西门子模块6ES7214-2AD23-0XB8接线图形

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变电站综合自动化采用自动控制和计算机技术实现变电站二次系统的部分或全部功能。为达到这一目的，满足电网运行对变电站的要求，变电站综合自动化系统体系由“数据采集和控制”、“继电保护”、“直流电源系统”三大块构成变电站自动化基础。“通信控制管理’’是桥梁，联系内部各部分之间、与调度控制之间使其相互交换数据。“变电站主计算机系统”对整个综合自动化系统进行协调、管理和控制，并向运行人员变电站运行的各种数据、接线图、表格等画面，使运行人员可远方控制断路器分、合操作，还提供运行和维护人员对自动化系统进行监控和干预的手段。“变电站主计算机系统”代替了很多过去由运行人员完成的简单、重复和繁琐的工作，如收集、处理、记录、统计变电站运行数据和变电站运行过程中所发生的保护动作、断路器分、合闸等重要事件，还可按运行人员的操作命令或预先设定执行各种复杂的工作。“通信控制管理’’连接系统各部分，负责数据和命令的传递，并对这一过程进行协调、管理和控制。

与变电站传统电磁式二次系统相比，在体系结构上，变电站综合自动化系统增添了“变电站主计算机系统”和“通信控制管理”两部分；在二次系统具体装置和功能实现上，计算机化的二次设备代替和简化了非计算机设备，数字化的处理和逻辑运算代替了模拟运算和继电器逻辑；在信号传递上，数字化信号传递代替了电压、电流模拟信号传递。数字化使变电站自动化系统与传统变电站二次系统相比，数据采集、传递方便、处理灵活、运行维护、扩展容易。变电站综合自动化系统结构体系较为典型的是：

(1)在低压无人值班变电站里，取消变电站主计算机系统或者简化变电站主计算机系统。

(2)在实际的系统中，为常见的是将部分变电站自动化设备，如微机保护、RTU与变电站二次系统中电磁式设备(如模拟式指针仪表、信号系统)揉和在一起，组成一个系统运行。这样，即提高了变电站二次系统的自动化水平，改进了常规系统的性能，又需投入多的物力和财力。

变电站综合自动化的结构模式

变电站综合自动化系统的结构模式主要有集中式、集中分布式和分散分布

(一)集中式结构

集中式一般采用功能较强的计算机并扩展其I／O接口，集中采集变电站的模拟量和数量等信息，集中进行计算和处理，分别完成微机监控、微机保护和自动控制等功能。集中式结构也并非指只由一台计算机完成保护、监控等全部功能。多数集中式结构的微机保护、微机监控和与调度等通信的功能也是由不同的微型计算机完成的，只是每台微型计算机承担的任务多些。例如监控机要担负数据采集、数据处理、断路器操作、人机联系等多项任务；担负微机保护的计算，可能一台微机要负责多回低压线路的保护等。

集中式系统的主要特点有：

(1)能实时采集变电站各种模拟量、开关量，完成对变电站的数据采集和实时监控、制表、打印、事件顺序记录等功能。

(2)完成对变电站主要设备和进、出线的保护任务。

(3)结构紧凑、体积小，可大大减少站地面积。

(4)造价低，尤其是对35kV或规模较小的变电站为有利。

(5)实用性好。

集中式的主要缺点有：

(1)每台计算机的功能较集中，若一台计算机出故障，影响面大，因此，采用双机并联运行的结构才能提高性。

(2)软件复杂，工作量大，系统调试烦琐。

(3)组态不灵活，对不同主接线或规模不同的变电站，软、硬件都另行设计，工作量大。

(4)集中式保护与长期以来采用一对一的常规保护相比，不直观，不符合运行和维护人员的习惯，调试和维护不方便，程序设计麻烦，只适合于保护算法比较简单的情况。

分布式结构

该系统结构的大特点是将变电站自动化系统的功能分散给多台计算机来完成。分布式模式一般按功能设计，采用主从CPU系统工作方式，多CPU系统提高了处理并行多发事件的能力，解决了CPU运算处理的瓶颈问题。各功能模块(通常是多个CPU)之间采用网络技术或串行方式实现数据通信，选用具有级的网络系统较好地解决了的瓶颈问题，提高了系统的实时性。分布式结构方便系统扩展和维护，局部故障不影响其它模块正常运行。该模式在安装上可以形成集中组屏或分层组屏两种系统组态结构，较多地使用于中、低压变电站。

分布分散(层)式结构

分布分散式结构系统从逻辑上将变电站自动化系统划分为两层，即变电站层(站级测控单元)和间隔层(间隔单元)。也可分为三层，即变电站层、通信层和间隔层。

该系统的主要特点是按照变电站的元件，断路器间隔进行设计。将变电站一个断路器间隔所需要的全部数据采集、保护和控制等功能集中由一个或几个智能化的测控单元完成。测控单元可直接放在断路器柜上或安装在断路器间隔附近，相互之间用光缆或特殊通信电缆连接。这种系统代表了现代变电站自动化技术发展的趋势，大幅度地减少了连接电缆，减少了电缆传送信息的电磁干扰，且具有很高的性，比较好的实现了部分故障不相互影响，方便维护和扩展，大量现场工作可一次性地在设备制造厂家完成。分布分散式结构的主要优点有：

(1)间隔级控制单元的自动化、标准化使系统适用率较高。

(2)包含间隔级功能的单元直接定位在变电站的间隔上。

(3)逻辑连接到组态指示均可由软件控制。

(4)简化了变电站二次部分的配置，大大缩小了控制室的面积。

(5)简化了变电站二次设备之间的互连线，节省了大量连接电缆。

(6)分布分散式结构性高，组态灵活，检修方便。

    随着现代工业对精密化、高速化、的要求的不断发展，传统的控制器在高要求的场合已经不能够胜任，在很多要求高实时性，率的场合，就要用专门的数字信号处理器(DSP)来代替传统的控制器的部分功能。特别是在控制算法复杂或对算法进行改进优化的时候，DSP特的快速计算的能力就明显的体现出来。

    另外，随着集成电路制造技术的进步和电力电子技术的发展，交流伺服也得到了长足的发展。集三相逆变器和保护电路、隔离电路、能耗制动电路等功能为一体的智能功率模块、的电力电子器件的出现、使交流伺服控制方便、功耗低、开关时间短、变频范围宽、性能优越。这些都使交流伺服相对直流伺服体现出了明显的优越性。

    系统概述

    交流伺服数字化系统的硬件由DSP作为信号处理器，用旋转编码器和电流传感器提供反馈信号，智能功率模块IPM作为逆变器，经传感器出来的信号经过滤波整形等处理后反馈给DSP进行运算，DSP经过对参考信号和反馈信号的处理运算来调节伺服系统的电流环，速度环，和位置环的控制，后输出PWM信号经过隔离驱动IPM模块实现电机的伺服闭环控制。系统的硬件结构如图1所示。    

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    图1硬件结构图

    系统的控制为三环控制方式，位置控制是外环，也是终目标，速度控制是中环，电流控制是内环。为了保动态响应速度和定位时不产生震荡，电流环和速度环均采用PID调节，位置调节器采用PI调节。系统的控制框图如图2：    

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    图2控制系统框图

    编码器的转子位置实际信号与系统给定位置信号进行比较，比较后的差值经位置调节器PI调节后输出转子转速给定信号，给定转速信号再与编码器的实际速度信号进行比较，比较后的差值经速度调节器调节后，输出给定电流指令值，在于电流反馈实际值比较后进行PWM控制。

    矢量控制

    在同步电机中，励磁磁场与电枢磁通势间的空间角度不是固定的，因此调节电枢电流就不能直接控制电磁转矩。通过电机的外部控制系统，对电枢磁通势相对励磁磁场进行空间定向控制，控制两者之间的角度保持固定值，同时对电枢电流的幅值也进行控制，这种控制方式就称为矢量控制。

    矢量控制也就是通过控制两相的转子参考坐标d-q轴的电流来等效控制电枢的三相电流。通过的系统控制框图可以清楚理解这种等效，可以用下面的公式表示：   

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 (1)

    由电机非负载轴端安装的编码器随时转子磁位置，不断的位置角信息，通过检测实时的知道了θ，也就是说能够进行实时的坐标变化，变换后的电流对逆变器进行控制，产生PWM波形去控制电机

 所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、性、抗干扰性和本质等方面能满足工业现场的需要。

    1  工业以太网技术发展现状

    所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、性、抗干扰性和本质等方面能满足工业现场的需要。

    随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet技术也得到了的发展，Ethernet传输速率的提高和Ethernet交换技术的发展，给解决Ethernet通信的非确定性问题带来了希望，并使Ethernet应用于工业控制领域成为可能。目前工业以太网技术的发展体现在以下几个方面：

    1.1  通信确定性与实时性

    工业控制网络不同于普通数据网络的大特点在于它满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够的快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞检测方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，因此传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为非确定性的网络。

    然而，快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。，Ethernet的通信速率从10M、100M增大到如今的1 000M、10G，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降。其次，采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。Ethernet交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞；同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其它网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。再次，全双工通信又使得端口间两对双绞线（或两根光纤）别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在（全双工通信），或碰撞机率大大降低（半双工），因此使Ethernet通信确定性和实时性大大提高。

    1.2  稳定性与性

    Ethernet进入工业控制领域的另一个主要问题是，它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商用领域设计的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计（如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等），故商用网络产品不能应用在有较高性要求的恶劣工业现场环境中。

    随着网络技术的发展，上述问题正在得到解决。为了解决在不间断的工业应用领域，在端条件下网络也能稳定工作的问题，美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann、Jetter AG等公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品，安装在标准DIN导轨上，并有冗余电源供电，接插件采用牢固的DB-9结构。闽台四零四科技(Moxa Technologies)在2002年6月推出工业以太网产品—MOXA EtherDevice Server（工业以太网设备服务器），特别设计用于连接工业应用中具有以太网络接口的工业设备（如 PLC、HMI、DCS系统等）。

    近刚刚发布的IEEE802.3af标准中，对Ethernet的总线供电规范也进行了定义。此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和性。

    1.3  工业以太网协议

    由于工业自动化网络控制系统不单单是一个完成的通信系统，而且还是一个借助网络完成控制功能的自控系统。它除了完成之外，往往还需要依靠所传输的数据和指令，执行某些控制计算与操作功能，由多个网络节点协调完成自控任务。因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求，满足互操作条件。

    对应于ISO/OSI七层通信模型，以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层；而在其之上的网络层和传输层协议，目前以TCP/IP协议为主（已成为以太网之上传输层和网络层“事实上的”标准）。而对较高的层次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定。目前商用计算机设备之间是通过FTP（文件传送协议）、bbbnet（远程登录协议）、SMTP（简单邮件传送协议）、HTTP（WWW协议）、SNMP（简单网络管理协议）等应用层协议进行信息透明访问的，它们如今在互联网上发挥了非常重要的作用。但这些协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。

    为满足工业现场控制系统的应用要求，在Ethernet+TCP/IP协议之上，建立完整的、有效的通信服务模型，有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务，形成为广大工控生产厂商和用户所接收的应用层、用户层协议，进而形成开放的标准。为此，各现场总线组织纷纷将以太网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太网和TCP/IP技术，以及原有的低速现场总线应用层协议，从而构成了所谓的工业以太网协议，如HSE、PROFInet、Ethernet/IP等。

    (1)  HSE(High Speed Ethernet，高速以太网)

    HSE是现场总线基金会在摒弃了原有高速总线H2之后的新作。FF现场总线基金会明确将HSE定位成实现控制网络与互联网Internet的集成。由HSE链接设备将H1网段信息传送到以太网的主干上并进一步送到企业的ERP和管理系统。操作员在主控室可以直接使用网络浏览器查看现场运行情况。现场设备同样也可以从网络获得控制信息。

    HSE在低四层直接采用以太网+TCP/IP，在应用层和用户层直接采用FF H1的应用层服务和功能块应用进程规范，并通过链接设备(bbbbing Device)将FF H1网络连接到HSE网段上，HSE链接设备同时也具有网桥和网关的功能，它的网桥功能能用来连接多个H1总线网段，使不同H1网段上的H1设备之间能够进行对等通信而主机系统的干预。HSE主机可以与所有的链接设备和链接设备上挂接的H1设备进行通信，使操作数据能传送到远程的现场设备，并接收来自现场设备的数据信息，实现监控和报表功能。监视和控制参数可直接映射到标准功能块或者“柔性功能块”(FFB)中。

    (2)  PROFInet

    Profibus组织针对工业控制要求和Profibus技术特点，提出了基于以太网的PROFInet，它主要包含3方面的技术：① 基于通用对象模型(COM)的分布式自动化系统；② 规定了Profibus和标准以太网之间的开放、透明通信；③ 提供了一个包括设备层和系统层、立于制造商的系统模型。

    PROFInet采用标准TCP/IP+以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的RPC／DCOM来完成节点之间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。现有的Profibus网段可以通过一个代理设备(proxy)连接到PROFInet网络当中，使整套Profibus设备和协议能够原封不动地在PROFInet中使用。传统的Profibus设备可通过代理proxy与PROFInet上面的COM对象进行通信，并通过OLE自动化接口实现COM对象之间的调用。

    (3)  Ethernet/IP

    Ethernet/IP（以太网工业协议）是主推ControlNet现场总线的Rockwell Automation公司对以太网进入自动化领域做出的积响应。Ethernet/IP网络采用商业以太网通信芯片、物理介质和星形拓扑结构，采用以太网交换机实现各设备间的点对点连接，能同时支持10Mbps和100Mbps以太网商用产品，Ethernet/IP的协议由IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组和控制与信息协议CIP(Control Inbbbbation Protocol)等3个部分组成，两部分为标准的以太网技术，其特色就是被称作控制和信息协议的CIP部分。Ethernet/IP为了提高设备间的互操作性，采用了ControlNet和DeviceNet控制网络中相同的CIP，CIP一方面提供实时I/O通信，一方面实现信息的对等传输，其控制部分用来实现实时I/O通信，信息部分则用来实现非实时的信息交换。