (一) 输入采样阶段 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一个扫描周期，才能保证在任何情况
19、下，该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段 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变化，而且排在
20、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。 (三) 输出刷新阶段 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
21、别了。 一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。 二. PLC的I/O响应时间 为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可*性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。 为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式(扫描技术)。 以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。 所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的
22、时间。其最短的I/O响应时间与最长的I/O响应时间如图所示： 第(n-1)个 扫描周期 最短I/O响应时间： 最长I/O响应时间 西门子PLC基础2 SIEMENS PLC在中国的产品，根据规模和性能的大小，主要有 S7-200 S7-300 和S7-400三种，下面就简单介绍一下该三种产品的一些特性。 S7-200 针对低性能要求的摸块化小控制系统，它最多可有7个模块的扩展能力，在模块中集成背板总线，它的网络联接有RS-485通讯接口和PROFIBUS两种，可通过编程器PG访问所有模块，带有电源、CPU和I/O的一体化单元设备。 其中的扩展模块（EM）有以下几种：数字量输入模块（DI）24V
23、DC 和 120/230VAC；数字量输出（DO）24VDC 和 继电器；模拟量输入模块（AI）电压、电流、电阻和热电偶；模拟量输出模块电压和电流。 还有一个比较特殊的模块-通讯处理器（CP）该块的功能是可以把S7-200作为主站连接到AS-接口（传感器和执行器接口），通过AS-接口的从站可以控制多达248个设备，这样就可以显著的扩展S7-200的, 输入和输出点数。 CPU设计 有3种手动选择操作模式：STOP停机模式，不执行程序；TERM运行程序，可以通过编程器进行读/写访问；RUN运行程序，通过编程器仅能进行读操作。 状态指示器（LED）：SF系统错误或（和）CPU内部错误；RUN运行模
24、式，绿灯；STOP停机模式，黄灯；DP分布式I/O（仅对CPU-215）。 存储器卡用来在没电的情况下不需要电池就可以保存用户程序。PPI口用来连接编程设备、文本显示器或其他CPU。 S7-300 相比较S7-200，S7-300针对的是中小系统，他的模块可以扩展多达32个模块，背板总线也在模块内集成，它的网络连接已比较成熟和流行，有MPI（多点接口）、PROFIBUS和工业以太网，使通讯和编程变的简单和多选性，并可以借助于HWConfig工具可以进行组态和设置参数。 S7-300的模块稍微多一点，除了信号模块（SM）和200的EM模块同类型之外，它还有接口模块（IM）用来进行多层组态，把总线
25、从一层传到另一层；占位模块（DM）为没有设置参数的信号模块保留一个插槽或为以后安装的接口模块保留一个插槽；功能模块（FM）执行特殊功能，如计数、定位、闭环控制相当于对CPU功能的一个扩展或补充；通讯处理器（CP）提供点对点连接、PROFIBUS和工业以太网。 CPU设计 模式选择器有：MRES=模块复位功能；STOP=停止模式，程序不执行；RUN=程序执行，编程器只读操作；RUN-P=程序执行，编程器可读写操作。 状态指示器：SF，BATF=电池故障；DC5V=内部5 V DC电压指示；FRCE=表示至少有一个输入或输出被强制；RUN=当CPU启动时闪烁，在运行模式下常亮；STOP=在停止模式
26、下常亮，有存储器复位请求时慢速闪烁，正在执行复位时快速闪烁。 MPI接口用来连接到编程设备或其他设备，DP接口用来直接连接到分布式I/O。 S7-400 同300的区别主要是规模和性能上更强大，启动类型有冷启动（CRST）和热启动（WRST）之分，其他基本一样。哦，它还有一个外部的电池电源接口，当在线更换电池时可以向RAM提供后备电源。顺序控制系统的特点及设计思路1特点顺序控制系统是指按照预定的受控执行机构动作顺序及相应的转步条件，一步一步进行的自动控制系统。其受控设备通常是动作顺序不变或相对固定的生产机械。这种控制系统的转步主令信号大多数是行程开关（包括有触点或无触点行程开关、光电开关、干簧
27、管开关、霍尔元件开关等位置检测开关），有时也采用压力继电器、时间继电器之类的信号转换元件作为某些步的转步主令信号。为了使顺序控制系统工作可靠，通常采用步进式顺序控制电路结构。所谓步进式顺序控制，是指控制系统的任一程序步（以下简称步）的得电必须以前一步的得电并且本步的转步主令信号已发出为条件。对生产机械而言，受控设备任一步的机械动作是否执行，取决于控制系统前一步是否已有输出信号及其受控机械动作是否已完成。若前一步的动作未完成，则后一步的动作无法执行。这种控制系统的互锁严密，即便转步主令信号元件失灵或出现误操作，亦不会导致动作顺序错乱。2设计思路本文提出的4种简易设计方法都是先设计步进阶梯，在步进
28、阶梯实现由转步主令信号控制辅助继电器得失电；然后根据步进阶梯设计输出阶梯，在输出阶梯实现由辅助继电器控制输出继电器得失电。这4种设计法所设计的梯形图电路结构及相应的指令应适用于大多数PLC机型，具有通用性。由于各种PLC机型的编程元件代号及其编号不尽相同，为便于阐述，本文约定：所有梯形图中的输入继电器、输出继电器、辅助继电器（又称内部继电器）的代号分别为：X、Y、M。设计中所用到的某些功能指令，如置位指令约定为S，复位指令为R；移位指指令为SR。其中的“”表示编程元件的编号，用十进制数表示。用这些方法设计实际的控制系统时，应将编程元件代号和编号变换成所选用的PLC机型对应的代号和编号。图1 顺
29、序控制流程下面分别介绍各种设计方法。其中，前3种方法的设计依据都是图1所示的顺序控制流程。图中，步1的转步主令信号X0为连接启动按钮的输入继电器（为简明起见，后述的转步主令信号均省去“输入继电器”几个字，只提输入信号），X1为原位开关信号，X2、X3、X4分别为步2、3、4的转步主令开关信号。M1M5分别为各步的受控辅助继电器。Y1Y4分别为各步受控的输出继电器。一、逐步得电同步失电型步进顺序控制系统设计法如图2所示，这种设计方法是根据“与”、“或”、“非”的基本逻辑关系，设计成串联、并联或串、并联复合的电路结构。图2 逐步得电同步失电步进顺控梯形图1步进阶梯的设计步进阶梯的结构如图2a所示。
30、步1的M1得电条件是受控机械原位开关X1处于压合状态（若受控机械有多个执行机构，则要求每个执行机构的原位开关均处于压合状态），满足原位条件后按起动按钮X0才能得电。M1得电后自锁，并为步2提供步进条件信号（M1的常开触点）。步1的执行动作完成时触发的行程开关信号X2作为步2的转步条件信号。步2的M2的输入满足其步进条件和转步条件后得电自锁，并为步3提供步进条件信号。按此规律即可实现后续每一工作步辅助继电器的得电和自锁。停止步M5的步进条件信号和转步条件信号分别为：最后一个工作步M4发出的步进条件信号（M4的常开触点）和该步动作完成时所触发的转步信号X1。由于M5的得电信号令控制系统失电，所以M
31、5的回路不自锁，而且要将其常闭触点串联在步1回路的最左端。从步2起后续各个步的回路构成分支回路。一旦M5得电便使整个系统失电。如不用分支回路的结构，也可采用图3所示的回路。即把M5常闭触点分别串联在每步辅助继电器的回路上。应该注意的是：无论工作步还是停止步，如果某步的转步主令信号有多个，则应将多个转步主令信号互相串联。图3 逐步得电同步失电梯形图2输出阶梯的设计输出阶梯如图2b所示。其设计方法是：（1）在控制流程图中，找出某输出继电器M在哪一步开始得电和在哪一步开始失电，以此确定其得电信号（步进阶梯中使M开始得电的辅助继电器常开触点）和失电信号（步进阶梯中使M开始失电的辅助继电器常闭触点）；（2）将得电信号、失电信号和受控输出继电器线圈串联。如果某个输出继电器在一个工作循环中多次得电失电，则将每次得失电的串联信
