毕 业 设 计
（2012 届）
题 目 基于plc的供配电监控系统的设计
学 院 物理电气信息学院
专 业 电气工程与自动化
年 级 2008级
学生学号 12008243761
学生姓名 罗瑞东
指导教师 胡钢墩
基于plc的供配电监控系统的设计
摘 要
供配电监控系统是整个变电站的命脉，它对变电站内各用电设备进行集中监视和管理。随着综合性、多功能变电站的不断发展，对供配电系统的可靠性提出了更高的要求，因此，对变电站中供配电系统的实时监测更加关注。
本论文以35kV变电站主控楼的供配电系统为基础，设计并实现了一套能完成自动监控的供配电系统。选用PLC作为现场级的控制设备，工控组态软件作为主控楼供配电监控系统的监控平台，运用PLC编制监控程序，通过组态王的监控界面来实现对供配电系统的监控。本论文的主要内容如下:
综述了本课题的研究现状、发展趋势及意义等，选取了35kV变电所工程作为论文研究基础，并将变电所主控楼的供配电系统单独列出，作为本次研究关注的对象，对其主回路及控制回路进行了详细设计和描述。
接着，设计plc硬件电路连接，并通过编写PLC控制程序，设置MCGS组态软件，解决了本次课题的关键问题，即实现了PLC对主控楼供配电系统的监测和控制。
最后，对课题的研究和工程的应用进行了全面总结。
关键词：PLC，组态软件，监控系统，供配电
1.1课题的研究现状
国际上现流行的供配电管理系统和配电自动化主要是针对中低压系统而言的(称为馈线自动化)。供配电管理自动化是一个信息收集和处理的系统，将现代计算机技术和通信技术应用在供配电系统监视和控制上。20世纪80年代，日本已经完成了计算机系统与供配电设备相配合的供配电自动化系统，并投入运行于主要城市的供配电网络上。20世纪90年代，韩国也完成了局部供配电系统的馈线自动化，建立了自己的供配网自动化实验网络。供配电管理自动化是近几年发展起来的新兴技术，欧美和日本等发达工业国家也下大力气推广该技术，而我国这一技术才刚刚起步。
目前，我国的供配电网还很落后。近几年，一些地区发生电网事故导致重要用户停电，其主要原因是:电网结构薄弱、可靠性低、自动化程度低以及管理不善。加强电网建设、配电网建设，强化输电网是当务之急。因此，对供配电系统设备的改造和实现供配电自动化成为待解决的问题。
近几年来，在变电站继电保护中已经用可编程控制器(PLC)代替了传统的继电器，实现了利用PLC构成自动重合闸装置的控制系统，可以克服传统控制方式的不足，并且具有连线简单，工作可靠，便于调试、调整和维护，还可以和计算机联网进行远程集中控制等优点，提高了系统的可靠性，使系统的控制功能更加完善，控制精度进一步提高。在工业自动化领域内，PLC的使用也越来越普遍。PLC以其高可靠性、适应工业过程现场、强大的联网功能等特点，广泛的应用于生产工艺过程。
在目前的很多自控系统中，常常选用PLC作为现场级的控制设备，用于数据采集、状态判别和输出控制，而在系统上位机上利用工控组态软件来完成工业流程及控制参数的显示，实现生产监控和管理等功能，具有实施性好，速度快，可靠性高，运行稳定，调节灵活等优点。组态软件的人机界面友好而直观，而且具有一定的灵活性，易于扩充，整个系统运行平稳，安全可靠。这种监控系统充分利用了微型机和PLC各自的特点，实现了优势互补，得到了广泛的应用。此外，从目前国际上低压配电行业的发展来看，各主要公司SIEMENS，ABB，SCHNEIDER等都己经开发或使用了基于各种现场总线的配电系统，并己采用技术合作、合资等手段介绍到我国并得到应用。我国清华大学、浙江大学中控公司、沈阳自动化研究所和上海工业自动化仪表所等也进入到该领域，在现场总线技术的应用方面取得了一些进展。因此，基于现场总线控制系统(FCS)的智能化产品和智能配电技术的应用必将给我国低压配电行业带来新的飞跃。同时一种以FCS技术为基础，凝聚着电子技术、计算机技术和通讯网络等技术的电力监控系统应运而生，并且广泛应用于智能建筑中。
1.2 监控系统的发展趋势
随着大型供配电站的发展，智能楼宇的兴起，以及工业自动化水平的提高，智能化供配电系统需求量必将大大增加。从国内外产品来看，智能型供配电系统将会向着以下几个方面发展:功能更强，可靠性更高，系统更完善。随着PLC技术的不断完善，监控技术的不断发展，以及其他相关技术的不断进步，智能化供配电系统将会向着更智能，更快捷，更人性化的方向发展。因此，供配电监控系统必将走向供配电的综合自动化:功能上的综合化、运行管理的智能化、结构上的计算机化、操作监视的屏幕化。供配电系统的综合自动化同智能楼宇系统(BAS)、企业资源计划(ERP)融合在一起，达到良好管理，这己成为一种必然的趋势和发展方向。综合前人的研究成果以及当今技术的发展趋势，基于变电站自动化监控系统的现状，其发展趋势主要集中在以下几个方面：
（1）目前的自动化常常是一个自动化装置同时监管好几个设备，这样做给保护的实时性带来了不便利，同时，如果该装置发生故障，和他相关联的每个装置都会停止工作，使得故障范围扩大。未来的变电站自动化会在这方面有所创新，将实现每个设备基本上都有自己的自动化保护装置，不但保护实时性得到提高，而且一旦发生故障时，也仅仅局限故障当地。
（2）在每个设备都有其自身的保护装置基础上，进一步实现硬件的统一。目前各种类型的设备都有基本的输入输出通道，装置所执行的功能也主要由软件进行。软件目前有在线编程的能力，或在线更改的能力。现场进行软件的配置，提高冗余度，加强硬件的互换能力，形成标准配置，使得自动化变电站的维修、保养都有章可循，减轻设备的库存压力，提高设备的的通用率，为变电站24小时不间断供电打下坚实基础。
（3）进一步加强计算机监控的能力，在原有监控硬件不改变的基础上，完善软件功能，可以使调度中心获得更多的实时信息，提高调度中心对变电站的调度性能。同时操作更加合理、方便、可靠。
（4）充分利用计算机控制，信息处理和通讯技术的发展，将变电站的自动化监控从静态改变为动态。具体地说可以从图像角度出发，利用工业电视提供的图像画面，应用计算机图像识别技术，可以迅速的辨别图像或是对多个图像进行综合判断，及时发出控制指令，进一步提高变电站综合自动化能力。
1.3 课题的研究内容
本课题研究的内容是关于供配电系统的监控设计：
（1） 简单概述了plc和人机界面、组态王的基本概念以及结构功能。
（2） 将某35kv变电所主控楼的供配电系统单独列出，作为本次研究关注的对象，对其主回路及控制回路进行了详细设计和描述。
( 3) 主要以系统设计结构和硬件设计角度，介绍该项目的plc控制系统设计步骤，plc的硬件配置以及对外部电路设计。
（4） 在硬件设计的基础上，详细介绍了本项软件设计，主要包括软件设计的基本步骤，方法，编程软件S7-200的介绍以及本项目设计。
（5） 详细介绍了如何在北京亚控公司的组态软件“组态王”基础上进行人机界面设计。
根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。硬件设备选型、PLC选型，估算所需I/O点数，进行I/O模块选型，绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置图、I/O连接图，分配I/O点数，列出I/O分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改并设计监控系统。
1.4课题的研究意义
众所周知，变电站是电力系统中不可缺少的重要环节，它担负着电能转换和电能重新分配的繁重任务，对电网的安全和经济运行起着具足轻重的作用。尤其是现在打容量发电机组的不断投运和超高压远距离输电和大电网的出现，使电力系统的安全控制更加复杂，如果仍然用原来的人工抄表、记录、人工操作为主，依靠原来变电站的旧设备，而不进行技术改造的话，必然无法满足安全，稳定运行的需要，更谈不上适应的现代电力系统管理模式的需求。变电站自动监控系统作为变电站综合自动化的重要组成部分，对电力系统安全、稳定和经济、优化运行起着具足轻重的作用。
（1） 提高供电质量，提高电压合格率。变电站自动监控系统的电压、无功
自动控制功能，能大大提高电压合格率，保证电力系统主要设备和各种电气设备的安全，使无功潮流合理，降低网损，节约电能损耗。
（2） 提高变电站的安全、可靠运行水平。变电站自动监控系统是有微机组成的，具有故障诊断功能。出了微机保护能迅速发现被保护对象的故障并切除故障外，有的自控装置并兼有监视其控制对象工作是否正常的功能，发现其工作不正常及时发出告警信息。更为重要的是，微机保护装置和微机型自动装置具有故障自诊断功能，这是当今的综合自动化系统比其常规的自动装置或四遥装置突出的特点，这使得采用自动监控系统的变电站设备的可靠性大大提高。
（3） 提高电力系统的运行、管理水平。变电站启用自动监控系统后，监视、测量记录、抄表等工作都由计算机自动运行，即提高了测量的精度，又避免了人为的主观干预，运行人员只要通过观看CRT屏幕，就可对变电站主要设备和个输、配电线路的运行工况和运行参数变一目了然。自动监控系统具有与上级调度通信功能，可将检测到的数据及时送往调度中心，使调度员能及时掌握各变电站的运行情况，也能对它进行必要的调度与控制，且各种操作都有事件顺序记录可供查阅，大大提高运行管理水平。
变电站中，变电站供配电监控系统是利用计算机技术、通讯技术、传感器技术等对电力设备正常运行及故障运行进行监测、保护、控制的系统。该系统具有自动化程度高，可靠性高、可操作性强和扩展性强等特点，能适应各种变电站对配电设备的要求。将PLC应用于监控系统中，构建基于组态软件的智能监控系统，通过将供配电系统中各运行参数实时采集到组态软件对应变量中由组态软件统一管理，给出系统各用电设备的运行状态、用电负荷状况及故障分析，并根据系统设置和一定的控制算法，通过向执行机构发出控制调节信号或连锁信号，保证系统的正常运行，具有自动化程度较高、运行稳定、性能可靠、维护方便等特点，真正实现了统一管理，大大提高了变电站供配电监控系统的自动化水平。
第二章PLC和HMl基础
可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，简称PLC(Programmable LogicController)，它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入输出，以控制各种机械或生产过程。
2.1 可编程控制器基础
2．1. 1 可编程控制器的产生和应用
20世纪60年代，计算机技术开始应用工业领域，由于价格高、输入电路不匹配、编程难度大以及难适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域扶得推广。l968年，美国通用汽车公司(GM)为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找各种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引发开发热潮。
1969年美国数字设备公司(DEC)根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果，从此这项技术迅速发展起来。
随着PLC功能的不断完善，性价比的不断提高，PLC的应用面也越来越广。目前，PLC在同内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。PLC的应用范围通常可分为开关逻辑控制、运动控制、过程控制、机械加工中的数字控制、机器人控制、通信和联网等。
2.1.2 可编程控制器的组成和工作原理
PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种，但在逻辑结构上基本相同。无论是整体式还是模块式，从硬件结构看，PLC都是由CPU、存储器、I／O接口单元及扩展接口和扩展部件、外设接口及外设和电源等部分组成，各部分之间通过系统总线连接。PLC的基本结构如图2-1所示：
图2-1 PLC基本结构图
1)CPU(中央处理器)
CPU是PLC的核心，由运算器、控制器、寄存器、系统总线，外围芯片、总线接口及有关电路构成。它的功能是接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程巾的语法错误等，是PLC不可缺少的组成单元。主要功能包括以下几个方面。
(1)接收从编程器或者计算机输入的程序和数据，并送入用户程序存储器存储。
(2)监视电源、PLC内部各个单元电路的工作状态。
(3)诊断编程过程中的语法错误，对用户程序进行编译。
(4)在PLC进入运行状态后，从用户程序存储器中逐条读取指令，并分析、执行该指令。
(5)采集由现场输入装置送来的数据，并存入指定的寄存器中。
(6)按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状念或数据寄存器的内容。
(7)根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口。
(8)响应中断和各种外围设备(如编程器、打印机等)的任务处理请求。
2)I／O接口
PLC是通过各种I／O接口模块与外界联系的，按I／O点数确定模块规格及数量，I／O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或机架槽数限制。I／O模块集成了PLC的I／O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
PLC的对外功能是通过各种I／0接口模块丁与外界联系来实现的。输入模块和输出模块是PLC与现场I／0装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设备之问的传递信息的作用。I／0模块分为开关量输入、开关量输出、模拟量输入和模拟量输出等模块。
3)存储器
存储器(内存)主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。系统程序存储器用于存储整个系统的监控程序，一般采用只读存储器(ROM)，具有掉电不丢失信息的特性。程序存储器用于存储用户根据工艺要求或者控制功能设计的控制程序，一般采用随机读写存储器(RAM)，需要后备电池在掉电后保存程序。日前则倾向于采用电可擦除的只读存储器(EEPROM)或闪存(Flash Memory)，免去了后备电池的麻烦。
4)电源模块
PLC的电源，是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。电源可分直流和交流两种类型，交流输入220VAC或110VAC，，直流输入通常是24V。
5)智能模块
除了上述通用的I／0模块外，PLC还提供了各种各样的特殊I／0模块，如热电阻、热电偶、温度控制、中断控制、位置控制、以太网、远程I／O控制、打印机等专用型或智能型的I／O模块，用以满足各种 特殊功能的控制要求。I／O模块的类型、品种与规格越多，系统的灵活性越好，模块的I／O容量越大，系统的适应性就越强。
6)编程设备
常见的编程设备有简易手持编程器、智能图形编程器和基于PLC的专用编程软件。编程设备用于输入和编辑用户程序，对系统作些设定，监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程设备在PLC的应用系统设计与调试、监控运行和检查维护中是不可缺少的部件，但不直接参与现场的控制。
PLC本质上就是一台微型计算机，其工作原理与普通计算机类似，具有计算机的许多特点。但其工作方式却与计算机有着较大的不同，具有一定的特殊性。
PLC采用循环扫描的工作方式。工作时逐条顺序扫描用户程序，如果一个线圈接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，需等扫描到该触点时才会动作。
2.1.3 可编程控制器的分类及特点
根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。还有些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。还可以按I／0点数分类，根据PLC的I／0点数的多少，可将PLC分为小型、中型、大型和超大型四类：
·I／0点数在256以下为小型PLC：
·I／0点数在256--1024为中型PLC；
·I／0点数人丁l024为人型PLC；
·I／0点数在4000以上为超大型PLC
可编程控制器有可靠性高、编程简单易学、功能强、安装简单、维修方便、采用模块化结构、接口模块丰富、系统设训与调试周期短等特点。
2.1.4 西门子S7-200 PLC简介
西门子公司具有品种非常丰富的PLC产品。S7系列是传统意义的PLC，S7-200属于小型PLC，在1998年升级为第二代产品，2004年升级为第三代产品，其特点如下：
(1) 功能强大。S7-200有5种CPU模块，最多可扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O或38路模拟量I/O，最多有30多KB的程序存储空间和数据存储空间；
(2) 先进的程序结构，功能强大、使用方便的编程软件；
(3) 灵活方便的寻址方法；
(4) 强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面；
(5) 有竞争力的价格；
(6) 完善的网上技术支持等。
2.2人机界面基础
随着社会的进步，工业自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强人，控制过程也变得越来越复杂，系统操作最大透明化已经成为一种需要。人机界面(HMI Human Machine Interface)以其美观易懂、操作人性化等显著特点，正好满足这种需求而得到广泛的应用。
2.2.1人机界面的定义
人机界面足指连接可编程控制器(PLC)、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，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，由硬件和软件两部分组成。
PLC采用循环扫描的工作方式。工作时逐条顺序扫描用户程序，如果一个线圈接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，需等扫描到该触点时才会动作。
2.2.2人机界面产品的组成及工作原理
人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件分为两部分，即运行于 HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统的画面组态软件(如组态工等)。用户必须先使用组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI产品的串行通讯接口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。
2.2.3人机界面产品的特点
(1) 系统运行过程清晰化
控制过程可以动态地显示在HMI设备上。例如：可以通过手动的形式来控制各开关的运行状态，开关的通断以及电流电压的大小在画面上可以清楚地显示出来，使整个控制系统变得形象易懂，也更加清晰。
(2) 系统操作简单化
操作员可以通过监控界面来控制过程。可从监控界面上启动和 停止系统、设定电压、电流等参数。
(3) 显示报警
控制过程达到临界状态或系统运行错误时会自动触发报警，例如，当日母线上的电压或电流超出上下限时会自动触发报警。
(4) 数据归档
HMI系统可以记录过程变量值和和报警信息并归档。例如：通过归档数据，您可以查看过去一段时间的系统运行情况，过程变量等。
(5)报表系统
HMI系统可以输出报警和过程值报表。例如，您可以在生产某一轮班结束时打印输出生产数据。
2.2.4组态王
组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
一、使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：
(1)图形界面的设计
(2)构造数据库
(3)建立动画连接
(4)运行和调试
二、使用组态王软件开发具有以下几个特点:
(1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。
(2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。
三、在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面:
(1)图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。
(2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。
(3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。
第三章 系统的理论分析及控制方案确定
由于整个变电站监控系统极其庞大复杂，考虑论文设计研究的实际，本文中选取变电站供配电系统的一部分，即变电站主控楼供配电系统作为实例，进行详细设计。本章针对变电站主控楼系统设计了主回路及控制回路，描述了控制回路的动作过程，并完成了基本硬件设备的选型。
3.1基本硬件设备的选型
（1） 断路器的选择
考虑到供电可靠性和灵活性，进线开关以及母线分段接线开关都采用断路器。35kV侧选用1250A、31.5kA的SF6断路器。
（2） 导体选择
35kv电压等级的主母线和主变进线，以满足动、热稳定、电晕和机械强度等为条件进行选择，母线允许载流量按发热条件考虑，较长的主变引线等按经济电流密度选择。主控楼电气线路截面应满足电气安全和远期负荷发展的要求，进户导线截面不应小于16rnm，且空调分支线截面不小于4mm外，其余支线截面不应小于2.5mm。
(3) 二次设备的布置
35kV部分就地布置在35kV开关柜上(保护与测控合为一套)，其余设备集中组柜布置在二次设备室内。电气二次室分为监控室、二次设备室两部分。监控室内设置计算机监控系统主机、火灾报警联动控制器;二次设备室内设置保护柜、测控柜、电度表柜、直流柜、逆变电源柜、所用电柜及低压减载装置柜等。
二次设备室内所有屏柜均采用相同尺寸，高2260mm，宽800mm，深600mm。
(4)母线连接形式
为了提高母线接线的供电可靠性和灵活性，一次部分采用接线方式为单母线分段接线。
3.2变电站主控楼供配电系统的电气主接线设计
变电站主控楼供电系统由两个独立的主电源提供，采用一台柴油发电机组作后备电源，当两路主电源同时发生故障时，所有负荷就由发电机组发电。该电路中有三段母线:两段工作母线和一段备用母线。当任何一路电源故障时，其进线断路器跳闸，母线开关自投，对故障电源侧的负荷供电。如图3-1所示：
图3-1 主控楼供配电的主回路图
3.3变电站主控楼供配电系统控制回路的设计
本课题设计的系统具有常规控制和PLC控制两种功能。即系统电气控制线路图中还要加入PLC控制，并且在常规设计中，还有‘共用’和‘一备一用’两种情况的选择:‘共用’:两路进线分别给两路母线供电，当一路发生故障时，另一路给所有负荷供电;‘一备一用’:有两路电源进线，但只有一路给所有负荷供电，当供电的这一路发生故障以后，另一路自投给所有负荷供电，如图3-2所示。
图3-2 PLC及常规联合控制线路图
图3-2中，手动开关QF4.2用来区分PLC控制和常规控制:当QF4.2按下，此时线路处于PLC控制，松开QF4.2后，线路处于常规控制。手动开关QF4.3用来选择供配电方式:共用、一备一用。
下表3-3为控制回路中个开关和线圈的功能：
表3-3开关和线圈的功能
3.3.1控制回路的动作过程
l、共用
QF1.1(合闸) KM4.1+(合闸)
KA4.1(失压检测)
KA4.2+(电源选择)
QF3.1(合闸) KM5.l(合闸) KA5.1(母线
失压检测) KA5.3+(电源选择)和KA4.2形成互锁
KA4.2或KA5.3 KT1.1+延时或 KT1.2+延时
KM4.1-(跳闸)或KM5.l-(跳闸)
KT6.l+延时 (母线I和母线
连通)
共用一路电源
2、一备一用
QF1.1 KM4.1+(合闸) KA4.1(失压检测)
QF4.3联动开关(一备一用)
KM6.1(1#和3#母线接通)
QF3.l(合闸) KT5.1延时闭合KM5.l+(合闸)
第四章 PLC控制系统硬件设计
在掌握了PLC的硬件构成、工作原理、指令系统以及编程环境后，就可以PLC作为．1：要控制器来构造PLC控制系统。本章主要从系统设计结构和硬件设计角度，介绍 该同的PLC控制系统设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设汁和参数的整定。
4.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤
弄懂PLC的基本工作原理和指令系统后，就可以把PLC应用到实际的丁程项日中。无论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制部分的设计都可以参考图4-1所示的步骤。
4．1 .1 PLC控制系统设计的基本原则
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求，以提高生产效率和 产品质量。而在实际设计过程中，设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为4点。
1．设计原则
(1)完整性原则。最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。
(2)可靠性原则。确保计算机控制系统的可靠性。
(3)经济型原则。力求控制系统简单、实用、合理。
(4)发展性原则。适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I／0 接口、通信能力等方面留有余地。
2. 评估控制任务
根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以几个个方面给以考虑。
(1)控制规模
一个控制系统的控制规模可用该系统的I／0设备总数来衡量。当控制规模较大时，特别足开关量控制的I／0设备较多时，最适合采用PLC控制。
(2)工艺复杂程度
当工艺要求较复杂时，采用PLC控制具有更大的优越性
(3)可靠性要求
目前，当I／0点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。
(4)数据处理速度
若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制将非常适宜。
图4-1 PLC控制系统设计步骤
4.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤
PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设汁。所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。整个系统的设计分以下 5步进行。
1．熟悉被控对象
深入|了解被控系统是设计控制系统的基础。设计人员必须深入现场，认真调资研究，收集资料，并于相关技术人员和操作人员一起分析讨论，相互配合，共同解决设计中出现的问题。这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解，对对象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护：电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系；PLC与其他设备的关系，PLC之间是否通信联网：系统的T作方式及人机界面，需要显示的物理量及显示方式等。
2.硬件选择
具体包括如下。
(1)系统I／0设备的选择。输入设备包括按钮、位置开关、转换开关及各种传感器等。输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。
(2)选择PLC。PLC选择包括对PLC的机型、容量、I／0模块、电源等的选择。
(3)PLC的I／0端口分配。在进行I／0通道分配时应给出I／0通道分配表，表中应包含I／O编号、设备代号、名称及功能等。
(4)绘制PLC外围硬件线路图。画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的l／0连接图和 PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。
(5)计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配。
3.编写应用程序
根据控制系统的要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。程序通常还应包括以下内容：
(1)初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。
(2)检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。
(3)保护和连锁程序。保护和 连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。
4. 程序调试
程序调试分为2个阶段，第一阶段是模拟调试、第二阶段是现场调试。程序模拟调试是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。
根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。
(1)硬件模拟法是使用一些硬件设备(如用另一台PLC或一些输入器件等)模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。
(2)软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。
现场调试。当控制台及现场施工完毕，程序模拟调试完成后，就可以进行现场调试，如不能满足要求，须重新检查程序和接线，及时更正软硬件方面的问题。
5．编写技术文件
技术文件包括设汁说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。
4.2 PLC的选型与硬件配置
4．2.1 PLC型号的选择
本控制系统选择德国西门子公司的S7-200系列的PLC。S7-200PLC属于小型整体式的PLC。本机自带RS-485通信接口、内置电源和I／O接口。它的硬件配置灵活，既可用一个单独 S-200 CPU构成个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I／0模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统。完整的S7-200系列PLC实物如图3-2所示。
图4-2 为S7—200系列PLC实物图：
4-2 S7—200系列PLC实物图
4．2 .2 S7-200 CPU的选择
S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等类型。此系统选用S7-200 CPU226，CPU226集成了24点输入门6点输出，共有40个数字量I／O。可连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量或35点模拟最I／O。还有13KB程序和数据存储空间空间，6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。配置2个RS485通讯接口，具有PPI，MPI和自由方式通讯能力，波特率最高为38.4 kbit／s，可用于较高要求的中小型控制系统。
4.2.3 I／O点分配及电气连接图
本次设计中输入点有8个，输出点有5个，输入输出信号名称及代码见4-3表所示
输入输出模块的接线如图4-4所示:
图4-4 输入输出外围接线
本章将首先对主控楼供配电监控系统中使用的SIEMENS公司提供的STEP 7-Micro/WIN编程软件详细介绍，并在第三章主控楼供配电系统主回路及控制回路设计和需求分析的基础上，编写控制器PLC的程序，进而通过组态王软件设计人机界面，从而对供配电系统进行实时的监控控制。
5.1plc程序设计方法
编写plc程序的方法很多，这里主要介绍几种典型的编程方法。
l. 图解法编程
图解法是靠画图进行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。这足一种模仿继电器控制系统的编程方法，其图形甚至元件名称都有继电器电路十分相似。这种方法微容易地把原继电器控制电路移植成PLC的梯形图语育。这对于熟悉继电器控制的人来说，是最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，反映输入与输出的关系。逻辑流程图会使整个程序脉络清晰，便于分析控制程序、套找故障点及调试和维修程序。
(3)时序流程图法
时序流程图法是首先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，最后把框图写成PLC程序。这种方法适合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，一个程序可以看成整个控制过程的一步。
2．经验法编程
经验法是运用自己的或者别人的经验进行设计。多数是设计前先选择与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的“试验程序”。结合自己工程的情况，对这些“试验程序”逐一修改，使之适合自己的工程要求。
3．计算机辅助设计编程
计算机辅助设计是通过PLC编程软件(比如STEP7-Micro/WIN)在计算机上．进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等。使用编程软件可以很方便的在计算机上离线或在线编程、在线调试，存计算机上进行程序的存取、加密以及形成EXE文件 。
5．2 编程软件STEP7-Micro／WIN概述
STEP7-Micro／WIN编程软件是基于 Windows的应用软件，由西门子公司专为S7-200系列可编程控制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。它是西门子S7-200用户不可缺少的开发工具。现在加上中文程序后，可在全中文的界面下进行操作，用户使用起来更加方便。
5.2.1 梯形图的语言特点
梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。
梯形图程序设计语言足用梯形图的图形符号米描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在先面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。梯形图程序设计语言的特点是：
(1)与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；
(2)与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员米说，易于撑握和学习；
（3)与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的 能流(Power Flow)不足实际意义的电流，内部的继电器也不足实际存存的继电器，因此，应用时，需要与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；
(4)与布尔儿助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互转换和程序的检查。
5.2 PLC 的控制流程
本课题设计的基于PLC的变电站主控楼供配电系统是通过PLC来实现对主控楼供配电系统的实时监控，主要是故障电源的自动切断、备用电源的自动投入以及故障恢复后电源的自动投入。
一、控制要求
1、正常供电时所用电l、所用电2分别为母线I、母线供电，中间连线断路器断开。
2、有一路母线失压，故障电源切除后中间连线断路器合闸，另一路电源为两路母线供电。若母线复压，复压母线进线断路器合闸，中间母线断开。
3、两路母线均失压，切断两路电源进线断路器后延时，自备发电机投入。有一路母线复压则复压母线进线断路器合闸，自备发电机切断。
4、备用电源自动投入的基本要求
(1) 当常用电源失压或低压时，备用电源自动投入装置应先将该电路电源切
除后，备用电源自动投入。
(2) 常用电源切除或备用电源无电时，备用电源自动投入装置都不该动作。
(3) 备用电源自动投入装置只允许动作一次。
(4) 常用电源正常停电操作时，备用电源自动投入装置不应动作，以防备用电源投入。
二、控制流程图
图5-1 备用电源自投入流程图
5.2.2 PLC程序编制
1、首先，起动 TwinCATPLC并选择“File”“New”选项。
2、点击“Projeet”“ Addobjeet”命令来建立一个POU。 TwinCATPLC自动地把这个POU定名为做IN，不能改变这个名称，也不能改变这个POU(PRG)的类型，因为每个项目需要一个名称为MAIN的程序。
3、在MAIN中，定义相关器件的地址、类型。
4、编写程序
编程组织单元(POUs)由函数，功能块和程序构成。每个POU由说明语句部分和语体组成。语体用IEC编程语言编写:指令表 InstruetionLISt(IL)，结构化文本 StrueturedText(ST)，功能块图 FunetionBloekDiagram(FBD)，梯形图 LadderDiagram(LD)或顺序功能流程图 SequentialFunetionChart(SFC)。
5.2.3梯形图程序
5.3人机界面(HMI)设计
HMI监控系统由监控主画面及相应的功能子画而组成，HMI画面设计对HMI来说是非常关键的。HMI画面是用组态软件来做的，常见的组态软件有西门子公司的Wincc、罗克韦尔公司的RsView及国产的组态王、力控等。在 本次的控制系统设计中，我们选择了组态王来完成监控画面的设计。组态王和其他组态
软件相比最大的优势是它操作方便，提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持，对于新手来说很容易上手。
5.2.1 组态王的通信参数设置
本设计中用S7-200的PPI编程电缆实现计算机与CPU模块的通信。由于使用串行通信接口1，故双击工程浏览器的设备文件夹中的“COM1”图标，在出现的对话框中设置波特率为19200bit/s，如图5.1所示。
图5.1 串行通信接口参数设置
选中“COM1”后，双击右侧工作区出现的“新建…”图标，在出现的对话框的“PLC”文件夹中选择西门子的S7-200系列，通信协议为PPI（见图5.2），设置好单击“下一步”直至“完成”，这样在右侧会出现刚生成的“新IO设备”图标，通信设置结束。
图5.2 通信协议的设置
5.2.2 新建工程与组态变量
双击“组态王6.52”启动工程管理器，新建一个工程，名为“变电站主控楼供配电监控中心”，双击新建工程打开工程浏览器，点击工程浏览器中的“数据词典”图标，右面工作区会出现系统定义好的内存变量。双击最下面的“新建…”图标，弹出“定义变量”对话框（见图5.3），开始定义输入输出变量。用同样的方法组态所有变量。
定义数据变量见表5-1所示：
表5-1 数据变量
5.2.3 组态画面
(1) 建立新画面
单击工程浏览器左侧的“画面”图标，双击工作区“新建…”图标，弹出“新画面”对话框，输入名称点击确定进入组态王的开发系统。
(2) 制作动态监控画面
利用工具箱中各画图工具绘制监控系统界面，然后进行动画连接。
(3) 编写控制流程程序
双击工程浏览器左边窗口“\文件\命令语言\应用程序命令语言”进行编程。
(4) 按钮、指示灯组态
设定按钮或文字链接的对象，按钮既可以用来执行某些命令，还可以
输入数据给某些变量，当和外部的一些智能仪表、PLC等进行连接时，会大大增加其数据传输的简洁性；指示灯组态后用于显示系统的工作状态。
5.2.4 监控系统界面
在本系统中，根据需要应该开发5个界面，包括启动界面(包含系统所有菜单)、系统运行主界面、历史和实时趋势曲线、数据报表、报警界面。为了加强系统的安全性，系统还为不同的用户设置了相应的权限。通过主菜单界面可以调用不同的界面，也可根据需要在系统运行主界面中改变电压电流给定值。
系统运行主监控界面如图5.5所示，主界面实时显示了当前时间，当前电流、电压值，各开关工作运行状态以及各设备的故障报警显示等。
第6章 总结与展望
随着计算机技术和信息技术的快速发展，以及对商业和公共建筑不断提高的智能化管理，推广了建筑的智能化，即采用计算机技术对建筑物内的设备进行自动控制和管理，并对用户提供信息和通信服务等，智能建筑应运而生。将供配电监控系统应用于智能建筑中，对整个建筑的供配电网络进行实时监测，大大提高
供配电系统的可靠性、安全性，可以为智能建筑全面实现高度集中的智能化管理奠定基础。
在本控制系统中，PLC作为监控系统的一种现场设备，拥有出色的数据采集和可编程控制能力，以及性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活等特点。替代传统继电器的PLC控制是一种经济、可靠、使用的控制系统，不但运行简单，投资少，还可以在离线或在线的状态下随时修改程序，大幅度提高了供电可靠性。
组态软件是近年来在工控自动化领域兴起的一种新型软件开发技术。开发简单、开发周期短、通用性强、可靠性高是其优点。采用组态软件作为监控平台，建立友好的可视化界面，展现集中监控，灵活控制的优势。
开发研究基于PLC和组态王的供配电监控系统是非常有实际意义的工作。供配电监控系统的应用，提高了智能建筑的管理水平，为人们的生活带来极大的方便，也为企业带来了巨大的经济利益:发挥机电设备功能，保障机电设备稳定运行，大量节省运行管理人员，全面提高设备管理水平，节约机电设备的能源消耗，降低机电设备的运行成本。同时得到了科技工作者、企业家与广大人民的认可。将来的趋势必定是全面取代传统供配电方式，成为供配电监控系统的主流。
本论文中设计的供配电监控系统主要是指变电所主控楼中的供配电自动控制技术方案，以可编程控制器PLC为控制核心，进行控制程序和同性模块程序的编制，完成对设备开关的参数监测和输出控制功能;运用组态王软件作为监控平台，显示实时数据、历史趋势曲线以及报警。本课题设计的监控系统仅仅是变电所监控系统的一部分，对于实现变电所强电部分的供电监控还有较大差距，在今后的研究中，还需要不断努力，逐步改进，不但要弥补本课题中关于配电网络监控系统的不足，还要努力学习强电监控方面的知识，争取可以设计整套变电所供配电监控系统。
因此，供配电监控系统的开发与应用是一项极具潜力的课题，由于当前个人能力与条件的限制该系统只能开发至此。此系统的进一步完善以及内容更丰富、功能更强大的系统还有待于完善。
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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/cc7209de760bf78a6529647d27284b73f242362a.html
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