西门子模块6ES7211-0AA23-0XB0使用方式

西门子模块6ES7211-0AA23-0XB0使用方式

  目前，火电厂中电气系统正开始纳入分散控制系统（DCS）。电气系统与热工自动化系统联合的需求开始显现。电气系统与热工系统相比在控制要求及运行过程中有着很多不同点，电气的主要特点，如电气设备保护自动装置要求性高，动作速度快；电气设备操作机构复杂，操作频率低等，都要求机组的电气系统纳入DCS控制后，控制系统具有很高的性，除了能实现正常起停和运行操作外，尤其要求能够实现实时显示异常运行和事故状态下的各种数据和状态，并提供相应的操作指导和应急处理措施，保电气系统自动控制在合理的工况下工作。电气系统的特点使多年来电力系统的研究采用专门的软件，与电厂热控系统的是分别进行的。随着计算机开放性技术的发展完善，采用通用软件实现各种不同类型过程分析已成为可能，如MATLAB应用于电力系统的早已受到了重视［1］。参考文献［1］在1997年就介绍了将电力系统实时数字的电磁暂态分析软件包PS／EMTDC向MATLAB的转换，实现了通用开放可视的技术。

    MATLAB凭借其强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能，可视化的以及丰富的算法工具箱，已成为科研和工程技术人员的有力开发工具［2］，如已广泛应用于各种不同类型的电厂热工控制系统。参考文献［3］介绍了将MATLAB用于工业过程实现可视化的技术。然而，对于电力系统工程技术人员来说，如何按照工程需求，准确而快速地对电路以及复杂的电气系统进行自定义的研究，常规的工具显得力不从心，因为如果各环节用简化传递函数来表示，则很多重要细节会被忽略；若用MATLAB中的Simubbbb提供的基本模块（如开关和触发器）来构造模型，则相当费时费力，虽然可以使用PSPICE来实现电子电路的，但PSPICE主要适用于微电子领域，难于与电力系统设计所需要的复杂算法和控制理论相结合。至今大量的电气系统的分析仍然采用软件包［4］。本文将结合MATLAB中的电气系统模块库（PowerSystemBlockset），探讨采用MATLAB实现电力系统分析与设计的方法。利用MATLAB与FOR－TRAN等语言的接口，还可以继承多年来电力系统分析的经验。

    1电气系统模块库介绍

    MATLAB版本5．2以上提供了电气系统模块库Powerlib。电气系统模块库以Simubbbb为运行环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的模型，不仅可以实现电力系统时域与频域的计算，如计算电力系统遭受扰动或参数变化时电参数随时间变化的规律，而且可以广泛应用于高压直流输电、FACTS控制器设计、电力系统谐波分析及电力电子领域的分析计算等。

    运行Simubbbb以后，打开Blocksets＆Tool－boxes，就能调出电气系统模块库。也可以在MATLAB的命令窗口，直接键入Powerlib调出。电气系统模块库Powerlib由如图1所示的6个子模块库组成。

    （1）电源模块库：包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源和可控电流源等。

    （2）基本元件模块库：包括串联RCL负载／支路、并联RCL负载／支路、线性变压器、饱和变压器、互感器、断路器、N相分布参数线路、单相Ⅱ型集中参数传输线路和浪涌放电器等。

    （3）电力电子模块库：包括二级管、晶闸管、GTO、MOSFET和理想开关等。为满足不同目的的要求并提真速度，还有晶闸管简化模型，如图2所示。

    （4）电机模块库：包括励磁装置、水轮机及其调节器、异步电动机、同步电动机及其简化模型和永磁同步电动机等，图3所示为简化的同步电机模型。

    （5）连接模块库：包括地、中性点和母线（公共点）。

    （6）测量模块库：包括电流和电压测量。

    在6个基本子模块库的基础上，按需要可组合封装出常用的为复杂的模块，添加到所需模块库中去。如图4所示附加模块库（PowerlibEx－tras）中的三相电气系统就是用6个基本子库中的各模块构造并封装起来的。可以用“LookUnderMasy”命令打开其中的各模块，查看其内部结构以了解构造方法和规律。附加模块库中还包括：均方根测算、有功与无功功率测算、傅立叶分析、可编程定时器和同步触发脉冲发生器等。

    2 基本运行原理与使用

    电气系统模块库中的Powerlib模块与常规的Simubbbb模块两者有一些区别，所以，在Simubbbb内部，进行前有一个初始化的过程，把包含Powerlib模块的系统转化为Simubbbb能够的等效系数，具体操作如下：

    （1）调用Power2sys函数，把所有的模块划分为常规模块和Powerlib模块，其中的Powerlib模块又分为线性模块和非线性模块。

    （2）调用Power2sys函数求出模块的网络拓扑结构，得到其参数，并对每个电气结点都赋予一个结点号。

    （3）调用Circ2sys函数求出线性模块的状态空间模型（状态变量为电感电流和电容电压）。

    （4）调用Power2sys函数，根据Simubbbb的内部预定义的模型求出非线性模块的Simubbbb模型。

    初始化完成后，Simubbbb开始对此系统。

    Power2sys和Circ2sys函数都能以命令行的形式在MATLAB命令窗口直接调用，而且使用上为灵活，可以构造出Powerlib中所没有的模块（如具有3个以上绕组的互感器），此处不再赘述。

    当然，上述复杂的预处理过程对用户来说都是屏蔽的。电气系统模块库中的模块在使用上，与常规的Simubbbb模块类似，将其拷贝到自己的模型中并设置合适的参数即可。但是，Powerlib模块与常规的Simubbbb模块毕竟是两类不同的模块。所以，对于同时使用两类模块的模型，必然会有两类模块之间的信号流动，这就需要中间接口模块。具体地说，当Simubbbb模块的信号送Powerlib模块时，应根据其性质，采用可控电压源或可控电流源模块作为中间环节；反之，当Powerlib模块中的信号反馈给Simubbbb模块构造的控制系统时，应采用电流或电压测量模块。 由于在初始化过程中，Power2sys函数将逐个检查模型中的各个模块是否为电气系统模块，所以，对于大规模的系统，在一定程度上会降低的速度。为避免这种负面影响，可以人为地迫使Power2sys不去检查那些常规模块，方法是在常规模块以及包含常规模块的子系统的模块名前加1个“＄”符号，如“＄PID”，但确保子系统内的模块皆为常规模块。

    Powergui是电气系统模块库提供的1个有力的工具。通过它，能以图形用户界面（GUI）的方式来方便地计算和显示出系统中各状态变量和测量变量的稳态值；可以修改系统的初始状态来实现从任一初始条件开始，能避免较长的过渡过程；还可以实现对包含电机的三相电网潮流的计算和初始化。使用Powergui只需将其拷贝到模型中，打开即可进行查看和设置。

    3 基于MATLAB的电力电子举例

    从DEMO中可以了解到许多电气系统的实例。如电力滤波器、HVDC、分布参数线路、变压器、暂态分析、三相二管整流等。本文采用电气系统模块库建立的晶闸管（Thyristor）整流电路如图5。系统通过单项单脉冲晶闸管整流电路供电给RL负载。晶闸管门触发脉冲由定时器Timerl提供。时的设定参数为：整流器负载R＝0．5Ω，L＝6．5mH。晶闸管模块导通电阻R＝0．001Ω，电感L＝le－5H，正向电压U＝0．8V，旁路电阻R＝20Ω，电容C＝4e－6F。线路负载也可以采用电抗形式表示。将Powerlib中晶闸管模块的信号反馈给Simubbbb的滤波显示模块（Ufilter）时，采用了电流及电压测量模块。该曲线与理论分析实验波形一致

    Ashgabat市的发展

    土库曼斯坦与哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、阿富汗、伊朗和里海相邻。几乎80%的地区为KaraKum沙漠。该国于1991年宣布立并拥有的和汽油储量，因此推动了90年代初经济的发展。

    Ashgabat，土库曼斯坦的都，拥有大约800，000人口，已发展为一个拥有大广场、宫殿、博物馆、寺和上百个喷水池的繁华城市。新建的基础设施及激增的人口促成了对于大规模的供水系统和下水道系统的需求。

    该需求引起了来自建筑师及技术工程师们浓厚的挑战兴趣。

    系统规划——由SkifControl公司设计和实施

    连接300多个井站和120个泵站，铺设数百公里的管道并建造若干隧道。

    土库曼斯坦120个泵站的其中之一

    SkifControl公司，坐落于乌克兰的基辅，是贝加莱长期的合作伙伴，在基础设施、安装、自动化系统运作及各行业的过程控制领域拥有丰富的经验。SkifControl公司规划并成功实现了一套带3-层结构的系统构架。整套体系由连续的APROL控制系统监测并控制。

    层（现场层）记录了所有的测量数据并调节控制流程。井站通过CANI/O与B&R2003系统连接。泵站同样通过CAN与PP41PowerPanel连接。

    二层，所谓的“数据层”，由20个PCC系统通过modem连接到420个控制器和PP41单元构成。一个PCC至多连接20个井站或泵站。

    层包含了过程控制系统APROL。它监测并调节整个供水和下水道系统。也就是说，APROL控制整个现场设备，向操作员发出报警信号并显示所有必要的排除故障方案。

    此外，“活动记录”将记录一些有趣的趋势及所有操作者的操作。

    令人满意的执行能力

    系统安装后可进行逐步扩展。试运行批控制系统及现场层后，客户深信SkifControl公司选择贝加莱的自动化方案是正确的。因为只有一个非常灵活的系统才能支持如此大量的串口和网络界面，满足客户不断变化和提升的要求。

    VolodimirYershov销售俄国/乌克兰

    只要使用贝加莱的控制器和过程控制系统，即使在沙漠地区，供水也不成问题。我们的方案提供各种接口（如CAN、RS485、EthernetTCP/IP和modem）实现通信。这些接口都是B&R2003PCC系统的标准接口。该系统是Ashgabat供水的方案。我们的客户——该市的管理对该安装方案非常满意，因为它了人们的期望。

  一、方案概述

    主机控制信息系统（1＃、2＃机组）的DCS设计为冗余双环环网的拓扑结构，划分为1＃机组、2＃机组，机组DCS系统以千兆（KWES40016）工业交换机双环网和百兆（KWES40016(百兆光口模块)）工业交换机双环网的网络架构，网络上连至工作站、工程师站、应用服务器以及SIS系统等。

    二、网络拓扑

    网络拓扑采用两层冗余双环网的总体架构。考虑到I/O站点的个数，如果不够可以通过交换机的级联来实现扩张或者环网上加KWES40016。如下网络拓扑图

    三、方案说明和特点

    主机控制信息系统（DCS）控制网络使用环型结构冗余千兆光纤以太网，通过以太网交换机（KWES40016）光纤接口连接，以实现在机炉集中控制室集中监视和控制。交换机连接操作员站、数据库服务器、各I/O站及SIS等。

    本网络方案根据现有的I/O布局和拓扑结构，采用与交换机隔离的冗余双环网百兆以太网结构，使网络在发生不同故障点（线路、交换机）的情况下仍然能够正常工作，网络主干交换机采用KWES40016(千兆光口模块)工业交换机，确保了整个网络系统的稳定性。其个案特点主要表现在以下几个方面：

    （1）DCS中的骨干交换全部为千兆交换（通过KWES60008的千兆光口模块实现）。有力的保了数据交换传输的实时性和性和性

    （2）在DCS系统中不但接入了上位操作员站和工程师站，而且应用了数据库服务器和系统服务器，使得DCS系统的控制和监视功能具丰富性和灵活性，也为日后附加功能的升级提供了方便。如果需要千兆电换机可以添加KWES60008(8个千兆口)加入到环网中

    (3)针对于各个机组的I/O分布的具体情况，低层交换采用了百兆的KWES40016(加百兆的光模块)，在保证效率的同时，对于日后终端I/O的扩展和增容可以级联KWES12016的扩展电口。

    (4)考虑到交换的负载，I/O层的网络与层分开。从而使得低层交换机接入时负载加均衡，缓解了交换压力。两者之间通信通过前置机数据交换，如果需要千兆电口可以换成KWES60008交换机（8个千兆口）

    (5)所采用的KWES系列以太网交换机均属于工业级以太网产品。冗余电源的设置，牢靠的重负荷设计，电磁兼容性、工作温度、防震等指标符合工作现场的要求。

    (6)KWES40016支持IGMP和VLAN和PortPriority（端口级）设置，从而可以地限制网络上的广播和组播信息，提高网络的性和工作效率。还可以对端口的流量进行设置，确保网络的数据可控。网络安装和故障诊断比较方便。KWES40016系列交换机带有SNMP管理单元，而且还集成有基于WEB的管理系统，这为快速地进行网络组态、诊断、故障和管理提供了方便。千兆口的冗余时间也小于20ms

    四、总结

    国内火电行业中的DCS系统，大多采用百兆双环网架构或者采用一层千兆双环网架构。相比而言，本方案采用两层冗余双光纤环架构，同时还可以增加KWES60008产品，应用和数据库服务器来丰富完善DCS系统的千兆电口需求功能，I/O层和层有效隔离。因此从系统的性，性，还是性价比方面都处于。

对于初学者来说掌握了 PLC 基本原理，熟悉常用的编程方法，在进行简单系统编程时尚可以运用自如，但对较为复杂的控制系统设计往往力不从心，要想在 PLC 应用方面得心应手，学习者除了要建立正确的学习方法，深入学习 PLC 编程技巧，重要的是相关知识的学习。下面从六个方面谈谈我的教学心得。

一、 多收集程序范例、增加编程经验

在 PLC 的编程方法中，经验法一直受到许多从业者的青睐，并且在经验设计法中资料收集显得尤为重要。收集典型程序样例，程序有较完整的组成部分：控制任务、I / O 分配、硬件接线图、完整的程序及注释。其次要读懂程序，从而分解出程序中用于完成不同任务的组成部分，对于各组成部分中立完成某一特定功能的子程序或者中断程序应及时收藏到程序库。以便在以后的编程过程中碰到实现类似控制任务时，节约程序设计时间、提高程序调试成功率。再次还需要记录程序闪光点，诸如编程者巧妙的思路、程序结构、应用指令的使用。尤其是应用指令的使用，能够大大的缩短程序长度，减少内存容量，降低系统成本。后对程序做功能扩展性的设计、调试，并对全过程加以详细记录、再加以总结。通过以上过程就能够有效消化这些程序范例，使其融入到自己以后的编程过程中。经过一段时间的资料收集、理解、消化后，逐步确立适合自己的编程方法。

二、 熟练使用软件包

设计者应熟读编程手册、熟练程序的编辑技巧,使得自己的设计方案得以展现。设计好的程序能否满足控制任务，就进行调试,传统的调试方式离不开编程控制器 CPU,必要时还需要另外准备输入输出模块、特殊功能模块和外部机器等。软件 可提供一个虚拟的实验平台。能够实现不在线时的调试。不在线调试功能内包括软元件的监视测试、外部机器的I/O的模拟操作等。对于个人学习来说，没有实验条件，软件能够在个人计算机上进行顺控程序的开发和调试。使用者通过程序不断的调试，慢慢领会程序设计心得，从而增加编程经验 。

三、 特殊功能模块

在学习过程中,大部分学生将学习的放在了软件编程上, 而现代工业控制给PLC 提出了许多新的课题,如果用通用 I/O 模块来解决，在硬件方面费用太高，在软件方面编程相当麻烦，某些控制任务甚至无法用通用 I/O 模块来完成。因此,学习 PLC 的特殊功能模块显得尤为重要。这些特殊功能模块有模拟量输入输出模块、高速计数模块和运动控制模块等。这些特殊功能模块 PLC 厂家都给出了详细的使用手册，用户可以通过仔细研读使用手册来完成特殊功能的实现，使得软件编程简化，降低了经济成本。

四、 人机界面

连接可编程序控制器,利用显示屏显示，通过输入单元(如触摸屏、键盘、鼠标等)写入工作参数或输入操作命令,实现人与机器信息交互的数字设备称为人机界面,俗称触摸屏。触摸屏以其易于使用、坚固、反应速度快、节省空间等优点，使得系统设计师们越来越多的感到使用触摸屏的确具有相当大的优越性。触摸屏由硬件和软件两部分组成。利用软件可以完成用户界面的设计，结合PLC的程序设计大的简化了计算机的使用，即使是对计算机一无所知的人,对不懂 PLC 程序编程的操作人员，也能够按控制要求设置控制系统参数、生产配方存储、设备生产数据记录等操作。触摸屏的学习可以按如下的步骤进行。针对某一系列触摸屏仔细阅读其画面设计手册进行用户画面设计;接着设计触摸屏画面操作实现对应的 PLC 程序;后打开触摸屏、P L C 编程软件进行调试。

五、 掌握三种流派主品

目前,世界上有 200 多个厂家生产 PLC。大体可以按地域分成主要的三个流派：一个流派是日本产品,以三菱 FX 系列小型 PLC 为代表; 一个流派是美国产品, 以 A B 公司的PLC 系列中型 PLC 为代表;还有一个流派是欧洲产品,德国西门子的 S7 系列大型 PLC 为代表。不同型号的 PLC 产品具有不同的特色,不仅表现在特殊复杂的功能等方面，就是在编程语言、程序的组织等方面也存在着较大的差异。掌握所有的 P L C 产品显然不现实，也没有必要。在熟练掌握一种 P L C 产品的基础上，有意识地在其他主要流派中选择有代表性的产品，采用对比的学习方法进行相对深入的研究。这样在以后的工作、学习和开发研究中遇到其它的机型时，就能够做到触类旁通了。