西门子模块6ES7223-1BF22-0XA8供应现货

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从现代社会对配电的要求、电力企业自身的发展需要、国内外配网自动化发展的状况等方面，论述了中低压配电网自动化的必要性；对配电网自动化的几种现有方案进行了比较，提出了用可编程序控制器（PLC）来实现中低压配电网自动化的解决方案，并对PLC方案的具体实现作了详细的介绍。

关键词：配电网；自动化；可编程控制器

随着科学技术的发展，实现中低压配电网的自动化已成为电力系统发展的趋势。中低压配电网作为输配电系统的最后一个环节，其实现自动化的程度与供用电的质量和可靠性密切相关。为此，本文特对中低压配电网自动化的必要性及其实现方案作简单的讨论。

1　实现中低压配电网自动化的必要性

1．1　实现中低压配电网自动化是提高人们生活质量、发展国民经济的要求

在现代社会中，供电质量的好坏，不仅反映一个国家或地区人们的生活质量、水平和投资环境的好坏，更是影响经济发展的重要因素，它决定着工业发展的方向、规模。实际上，信息时代的到来，要求不间断供电的计算机设备越来越多，给供电提出了更高的要求。停电或限电会导致减产，而忽然的停电则会危害工厂的重要设备。只有实现中低压配电网的自动化，才可能较大限度地提高供电质量，满足人们日常生活工作与生产的需要。

1．2　实现中低压配电网自动化是电力企业自身发展的需要

实现中低压配电网自动化，可提高供电的质量和可靠性。实现中低压配电网自动化，可减少故障次数，缩小事故范围，缩短事故时间，为恢复供电、快速分析、诊断、事故原因提供有效的依据。

实现中低压配电网自动化，可以提高整个电力系统的经济效益：减轻维护人员的劳动强度；减少操作人员；增强电力系统的免维护性；有利于提高设备的安全和健康水平，延长使用寿命。

实现中低压配电网自动化，可以提高整个电网的管理水平。主要包括：为电力系统计算机管理自动、准确、及时地提供更为详尽、丰富的数据和信地方、任何用户的计划停电、供电；可以方便、直观地监控全局内各个用户的用电、供电情况，实现总体控制。

1．3　中低压配电网是我国配电网自动化的薄弱环节

配电网自动化建设，在我国尽管起步较晚，但也已经进行了近20年的研究和实践，取得初步成效。但是研究与实践成果大多数都是在高压配电网（35 k V以上）层次上进行的，而在中低压配电网（配电房这一层次）的自动化问题上，还是一片空白，既没有总体的规划，也没有一个统一的技术原则。不仅如此，目前的纵向监控一般只限于变电站的出线以前，对于从变电站馈线到终端用户等属于用电管理范畴的监控，除少数大用户的负荷控制外，尚无其它监控手段。

2　中低压配电网自动化方案

2．1　电力系统自动化现有方案的比较

中低压配电网（主要指开关站、开关房、开闭所）的自动化和变电站的自动化具有一定的相似性。因此，分析一下变电站自动化的实现方法，对于正确确定中低压配电网自动化方案具有重要意义。

变电站自动化系统由5个部分组成：主站、远方终端单元（re mote terminal units，RTU）、线路传感器、远方控制SF6或真空开关、通信电缆。其中，RTU装置位于变电站现场，可以自动采集各种开关状态量（遥信）、模拟量（遥测），并经**通道传递到监控中心的主站系统；有的RTU还可以按监控人员的意图和指令执行特定的遥控操作，并将操作结果返送监控中心主站系统。

从变电站RTU可以实现的功能来看，变电站的自动化包括3个方面的内容：遥信、遥测、遥控。除此之外，有的系统还可以根据遥测的结果实现电能量总加功能。与此相应，变电站自动化系统可以分为两类：一类只实现了遥信、遥测的功能，即传统的SA系统；而较新的SA 系统则属于另外一类，它应该可以实现所有“三遥”功能。这两类系统对应着电力系统自动化的不同阶段和水平。

从变电站RTU实现遥测的方法来看，RTU存在两种实现方案：

a）直流采样方案

这种类型的RTU装置在采集模拟量之前，先利用变送器将交流转化成直流，然后再使用RTUA／D转换元件将直流量表示成数字量。其装置以模拟电路为主，辅以少量的数字电路。其特点在于需要变换器，*高级的数字处理单元（CPU等），难以反映模拟量的瞬时变化，无法进行谐波分析，电能量总加功能的实现比较复杂困难。

b）交流采样方案

这种类型的RTU装置直接使用A／D转换元件对交流电量进行采集计算，*变送器之类的转换设备，但需要快速的数字处理单元进行配合，以对采集到的数据进行分析、综合。它不仅可以反映电量的瞬时变化，而且可以进行谐波分析，计算频率，简单地实现电能量总加功能。它们多使用微型计算机（如8 X86等）配合多个单片机（如8051、8098等）、并加上大量的A／D转换电路，来实现开关量、模拟量的采集。

当前在数字技术得到充分发展和应用的情况下，交流采样方案是配网自动化的一个合理选择。它以数字电路为主，辅以少量的模拟电路，功能强大，扩充容易，可靠性较直流采样方案有较大提高，综合。

2．2　中低压配网自动化的应用特点

中低压配网自动化系统由主站、远方终端单元（RTU）、线路传感器、远方控制SF6 或真空开关、通信电缆等五个部分组成。中低压配电网自动化的应用有自己不同的特点：

a）传统的变电站RTU在功能上偏重遥信、遥测，但中低压配电网的自动化对象（开关房、开闭所和配电房）数目繁多，开关操作频繁，更注重遥信、遥控功能。

b）中低压配电网的自动化对象遍布城市、农村等各种不同环境，被不同层次的用电管理人员（包括农村电工）所操作。更要求其具有安装灵活、易操作、免专业维护、抗恶劣环境等特点。

c）应用于中低压配电网的RTU，在功能上应具有模块化结构，在硬件上要越简单、越可靠越好。较好是同一套简单硬件，只要简单进行一下设置，就可以满足不同场合、不同规模的要求。

由此可见，有必要开发新型的、不同于传统结构的RTU，以适合中低压配电网自动化的特点和需要。

2．3　中低压配电网自动化RTU的PLC实现

可编程序控制器（programmable logic con－troller，PLC）技术经过几十年的发展，已经相当成熟。其品种齐全，功能繁多，已被广泛应用于工业控制的各个领域。用PLC来实现中低压配电网自动化的RTU功能，能够很好地满足RTU的特有的要求。在国内市场，有来自许多*厂家的PLC产品。这些产品从简单到复杂，都自成系列，可以满足不同应用的特殊要求。大多数中低档次的PLC产品，都包含有离散点输入和输出（点数的多少可以依据应用情况增减）、模拟采样输入、时钟、通信等功能。利用这类PLC的现成功能，可以方便地实现中低压配电网自动化的 RTU功能。使用PLC的离散输入点来实现遥信、用PLC的离散输出点来实现遥控、用PLC的模拟采样输入来实现遥测、用PLC的通信功能来实现和主机的通信。完成这些功能，都*额外的硬件，只需根据开关房的实际情况，对PLC进行简单编程即可。不仅如此，利用PLC的模拟输出功能，甚至还可以实现配电网的遥调。例如调节调压变压器的变比，调节静止无功补偿设备的电压、电流相角等。

这样一种基于PLC的中低压配电网自动化的RTU实现方案，完全可以满足中低压配网自动化的特殊要求。它具有以下特点和优势：硬件结构简单，完全免维护；规模可大可小，只需将 PLC的扩展模块连接在一起，就可以实现遥控点、遥信点、遥测点的增加；抗恶劣环境；高可靠性；编程实现各种功能，免硬件调试；费用低廉。

PLC方案在具体设计时，包括以下几个步骤：

a）获取操作点数。了解配电网的基本情况及自动化的具体要求，确定系统需要进行遥控、遥信、遥测、甚至遥调的设备，统计各处配电房需要这4种信号的具体点数。

b）确定通信方案。根据配电网的规模及分布情况，确定总体设计方案，主要是通信方案的设计和选择。

c）PLC选型。根据各处各种操作的点数以及所确定的通信方案，选择恰当型号的PLC 来实现RTU功能。

由于RTU需接受监控中心的指令，并上传配电网、开关柜的信息，所以通信功能是选择PLC的主要考虑因素。

由于各开关房、开关柜的操作类型、操作点数往往相差很大，因此，PLC是否具有模块化结构和组态能力，是否能够灵活、经济地组成输入点、输出点、测量点（A／D）、调节点（D／A）的规模可变系统，是选择PLC型号的另一个主要考虑因素。

目前，很多厂家的产品，都可以满足通信以及模块化的要求。例如，SIEMENS的 S7－214以上系列，三菱的A1S系列，松下的较高级别的PLC系列等。根据具体情况，在一个配网自动化工程中，整个配电网系统可以选用同一个厂家的PLC，也可以根据配电房的具体情况，选用不同厂家的PLC，以利用各厂家PLC的优势和特色。

3　RTU功能的PLC实现

RTU功能的PLC实现包括硬件实现和软件实现两个方面。

3．1　硬件实现方面

在硬件方面，主要存在PLC的电源如何提供，PLC如何实现长距离的通信，遥控、遥信、遥测、遥调如何具体实现等问题。

由于PLC都有配套的**电源模块，因此在设计RTU时，主要应考虑电网断电后PLC 的供电问题，通常以配置充电电池的方式解决。

一般PLC的通信模块只具有短距离的通信能力，虽然有些公司为PLC提供配套的组网模块，但通信距离也限制在若干千米以内。而配电网的特点是点多、面广，因此，必须借助其它方式以延长PLC的通信距离。方法很多，有电话调制解调器方案、专线调制解调器方案、无线方案、寻呼台服务方案、光纤方案等。在同一个配电自动化工程中，可以根据具体情况，采用单一方法，也可以采用多种方法组合。

在RTU的四遥操作方面，由于PLC的电平以及功率容量同操作设备不可能正好一致，加上有电气隔离的要求，因此，必须增加辅助的电位转换、功率放大、电气隔离等模块和器件。

对于遥控，当PLC收到开关指令时，输出点到内部电源的通路被接通或关断，如果直接用输出点的输出电流去操作开关设备，则功率根本不够。因此，可把PLC的输出点作为一个小功率继电器的激磁电源，以控制该继电器的常开或常闭触点的开合，再由该继电器去控制配电网的配电开关的操作电源，使配电开关动作，线路或配电设备被投切。

对于遥信，则是将被测开关的辅助触点两端引线接到PLC的输入点和地，当配电开关动作时，辅助触点相应开闭，PLC的相应输入点与地之间被断开或短接，从而在PLC内部获得一个高电平或低电平。

对于遥测，经互感器出来的信号，必须落在PLC的A／D转换模块的测量范围之内，才能接入到相应模块的输入端。此外，在选择PLC的A／D模块时，还要考虑采样周期问题。周期太长，将无法获得精确数值。

PLC可以实现遥调功能，但因电网中应用很少，这里不予详述。

3．2　软件实现方面

在PLC软件方面，由于PLC以循环扫描和中断两种方式来执行程序，因此为了完成所有RTU功能，PLC软件应包括：循环扫描执行的主程序；通信程序（接收和发送报文）；收到报文分析程序；上发报文产生程序；输入点电平中断扫描程序；操作执行程序（遥控、遥信、遥测等）。

在上述程序模块的编制中，应重点考虑以下问题：

a）PLC的主CPU的速度是否足够快？如何编制出执行时间短的程序？

b）PLC和监控中心的通信要利用一套复杂的通信规约，PLC的程序容量能否容下所有程序？如何编制出短小精干的程序？

c）PLC是通过循环扫描输入点的内存映像以获取输入点的输入状态的，在配电开关动作时，相应辅助触点往往存在短暂的抖动。抖动的机械频率虽然很高，但相对于PLC的程序扫描执行的频率却是很低的，因此这种抖动会在PLC的内存映像中反映为多次不相干的开关动作，如何在程序上这种开关动作的象？

实践证明，采用恰当的编程技巧，以上各种问题都可以得到圆满解决。

4　结论

实现我国中低压配电网自动化，是提高供电质量、用电可靠性和提高电力企业自身水平的需要。利用PLC来实现中低压配电网的RTU功能，具有简单、可靠、易用等特点，是一个比较有应用前景的实现方案。

一、 系统概述
FA506型细纱机是目前成纱质量好，自动化程度高，操作简单，便于管理的环锭细纱机，适用于纯棉或化纤的纯纺和混纺的细纱工序，尤其采用PLC作控制器，不但提高了控制精度，而且解决了生产管理方面存在的缺陷，大大降低操作者劳动强度；同时锭子曲线控制也提高了纱线的质量，保证了纱锭成型，提高了全机的产量。
系统设计特点:
1、 用PLC控制整个纺纱过程，具有程序开车、钢领板自动升降、中途停车后自动跟踪开车、自动落纱、自动留头等。
2、 设定纺丝的工艺参数，依据工艺要求自动协调控制；实现定长落纱和锭子速度曲线控制。
3、 显示纺纱过程的锭速、牵引倍数、细纱号数、捻度以及班产累计等。
4、 采用数字通信，提高了系统的抗干扰性。
二、 系统硬件
电气控制系统包括：数字量输入及数据检测部分、可编程控制器部分、执行机构、人机界面。见图一
１、 数字量输入及数据检测部分：
1） 各种数字量开关 包括开停车开关、功能开关，用于开停车与实现工艺要求的各种功能动作。
2） 三自动检测部分 由关主电机、下钢板、刹车传感器构成。其作用为当落纱开始后能自动适位停车、自动留头、为重新开车降低断头创造条件。
3） 数据检测部分 由主轴、前罗拉、后罗拉传感器组成。其作用是自动检测纺纱过程中主轴、前后罗拉的运行数据，为计算班产量、锭速、牵引倍数、细纱号数、捻度等工艺参数以及为锭子速度曲线控制提供数据。
２、 可编程控制器（PLC）部分：
该部分主要由西门子S7226主机与扩展模块构成，可编程控制器专为工业环境而设计的通用自动化装置，它吸取了微电子技术、计算机技术及自动化技术的较新成果，采用可编程的存储器，实现逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算，并通过数字式、模拟式的输入和输出控制各生产过程，西门子S7226主机有16点数字量输入、24点数字量输出，可带7个扩展模块，本系统设计所有数字量输入全部由主机完成，模拟量输入由扩展模块有EM235完成
３、 执行机构
包括主电机、吸风电机、钢领板升降电机、自动润滑装置、自动清洁装置、变频器、落纱电源等，用于完成纺纱过程的全部工艺动作。其中变频器锭子速度控制由变频器、锭子传动部分、主电机构成。其作用是变频器根据PLC的指令（锭子速度控制曲线）自动调整锭子运行，提高纱线质量和产量。
４、 人机界面
采用TP27触摸显示屏做人机界面，完成参数设定、显示，可直接设定锭子运行曲线，实现控制柔性化。并能根据工艺要求修改参数。TP27与PLC 之间以PPI协议通讯。

二、 软件设计：
电气控制软件分为：控制主程序、参数设定显示子程序、计算采样子程序、数字通讯子程序和锭子运行曲线子程序。
１、 控制主程序
软件主控制程序部分，依据工艺要求编制的程序，上电后自动检测各开关量和传感器输入的数据，完成整个纺纱过程自动控制和调用子程序。
２、 参数设定显示子程序
主要依据TP27配置完成参数设定显示，包括班次设定、错误设置提示，总产量、班产量累计显示、锭子速度、前罗拉速度、牵引倍数、捻度、产量、细纱号数等参数显示。
其中参数设定菜单程序结构见框图二
３、 计算采样子程序
主要依据主轴、前罗拉、后罗拉数据检测传感器采样结果以及设计参数完成系统计算，用以完成各类显示参数的计算及定长落纱等功能。
４、 数字通讯部分和锭子运行曲线子程序
主要采用自由口通讯协议完成与变频器的。ＳＭＢ３０自由口通讯控制寄存器设置为自由口通讯方式，程序通过接收中断和发出中断以及发送指令ＸＭＴ控制通讯口的操作，在自由口通讯方式下通讯方式由程序梯图控制。ＳＭＢ３０还定义了波特率、校验方式和数据长度等。为了使锭子运行曲线平滑。在设定的点与点之间采用数学建摸的方法拟合发送参数，该部分程序框图见图三。
三、 通讯设计：
该控制系统较大特点是应用数字通讯方式完成TP27与ＰＬＣ以及ＰＬＣ与变频器之间的。PLC的Prt0口与TP27连接，以PPI协议通讯完成参数设定显示， Port1口与变频器相连，以自由口协议通讯完成锭子运行曲线控制，以往我们进行锭子速度曲线控制时只能选用模拟量来控制变频器运行，这样硬件成本高且控制精度较低。采用数字通讯后，硬件仅为一条屏蔽线，抗干扰能力增强，为实现联网传输控制参数提供了条件，降低了控制成本;数字通讯高精度、高可靠性和极大的提高了机器性能比和市场竞争能力。
四、应用效果
ＦＡ５０６型细纱机控制系统前身采用ＰＬＣ开关量控制和协议参数仪构成，全机控制精度低，可靠性和抗干扰性能差，系统成本高。采用西门子S7-226系列ＰＬＣ构成系统后，全机控制采取数字通讯方式，控制精度高，可靠性和抗干扰性能大为提高。利用“提高软件设计水平来降低硬件投入”原则，极大降低了系统成本，单机实现成本降低达控制系统的１０％左右，极大提高了产品盈利能力，市场前景十分广阔。