6ES7231-7PF22-0XA0货源充足

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在电力供配电系统中，配电变压器监测终端(TTU)用于对配电变压器的信息和控制,它实时监测配电变压器的运行工况,并能将的信息传送到主站或其他的智能装置,提供配电系统运行控制及管理所需的数据。一般要求TTU能实时监测线路、柱上配电变或箱式变的运行工况,及时发现、处理事故和紧急情况,并具有就地和远方无功补偿和有载调压的功能。由此可见,TTU除具有数据采集与控制功能外,另一个重要功能就是通信功能[1]。
电力线载波通信技术出现于20世纪20年代初期，它以电力线路为传输通道，具有性高、投资少、、与电网建设同步等得天厚的优点。电力线载波又分为高压电力线载波(电力线载波中通常指35 kV及以上电压等级）、中压电力线载波(10 kV电压等级)和低压电力线载波(380/220 V电压等级)[2]。
1 配变监测终端通信模块的硬件设计
1.1配电自动化对TTU通信的要求[1]
根据配电自动化系统的要求,配变监测终端TTU对上应能与配电子站或主站进行通信,将终端的实时信息上报,同时接收子站/主站下达的各种控制命令，对下要求可与附近的配变监测终端(TTU)或其他智能设备进行通信。因此,对配变监测终端通信功能的要求比较严格,无论通信方式、通信协议、通信接口都要满足配网自动化系统的要求,主要包括:
    (1)通信的性：配变监测终端的通信应能抵制恶劣的气候条件，如雨、雪、冰雹和雷阵雨，还有长期的紫外线照射、强电磁干扰等。
    (2)较高的性价比：考虑通信系统的费用，选择费用和功能及技术性的组合，追求性价比。
    (3)配电通信的实时性：电网故障时TTU快速及时地传送大量故障数据，配变监测终端的通信系统具有双向通信的能力,具有半双工或全双工的能力。
    (4)通信方式的标准化及通用性：配变监测终端的通信系统包括发送器、。使用中常常需要与其他配电设备进行通信,因此应尽量选择具有通用性、标准化程度高的通信方式及设备,便于使用和维护。
1.2 TTU通信模块的构成

   接口通过电力线接收来自主站的命令信息，经过滤波放大后，命令经过解调送到控制器，然后控制器通过串口将主站命令发送给数据采集与处理模块。数据采集与处理模块根据接收到的主站命令对配电变压器的数据进行采集，经过分析处理后，将数据信息通过串口发送给通信模块的控制器，再经过调制，后经由接口发送到电力线上，等待主站接收。
1.2.2 电力线载波芯片的选择
在电力线载波通信中，电力线载波芯片起着至关重要的作用，它直接影响到信息的准确传送，因此电力线载波芯片的选择是十分重要的。
XR2210/XR2206套片或LM1893是比较早的电力线载波芯片。XR2210/XR2206是一组FSK方式的调制解调芯片，并不是专门针对电力线载波通信设计的。LM1893是美国国家半导体公司生产的modem芯片，采用FSK调制解调方式，它只是对一般FSK调制解调芯片稍作改进，目前，这两款modem芯片在国内基本没有采用。SSC P300是Inbbblon公司采用现代新通信技术设计的电力线载波modem芯片。它采用了扩频(Chirp方式)调制解调技术、现代DSP技术、CSMA技术以及标准的CEBus协议，可称为智能modem芯片，体现了modem芯片的发展趋势。但它是Inbbblon公司按北美地区频率标准、电网特性，特别针对家庭自动化而设计的。频率范围100 kHz~400 kHz，电网电压480 Y/277 Vac、208 Y/120 Vac、60 Hz，不适合我国50 Hz电网频率。ST75xx芯片是-THOMSON公司专为电力线载波通信而设计的modem芯片。由于它是modem芯片，所以除有一般modem芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段，目前，在国内电力线载波抄表领域应用广泛。

   本文选用-THOMSON公司的电力线载波芯片ST7538，它是在 ST7536、ST7537基础上推出的一款为家庭和工业领域电力线网络通信而设计的半双工、同步/异步FSK调制解调器芯片。ST7538内部集成了发送和接收数据的所有功能[4]，通过串行通信，可以方便地与微处理器相连接，内部具有电压自动控制和电流自动控制，只要通过耦合变压器等少量外部器件即可连接到电力网中,可以在噪声频带很宽的信道环境下实现通信。ST7538还提供了、过零、运算放大器、时钟输出、时溢出输出、+5 V电源和+5 V电源状态输出等，大大减少了ST7538应用电路的外围器件数量,是一款功能强大、集成度很高的电力载波芯片，为家庭和工业环境应用而设计，采取了多种抗干扰技术。
1.2.3  硬件电路的设计
通信模块包括微处理器部分、载波部分、信号滤波部分和电力线信号耦合保护部分。

    微处理器选择ARM芯片，它与TTU的数据采集与处理模块通过串口进行通信，及时发送主站的命令以及传送TTU采集到的配变数据。
电力线载波芯片ST7538与微处理器之间通过SPI口进行通信，通过微处理器与ST7538的串口RxD、TxD和CLR/T可以实现微控制器与ST7538的数据交换。ST7538的工作模式由REG_DATA和RxTx的状态决定。微处理器与ST7538之间的通信采用同步方式，CLR/T作为参考时钟。ST7538处于接收数据状态时，RxTx为低，待发数据从TxD脚进入ST7538,时钟上升沿时被采样，并送入FSK调制器调制，调制信号经D/A转换、滤波和自动电平控制电路(ALC)，再通过差分放大器输出到电力线。ST7538处于接收数据状态时，RxTx为高，信号由模拟输入端RAI脚进入ST7538,经过一个带宽±10 kHz的带通滤波器，送入一个带有自动增益AGC的放大器。此信号再经过解调、滤波和锁相变成串行数字信号，输出给微处理器ARM。
信号滤波部分包括输入窄带滤波器和输出窄带滤波器两部分。输入滤波电路采用并联电流谐振电路，滤除频率以外的无用信号和噪声。输出滤波电路采用串联电压谐振电路，避免无用信号耦合到电力线上。
电力线信号耦合保护电路由功率放大器、输出保护匹配电路和输入增益平衡匹配电路3个基本部分组成，其耦合方式采用电容耦合。
2 配变监测终端通信模块的软件设计
2.1通信协议的
    通信模块的通信协议根据DNP3.0规约，数据链路层的数据采用一种可变帧长格式：FT3。一个FT3帧被定义为一个固定长度的报头，随后是可以选用的数据块，每个数据块附有一个16 位的 CRC 校验码。固定的报头含有两个字节的起始字，一个字节的长度(LENGH)，一个字节的链路层控制字 (CONTROL)，一个16位的目的地址，一个16位的源地址和一个16位的CRC校验码，

  起始字：2字节，0x0564。
    长度：1字节，是控制字、目的地址、源地址和用户数据之和，255≥长度≥5。
    目的地址：2个字节，低字节在前。
    源地址：2个字节，低字节在前。
    用户数据：跟在报头之后的数据块，每16个字节一块，后一个块包含剩下的字节,可以是1~16个字节。每个数据块都有一个CRC循环冗余码挂在后面。
    CRC循环冗余码：2个字节。在一个帧内，挂在每个数据块之后。
    控制字与功能码：通信控制字包含有本帧的传输方向，帧的类型以及数据流的控制信息。功能码的具体设定为:
    对于原发送方的帧：
    0：使远方链路复位
    1：使远方进程复位
    3：发送用户数据，须对方确认
    4：发送用户数据，不须对方确认
    9：询问链路状态
    对于从方发送帧：
    0：肯定确认
    1：否定确认
    11：回答链路状态
2.2 通信模块的软件设计方案
通信模块平时工作在载波接收状态[5]，接收到一帧数据后解调给TTU数据采集端，TTU采集端接收并返回数据，数据调制后经电力线传给主站经解调后给采集终端。在规定的时间内RS485接收到数据时进行载波发送，数据发送结束后返回接收状态。若在规定的时间内RS485没有接收到数据也自动返回载波接收状态。

  当通信模块判断有帧命令接收时，开始解调，即载波接收，限定时间为5 s，在解调过程中同时判断帧命令，有则重新连续解调。有帧命令接收时才允许串口接收，限定时间为1.5 s。接收帧命令开始解调后，即向串口发送命令，TTU数据采集端接收到命令后,根据命令的指示进行数据的采集与处理，分析数据状态，并把采集与分析结果发送到串口。当通信模块接收帧头找到后1.5 s内收到采集端的返回数据，则将数据进行调制，向电力线发送，即载波发送，5 s，若帧头找到后1.5 s内没有收到采集端的返回数据,则禁止接收TTU采集端的数据。载波发送完毕，通信模块再次回到接收状态，等待主站的下一次命令。
    本文实现了配电变压器监测系统通信模块的设计，该模块基于电力线载波通信技术，通过电力线与配电主站进行通信，另架线路，具有性价比好，集成度高，工作的优点。通信模块与配电变压器的数据采集与分析处理模块结合在一起，构成配电变压器的监测终端，使配电变压器监测终端集采集、处理、通信于一体，改善了配电变压器监测终端的功能，优化了其设计，提高了整个监测终端的性能，具有很好的发展前景。

  PLC的通信包括PLC之间、PLC与上位计算机之间以及PLC与其他智能设备间的通信。
PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，满足工厂自动化(FA)系统发展的需要，各PLC系统或远程I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理的分布式网络系统。
以西门子公司的SIMATICNET为例，在其提出的全集成自动化(TIA)的系统概念中，内容即包括组态和编程的集成、数据管理的集成以及通信的集成。通信网络是这个系统重要的、关键的组件，提供了部件和网络间完善的工业通信。
SIMATICNET包含了三个主要层次：
AS-I网——传感器和执行器通信的标准，扫描时间5ms，传输媒体为未屏蔽的双绞线，线路长度为300m，多为31个从站。
PROFIBUS——工业现场总线，用于车间级和现场级的标准，传输率大12m/s，传输媒体为屏蔽双线电缆(长9.6km)或光缆(长90km)，多可接127个从站。
工业以太网——用于区域和单元联网的标准，网络规模可达1024站1.5km(电气网络)或200km(光学网络)。
在这一网络体系中，尤其值得一提的是PROFIBUS现场总线，PROFIBUS是目前成功的现场总线之一，已得到广泛地应用。它是不依赖生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接换信息。为数众多的生产厂家提供了的PROFIBUS产品，用户可以自由地选择合适的产品。PROFIBUS已经成为德国DIN19245和欧洲标准prEN50170，并在世界拥有了多的用户数量。

   PLC图解法编程是靠画图进行PLC程序设计。常见的主要有梯形图法、逻辑流程图法、时序流程图法和步进顺控法。
1、梯形图法
梯形图法是用梯形图语言去编制PLC程序。这是一种模继电器控制系统的编程方法。其图形甚至元件名称都与继电器控制电路十分相近。这种方法很容易地就可以把原继电器控制电路移植成 PLC的梯形图语言。这对于熟悉继电器控制的人来说，是方便的一种编程方法。
2、逻辑流程图法
逻辑流程图法是用逻辑框图表示PLC程序的执行过程，反应输入与输出的关系。逻辑流程图法是把系统的工艺流程，用逻辑框图表示出来形成系统的逻辑流程图。这种方法编制的PLC控制程序逻辑思路清晰、输入与输出的因果关系及联锁条件明确。逻辑流程图会使整个程序脉络清楚，便于分析控制程序，便于查找故障点，便于调试程序和维修程序。有时对一个复杂的程序，直接用语句表和用梯形图编程可能觉得难以下手，则可以先画出逻辑流程图，再为逻辑流程图的各个部分用语句表和梯形图编制PLC应用程序。
3、时序流程图法
时序流程图法使画出控制系统的时序图（即到某一个时间应该进行哪项控制的控制时序图），再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，后把程序框图写成PLC程序。时序流程图法很适合于以时间为基准的控制系统的编程方法。
4、步进顺控法
步进顺控法是在顺控指令的配合下设计复杂的控制程序。一般比较复杂的程序，都可以分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序段可以看成整个控制过程中的一步。从整个角度去看，一个复杂系统的控制过程是由这样若干个步组成的。系统控制的任务实际上可以认为在不同时刻或者在不同进程中去完成对各个步的控制。为此，不少PLC生产厂家在自己的PLC中增加了步进顺控指令。在画完各个步进的状态流程图之后，可以利用步进顺控指令方便地编写控制程序。

因为PLC本身的故障可能性小，系统的故障主要来自外围的元部件，所以它的故障可分为如下几种：
输入故障，即操作人员的操作失误；
■传感器故障；
■执行器故障；
■PLC软件故障
这些故障，都可以用合适的故障诊断方法进行分析和用软件进行实时监测，对故障进行预报和处理。
1、PLC控制系统故障的宏观诊断
故障的宏观诊断就是根据经验，参照发生故障的环境和现象来确定故障的部位和原因。PLC控制系统的故障宏观诊断方法如下：
■是否为使用不当引起的故障，如属于这类故障，则根据使用情况可初步判断出故障类型、发生部位。常见的使用不当包括供电电源故障、端子接线故障、模板安装故障、现场操作故障等。
■如果不是使用故障，则可能是偶然性故障或系统运行时间较长所引发的故障。对于这类故障可按PLC的故障分布，依次检查、判断故障。检查与实际过程相连的传感器、检测开关、执行机构和负载是否有故障：然后检查PLC的I/O模板是否有故障：后检查PLC的CPU是否有故障。
■在检查PLC本身故障时，可参考PLC的CPU模板和电源模板上的指示灯。
■采取上述步骤还检查不出故障部位和原因，则可能是系统设计错误，此时要重新检查系统设计，包括硬件设计和软件设计。
故障自诊断是系统可维修性设计的重要方面，是提高系统性考虑的重要问题。自诊断主要采用软件方法判断故障部分和原因。不同控制系统自诊断的内容不同。PLC有很强的自诊断能力，当PLC出现自身故障或外围设备故障，都可用PLC上具有的诊断指示功能的发光二管的亮、灭来查找。
2、总体诊断
根据总体检查流程图找出故障点的大方向，逐渐细化，以找出具体故障
电源灯不亮,需对供电系统进行诊断.如果电源灯不亮,检查是否有电,如果有电,则下一步就检查电源电压是否合适,不合适就调整电压,若电源电压合适,则下一步就是检查熔丝是否烧坏,如果烧坏就换熔丝检查电源,如果没有烧坏,下一步就是检查接线是否有误,若接线无误,则应换电源部件.
3、运行故障诊断
电源正常，运行指示灯不亮，说明系统已因某种异常而终止了正常运行。
       4、输入输出故障诊断
输人输出是PLC与外部设备进行信息交流的通道，其是否正常工作，除了和输入输出单元有关外，还与联接配线、接线端子、保险丝等元件状态有关。
出现输入故障时，检查LED电源指示器是否响应现场元件（如按钮、行程开关等）。如果输入器件被激励（即现场元件已动作），而指示器不亮，则下一步就应检查输入端子的端电压是否达到正确的电压值。若电压值正确，则可替换输入模块。若一个LED逻辑指示器变暗，而且根据编程器件监视器、处理器未识别输入，则输入模块可能存在故障。如果替换的模块并未解决问题且连接正确，则可能是I／O机架或通信电缆出了问题。
出现输出故障时，应察看输出设备是否响应LED状态指示器。若输出触点通电，模块指示器变亮，输出设备不响应。那么，应检查保险丝或替换模块。若保险丝完好，替换的模块未能解决问题，则应检查现场接线。若根据编程设备监视器显示一个输出器被命令接通，但指示器关闭，则应替换模块。
在诊断输入／输出故障时，方法是区分究竟是模块自身的问题，还是现场连接上的问题。如果有电源指示器和逻辑指示器，模块故障易于发现。通常，先是换模块，或测量输入或输出端子板两端电压测量值正确，模块不响应，则应换模块。若换后仍无效，则可能是现场连接出问题了。输出设备截止，输出端间电压达到某一预定值，就表明现场连线有误。若输出器受激励，且LED指示器不亮，则应替换模块。如果不能从I／O模块中查出问题，则应检查模块接插件是否接触不良或未对准。后，检查接插件端子有无断线，模块端子上有无虚焊点。
5、指示诊断
LED状态指示器能提供许多关于现场设备、连接和I／O模块的信息。大部分输入／输出模块至少有一个指示器。输入模块常设电源指示器，输出模块则常设一个逻辑指示器。
对于输入模块，电源LED显示表明输入设备处于受激励状态，模块中有一信号存在。该指示器单使用不能表明模块的故障。逻辑LED显示表明输入信号已被输入电路的逻辑部分识别 。如果逻辑和电源指示器不能同时显示，则表明模块不能正确地将输入信号传递给处理器。输出模块的逻辑指示器显示时，表明模块的逻辑电路已识别出从处理器来的命令并接通。除了逻辑指示器外，一些输出模块还有一只保险丝熔断指示器或电源指示器，或二者兼有。保险丝熔断指示器只表明输出电路中的保护性保险丝的状态；输出电源指示器显示时，表明电源已加在负载上。像输入模块的电源指示器和逻辑指示器一样，如果不能同时显示，表明输出模块就有故障了。

 PLC的控制方式属于存储程序控制，其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的，若要对控制功能作必要修改，只需改变控制程序即可，这就实现了控制的软件化。可编程控制器的优点在于"可"字，从软件来讲，其控制程序可编辑、可修改；从硬件上讲，其外部设备配置可变。构建一个PLC控制系统的就在于控制程序的编制，但外部设备的选用也将对程序的编制产生影响。因此在进行程序设计时应结合实际需要，硬、软件综合考虑。
    一、外部输入设备的选用与PLC输入继电器的使用
    1. 外部输入信号的采集
    PLC的外部设备主要是指控制系统中的输入输出设备，其中输人设备是对系统发出各种控制信号的主令电器，在编写控制程序时注意外部输入设备使用的是常开还是常闭触点，并以此为基础进行程序编制。否则易出现控制错误。
    在PLC内部存储器中有于输入状态存储的输入继电器区，各输入设备（开关、按钮、行程开关或传感器信号）的状态经由输入接口电路存储在该区域内，每个输入继电器可存储一个输入设备状态。PLC中使用的"继电器"并非实体继电器，而是"软继电器"，可提供无数个常开、常闭触点用于编程。每个"软继电器"仅对应PLC存储单元中的一位（bit），该位状态为"1"，表示该"软继电器线圈"通电，则程序中所有该继电器的触点都动作。输入继电器作为PLC接收外部主令信号的器件，通过接线与外部输入设备相联系，其"线圈"状态只能由外部输入信号驱动。
输入设备选用的是按钮SB0的常闭触点，输入继电器X0的线圈状态取决于SB0的状态。该按钮未按下时，输入继电器X0线圈状态为"1"通电状态，程序中所有X0触点均动作，即常开触点接通，常闭触点断开；若按下该按钮，则输入继电器X0线圈状态为"0"断电状态，程序中所有X0触点均恢复常态。如果输入继电器连接的输入设备是按钮SB0的常开触点，则情况恰好相反：在该按钮未按下时，输入继电器X0线圈状态为"0"断电状态，程序中所有X0触点均不动作；若按下该按钮，输入继电器X0线圈状态为"1"通电状态，程序中所有X0触点均动作。
    2. 停车按钮使用常闭型
    由于PLC在运行程序判别触点通断状态时，只取决于其内存中输入继电器线圈的状态，并不直接识别外部设备，因此编程时，外部设备的选用与程序中的触点类型密切相关。这是一个在对照电气控制原理图进行PLC编程时易出现的问题。典型的例子是基本控制--"起保停控制"中的停车控制。
程序中停车信号X0使用的触点类型却不相同，其原因就是连接在输入继电器X0上的外部停车按钮触点类型选用不同。梯形图程序加符合我们的阅读习惯，也易分析其逻辑控制功能，因此在PLC构成控制系统中，外部开关、按钮无论用于起动还是停车，一般都选用常开型，这是一个在使用PLC时需要格外注意的问题。
    二、PLC的"串行"运行方式与控制程序的编制
    PLC与继电接触器控制的重要区别之一就是工作方式不同。继电接触器控制系统是按"并行"方式工作的，也就是说是按同时执行的方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个电器同时动作。而PLC是以"串行"方式工作的，PLC在循环执行程序时，是按照语句的书写顺序自上而下进行逻辑运算，而逻辑运算的结果会影响后面语句的逻辑运算结果。因此梯形图编程时，各语句的位置也会对控制功能产生关键影响。
 上面两个程序中，输出Y3、计数器CTl02及内部通用继电器R0的逻辑条件均相同，仅仅是计数器CTl02所在语句位置发生了变化，而两段程序的运行结果就截然不同。这是因为CTl02对输出Y3的影响方式发生了变化。执行段程序时，将判断输出Y3的状态，再判断CTl02的状态，CTl02的状态变化只能在下一个扫描周期对Y3产生影响；而执行二段程序时，将判断CTl02的状态，再判断输出Y3的状态，CTl02的状态变化将在该扫描周期直接影响Y3的状态。
从以上讨论可以得出，由于PLC采用"串行"工作方式，所以即使是同件，在梯形图中所处的位置不同，其工作状态也会有所不同，因此在利用梯形图进行控制程序编制时，应对控制任务进行充分分析，合理安排各编程元件的位置，才能够为准确地实现控制。
    三、PLC的编程元件
    PLC的各种功能主要是通过运行控制程序来实现。编制程序时，需要合理使用PLC提供的编程元件（即软元件）。FPO型PLC中常用的编程元件有两种：位元件（bit）和字元件（word）。位元件实际上是PLC内存区域所提供的一个二进制位单元，又被称为软继电器，主要用作基本顺序指令的编程元件，如输入继电器Xn、输出继电器Yn、内部通用继电器Rn、定时（计数）器等，其参与控制的方式主要是通过对应触点的通断状态改变影响逻辑运算即输出。
    字元件则为PLC内存区域内的一个字单元（16bit），主要用作功能指令和指令的编程元件，通常用以存放数据，如数据寄存器DTn，定时(计数)器的设定值SVn、经过值EVn等。字元件没有触点，通常以整体内容参与控制。
    值得注意的是内存中的输入（X）区、输出（Y）区和内部通用（R）区，该区中的每个bit均可用作位元件，而且每16bit可构成一个字元件，如WRIO即是由16个位元件R100～R10F构成的字元件，该字元件中的内容一旦发生变化，这16个位的状态也随之发生改变。
WR0即为字元件，是左移位指令SR的编程元件，而Y0为输出软继电器的线圈，X0、X1、X2、X3则为输人软继电器的触点，其中4步的R4触点为位元件R4的常开触点，而位元件R4又是字元件WR0中的一位，因此其状态受限于WR0的移位结果。
    四、顺序控制多步同输出的编程方法
    顺序控制是生产现场常见的一类控制任务，步进指令是PLC指令库中于顺序控制的。步进指令编程时，根据工艺流程将程序划分为一个个立的程序段，执行时，CPU严格按梯形图编程顺序，只有执行完段程序后才能下一段程序，并在下一段程序执行之前，将程序段复位。并且在语法上要求各程序段所使用的输出不允许重复。这在解决顺序控制任务中有多步同输出的情况时，就带来了一定的困难。借助于内部通用继电器可方便解决这一难题。
 从机械手动作流程图可以看出，这个控制任务每个循环的工作可以划分为八步，其中1步与5步动作相同，均为上升；3步和7步动作相同，均为下降。在利用步进指令进行编程时，这两个工步所对应的程序段的输出不能直接设置为Y3、Y4，同一个输出使用两次则会出现语法错误。这时应考虑使用用于存储中间状态的内部通用继电器Rn来解决这个问题。如图7所示梯形图程序，其中R1、R5分别被定义为1步与5步的输出，R3、R7分别被定义为3步与7步的输出，在步进结束后再将R1、R5的状态输出到上升Y3，将R3、R7的状态输出到下降Y4，通过这样的方法可方便解决顺序控制任务中若干工步输出相同的问题。
  五、结束语
    初学者对于PLC的基本应用易于掌握，但要做到灵活使用仍需对一些技术难点和使用技巧深刻理解。在编程之前，要对控制任务进行认真分析，合理选择外部设备和编程元件，并以此为基础进行编程；在编程过程中，如能灵话巧妙地使用编程元件，合理地进行程序编排，可使程序逻辑清楚，可读性增强。

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