西安西门子PLC代理商电源供应商

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1 前　言

罐区中储罐和输油管道所使用的各种控制阀门是石油储运过程中的现场仪表,其智能化程度的高低、所含信息的多少和对故障的诊断与容错能力直接影响到数据采集与监控系统的性、稳定性和易用性。通常罐区中的控制阀数量众多且分散,普通的控制阀所含信息量少而布线繁多,这在一定程度上使罐区监控系统的设计复杂化。该系统采用英国Rotork 公司的智能电动阀及其主站控制器,大大简化了监控系统的复杂设计,而且借助其丰富的诊断信息和对故障的容错能力,使系统的性得以提高。


2 　监控系统的硬件实现

2.1 　Rotork 智能阀控制设备

Rotork 智能阀控制设备是一个阀门数据采集、监视与控制系统,它由一台主站控制器和与它相连的现场电动阀组成。主站控制器通过一条两线电流环路可以控制挂于环路上的多达240 个现场控制阀,该电流环路可长达20 km。
现场电动阀的智能化程度较高,其内部含有丰富的数据和诊断信息。但主要的特点是多个智能阀仅通过两线互联成一个环路,终接入主站控制器的只有起始和末端两线,所有阀门信息通过两线通讯进入主站控制器。现场电动阀还具有线路故障屏蔽功能,当环路出现开路、短路或接地故障时,智能阀可以将故障端的线路屏蔽掉,使主站控制器仍能与线路上的所有智能阀通讯而不受影响,同时将故障信息发给主站控制器。其两线屏蔽原理如图2－1所示。

图2—1 　故障屏蔽原理

正常操作情况下,通讯电流信号沿环路的一条线从主站控制器的端口A 流出,经该环路从端口B流回。此时,另一条线路是冗余的。当有一处线路发生故障时,该处故障线路被阀门屏蔽,故障线路两边的智能阀可通过各自的环路与主站控制器通讯;当有两处线路发生故障时,这两处故障之间的智能阀都被屏蔽,两处故障之外的智能阀依然可以通过两“臂状”环路与主站控制器通讯。
主站控制器是由主CPU 卡、环路通讯卡、电源、液晶显示器和16 按钮键盘组成的盘装智能仪表。它内部有两个固定的数据库,一个是现场单元数据库,负责接收并记录从两线环路传来的智能阀的地址、转矩、开度等数据,根据从上位机传来的读写命令控制阀门的运动,该数据库从逻辑上划分为4 个区,每个区记录60 个阀门的数据;另一个数据库为主站控制器状态及自诊断数据库,负责记录通讯协议的有关状态并向智能阀发布命令。通过主站控制器的按键和液晶显示器,可以实现读取智能阀的开度、转矩、地址等数据,控制阀门的开闭,接收报警信号及与PLC 通讯等功能。
Pakscan IIE Master Station 是Rotork 主站控制器中的一种,它为双重热备结构,在主控制器出现故障时可以自动切换到热备控制器。图2 —2 为PakscanIIE 主站控制器与现场智能阀通过两线环路相连的情况。

图2—2 两线环路连接图
Pakscan IIE Master Sation 有一个RS - 485 通讯口和一个RS - 232 通讯口,它们可通过Modbus 协议与PLC 通讯。其中RS - 232 通讯口可以不通过PLC直接连接打印机,打印报警信号。

2.2 　监控系统结构

图2—3 所示为现场智能电动阀监控系统的结构框图。

图2—3 现场智能电动阀监控系统的结构框图
该系统的控制部分采用美国GE Fanuc 公司的HBR 双重热备型PLC 系统,通过PLC 控制140 个智能阀( IQ actuator) 的开停闭。上位监控站可监视各个智能阀的阀位回信状态、阀位值以及报警信号,并可执行开阀、停阀和关阀操作。
Pakscan IIE 主站控制器与PLC 之间采用Modbus协议通讯,以port 1 的RS - 485 接口连接。正常运行情况下,主PLC 和主控制器工作,从PLC 和热备控制器分别与主PLC 和主控制器保持同步。智能阀将数据传送给主控制器,主PLC 通过RS - 485 接口从主控制器中读取数据,并向其发布命令,主控制器再执行命令,驱动智能阀按命令运转。当主PLC 或主控制器出现故障时,系统能分别自动切换到从PLC 或热备控制器。
由于系统中采用的是Modbus通讯协议,一台PLC 可以连接多台Pakscan IIE 主站控制器,因此,若现场智能阀较多,系统可以很方便地扩展而且连线简单。

3 　软件设计

3.1 　通讯程序设计

PLC选用Modbus RTU 主通讯模块(master ) 。Pakscan IIE 主站控制器是一个远程终端单元,做为Modbus 从设备( slave ) 。PLC 的CPU 通过ModbusRTU 主通讯模块控制Pakscan IIE 主站控制器的读写,被称为Modbus host 。系统采用单Modbus host 两线通讯方式,该方式多可以连接32 个Pakscan IIE主站控制器。
主通讯模块的程序设计有3 部分内容:初始化通讯模块;读写Modbus/ RTU 数据;监测通讯状态。
通讯模块的初始化工作主要是配置3 个初始化控制块的参数: Slave 控制块( SCB) , 信息控制块(MCB) 和通讯要求参数块(COM- REQ) 。SCB 是一个15 个寄存器长的数据块,功能是定义与其通讯的Slave 的型号、个数、状态等参数,每一个Slave 需要定义一个SCB 块。MCB 是一个6 个寄存器长的数据块,功能是定义Master 要求每个Slave 执行的命令信息,包括命令类型、RTU 引用地址偏移、PLC 引用地址偏移、主机号等参数,每一种命令需要定义一个MCB 块。COM- REQ 是一个17 个寄存器长的数据块,功能是定义通讯方式、端口控制字及监测SCB和MCB 的状态参数等, 每一端口需要定义一个COM- REQ 块。所有这些初始化参数在PLC 上电或冷启动初始化的个扫描周期内加载到RTU 主通讯模块,此后RTU 主通讯模块负责与Pakscan IIE主站控制器通讯,而PLC 则与RTU 主通讯模块交换数据。
读写Modbus/ RTU 数据和监测通讯状态的编程相对简单,只要读写初始化时定义的相应的PLC 参数地址即可。

3.2　软件设计

上位监控站可以准确的监测和控制储运过程的所有信息和设备。通过编程、组态、连接,形象地反映实际工艺流程、显示动态数据,设置PID 控制参数以及过程参数,并可以查看历史趋势、报警历史报表等。
Rotork 的现场电动阀配置在流程的输油管线上,通过按钮可以人工启动、停止和关闭任一个阀门,并显示任意时刻的阀门状态和阀位值。设计良好的人机界面使操作简便、直观。


4 　结束语

Rotork 的智能阀控制设备与PLC 的结合使得罐区储运监控系统布线简洁、控制方便,PLC 的冗余以及Pakscan IIE 主站控制器的双热备保证了系统的高性,也提高了控制系统的自动化程度。该系统已投入工业现场使用,效果良好。

引 言

经济的高速发展，工业技术的不断革新和人民生活水平的不断提高，促进了电力系统的逐步改造，并要求我国电网不断提高其供电率。从1998年至今，城乡电网供电从99.81％提高到99.897％。如今，配电设备市场的发展趋势应是：反应真实快速，高智能化和数字化。

地铁是地下铁道的简称，作为一种立的有轨交通系统，它不受地面道路情况的影响，能够按照设计能力运行，从而快速、、舒适地运送乘客。地铁，，能够实现大运量地要求，具有良好的社会效益，成为现在中大城市改善交通情况的。配电的性要求在地铁行业尤其。一旦停电，地铁无法运行，将导致城市交通的瘫痪。

为了保证运行的性和避免人为的失误，地铁中采用了各种以电子计算机处理技术为的各种自动化设备代替人工的、机械的、电气的行车组织、设备运行和系统。同时为了地铁运行的性，地铁建设中经常采用SA系统作为综合数据采集与监控控制系统，对主变电所、牵引变电所、降压变电所设备系统的遥控、遥信和遥测，实时掌握配电所所有设备的带电情况。

1 地铁低压配电典型系统构成

地铁的低压配电通常采用典型的双进线一联络结构，如图1所示，其中1QF、2QF为进线开关，3QF为联络开关。正常工作的情况下，进线开关1QF和2QF合闸，分别为I段和II段母线供电。但是当其中一组进线电压跌落时（以1TF电压跌落为例），需要断开1QF。在甩开母线上的三级负荷后，闭合联络开关3QF，此时变压器2TF同时为I、II段母线供电。

图1 低压配电系统图

2 地铁低压配电备自投的特点

为了减少母线段断电时间，保证低压电气设备能够顺利运行，减少经济损失，地铁的低压配电系统要求备自投功能。所谓备自投，就是当进线开关因为电压跌落脱扣时，联络开关自动闭合。

但在地铁行业，备自投需要完成三个基本步骤：一，进线开关要脱扣，而且是因为电压跌落而非因为故障脱扣；二，三级负荷甩开；三，联络开关自动闭合。根据复位方式的不同，备自投又分为两种：自投自复和自投手复。自投自复：当进线掉电时，联络开关自动闭合，当进线电压恢复时，联络开关自动断开，进线开关自动闭合。自投手复：顾名思义，则当进线电压恢复时，手动分断母联闭合进线。

3 PLC备自投的应用与特点

以往的地铁项目，是通过电压继电器，时间继电器和中间继电器等继电器来实现备自投。当电压继电器探测到进线开关的进线侧电压低电压阀值，一般的判断条件为70％额定电压，经过时间继电器的延时，发出命令，令该进线开关脱扣，将信号发送至各三级负荷总开关和联络开关。之所以需要延时，是为了保证电网确实掉电，而不是发生晃电。负荷总开关收到进线的脱扣信号，并确认进线并非因为故障脱扣后，直接跳闸，并将跳闸信号发送至联络开关。联络开关接收到进线和各负荷总开关的脱扣信号后，自动合闸，完成一次备自投的过程。

可见，由继电器搭接而成的备自投回路能够满足基本的备自投要求，但是随着地铁行业对配电的要求越来越高，而且在实际应用中，该备自投的继电器触点容易熔焊，线路复杂等问题，深深影响到地铁低压配电的稳定运行。因此近年来的地铁项目，基本都要求选用性高的工业型PLC控制或智能模块来实现低压配电系统的备自投。如广州地铁项目用了ABB公司的AC31系列PLC来实现两进线一母联的备自投。其拓扑图如下：

图2 PLC硬件拓扑图

其中CPU 07KR51装于母联柜，4台扩展模块ICM14F1分别装于两个进线柜和两个三级负荷总开关回路。CPU 07KR51与扩展模块 ICM14F1之间通过CS31总线连接。进线回路把进线断路器状态、故障信号、低电压信号同时输入扩展模块 ICM14F1；三级负荷总开关回路将开关状态、故障信号输入扩展模块 ICM14F1；母联回路向CPU 07KR51输入母联断路器状态、故障信号和控制方式（自复或者手复）。PLC的输出线圈依次控制进线、母联和三级负荷回路开关的合分。PLC根据每个输入信号的状态，判断是否发生低电压，并判断输出继电器是否需要动作，实现两进线一联络系统的备自投切换。下表为PLC进行备自投的程序进程顺序：

表1 程序进程顺序

对比上面两种备自投控制的方案，可以得出PLC进行备自投控制的优点：
1) 性
继电器容易烧坏，触点发生熔焊，线路复杂。每多连接一根电缆，发生故障的概率就增加一分。而且由于机械原因，不论在线圈吸合还是脱扣，都是依靠纯粹的机械判断，存在出错的可能，从而影响到整个系统的正常运行；PLC减少了继电器的数目，用内部虚拟继电器代替实际的继电器，同时通过输入信号，直接判断是否起动备自投，减少了中间的步骤，同时能地给出延时时间，降低了出错地可能。经过多次的实践应用，表明PLC比继电器得多。
2) 灵活性
当系统的控制逻辑发生变化时，PLC仅仅需要改内部的程序内容，而继电器的备自投，需要重新设计，重新拆线接线，操作繁冗。改完后，PLC可以事先在内部测试程序的准确性；而继电器的备自投则需要通电试验，如果发现问题，还需要再次拆线接线。
3) 简洁性
继电器的备自投，由于柜间的联锁和使用的继电器数量，需要连接的电缆数远远PLC。无论查线或者理解图纸来说，都比较复杂。PLC的备自投，只需要将所有信号输入PLC，通过程序判断，图纸简单易读。程序里可以按照每个回路的合分逻辑编程，并在后面加以备注，方便理解程序的意思。

4 ABB的AC31系列PLC 在地铁中的应用案例

1)应用案例1——深圳地铁：

图3 深圳地铁PLC硬件拓扑图

如图3所示，该项目两进线断路器、联络断路器以及三级负荷总开关相隔较近，且在同一排柜子的相邻位置，采用输入扩展模块XI16E1和输出扩展模块XO08R1配合PLC主机07KR51。进线、三级负荷总开关的所有控制信息和状态信息直接输入装于联络柜的PLC扩展模块，如图3所示。虽然连接电缆增加了一些，但少了4个扩展模块ICM14F1，实现在保证PLC备自投的性的前提下，成功降低一定的备自投成本。。

2)应用案例2——广州地铁：

图4 广州地铁PLC硬件拓扑图

该项目在优化应用案例1的基础上，取消了2个电压继电器，取而代之的是通过装于进线回路的多功能表计采集电压信号，并通过通讯的方式传输到PLC。PLC读取电压值，并判断是否发生电压跌落。这样不仅减少了2个电压继电器的成本，同时凭借对电压信号的实时读取和判断，可以准确的判断是否发生电压跌落，并发出信号，令负荷总开关跳闸。因为电压继电器的可调门阀值一般在70%左右，而判断读取的电压值可以到10%左右。从而可以实现分批甩开一些不重要的负荷，以保证重要负荷的运行。

经过上面两个案例，PLC的备自投成本可以降低不少，甚至将继电器架构的备自投。可见，成本问题将不会成为阻碍PLC备自投在工业配电的应用。

5 结语

如今的工业项目，不再是简单的两进线一联络系统，而是三进线两联络或者四进线三联络。使用继电器备自投，每增加一进线回路或一联络回路，就需要增加一堆继电器和一堆用于控制、连锁的电缆，造成不隐患的概率上升，而使用PLC的备自投，只需要修改一下程序即可，十分便利，相对增加了配电性。

随着智能化和数字化的普及，有的项目拥有一个后台系统（如SA），PLC不仅能够实现备自投的功能，还能够将SA所需要的数据整合在一个数据区块，并实时新，便于SA读取。

同时，为了方便客户使用，我们还可以将根据PLC实现的备自投的不同，做出若干个标准程序，比如标准自投自复，标准自投手复，标准三进线两母联等。随着因特网的普及，客户只需要在网上下载相应的标准程序，就可以满足自己的需要，降低了PLC的编程操作难度和人力维护成本。

3．系统的可编程序控制器采用了现场总线的分布式I/O结构，从而结省了大量的现场接线并且大大减少了系统的维护工作量

. 引言
发电机是电力系统的重要组成部分，它的运行对于保证电力系统的稳定具有重要意义。发电机故障录波装置所记录的数据为工作人员正确分析发电机故障原因，研究事故对策，及时处理事故提供了的依据，同时，根据故障录波数据还可以分析系统的故障参数、各电气量的变化规律，进行故障定位等，这些对于保证电力系统的运行起着十分重要的作用。可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）作为工业控制的计算机，由于其结构简单、性能优良，抗干扰性能好，性高，在机械、化工、橡胶、电力等行业工业控制现场已日趋广泛地得到应用，成为工控现场进行实时控制的主要的控制装置。本文介绍一种利用可编程控制器和扩展模拟量模块实现发电机故障录波的方法。
2. 系统的组成和工作原理
系统的组成框图如图1所示,由上位计算机和1套PLC测控系统组成。PLC通过外部变送器、互感器与发电机组相连，发电机机端电压U、定子电流I为三相交流电，分别经电压互感器（PT）和电流互感器（CT）转换成三相100V、的二次信号，发电机转子励磁电流经过分流器RS转换成75mV信号，再经过三相功率（含有功、无功）变送器、三相电压变送器、直流电流变送器转换成与其成比例的0～10V电压信号后输入到PLC的模拟量模块。模拟量经过A/D转换，然后根据互感器、变送器的变换比例计算出机端电压U、转子电流If、有功功率P和无功功率Q的等机组运行量。PLC每隔20毫秒采样一次，每40毫秒将采样的数据保存到故障数据区中。当发生故障后，PLC记录下故障发生以后的13秒数据，故障数据记录过程结束。当PLC接收到上位机发送来的传送命令时，PLC将记录的故障数据通过串口通讯传送给上位机。上位机将数据完整的接收下来，经过数据处理显示出机组运行量U、If、P、Q、Ug（电压给定）在故障前7秒、后13秒的波形曲线，这样就可以对发电机故障进行分析了。在本系统中，PLC选用SIMATIC S7-226;模拟量模块选用与S7-226配套的产品EM235;PLC与计算机之间通过PC/PPI电缆连接以串行方式进行通讯。



图1 发电机故障录波系统框图
3. 下位机程序设计
PLC属于下位机，其程序共分为3个模块，它们是初始化子程序、录波子程序和通信子程序。以下将分别说明各模块的设计思想。
3.1 初始化子程序
初始化子程序包括初始化自由口通信参数，设置接收命令RCV启动和结束条件，数据指针赋初值，连接20ms采样、接收和发送中断。
3.2 录波子程序
录波子程序在20ms采样中断中调用，负责记录机组运行量U、If、P、Q、Ug在故障前7秒、后13秒的数据。
在PLC中定义一个连续的数据区VW4000～VW8998，用来保存故障数据。每个运行量的数据占用1000字节的数据块，地址分配如下，U：VW4000～VW4998 If：VW5000～VW5998 P：VW6000～VW6998 Q：VW7000～VW7998 Ug：VW8000～VW8998。
录波子程序每隔40毫秒将采样的数据送到各自的数据块中。为每个数据块定义一个数据指针，其初始值分别指向各数据块的地址。每传送一次数据，各指针向下移动2字节。故障前7秒数据（350字节）是循环记录的，即如果在故障到来之前数据已存满，各数据指针将重新指向数据块的地址。定义指针index用来记录20秒故障数据开始的位置。当故障到来时，数据指针指向故障后13秒数据（后650字节），此时指针index将前7秒数据分为前后两部分，正确的顺序是将前后两部分交换过来。当后13秒数据记录完后，录波子程序结束。程序流程图如图2所示。
3.3 通信子程序
通信子程序负责与上位机通信，将存储在数据区的故障数据通过串口分批传送给上位机。上位机每发送一次传送命令（用整数255表示），PLC在接收中断程序中判断收到的字符是否为传送命令，如果是则将传送命令标志M6.0置位并且在主程序中调用通信子程序。
定义指针tran_pointer用来指向待传送数据的地址，其初值为&VW4000，即指向数据区地址。定义变量count用来记录传送的次数。在通信子程序中，停止自由口的接收，然后将以指针tran_pointer为地址，大小200字节的数据传送到发送缓冲区中，接着用发送命令通过串口发送出去。每发送一次数据，将指针tran_pointer向下移动200字节，变量count值加1， M6.0复位。当上位机发送完26次传送命令时，PLC中数据区VW4000～VW8998的5000个字节已发送完毕，再将额定电压、额定电流、额定有功功率、额定无功功率和指针index发送出去， count值清零，指针tran_pointer重新初始化，M6.0复位。至此，一次完整的故障数据传送过程结束。

图2. 录波子程序流程图
4. 上位机程序设计
上位机程序设计是以Visual Basic 6.0 为平台，利用MS Comm控件，以事件驱动方式实现计算机与PLC之间串行通讯，完成数据间的交换。上位机程序包括用户界面设计、通讯和数据处理程序、显示程序等。
4.1 用户界面设计
本系统中，设计了两个窗体（bbbb1和bbbb2）。其中bbbb1为主界面，bbbb2为波形显示界面。在bbbb1中设计了一个MSComm控件、一个定时器控件（Timer1）和两个按钮控件（Command1和Command2）。其中Command1是开始按钮，即按下时开始和PLC通讯，读取其中的数据。Command2是显示按钮，即按下时调用窗体bbbb2，显示每个运行量的波形曲线。在bbbb2中设计了一个图片框控件（Picture1），用来显示图形。
4.2 通讯和数据处理程序设计
设置Timer1 的Interval属性等于500，MSComm的bbbbbMode属性为二进制方式，RThreshold属性等于5010。定时器每隔500毫秒发送一次传送命令，当发送到26次时，关闭定时器，这时接收缓冲区将收到5010个字节的数据并触发MSComm的OnComm事件。在OnComm事件子程序中，将接收缓冲区中的数据依次分配到全局数组U_data、If_data、P_data、Q_data和Ug_data中，再根据各运行量的额定值计算出百分比值。各个数组的前350字节需要根据指针Index进行调整，具体方法是将数组下标范围Index～349的数据移到，下标范围1～Index-1的数据移到后面。
4.3 显示程序设计
在窗体bbbb2的装载事件bbbb_Load中编写图形显示程序。在图片框控件Picture1中设置自定义坐标系。设置ScaleMode属性值等于3，即以象素为度量单位。然后在该坐标系下画出坐标轴。X轴以秒为单位，曲线上两点间的时间间隔是40毫秒，换算成象素等于1.47。Y轴以百分比为单位，每个单位刻度换算成象素等于2.1。后根据数组U_data、If_data、P_data、Q_data和Ug_data分别画出相应运行量的波形图。以机端电压波形为例，给出编写的程序如下：
Picture1.DrawWidth = 1 ‘线宽为1
Picture1.CurrentX = 0 ‘当前坐标的位置
Picture1.CurrentY = U_data（0） ＊ 2.1
For i= 1 To 499 ‘画出曲线
Picture1.Line -（1.47 ＊ i, U_data（i） ＊ 2.1）, vbBlue
Next i
5. 系统的运行与实验结果
在系统运行前，要对PLC的通讯参数进行设置，包括波特率、校验方式、数据位位数和停止位位数等，此设置要和上位机一致。在S7-226中使用自由口模式和上位机进行串口通信时，可以通过特殊寄存器SMB30（端口0）或SMB130（端口1）来设定。下面以发电机空载停机实验为例说明系统的运行过程。
当发电机在正常空载下停机时，PLC检测到停机信号，将故障标志置位，然后记录下停机后13秒的数据。运行上位机程序，在主界面上按下“传送”按钮后，上位机开始读取PLC中数据。等到程序提示“数据传送完毕”后，按下“显示”按钮，将弹出“波形显示”窗口如图3所示。从图中可以看出，该曲线较好的反映了发电机停机前后机端电压、励磁电流的变化。