太原西门子中国授权代理商变频器供应商

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1前言
电压的稳定对于保证国民经济的生产、延产设备的使用寿命有着重要的意义，而尽量减少无功在线路上的流动，降低网损、经济供电又是每一供电部门的目标。老式变电站通常是人为调节电压无功，这一方面增加了值班员的负担，另一方面人为去判断、操作，很难保证调节的合理性。迄今为止，国内用于变电站的电压无功综合控制装置有很多，从控制原理来讲大体可以分为以下几种：时间顺序控制法，测量电压控制法，测量无功控制法，测量功率因数及电压控制法，测量电压和无功控制法。目前在国内运行的电压无功综合控制装置大多是按五种控制原理设计的。随着近几年我国电力系统自动化水平的提高，尤其是变电站自动化的发展已突破传统使用大量电缆组成复杂的二次控制回路，取而代之的是通讯网，将变电间隔层与变电站层连接起来，使各间隔层的控制终端能够资源共享。而作为变电站自动化重要组成部分的电压无功综合控制也随之出现多种实现方式。本研究采用PLC作为控制元件，实现了对变压器分接头开关及电容器组开关的控制、减轻运行人员的负担、达到经济供电的目标。
2系统简介
根据变电站电压无功综合控制要求，综合控制点数，本装置选择了三菱公司的FX2N－128MR型PLC，它包括输入、输出、程序存储器和处理器4部分，具有指令速度快、性高、中断灵活、内置计数器、抗干扰能力强等特点。
触摸屏采用三菱公司F940－SWD型，它是基于PLC的软硬一体人机界面，能以图
形界面方式实现各种工作状态的显示，并具有使用方便、人机对话界面友好、组态技术易掌握、与PLC可进行良好的通讯。通过触摸屏可以实现控制装置的定值浏览和修改、运行时的主要参数和重要的开关信号显示等。
模拟量采样单元是本公司自己研制的，主要对变压器三侧电压和电流采样计算，并由采样的数据计算出相关的测量值，如有功功率、无功功率、功率因数等。它还具有两个通讯接口，把计算出的数据或变电站监控系统的遥控指令通过RS－485通讯接口传给PLC，同时接受PLC传过来的数据。另外的一个RS－485／RS－232通讯接口和变电站监控系统通讯。
档位显示单元是本公司自己研制的，主要用来对有载调压变压器分接头开关位置显示，并把分接头开关位置信号转换为BCD码给PLC。
系统的总体结构如图1所示：

3系统功能设计
3．1控制原理
3．2主要功能
（1）采用微电脑和数字信号处理技术，根据电网的实时参数，自动综合控制变压器的有载分接开关和电容器组的投切，使变压器工作在状态，可以显著降低变压器的损耗，提高电网的运行水平，具有较大的经济效益；
（2）多可以同时控制3台主变和12组电容器，能自动识别并适应主变运行方式的变化，保证电压合格率在95％以上；
（3）有完善的保护和闭锁措施，可以防止主变分接开关的连续调节故障，运行；
（4）具有打印、通信接口，可以与RTU或变电站综合自动化系统通讯，远方修行参数；
    （5）参数整定方便，密码保护。

3．3　PLC程序设计
应用编程软件SWOPC－FXGP／WIN－C完成系统控制程序的编制工作。该编程软件具有梯形图、指令表两种输入方式，相互之间可以转化。本装置的程序采用时梯形图方式。由屏蔽通讯电缆的RS－232串行端口和触摸屏的串口RS－232通讯，触摸屏和PLC之间以RS－422通讯来上传或下载程序。

1引言
    在工业生产中，电流、电压、温度、压力、、流速都是常用的主要的被控参数。例如，在冶金工业，化工生产，电力工程，机械制造，食品加工等许多领域人们都需要对各类加热炉，热处理炉，反应炉和锅炉温度进行监测和控制。一般用闭环控制的方式。PID调节是经典控制理论中典型的控制规律，在以往的模拟控制系统中得到了广泛得应用，对相应的控制对象进行控制时获得了比较满意得结果。
    通常，在控制系统中有一定容量的储能元件，因此系统中常会有一定的惯性和时间上的滞后，负载的变化以及电源系统的干扰都会给控制带来影响，造成系统参数的变化，从而使控制性能改变。采用PID调节，可对系统偏差进行比例调节，引入积分环节，对偏差进行积分，提高了系统控制精度和抗外界干扰能力。引入微分环节，用于克服系统的惯性滞后，从而提高系统的稳定性。这就大大提高了控制系统的性能和品质。
    PCL控制模拟量，可采用PID过程控制模块，一个模块可以控制几路甚至几十路闭环回路，但这种模块价格较贵，一般用于大型复杂的控制系统。
    本文介绍一种用软件方法模拟PID调节器去控制模拟量，在硬件上只需配模拟输入/输出模块(A/D,D/A)模块，这种方法适用中小型系统，投资较小。
2PID调节器的数字化
    我们以位置式PID控制法控制炉温为例加以说明，这是工业过程控制中应用广泛的一种控制形式，一般都能收到令人满意的结果。控制论告诉我们，PID控制的理想微分方程为：

    e(t)=r(t)-y(t)称为偏差值，可作为温度调节器的输入信号，其中r(t)为给定值，y(t)为被测变量值，kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td微分时间常数，P(t)为调节器的输出控电压信号。
    一个典型的ＰＬＣ模拟量闭环控制系统方框图为

    但计算机只能处理数字信号，故上述加以变换。若设温度采样周期为Ｔ，N次采样得到的输入偏差为e(n)，调节器输出为p(n)则有：

    上式中p(n)为n次采样后计算调节器的输出，e(n)，e(n-1)分别是n次和n-1次采样时的误差值，T为采样周期，n为采样序号。
    上述算式计算出的是n次采样后，控制器输出的数字量，从式中可以看出要想计算P(n)，不仅需要本次与上次偏差信号e(n)和e(n-1)，而且还要在积分项中把历次偏差信号e(k)进行相加，这样不仅计算繁杂，而且保留e(k)要占用很大的内存空间，使用非常不便。写成递推形式为：

3PID控制程序的编制
    数字PID调节器有四个参数需要选择，这四个参数分别是采样周期Ｔ、调节器的比例系数kp、调节器的积分时间常数Ti、调节器的微分时间常数Td。这些参数随不同的控制对象的要求而定。选择合适的参数使整个系统稳定速度快，调量小。图2是PID控制程序流程图，采样时间是用PLC定时器来控制，须选用运算速度较快且具有算术运算等功能的PLC。为提高其抗干扰性能，还可填加数字滤滤处理程序。
4数字滤波程序设计
    在模拟量输入通道中，常用一阶低通RC模拟滤波器来削弱干扰，但要设计大时间常数及的RC滤波器，困难相当大，采用惯性滤波法是一种以数字形式实现低通滤波的动态滤波方法。他能很好地克服上述缺点。

1  引言
    随着现代科学技术的飞速发展，不仅对生产过程自动化，也对生产管理提出了高的要求。通过计算机网络技术把自动控制与计算机管理系统结合起来，集管理和过程控制为一体是当今工业自动控制发展的趋势。复杂的过程控制系统，常采用两级网络拓扑结构，底层用现场总线以便控制装置尽可能靠近被控生产过程现场，上层采用工业以太网，监控级相对集中于主控室内，从而实现对生产过程的集中管理和分散控制。这样构成的控制系统具有实时性好、性高、抗干扰能力强等优点，比传统DCS系统经济，。为了适应这一形式的发展要求，提高实验教学质量，使工科学生在校期间就能受到良好的工程实践锻炼，因此开发了基于工业以太网及现场总线的过程控制系统实验装置。

2  系统配置及网络结构
    实验装置控制系统由上位机监控系统和下位机PLC控制系统两部分构成。整个网络采用两层网络拓扑结构，上层为工业以太网，用于上位机PC之间以及上位机和下位机PLC之间的通讯，底层为PROFIBUS-DP现场总线，用于下位机PLC主站(DPM1)和四个从站(DPS1-DPS4)之间的通讯，其中，PLC主站和从站控制液位、压力和温度流量等过程控制实验装置。系统用 SIMATIC STEP 7软件进行网络组态、硬件组态以及PLC控制程序的编写，并用组态软件SIMATIC  WinCC实现了上位机与PLC的动态连结。整个系统组成如图1所示:

图1    过程控制系统实验装置结构图

2.1  现场部分
    现场部分是所需控制的液位、温度流量和压力实验装置，变送器将采样数据转换成 4～20mA的电流信号，直接接入SM334模块(模拟量输入/输出模块)，经模/数转换变成0～27648的数字量。开关量的输入输出接入SM323模块(数字量输入／输出模块)。
 

2.2  控制单元
    控制单元采用西门子PLC,S7-300系列PLC功能强大，采用模块化设计，有处理单元(CPU)、各种信号模块(SM)、通信模块(CP)、功能模块(FM)、电源模块(PS)、接口模块(IM)等，有多种规格的CPU可供选择。通过CPU上集成有PROFIBUS-DP接口、 MPI接口或通信模块可以连接 AS-I接口、PROFIBUS总线和工业以太网系统。
本系统主站采用西门子S7-300系列PLC，其CPU为315-2DP。它执行指令时间短，扫描1000条指令不需10ms，足以满足控制的时间要求。主站还带2个信号处理模块(DI 16/DO 16、AI 4/AO 2)和一个通讯模块CP343-1(用于上位机和PLC之间通过工业以太网进行通讯)。从站选用PROFIBUS-DP分布式I/O  ET 200M，带2个信号处理模块(DI 16/DO 16和AI 4/AO 2)，从站没有处理器单元，各从站之间经IM153接口模块通过DP总线进行连接。组态之后，添加的分布式I/O与PLC站中的本地I/O具有统一的编址。
 

2.3  上位机
    上位机为四台工控机，主机界面设计采用西门子的WinCC组态软件，保证了与工控机的兼容。软件集成了组态、脚本语言、OPC等技术，提供了bbbbbbs操作系统环境下使用各种通用软件的功能。该软件具有适用于工业生产过程的图形显示、控制和报警画面、实时和历史趋势曲线、归档以及报表打印等功能模块。另外WinCC还有对SIMATIC PLC进行系统诊断的选项，给硬件的维护提供了方便。
系统应用程序的开发和运行软件为STEP7 V5.2，它是适用于S7-300/400 PLC系列的编程、组态标准软件包。通过STEP 7 V5.2用户可以完成以下任务:
(1) 网络组态，设置连接和接口;
(2) 组态硬件;
(3) 编写和调试用户程序。

3  网络系统原理
    PROFIBUS-DP是一种性、开放式的现场总线标准，主要用在工业过程控制领域。参照ISO/OSI参考模型，PROFIBUS-DP中没有3层到7层，直接数据链路映像(DDLM)提供易于进入2层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能。它是专为工业控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计，用于分布式控制系统的高速,其模块可取代价格昂贵的24V或4～20mA并行信号线。控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通讯，多数数据交换过程是周期的, 主站周期地读取从站的输入信息并向从站发送输出信息。除周期性用户数据外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信，以进行配置、诊断和报警处。
    SIMATIC工业以太网是基于标准的网络，专为工业应用而优化设计，支持ISO和TCP/IP协议，通过它可快速地建立PLC与PC/PG之间的通讯。产品的开发遵循分布式的“开放式控制结构”，使其具有网络组态简便(即插即用)、通信、网络故障恢复时间短(小于0.3秒)等优点。由于采取全双工共担负荷方式工作，适用于对性能要求高的工业网络，通过切换技术能够可以实现非常庞大的网络结构。
 
4  网络系统组态
    组态之前先要建立一个项目(如Project1)，在项目中插入SIMATIC 300站。
 

4.1  硬件组态
    在HW Config中为 SIMATIC 300站组态硬件，包括机架、电源(槽1)、CPU(槽2)、通信模块(槽4)和输入输出模块。设置集成在CPU上的DP主站接口的参数，并建立要连接到DP主站接口的PROFIBUS网络。
 

4.2  DP从站组态
     以ET 200M站连入DP主站为例。先从硬件中选择接口模块IM153-l，连入DP主站接口的PROFIBUS网络，如图2所示，并设置此DP从站的PROFIBUS地址。地址要和IM153模块上的地址选择开关设定的地址相一致。
ET 200M从站配置有2个信号模块，从ET 200M的DI/DO中找到相应型号模块并加入从站的相应槽中，如图3所示。在使用硬件目录时要确认你是在正确的文件夹中,例如，为ET 200M选择模块应在ET 200M文件夹中查找。添加的分布式I/O与PLC主站中的本地I/O具有统一的编址，因此在程序中可以像访问本地I/O一样方便地访问分布式I/O，在编程时不必考虑一个I/O地址在物理上是通过何种方式连接的。

图2    ET200M从站与DP主站的组态

图3    ET20M从站的信号模块组态

4.3  端口设置
(1) PG/PC接口是PG/PC和PLC之间进行通讯的接口，要实现PG/PC和PLC设备之间的通讯连接，正确的设置该接口。在控制面板中打开“ Set PG/PC Interface”，选中“S7 OnLine( STEP7)”，再选择网卡类型。然后进入 STEP 7的硬件组态 HWConfig中设置通讯模块的地址，地址为CP343-1标签上给出的物理，其格式是一个12位的16进制数 (如:08-00-06-00-44-AE)。另外还需给 PLC分配的IP地址(如:192.168.0. 130 ) 及子网掩码(如:255.255.255.0 )。
(2) 设置PROFIBUS网络:利用图形组态工具NetPro设置括PROFIBUS总线的传输速率、站地址、总线行规、总线参数等。
系统组态完成后，应下载到PLC，并调试使硬件之间连通。
 

4.4  程序的编写和调试
    STEP 7是用于S7-300/400创建控制程序的标准软件，编程语言主要有:梯形图、语句表和功能块图。
    通常用户程序由组织块(OB)、功能块(FB)。
    功能(FC)和数据块(DB)构成。OB1为主程序循环块，是必需的。根据控制程序的复杂程度，对简单程序可将所有的程序放入OB1中进行线性编程，如果程序比较复杂应进行结构化编程，将程序用不
    同的逻辑块加以结构化，通过OB1调用这些逻辑块。
对一个实际的过程控制，按照所采用的控制策略编写用户程序，模拟调试后下载到PLC，与实际系统联调，完成相应的控制功能。

5  WinCC监控通讯组态
    WinCC提供SIMATIC S7 Protocol suite. CHN驱动程序，此驱动程序支持多种类型的网络协议，通过它的通道单元可以与各种SIMATIC S7-300/400 PLC进行通讯，具体选择通道单元的类型要看WinCC与自动化系统的连接类型。本系统选择工业以太网通道单元，工业以太网是工业环境中有效的一种子网，它适用与管理层和现场层通讯。
    添加SIMATIC S7 Protocol suite．CHN 驱动程序，然后在“SIMATIC S7 Protocol Sute”下选择“Industrial Ethemet” 通道单元，打开“连接属性”输入连接名称，在连接参数中输入所要连接的PLC的通讯模块CP343-1的地址， PLC中CPU所在的机架号和插槽号。此处的插槽号应是CPU所在的插槽号，不是通讯模块所在的插槽号。
然后，用户根据具体的过程控制任务，在新建的连接下建立变量，把变量和PLC中所要连接的地址对应起来，与PLC建立连接。后利用WinCC完成各种显示画面和数据的组态。

6  结束语
    本文所建立的现场总线控制网络，通过接入标准以太网，还可以实现远程监控。
该实验装置是根据自动化及相关教学的特点，基于过程控制基础上集PLC技术、网络技术为一体的的实验装置，采用了多种常用控制算法和理论，除包含常见的PID算法外，还增加了模糊控制、人工神经网络控制等的控制策略

1.概述　　随着科学技术的发展，PLC在工业控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的性直接影响到工业企业的生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统运行的关键。自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各种电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统性，设计人员只有预先了解各种干扰才能有效保证系统运行。2.电磁干扰源及对系统的干扰　　影响PLC控制系统的干扰源于一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。　　干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声的干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。其中：按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，分为持续噪声、偶发噪声等；按声音干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地面的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压送加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的电器供电室，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O模件损坏率较高的原因），这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指用于信号两间得干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种让直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。3.PLC控制系统中电磁干扰的主要来源有哪些呢？(1)来自空间的辐射干扰　　空间的辐射电磁场（EMI）主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布为复杂。若PLC系统置于所射频场内，就回收到辐射干扰，其影响主要通过两条路径；一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；而是对PLC通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。(2)来自系统外引线的干扰　　主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。(3)来自电源的干扰　　实践证明，因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，笔者在某工程调试中遇到过，后换隔离性能高的PLC电源，问题才得到解决。　　PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。尤其是电网内部的变化，开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流转动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路到电源边。PLC电源通常采用隔离电源，但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，隔离是不可能的。(4)来自信号线引入的干扰　　与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信号之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽略；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。（5）来自接地系统混乱时的干扰　　接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态加雷击时，地线电流将大。　　此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内有会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存储，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。（6）来自PLC系统内部的干扰　　主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门是无法改变，可不多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。4．怎样才能好、简单解决PLC系统干扰？　　1）选用隔离性能较好的设备、选用优良的电源、动力线和信号线走线要加合理等等，能解决干扰，但是比较烦琐、不易操作而且成本较高。　　2）利用信号隔离器这种产品解决干扰问题。只要在有干扰的地方，输入端和输出端中间加上这种产品，就可有效解决干扰问题。5．为什么解决PLC系统干扰信号隔离器呢？　　1）使用简单方便、，廉。　　2）可大量减轻设计人员、系统调试人员工作量，即使复杂的系统在普通的设计人员手里，也会变的非常简单。6．信号隔离器工作原理是什么？　　将PLC接收的信号，通过半导体器件调制变换，然后通过光感或磁感器件进行隔离转换，然后再进行解调变换回隔离前原信号或不同信号，同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理。保证变换后的信号、电源、地之间立。7.现在市场有那么多的隔离器，价格参差不齐，该怎么选择呢？隔离器位于二个系统通道之间，所以选择隔离器要确定输入输出功能，同时要使隔离器输入输出模式（电压型、电流型、环路供电型等）适应前后端通道接口模式。此外尚有精度﹑功耗﹑噪音﹑绝缘强度﹑总线通讯功能等许多重要参数涉及产品性能，例如：噪音与精度有关、功耗热量与性有关，这些需要使用者慎选。总之，适用、、产品性价比是选择隔离器的主要原则。