西门子模块6ES7214-2AD23-0XB8参数选型

西门子模块6ES7214-2AD23-0XB8参数选型

·调速范围在30%～90％之间，转速不稳定；而且，低速800r/min仍然偏高，造成能源浪费，高速运行时，液力耦合器有时丢转，转炉炉口冒烟； 
·经过10多年的使用，液力耦合器已严重老化，需经常换轴承，造成转炉停产，不能满足连续生产的需要。 
·电动机的效率低，损耗大，尤其低速运行时，效率低； 
·调节精度低、线性度差，响应慢； 
·启动电流仍比较大，影响电网稳定； 
·液力耦合器故障时，无法切换至工频旁路运行，停机检修； 
·漏油严重，对环境污染大，地面被油污蚀严重； 

鉴于液力耦合器存在上述众多问题，对其进行改造已成当务之急。 

2001年底，二炼钢开始扩容改造。为了提高风机的运行效率，解决使用液力耦合器带来的众多问题，新抚钢决定进行变频改造。 

二、变频器改造方案 

·要求变频器要有高性，长期运行无故障。 
·要求变频器有旁路功能，一旦出现故障，可使电机切换到工频运行。 
·调速范围要大，效率要高。 
·具有逻辑控制能力，可以自动按照吹氧周期升降速。 
·有共振点跳转设置，能使电机避开共振点运行，让风机不喘震。 

经过多方调研、比较，后新抚钢同北京利德华福电气技术有限公司合作，共同了1号转炉除尘风机的变频改造方案，改造方案如下： 

1、设备配置 

KM：变频器供电的高压真空断路器 
KG1、KG2、KG3： 真空接触器 
BPQ：HARSVERT-A06/080变频器 
DJ： 440KW/6KV异步电动机。 
KM为原有高压开关，KG1、KG2、KG3。 

DJ为原有异步电机，如果将来扩容到630KW/6KV普通三相异步电机，变频器具备驱动能力。

风机高速运行时，如果变频器出现严重故障，应将电机自动切换到工频电网运行，当前吹炼周期结束后，自动断开KG3，检修变频器，变频器检修完毕后，通过复位按钮，自动返回原变频调速状态。如果在低速运行，则立即断开KG3，开始检修。这样，在变频器出现严重故障时，系统能够自动转入工频电网中，负载不用停机，满足现场不能停机的要求。 

2、电机及风机参数 

电机参数： 风机参数： 
型 号： JK134-2型号：D700-13-2 
额定功率： 440KW 进气容积流量：700m3/min(混合煤气) 
额定电压： 6KV 压力增加值： 2600mmH2O 
额定频率： 50Hz进气温度： 35℃ 
额定电流： 50A 主轴转速： 2975rpm 
额定功率因数：0.89 轴功率： 370kw 
额定效率： 92.5% 
额定转速： 2970rpm 

3、除尘风机工艺要求 

1）吹炼工艺周期 

A到B为兑铁加废钢时间。 
B到C为风机升速时间，可以调节。 
C到D为吹氧时间。 
D点风机开始减速。 
D到E为倒炉测温取样时间。 
E到F为出钢时间。 
F到G为溅渣时间。 

整个吹炼工艺周期约21分钟，其中高速时间（C到D）12分钟。高速定为45Hz,可以调节；低速定为5Hz,可以调节。 

2）变频器和现场接口 

在B点，由现场提供一对闭合节点（氮氧转换点），变频器从低速向高速启动。在C点，变频器到达高速后，给现场提供一对闭合节点（高速状态节点），以便现场操作工进行下氧工作。在D点，现场向变频器提供另一对闭合节点（风机减速点），变频器开始降速，降速时间不作具体要求，但在减程中如果需要提速，变频器应能满足提速要求。 

风机转速、氮氧切换节点、氧位置节点三者满足如下关系：

现场提供给变频器的两对节点（氮氧转换点、风机减速点）及变频器提供给现场的高速状态节点均为无源节点，具有2A/30VDC或0.8A/230VAC的容量。 

3）变频器技术指标 

输入电压 三相交流有效值 6.3KV±10％ 
输入频率 50±5Hz 
输出电压 三相正弦波电压0-6KV 
输出频率 0-50Hz 
频率分辨率 0.01HZ 
加速时间 可按工艺要求设定 
减速时问 可按工艺要求设定 
频率设定方式 高低两级速度，可在0-50Hz范围内调整 
故障诊断及检测 自动检测，自动定位 
网侧功率因数 0．95（高速时） 
过载保护 120％l分种（每10分钟）、150％立即保护 
防护等级 IP20 
环境温度 0-40℃ 
环境湿度 ,无凝结 
海拔高度 1000米以下 

三、设备运行情况 

2001年底我公司向北京利德华福电气技术有限公司定购了一台高压变频器，型号为HARSVERT-A06/080，2002年3月14日变频器正式投入使用，我们认为该变频器的生产、安装、调试周期都很短，总共仅有3个多月的时间，为1号转炉按时投产提供了有力的保。 

1、 同原来使用液力耦合器比较，北京利德华福电气技术有限公司生产的高压变频器有以下优点：运行稳定，。原来使用液力耦合器大概40天左右就换轴承，每次需停炉半天左右，带来的的经济损失。HARSVERT-A变频器具有免维护的特点，只需定期换柜门上的通风滤网，不用停机，保证了生产的连续性。 
2、节能效果显著，大大降低了吨钢电耗。 
3、电动机实现了真正的软启动、软停运，变频器提供给电机的无谐波干扰的正弦波电流，降低了电机的故障次数。同时，变频器设置共振点跳转频率，避免了风机长期在共振点运行，使风机工作平稳，风机轴承磨损减少，延长了电机、风机的使用寿命和维修周期，提高了风机的利用时率。 
4、变频器自身保护功能完善，同原来继电保护比较，保护功能多，灵敏，大大加强了对电机的保护。在变频器调试期间，变频器自动保护，报电机过流。经检查发现电动机有一相线鼻子发生断裂，电机缺相运行，造成过流。我们及时进行了检修，避免了事故的扩大化。 
5、变频器同现场信号无缝接口，满足生产的需要。变频器内置PLC，现场信号接入灵活。转炉为变频器提供一对高速、低速节点，变频器按照节点的状态自动高速、低速往复运行；将以前仪表柜中的转炉的烟气流量、烟气温度信号接入变频器，把仪表柜拆除，大大节约了场地。变频器自带转速测定，原来同电机相连的测速器也被取消，由变频器为现场直接提供电机转速指示， 
6、适应电网电压波动能力强，有时电网电压高达6.9KV，变频器仍能正常运行。 
7、同液力耦合器比较，在加速期间大大减小了噪声，削弱了噪声污染。由于不用定期拆换轴承，减少了机油对环境的污染，使风机房的现场环境有了大改善。 

四、节能分析 

改造之前，1＃2＃3＃转炉的工况均相同，改造后1＃转炉可以同2＃、3＃转炉作对比，终以吨钢除尘电耗来分析节能数据。

同液力耦合器比较，吨钢除尘电耗平均减少2.76度/吨； 
1＃转炉年产钢量今年预计为35万吨，电价为0.44元/度； 
年节电总额为：35万吨×2.76×0.44＝42504，节电率为39.2%。 

同时由于HARSVERT-A变频器的性，避免了原来液力耦合器发生故障时，转炉停炉造成高炉甩铁的情况发生，其经济效益、社会效益也是是的。 

五、结束语 

从几个月的运行情况来看，北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A06/080高压大功率变频器性能好，性高，节能效果明显，满足连续生产对调速系统的要求，我公司决定在2＃、3#转炉改造中继续使用，目前2＃、3＃转炉配套的变频器已达现场，正在安装调试中。 

仪表测控系统的抗干扰技术

引言
仪表及控制

系统的性直接影响到现代化工业生产装置、稳定运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统运行的关键。随着DCS、现场总线技术的应用，被控对象和被测信号往往分布在各个不同的地方，并且他们与控制站之间也有相当长的距离，因此，信号线和控制线均可能是长线。其次，现场往往有许多强电设备，他们的启动和工作将对测控系统产生强烈的影响。同时来自空间的辐射干扰、系统外引线干扰等问题尤为。因此，除有用信号外，由于各种原因必然会有一些与被测信号无关的电流或电压存在，这种无关的电流或电压通称为“干扰”（噪声）。在测量过程中，这些干扰若不能很好地处理，那它将歪曲测量结果，严重时甚至使仪表或计算机不能工作。大量实践说明，抗干扰性能是各种电子测量装置的一个很重要的问题，尤其是DCS、现场总线技术的广泛应用和发展，有效地排除和抑制各种干扰，已成为必需探讨和解决的迫切问题，因为干扰不仅能造成逻辑混乱，使系统测量和控制失灵，以致降低产品的质量，甚至使生产设备损坏，造成事故。因此，抗干扰技术在仪表测控系统的设计、制造、安装和日常维修中都必需给予足够的重视。

常见干扰源及对系统的干扰

由于测控信号往往是一种微弱的直流或变化缓慢的交变信号，后还要通过长距离（有时长达几百米甚至远）传输，因此像大功率马达和其它电气设备产生的磁场，高压电气设备产生的电场以及各种电磁波辐射等等的存在和变化都将以不同的途径和不同的方式混入测控系统中。通常来说表测控系统的干扰源主要有电力网络和电气设备的暂态过程、雷电等引起空间的辐射干扰和系统电源线、信号引线、接地等引起的系统外引线干扰。这些干扰总体为两大类：外部干扰和内部干扰，详细分析无外乎由于辐射、温度、湿度、振动、传输、感应、电源、接地几个方面。下面对常见的几种干扰机制进行分析：

来自空间的辐射干扰对测控系统影响主要通过两条路径：一是直接对计算机内部辐射，由电路感应产生干扰；二是对计算机外围设备及通讯网络的辐射，由外围设备和通信线路的感应引入干扰。

来自传输的干扰主要有两种途径：一是通过传感器供电电源或公用信号仪表的供电电源即配电器串入的电网干扰；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，严重时会引起元件损坏，逻辑出错和大的系统故障。

来自接地系统的干扰主要是接地系统混乱：测控系统的屏蔽接地线及机壳接地线、信号接地线、功率地线、交流电源地线等引起的噪声耦合干扰。

从以上所述，我们可以总结出各种干扰源（噪声源）对测量装置及检测系统产生干扰电流（电压），需同时具备三个要素：⑴噪声源；⑵对噪声敏感的接受电路；⑶噪声源到接受电路之间的传输途径。

通用的抗干扰技术

既然形成对测量装置及检测系统的噪声干扰需要“三要素”，因此和减弱噪声干扰的方法亦应针对三项因素采取措施，即：⑴或抑制噪声源；⑵阻截干扰传递途径；⑶削弱接受电路对噪声干扰的敏感性。以上三方面措施均属于硬件措施。随着微型计算机应用于工业生产，智能传感器和智能仪表的普遍应用，在软件方面，像数字滤波、数字处理等多的抑制干扰的措施和方法得以应用，仪表测控系统水平大大提高。以上几种措施通常采取隔离、屏蔽、抑制、接地保护、软件技术完成，下面对这几种技术——介绍。

隔离包含两种意义：一为绝缘，即保证导线之间不会产生漏电流，所以要求导线绝缘材料的耐压等级、绝缘电阻符合规定；另一为合理配线，即要求信号线尽量避开干扰源，譬如当动力线和信号线平行敷设时，两者保持一定的间距，两者交叉时要尽可能垂直，导线穿管敷设时，电源线和信号线应在不同导线管内。不同信号辐值的信号线不宜穿在同一导线管内。在采用金属汇线槽敷设时，不同辐值导线、电缆与电力线需用金属隔板隔开。同一多芯电缆内不宜有不同辐值的信号线等等。

屏蔽和抑制是用金属导体把被屏蔽的元件、组合件、电路及信号线包围起来，主要用于抑制电流性噪声藕合，起到一定的磁屏蔽作用。另外用双绞线代替两根平行线是抑制磁场干扰的一种行之有效的方法。

接地保护是指通过接地保护设备和人身和抑制干扰。通常分为屏蔽接地、本安接地、保护接地、信号回路接地，下面分别介绍：⑴保护接地是将电气设备、用电仪表正常情况下不带电的金属部分与接地体之间做良好的金属连接，若仪表盘意外带电时，接地短路电流大多通过接地电阻；⑵工作接地是保证仪表、地正常工作，它包括信号回路接地、屏蔽接地和本安仪表接地。

软件抗干扰技术：工业现场的复杂环境硬件抗干扰措施无能为力，譬如工控机死机了或者控制出错了。这将给生产带来可怕后果，因此使用软件抗干扰措施避免和减轻这些意外事故犹为重要。通常使用的软件抗干扰技术有：实时控制软件运行过程中的自监视法、实时控制系统的互监视法和重要数据备份法。

工作实际中抗干扰技术应用

1、实施技术改造，解除系统干扰，恢复关键机组联锁

设计33吨/小时造粒机是国内套大型挤压机组，设计了294个温度、压力、流量、振动等联锁、报警控制点，一旦异常发生，联锁控制程序保证机组停车。但是，因设计人员经验不足，考虑欠佳，机组开车后，多次发生温度联锁控制误动作造成挤压机停车，给装置生产带来很大压力。经技术人员处理，部分误动作点被解除，但温度联锁点因误动作频繁，只好暂时取消联锁，保留报警。尽管机组可以开车，但31个联锁点的暂时摘除给生产带来很大压力和隐患，并且温度误报警频繁发生，造成操作人员很大思想压力。因此，尽快找出解决方法，恢复联锁摆到了事业部和技术人员面前。通过组织技术人员分析控制系统设计、施工和运行状况。发现设计考虑不周，控制盘温度偏高、控制电缆屏蔽不好、二次仪表为塑料外壳且220VAC供电，使本来信号较弱的一次检测元件热电偶测量回路MV信号干扰严重，引发二次仪表频繁误动作。问题分析清楚后，我们可以通过对系统改进来解决

⑴、将检测元件由热电偶改为热电阻，增强信号抗干扰能力。
⑵、将控制电缆改为屏蔽电缆，较少信号干扰。
⑶、二次控制指示仪由220V AC供电改为24V DC供电，降低控制盘温度和信号干扰。
⑷、控制盘增加排风扇，降低温度。
⑸、严细组织施工，保证质量。

通过以上工作，该机组联锁控制在停运一年后全部得以投用，为公司级大型机组的安稳运行起到关键作用。

2、采用隔离和屏蔽抗干扰技术，保DCS系统安稳运行，生产隐患
年产20万吨聚丙烯装置是国内套引进世界的气相本体法生产工艺，仪表测控系统中 控制回路占了很大比例。但由于设计和施工等因素影响，装置刚开车时，却频繁发生仪表误动作停车，给生产带来及不利的影响，DCS卡件也不时损坏，经分析，该系统电气到仪表控制电缆的屏蔽和隔离措施较差，造成DCS的DI卡件不时感应到170~200V电压，引发DCS 逻辑误动作，甚至造成装置停车。对此，对严重影响生产的30余套信号线增加隔离继电器盘，换屏蔽控制电缆，了明显效果。

3、减少远程通讯传输控制，信号干扰。
某装置关键压缩机控制系统设计现场控制盘和控制室控制盘，控制室控制盘主要用于压缩机控制联锁逻辑，现场控制盘除用于现场启动操作还设计了部分手动控制功能，其中有压缩机防喘振控制阀可以在现场进行手动和自动控制模式切换，这部分控制通过远程通讯传输实现主控室和现场的衔接，在调试阶段一切正常。但装置开车后，由于信号干扰严重，压缩机防喘振控制阀不时自己切为手动模式，现场无人操作，多次造成联锁停车。后对通信信号线进行了新，情况略有好转，但偶而也出现信号干扰，造成联锁停车。经技术人员多次分析，认为主装置由于各种原因，电缆桥架控制电缆敷设不够规范，存在较大干扰，造成装置通讯信号不能很好工作。针对实际情况，该压缩机控制信号出现干扰主要影响防喘振控制阀切换模式，在正常开车时，我们选用自动控制防喘振控制阀开度，异常时在现场操作手动控制防喘振控制阀开度。经认真论证，将现场盘通讯控制部分移到主控盘，实施后效果很好，再也没发生信号干扰造成压缩机停车事故。在新建装置的压缩机控制设计时，我们建议外方采用这一方案，了良好的成效，在大家的共同努力下，实现了装置一次开车成功的良好业绩。（作者：杨芳育，北京燕山石油化工有限公司聚丙烯事业部电仪车间）

克服工业自动化控制系统中前向过程通道的干扰措施之一
在工业现场，在距离较远的电气设备、仪表、PLC控制系统、DCS系统之间进行信号传输时，往往存在干扰，造成系统不稳定甚至误操作。除系统内、外部干扰影响外，还有一个十分重要的原因就是各种仪器设备的接地处理问题。一般情况下，设备外壳需要接大地，电路系统也要有公共参考地。但是，由于各仪表设备的参考点之间存在电势差，因而形成接地环路，由于地线环流会带来共模及差模噪声及干扰，常常造成系统不能正常工作。一个理想的解决方案是，对设备进行电气隔离，这样，原本相互联接的地线网络变为相互立的单元，相互之间的干扰也将大大减小。 

    所以在工业自动化控制系统，及仪器仪表、传感器应用中，广泛采用4~20mA电流来传输控制、检测信号。由于4~20mA电流环路抗干扰能力强，线路简单，可用来传输几十甚至几百米长的模拟信号。一般情况下，传输距离过10米，就需要对电流信号进行隔离。

    MHM-05就是一种模拟信号隔离器，又有称作隔离栅、也有称作信号变送器、属于信号调理的范畴。其主要起抗干扰作用。正因为它有特强的抗干扰能力所以在自动化控制系统中应用非常广泛。尤其是在工业自动程度越来越高。一次传感器应用数量随此增多，对传感器的精度和灵敏度要求越来越高。控制程序也越来越复杂，对于工业现场的干扰是错综复杂的，由来自控制现场如电动机的启动停止、大电流接触器的切换、可控硅的调相、电弧电脉冲、电磁波等等复杂的干扰群，在系统设计时务必要充分的考虑采用隔离措施来确保系统的性，切断各种可能引发干扰的通道。整个系统设计的性是系统成败的一个非常重要的环节。所以对工业标准远传模拟量信号DC 4-20mA通过信号隔离器使输出模拟信号与系统隔离，不存在任何公共点，也就是通常被称之为绝缘隔离状态。从引进的许多自动化工程项目统计，在现场模拟信号采集中应用1：1的电流信号隔离器的比例高，真可谓不用不知道，在许多国内自建项目中，在大系统集成过程中受阻，然后再解入隔离措施得以解决的案例还少吗？所以为什么在系统设计之初，要反复强调运用抗干扰措施，这是许多现实案例的经验教训对我们设计者的谨示。这种技术措施的确是当今自动化控制系统中，克服前向过程通道有效的抗干扰措施之一。

信号隔离器其主要与DCS、PLC等工业智能测控系统配合使用。用来完善和系统模拟I/O插件功能，增强现场与远传信号的性。但是目前市场上许多信号隔离器还需要另外加接辅助电源，还是以技术含量比较低的产品充彻市场，使用时会也带来不便。从系统性角度来分析，其多一个部件的加入不但多增加了一个故障点的可发性，也可能引入了新的干扰通道。而今随着新技术新工艺的发展，许多器件的性能不断地完善，而且器件功耗已经下降到可以被忽略境地，因此上海毅伦机电有限公司新设计的MHM-0型信号隔离器就是应用了现代新技术而设计的一种不需要外接任何辅助电源的隔离器。它只有二个输入端，二个输出端，给系统设计和应用带来了方便。同时也提高了系统性。MHM-0在结构上采用了片状模块卡口式结构，可直接卡入标准DIN道轨，所以安装拆卸和维护非常方便。可以多片紧凑叠合安装在标准道轨上节省或替代控制柜输入、输出的接线端子。MHM-05C型是电子模块结构，可以直接安装在PCB印刷线路板上应用。

 PLC的工作过程其实也就是跟照明灯差不多一样的工作原理，只是PLC通过内部的一系列的系统程序开带动外负载而已，PLC输入信号通过采样才能接收、然后再到执行程序、后才输出！它是这么一个工作原理，PLC吸收信号通过诊断键入的命令是否有误、然后才能进入采样、进入采样再到程序执行、后就是输出处理，扫描阶段：将输入现场信号扫描到输入映像寄存器，将输出映像寄存器去驱动外负载！以上就是整个工作过程、所以呢学习PLC编程也不难，只要去了解所运用的指令与各指令的作用、加上熟悉梯形图就能学会，就是说学习PLC编程就知道以上的那些基础，虽然书本上一大堆的文字与一些PLC的构成加上一些内部系统程序介绍与讲解，其实那些都不是、它紧紧只是为了让我们去的熟悉PLC，至于学习编程的那一部分就有点难度了，基本的学习工具不说要拥有PLC，那起码也要有一台电脑，没有电脑基本完成不了这个学习，熟悉指令的运用与作用是懂的，的就是有人指点，要是有人指点学会PLC编程不成问题，不过要先自己去学习过，遇到不懂的才去问，要是自己没有认真去学习就问别人，那肯定学不会！什么样的心态就有什么样的过程、结果是从过程中取决出来的，我们不一定要上了大学拥有高学历高文化也能学会，心态会给你一切的！所以千万不要对我说你学历多高、有多聪明什么的，其实我压根就没把你放在眼里！也不要说自己小学都没毕业学不会这东西、自己笨什么之类的！其实只要有理解能力和看懂文字就能做到了，而且世界上没有笨的人、只有不愿动脑、不肯努力的人！铁柱都能磨成针、这点小事情算什么？
          PLC的工作原理以及相关的一些基本内容在这个学习过程中很重要、以我个人的学习经验得出的一个结论，下一个程序的学习就是解图与了解熟悉它的指令作用与运用，据书本的介绍与讲解、其实PLC内部电路的工作原理跟硬件的工作原理差不多，PLC内部有计数器CNT和许多软继电器或继电器软触点软接线，驱动一个负载是由一些感应器或一些开关给信号PLC、然后PLC通过接收了外部硬电路给入的信号经过每个阶段的程序一步一步的接受、后再到输出！固定化的程序就不说了，那些都是制造厂家采用ROM存储不变程序的！关于后备电池一般采用锂电池作为后备电池，寿命5年至十年，若经常带负载一般2至5年！关于PLC的I/O点数容量分为三种：小型机256点以下，中型机256至1024点之间，大型机1024点以上，提供给用户的可用资源通常用K字KW、K字节BK、或K位来表示，其中1K=1024，也有的PLC直接用所能存放的程序量表示，在一些PLC中存放的程序的地址单位为步，每一步占用两个字节，一条指令一般为一步，功能复杂的基本指令及功能指令往往有若干步、I/O点数是指外部I/O端子的数量，它决定了PLC可控制的输入开关信号和输出开关信号的总体数量！现场的输入信号通过光偶合器到输入数据寄存器，再通过数据总线送给CPU，PLC的输入单元通常有三种类型：直流12至24V输入，交流100至120V或200至240V输入，交直流12至24V输入，外部输入开关通过输入端子与PLC相连接！输出电路的负载电源由外部提供，电源电压大小应根据输出器件类型与负载要求来确定，允许输出电流在0点5至2安，额定值与负载性质有关，电源部件将交流电源转换成提供PLC的处理器、存储器等电子电路工作所需要的直流电源，使PLC能正常工作，它的好坏直接影响PLC的功能和性！PLC一般使用220伏交流电源或24伏直流电原，内部的开关电源为各模块提供DC5V、正负12V、24V等直流电源！驱动PLC负载的电源一般由用户提供！PLC是顺序地执行其内部存储的程序来完成某一工作任务的、程序的输入装置称为编程器！智能接口模块是一个立的计算机系统，从模块组成结构上看、它有自己的CPU、系统程序、存储器以及接口电路等，它与PLC的CPU通过系统总线相连接，进行数据交换，并在CPU模块的协调下立地进行工作！工作过程：PLC控制任务的完成是在硬件的支持下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现的！PLC确定了工作任务，装入了程序成为一种机，它采用循环扫描的工作方式，系统工作任务管理及用户程序的执行通过循环扫描的方式来完成！巡回扫描的工作机制：初始化，PLC上电后进行系统初始化，内部继电器区、复位定时器等！通信服务与自诊断阶段，在此阶段、PLC中的CPU完成一些与编程器或其他外部设备的通信，完成数据的接收和发送任务、响应编程器键入的命令、新编程器显示内容、新时钟和特殊寄存器内容工作，程序语法一旦出错或异常，CPU能跟据错误类型和程序内容产生提示信息，甚至停止扫描或强制为STOP状态！执行用户程序扫描阶段：此阶段包括输入采样、程序执行、输出处理3个阶段！数据I/O扫描阶段：此阶段将输入现场信号扫描输入映像寄存器，将输出映像寄存器的去驱动生产现场！PLC的工作过程：在正常情况下，一个用户程序扫描周期由3个阶段组成：输入采样阶段、程序执行阶段、输出处理阶段，PLC的模块CPU不能直接与外部接线端子联系，送到PLC端子上的输入信号、然后经过电平转换、光电隔离、滤波处理等一系列电路进入缓冲器等待采样，没有CPU采样允许，外界信号是不能进入内存的，在PLC的存储器中有一个专门存放I/O信号状态的区域，称为输入映像寄存器和输出映像寄存器！PLC梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们称为元件映像寄存器！在输入处理阶段，PLC现场全部输入设备如按钮、速度继电器等的接通/断开状态读入输入映像寄存器，外接输入设备的触点接通时，对应的输入映像寄存器为1，梯形图中对应的输入继电器的动合触点接通，动断触点断开。外接的输入触点电路断开时，对应的输入映像寄存器为0，梯形图中对应的输入继电器的动合触点断开，动断触点接通！值得注意的是，只有在采样时刻，输入映像寄存器中的内容才与输入信号一致，而其他时间范围内输入信号的变化是不会影响输入映像寄存器中的内容的，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入！因此，如果输入是脉冲信号、则该脉冲信号的换度大于一个扫描周期、才能保证在任何情况下该输入均能被读入！程序执行阶段：PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列，根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右、先上后下的原则逐句扫描执行用户程序，直至用户程序结束之处！但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址！PLC执行指令程序时，要读入输入映像寄存器的状态ON或OFF，既1或 0和元件映像寄存器中有关编程元件的状态ON或OFF，既1或0，CPU按程序给定的要求进行逻辑运算和算术运算，运算结果存入相应的元件映像寄存器，把将要向外输出的信号存入输出映像寄存器，并由输出锁存器保存！输出处理阶段：在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的状态ON或OFF，既1或0传送到输出锁存器，梯形图中某一输出继电器的线圈得电时，对应的输出映像寄存器为1状态！信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈得电，其动合触点闭合，使外部负载通电工作！一次动作后等待下一次扫描周期到来才会被刷新、这样才能进行二次动作，称为集中输出方式！输入映像区、输出映像区集中在一起就是一般所称的I/O映像区，映像区的大小随系统I/O信号的多少，既I/O点数而定！I/O映像区的设置，使计算机执行用户程序所需信号状态及执行结果都与I/O映像区发生联系，只有计算机扫描执行到I/O服务过程时，CPU才从实际的输入点读入有关信号状态，存放于输入映像区，并暂时存放在输出映像区内的运行传送至实际输出点！

1. 引言
我国中低压电网中，中性点一般采取不接地、经高电阻接地、或经消弧线圈接地的接地方式。这类电网在发生单相接地故障时，短路电流只能通过对地电容或阻抗形成小电流回路，所以又被称为小电流接地电网[4]。小电流接地电网发生单相接地故障后的选线困难，特别是中性点经消弧线圈接地的电网。目前小电流接地系统故障选线方法按所用电气量可以分为：利用注入信号和故障信号。其中利用故障信号的方法又可分为利用故障信号的稳态量和暂态量两种[4]。注入法需要附加信号源且注入信号给电网带来一定的影响；利用故障信号稳态量的方法存在检测信号偏小的问题，且不能判断瞬间接地和间歇性接地故障；故障信号暂态量较大，完整地反映了故障发生的过程和特点，不仅能判断稳定接地，而且能够判断瞬间接地和间歇性接地故障。本文研究了小电流接地电网单相接地故障发生后的电压和电流的特点，提出了利用能量变化方向的原理选择接地线路的方法。

2. 电网数学模型的建立
2.1 电网数学模型
为了研究电网单相接地故障，仅仅利用实际测量的故障波形和数值是不够的。不但实际测量波形和数据较少，而且由于测量不准确或者其它的干扰影响了对电网单相接地时电压电流等物理量特征的归纳研究。所以要建立一个既便于分析又能够反映实际电网特征的模型。 

在中低压电网中，线路的长度较短，与电压电流波的波长相比相差几个数量级的情况下，电路网络可以用集中参数模型。单相接地故障中，要研究暂态接地和稳定接地的过渡过程中各个物理量的变化规律，就不能忽略线路的电感，相间电容，线路电阻和线路对地导纳，对地电容可以是不平衡的。本文中所建立的电网模型如图1。模型中忽略了线路并联电导和线路互感。忽略线路并联电导是因为在三相线路中用并联电导来表示线路电压引起的有功功率损耗，而电压为110kV以下的架空线路，与电压有关的有功功率损耗主要是由绝缘子表面泄露电流所引起的，一般可以忽略不计。忽略线路线间互感是因为相对于相间电容来讲，线路相间互感很小，可以忽略不计。模型的建立也是希望用软件模拟实际电网正常运行或者故障状态的情况，忽略了影响小的过分细节的因素，抓住问题的主要部分。
以暂态量作为研究对象，所以此时定义的零序电流不再是传统意义上的三序电流中的零序分量，而是三相电流瞬时值之和的1/3。同样零序电压也为三相电压之和的1/3，即：

根据图1电网数学模型列写出电压、电流状态方程，接地采用开关串联电阻的模型进行数值计算。
2.2 模型验证
为检验所建模型是否正确，作者查阅大量资料。由于间歇性电弧接地是单相接地中过程为复杂的，若在模型上做的间歇性电弧接地符合实际测得各个物理量的波形特征，那么可验证所建立的模型是正确的。
文献[6]根据对20kV电网测量的将近500次的单相接地故障的实际数据发现，小电流接地电网中单相间歇性电弧接地的接地电阻主要在200到400欧姆和2000到4000欧姆这两个区间。所以我们就接地故障电阻在上述两个区间的间歇性电弧接地故障运用MATLAB软件做了大量的计算。图2为文献[6] 中芬兰工程师在20kV电网采样率为3500HZ时录入的故障线路零序电流和中性点电压波形。图3为作者在20kV电网采样率为3500HZ时发生间歇性电弧接地故障（电弧重燃五次）计算得到故障线路零序电流和中性点电压波形。从波形图3和实测波形图2看，两者特征十分相近，说明所建立的模型能够反映实际电网情况。在此电网模型上做的研究得到的规律和结果是正确的。 

3. 对接地现象的分析研究
电网线路与大地之间存在对地电容，三相存在相间电容。一般情况下，各相对地电容。所以电网正常运行时中性点呈现一定数值的对地电位差，即“不对称电压”，此时的电网为不对称电网或不平衡电网[1]。如果线路经过良好的换位，使得三相对地电容与相间电容分别相等，中性点电压在电网正常运行时应该为零，此时的电网为对称电网或平衡电网[2]。不管平衡电网还是不平衡电网，发生单相接地故障后，都表现为中性点电压和相电压以及各条线路零序电流发生变化。而且能够直接测量的物理量也只有这些，如何利用这些量来进行故障选线值得深入研究。
电网发生单相接地故障后，故障相电压降低，非故障相电压和中性点电压升高，零序电流增大。故障相电压，中性点电压和各线路的零序电流这三个物理量可以反映故障情况。对于小电流接地电网，各条线路的零序电流值都比较小，以往单单以零序电流的特点作为选线判据势必分辨率低。而以零序电流乘以中性点电压所得的零序功率以及零序功率积分得到的零序能量[3][5]没有反映到故障相电压的变化情况。当金属性接地故障时故障相电压降到零，中性点电压上升到相电压，此时零序能量有较高的分辨率；但当接地电阻很大时，故障相电压下降不多，中性点电压幅值较小，线路零序电流也很小，此时零序能量法不能很好地判别故障线路。所以拟定以中性点电压与故障相电压的差作为电压量，再与零序电流做积分求得的能量来研究接地故障。即：

式中采用（u0-ua）代替零序能量中的，保证在高阻接地故障时能量的数值较大，可以提高了分辨率。根据电网模型列写电压和电流状态方程，接地采用开关串联电阻的模型进行数值计算，求得中性点电压，各相电压和各条线路的零序电流。电网模型参数的不同，计算出不同情况下的各条线路的能量，并绘制能量曲线来研究该能量的特点。
图4 为平衡电网在不同接地电阻和不同的故障发生时刻下各条线路的能量，其中（a）为故障发生在故障相电压较大时刻且接地电阻较大的情况，（b）为故障发生在故障相电压接近过零点时刻且接地电阻较小的情况。从图4中可以看出当发生小电阻接地故障时故障线路的能量瞬间变化很快，接地电阻大时变化相对较慢。而对于所有线路，不同的接地电阻和不同的接地时刻影响能量幅值，能量曲线的形状基本不变：未发生故障时能量为零，发生故障后，故障线路能量为负而非故障线路能量为正；且从能量大小上，故障线路能量大而非故障线路能量小。这与文献[3]中的方法具有相同的规律。 

图5为不平衡电网在不同接地电阻和不同的故障时刻下各条线路的能量。（a）中B相对地电容小，A相和C相对地电容相同，故障发生时故障相电压大，接地电阻小；（b）中A相对地电容小，B相和C相对地电容相同，故障发生时故障相电压小，接地电阻大。从图中可以看出，不平衡电网在正常运行时中性点有一定的对地电位，零序电流不为零，所以未发生故障时各条线路的能量不为零。虽然三相对地电容不相同的情况不同，使得正常情况下的能量方向不同，但只要是没有故障发生，各条线路的能量符号是相同的(都是正的或者都是负的)。发生故障后线路能量的正负不能确定：（a）中线路3和线路1能量由负变正，线路2 保持负值；（b）中线路3 和线路1 能量保持正值，而线路2 由正变负。所以此时不能以能量的方向来判断故障线路。同时线路2 的能量大小也不再是大的，所以能量的大小也不能作为选线依据。
经过大量的计算，发现不管是平衡电网还是不平衡电网，不管故障发生在何时，故障后故障线路的能量曲线的斜率为负数而非故障线路能量曲线的斜率为正数。所以得出结论：以能量曲线的斜率来判断故障线路。如果各条线路的能量曲线斜率符号相同则未有故障发生，或者发生母线接地故障，此时需要中性点电压幅值的进一步判断（如果中性点电压过相电压的15%则发生故障）；如果有线路能量曲线斜率与其他线路的能量曲线斜率不同，那么该线路即为故障线路。 

4 能量变化方向选线原理
4.1 能量变化的定义
将能量曲线斜率定义为能量变化。根据上面的分析总结，能量变化方向选线原理阐述为故障线路的能量变化与非故障线路的能量变化方向是不相同的，以此判断出故障线路。
线路j的能量变化算式为：

即：

4.2验证
用MATLAB软件了各种电网条件下的情况证明上述选线原理均正确。以下是电网不平衡度较大时，比较端条件下的结果。
条件：线路1的对地电容为1，线路2的对地电容为4，线路3的对地电容为15，A相对地电容小，B相和C相对地电容相等。电网的电压等级为6kV，正常运行时中性点电压为相电压的13%，阻尼率为5%，脱谐度为0。在t=0.155s时线路2 发生次燃弧接地，熄弧后又重燃5次，弧道电阻为5欧姆。
图6为不平衡电网发生间歇性电弧接地故障时各条线路的能量曲线。从图上可以看出，未发生故障时3条线路的能量曲线斜率符号相同，而发生故障后非故障线路的能量曲线斜率是正的，故障线路的能量曲线斜率是负的，即故障发生后线路能量变化方向是可以判断出故障线路的。图7为不平衡电网发生间歇性电弧接地故障时各条线路的工频周期内能量变化曲线。从该图中容易看出故障线路与非故障线路能量变化方向相反的特点，因为不断的燃弧和熄弧，所以曲线呈现锯齿状。特别值得注意的是，在图6 中每次燃弧时能量曲线都有一个突变：非故障线路能量曲线突然快速上升，故障线路能量曲线突然快速下降。这样甚至可以判断燃弧次数和时刻。可见，能量变化方向是可以在比较复杂的故障情况下有效地判断出故障线路的。传统的能量原理认为发生故障线路能量小于零，而图5显示故障线路与非故障线路能量的符号是不定的。其他大量的分析也证明了证明传统的能量原理在电网不平衡度较大时存在死区。能量变化方向选线原理无死区，且比能量原理的分辨（图6中能量变化方向十分明显）。 

4.3可行性分析
在实际应用中，由于受到硬件条件和制造成本的限制，为了降低采样率，中性点电压、故障相电压和各条线路的零序电流量须经过低通滤波器滤波调理后再采样，用滤波后的电气量计算是否还满足上述原理呢？图7是对得到的电气量经过2阶截止频率为100Hz采样率为1000Hz低通滤波器后的能量曲线图，从图上可以看出滤波后能量变化方向原理仍然可以准确判断故障线路。这意味着采用的单片机系统有可能实现上述选线原理。

5.结论
利用中性点电压，故障相电压和零序电流求得的能量在故障前后变化的特点可以准确区别故障线路。该方法在电网不平衡度较大情况和暂态接地故障情况都有效。在实际应用中对硬件条件要求不高，选线分辨效果明显。