1、安徽理工大學畢業設計本科畢業設計說明書煤礦110kv變電所饋出線監控系統設計 110 kv coal mine substation outgoing feeder monitoring system design 學院（部）：電氣信息工程學院 專業班級： 電氣08-2班 學生姓名： 指導教師： 2012年 5月 25日安徽理工大學畢業設計煤礦110kv變電所饋出線監控系統設計摘要本次畢業設計是有關變電所配電設計和變電所饋出線保護系統方面的內容。其中，變配電設計部分以負荷表中的負荷為對象進行了配電選型計算和相關繼電保護的計算。對主要設備如斷路器，主變壓器，架空線路，母線和開關柜進行了選型計算及

2、校驗，通過可編程控制器plc來實現對變電所的監控和保護。本文的重點是硬件系統保護的設計，重點針對系統的原理以及組成進行了研究和分析，采用了電流速斷保護、零序電流保護、及三相一次重合閘保護，系統具有保護的檢測及控制功能。 關鍵詞：plc，變電站，繼電保護，饋出線110 kv coal mine substation outgoing feeder monitoring system designabstractthe graduation project is about design and substation fed outlet protection systems, the conte

3、nts of the outlet. among them, the design part of the transformation and distribution to the load in the load table for the object of the distribution and the associated protection sizing calculation. of major equipment such as circuit breakers, transformer, overhead line, bus and switchgear sizing

4、and verification carried out by the programmable controller plc to achieve the substation control and protection.this article focuses on the protection of the hardware system design, focusing on the principle of the system and the composition of the research and analysis, trip current protection, ze

5、ro sequence current protection , and the system uses a three-phase reclosing protection , system protect detection and control functions. keywords:plc,substation,relay protection, feed outlet41安徽理工大學畢業設計目錄摘要iabstractii1緒論12.1 負荷計算(需要系數法)22.2 無功補償42.2.1 無功補償的目的42.2.2 無功補償的計算43 主變壓器選擇53.1 主變壓器的選擇原則53.

6、2 主變壓器臺數、容量、型號的選擇53.3 110kv線路截面的選擇64 電氣主接線的確定74.1 電氣主接線設計的基本要求74.2 電氣主接線的選擇75 短路電流的計算85.1短路電流計算的目的和條件85.2 短路電流的計算95.2.1 110kv側短路計算105.2.2 10kv側短路計算106 電氣設備的選擇116.1 電氣設備選擇的一般條件116.1.1 按正常條件選擇電氣設備116.1.2 按短路狀態校驗126.2 10kv母線及電纜的選擇126.3 高壓開關柜的選擇136.4 其他設備的選擇157饋出線的保護157.1 電流速斷保護157.2 零序電流保護167.3 三相一次重合閘

7、168硬件設計178.1 設備的功能要求178.1.1 傳統設計方案的缺點178.1.2 新方法的引入178.2 硬件設計電路188.2.1 s7-200系統概述188.2.2 s7-200系列plc的特點及產品類型188.2.3 s7-200系列plc的基本硬件組成188.3 可編程控制器基本結構208.3.1 cpu模塊208.3.2 存儲器218.3.3輸入/輸出模塊228.3.4 電源模塊228.3.5 底板與機架228.3.6 可編程控制器系統的其他設備228.4 系統硬件電路設計238.4.1 主保護板的設計238.4.2 人機接口板電路的設計259 軟件流程289.1 plc的工

8、作過程289.1.1用戶程序執行階段289.1.2用戶程序執行階段289.1.3 輸出刷新階段289.2 軟件設計總體結構299.3 主保護程序軟件設計309.4 故障判斷處理程序329.5 人機接口的通信3310 設計線路圖3410.1 操作回路與信號回路3410.2 加熱回路3510.3 nsp788測量回路3610.4 儲能回路37總結38參考文獻39致謝40安徽理工大學畢業設計1緒論工礦企業是我國電力的主要用戶，據統計其總用電量約占全國總發電量的70%。工礦供配電系統是電力系統的一個重要組成部分，是聯系大型電網和工礦用電設備的橋梁。隨著煤礦現代化程度的不斷提供和井下供電距離的增加，對煤

9、礦供配電系統可靠性、安全性和連續性的要求越來越高，以pc和plc為代表的計算機技術已在我國煤炭行業得到廣泛應用。目前煤礦供電系統計算機應用主要體現在井上變電所的微機保護、微電管理、微機檢測等方面，并取得了較好的應用效果。然而，由于煤礦井下供電系統不同于井上供電系統，煤礦講下供電系統正常運行的不確定因素比較多，因此對井下供電系統實施監控就十分重要了。煤礦變電所提供的服務對象為采煤、通風、掘進、運輸、排水等重要生產環節，供電負荷工作場所地質條件復雜，存在瓦斯煤塵積聚、滴水冒頂事故等事件會使電氣設備絕緣強度逐漸降低，容易出現漏電及單相接地故障。這類故障若不及時排除，電網各相線會運行在線電壓下，長期運

10、行將導致絕緣擊穿，甚至發生兩相或三相短路事故。發生故障時產生的電弧能量會引起瓦斯、煤塵爆炸，直接危及人身安全和礦井生產。由于礦井下需要監控的區域廣、監控點分散、監控的對象種類繁多，因而需要花費大量的人力、物力和財力進行設備的維護，維護人員不足、維護手段落后已成為管理中的薄弱環節。由于這類事件的發生幾率較小，而且具有隨機性和不確定性，傳統的監控系統方法不能在線監測現場所有的設備運行狀態，及時進行故障診斷，提前將故障排除，而是等到設備癱瘓后才進行故障診斷，為此將增加維修的難度，有可能此設備由于沒有及時搶修而報廢，設備停止運行將會影響整個生產線的工作，而且大部分事故是由于這些隱患而發生的，為此我們必

11、須尋找新的解決方案。2 負荷分析及無功補償2.1 負荷計算(需要系數法) 需要系數法確定計算負荷的基本公式： 有功計算負荷： 視在計算負荷： 無功計算負荷: 其具體計算如下：1主井提升機的容量計算2副井提升機的容量計算 3通風機的容量計算4壓風機的容量計算5瓦斯泵容量的計算表2-1 負荷表順序設備負荷名稱電壓(kv)高壓電動機總臺數/工作臺數設備容量需用系數costan使用容量型式額定容量(kw)總容量(kw)工作容量(kw)pj(kw)qj(kvar)sj(kva)1主井提升機10同步40001/1400040000.950.90.483800182442152副井提升機10直流1700/2

12、2002/2390039000.90.61.3335104668.35840.63通風機10同步30002/1600030000.742-0.9-0.482226-1068.52469.24壓風機10同步5505/4275022000.75-0.9-0.481650-79218305瓦斯泵10異步8004/2320016000.750.750.88120010561598.56制冷降溫系統10200020000.70.750.88140012321864.97地面低壓系統0.3880000.80.750.886400563285258井下高壓負荷1060000.80.71.0248004896

13、6856.49變電所總計2498617447.8304756. 制冷降溫系統的容量計算7. 地面低壓系統容量的計算8.井下高壓負荷的容量計算2.2 無功補償2.2.1 無功補償的目的無功補償的目的是系統的功率因數低，增加了輸電線路的損耗和電壓損失。電力系統要求用戶的功率因數不低于0.9，因此須采取措施提高功率因數。2.2.2 無功補償的計算考慮在10 kv母線上改善功率因數，并把功率因數提高到，其負荷所需補償的最大容性無功為 = 式中 補償前功率因數對應的正切值； 補償后的功率因數對應的正切值。查資料知應該選擇型號為tbb10-1200/200的電容柜，并且電容柜的數量為： 實際補償容量為：。

14、補償后的功率因數為： 故符合要求。3 主變壓器選擇3.1 主變壓器的選擇原則1. 主變型式優先考慮選三相變壓器。依設計原則，只要不受運輸條件限制，應優先考慮三相變壓器。該變電所主變壓器為110kv降壓變，單臺容量不大，不會受到運輸條件限制，故選用三相變壓器。2. 繞組數 變電所或單機容量在125mw及以下的發電廠內有三個電壓等級時，可考慮采用三相三繞組變壓器，但每側繞組的通過容量應達到額定容量15%及以上，或第三繞組需接入無功補償設備。否則一側繞組未充分利用，不如選兩臺雙繞組變更合理。 單機容量200mw及以上的發電廠，額定電流和短路電流均大，發電機出口斷路器制造困難，加上大型三繞組變壓器的中

15、壓側不希望留分接頭，為此采用雙繞組變壓器加聯絡變壓器的方案更為合理。 凡選用三繞組普通變壓器的場合，若兩側繞組為中性點直接接地系統，可考慮選用自耦變壓器，但要防止自耦變壓器的公共繞組或串聯繞組的過負荷。故選擇雙繞組變壓器。3. 冷卻方式中、小型變壓器通常采用依靠裝在變壓器油箱上的片狀或管形輻射式冷卻器及電動風扇的自然風冷卻及強迫風冷卻方式散發熱量。3.2 主變壓器臺數、容量、型號的選擇1. 變壓器臺數的確定為保證所用電的可靠性，采用兩臺所用變互為備用，分別接于兩臺主變壓器的10kv母線上，互為暗備用。2. 變壓器容量的確定容量選擇的要求：站用變壓器的容量應滿足經常的負荷需要和留有15%-25%

16、的裕量，以備加接臨時負荷之用。考慮到兩臺站用變壓器為采用暗備用方式，正常情況下，每臺變壓器各承擔約全部負荷的50%。因此，每臺變壓器的容量宜按全部最大負荷的70%選擇。每臺工作變壓器在不滿載狀態下運行，當任意一臺變壓器因故障被斷開后，其站用負荷則由完好的站用變壓器承擔。補償后無功：補償后容量：單臺變壓器的容量與計算負荷的關系應滿足 故所選變壓器的每臺容量應為 查電力工程設計手冊選電力變壓器型號表 3-1電力變壓器型號技術參數型號額定容量（kva）額定電壓（kv）損耗（kw）阻抗電壓（%）空載電壓（%）連接組別（%）3150高壓低壓空載短路10.50.67121；11011；10.5；6.6；6

17、.331.05190所選變壓器滿足容量選擇的要求。3.3 110kv線路截面的選擇每臺變壓器的功率損耗:則在110kv側：則線路上電流為：根據規定，當最大負荷利用小時數h，長度超過20m以上，均應按經濟電流密度選擇架空線。由經濟電流密度曲線可查得導體的經濟電流密度a/mm。則：查表可知選lgj-185型架空線。4 電氣主接線的確定4.1 電氣主接線設計的基本要求電氣主接線設計的基本要求，概括地說應包括可靠性、靈活性和經濟性三個方面。（1）可靠性是電力生產和分配的首要要求，電氣主接線必須滿足這個要求。（2）靈活性要求主接線能適應各種運行狀態，并能靈活地進行運行方式的轉換。（3）通常設計應在滿足可

18、靠性和靈活性的前提下做到經濟合理。4.2 電氣主接線的選擇單母分段接線除具有簡單、經濟和方便的優點，可靠性又有一定的提高。因此，在中、小、型發電廠和變電所中仍被廣泛應用，具體應用如下：（1）610kv配電裝置總出線回路數為6回及以上，每一分段上所接容量不宜超過25mw。（2）3560kv配電裝置總出線回路數為48回時。（3）110220kv配電裝置總出線回路數為34回時。單母線分段接線的缺點主要有：（1）當一段母線或母線隔離開關故障或檢修時，必須斷開接在該分段上的全部電源和出線，這樣就減少了系統的發電量，并使該段單回路供電的用戶停電。（2）任一出線斷路器檢修時，該回路必須停止工作。圖4-1 主

19、接線圖5 短路電流的計算5.1短路電流計算的目的和條件 目的： （1）在選擇電氣主接線時，為了比較各種接線方案或確定某一接線是否需要采取限制短路電流的措施等，均需進行必要的短路電流計算。 （2）選擇電氣設備，如開關電氣、母線、絕緣子、電纜等，必須具有充分的電動力穩定性和熱穩定性，而電氣設備的電動力穩定性和熱穩定性的效驗是以短路電流計算結果為依據的。 （3）在設計屋外高壓配電裝置時，需按短路條件檢驗軟導線的相間和相對地的安全距離。 （4）在選擇繼電保護方式和進行整定計算時，需以各種短路時的短路電流為依據。 （5）按接地裝置的設計，也需用短路電流。條件： 因為系統電壓等級較高，輸電導線的截面較大、

20、電阻較小、電抗較大，因此在短路電流的計算過程中忽略r、計及x。 計算短路電流時所用的接線方式，應是可能發生最大短路電流的正常接線方式（即最大運行方式），而不能用僅在切換過程中可能并列運行的接線方式。 計算容量按無窮大系統容量進行計算。 短路種類一般按三相短路進行計算。 短路計算點如下a. k1110kv母線短路時的短路計算點。b.k210kv母線短路時的計算點。5.2 短路電流的計算取基準容量，基準電壓 圖5-1 系統圖圖5-2 等值電路圖點短路基準電流：點短路基準電流：架空線的電抗標幺值：變壓器電抗標幺值：5.2.1 110kv側短路計算110kv側即點短路時，等值電路及其簡化電路如圖5-1

21、。圖5-1 等效電路圖處短路時總電抗：/=0.333/0.33/0.077=0.053短路電流有名值為：沖擊電流為：沖擊電流的有效值：5.2.2 10kv側短路計算10kv側短路時，即處短路最大運行方式時,即兩臺變壓器并列運行：總電抗/=0.385+0.333/0.333=0.5515短路電流的有名值為：沖擊電流為：沖擊電流的有效值：最小運行方式時，即兩臺變壓器分裂運行：總阻抗短路電流的有名值為：沖擊電流為：沖擊電流的有效值為：6 電氣設備的選擇6.1 電氣設備選擇的一般條件盡管電力系統中各種電氣設備的作用和條件并不一樣，具體方法也不完全相同，但對它們的基本要求卻是一致的。電氣設備要能可靠的工

22、作，必須按正常的工作條件進行選擇，并按短路狀態來校驗熱穩定和動穩定。6.1.1 按正常條件選擇電氣設備 1.額定電壓電氣設備所在電網的運行電壓因調壓或負荷的變化，有時會高于電網的額定電壓，故所選電氣設備允許的最高工作電壓不得低于所接電網的最高運行電壓。通常，規定一般電氣設備允許的最高工作電壓為設備的額定電壓的1.1-1.15倍，而電網運行電壓的波動范圍，一般可按照電氣設備的額定電壓的1.15倍。因此，在選擇電氣設備時，一般可按照電氣設備的額定電壓不低于裝置地點電網額定電壓的條件選擇，即 2. 額定電流電氣設備的額定電流是指在額定環境溫度下，電氣設備的長期允許電流。應不小于該回路在各種合理運行方

23、式下的最大持續電流，即 3. 環境條件對設備選擇的影響當電氣設備安裝地點的環境（尤其注意小環境）條件如溫度、污穢等級、海拔高度、地震烈度和覆冰厚度等環境條件超過一般的電氣設備使用條件時，應采取措施。6.1.2 按短路狀態校驗1. 短路熱穩定校驗短路電流通過電氣設備時，電氣設備各部件溫度應不超過允許值。滿足熱穩定的條件為式中：為短路電路產生的熱效應；、t分別為電氣設備允許通過的熱穩定電流和時間。2. 電動力穩定校驗點動力穩定是電氣設備承受短路電流機械效應的能力，亦稱動穩定。滿足動穩定條件為或式中：、分別為短路沖擊電流幅值及其有效值；、分別為電氣設備允許通過的動穩定電流幅值及其有效值。6.2 10

24、kv母線及電纜的選擇(1) 10kv母線的選擇按長期發熱允許電流選擇母線截面，由所選變壓器可得其最大持續電流為： 計算40時的溫度修正系數： 查表選用兩條（80）的矩形鋁導體 （1）熱穩定校驗假想斷路器固有分閘時間為0.5,電弧燃燒持續時間為0.05s,主護動作時間為0.06s，所以短路持續時間 所選母線截面滿足熱穩定要求。 （2）動穩定校驗 計算導體固有震動頻率 故，求母線的相間應力 （2）10kv電纜的選擇從礦區變電所到通風機大約要鋪設1km的電纜線，35kv以下，常選擇鋁芯。由負荷計算表可知： 本設計采用雙回路供電，所以通過每回電纜線的電流為 按經濟電流密度選擇截面積： 煤礦為三班制，年

25、最大負荷利用時間為5000小時以上，所以j取，故單芯電纜截面可選擇35，選擇型號為：yjlv22-10-135型絞聯聚乙烯絕緣電力電纜。6.3 高壓開關柜的選擇通過每個設備負荷的高壓開關柜的電流式中s該設備負荷的使用容量（kva）該設備負荷的額定電壓（kv）根據上述公式通過各設備負荷的開關柜的電流計算如下：1 主井提升機：2 副井提升機：3 通風機：4 壓風機：5 瓦斯泵：6 制冷降溫系統：7 井下高壓負荷：根據上述電流的計算值，查資料選得各設備負荷的高壓開關柜的型號如下：圖6-1 高壓開關柜的一次線路圖其各項參數如下：額定工作電流：50-1200a額定工作電壓：10kv隔離開關：gn19-1

26、0c1q真空斷路器：zn7-10x操動機構：cd10電流互感器：lajq-10高壓避雷器：hy5w-10外形尺寸(mm)：1281315020506.4 其他設備的選擇表6-1 電氣設備的選擇計算數據高壓斷路器隔離開關電壓互感器電流互感器sw4-110/1000gw4-110d/1000jcc-110lcw-110u=110kv110kv110kv110kv110kv300/5動、熱穩定校驗： 熱穩定倍數；動穩定倍數根據表格數據，各設備校驗后均符合要求。7饋出線的保護7.1 電流速斷保護電流速斷保護是對于僅反應于電流增大而瞬時動作的電流保護。它是在供電線路出現嚴重故障時動作于跳閘的保護。其優點

27、是簡單可靠，動作迅速；缺點是不能保護線路全長，并且保護范圍直接受系統運行方式變化的影響。電流速斷保護應躲過下一條線路出口處發生三相短路所產生的最大短路電流，是以三相電流中的最大相電流為判斷依據的。由短路電流計算得知，處最大運行方式下三相短路電流為9.97ka，由此可對電流速斷保護做整定計算：一次動作電流：裝置動作電流整定值：7.2 零序電流保護接地短路是電力系統中架空線和電纜線路上出現最多的一種故障,占所有故障的90%左右.對于10kv電壓等級中性點非接地系統發生單相接地時,由于故障點的電流很小,而且三相之間的線電壓依然保持對稱,對負荷的供電沒有影響。因此，在一般情況下都允許再運行12個小時，

28、而不必立即跳閘。但是單相接地以后，其它兩相的對地電壓要升高倍。為了防止故障進一步擴大成兩點或多點接地短路，就應及時發出信號，此時可利用故障線路出現的零序電流較非故障線路大的特點來實現零序電流保護。零序電流保護是在供電線路出現單相接地故障后動作的保護。為了防止在負載電流大的情況下較大的零序不平衡電流引起本保護誤動作而負載電流小的情況下保護拒動，其判據如下： 式中 ，分別是動作定值和動作時限； ，分別是實際零序電流和動作時延； ，分別是實測電流的最大相電流和變壓器的額定電流。由上述判據表達式可得，當即小負載電流的情況下，采用作為判據。而當即大負載電流時，采用上面的判據以提高保護動作值，可防止保護誤

29、動作。零序電流保護整定：7.3 三相一次重合閘因輸電線路的故障絕大多數為瞬時性故障，主要是由天氣、鳥獸等原因引起的，繼電保護反映瞬時性故障跳閘后，瞬時性故障源已消失，配置重合閘裝置可以自動重合閘，即可恢復正常供電，大大減少了停電時間。而對于線路倒桿、斷線等引起的線路斷開以后仍然存在的永久性故障，配置重合閘裝置會自動重合而再次跳閘，此后不會再動作。由此可見，在線路被斷開以后再進行一次合閘，就有可能大大提高供電的可靠性。基于低電壓等級單側電源線路，系統欲提供三相一次帶后加速的重合閘功能。三相重合閘是指不論送電線路上發生單相接地短路還是相間短路，繼電保護動作后均使斷路器三相斷開，然后重合閘再將三相投

30、入。一次重合閘是指重合閘只動作一次，后加速是指當線路第一次故障時，保護有選擇性的動作，然后進行重合。如果重合于永久性故障上，則在斷路器合閘后，再加速保護動作，瞬時切除故障，而與第一次動作是否帶時限無關。后加速的優點在于第一次是有選擇性的切除故障，不會擴大停電范圍，不受電網結構和負荷條件的限制。這樣既使得瞬時性故障不影響正常的供電，又保證永久性故障時保護的可靠動作。重合閘的重合時間為0.5s到1s之間；后加速的記憶時間是5s。8 硬件設計8.1 設備的功能要求8.1.1 傳統設計方案的缺點在我國110kv和220kv變電站中，對10kv或6kv饋線路的保護控制絕大多數使用的是傳統機械式繼電器組和

31、晶體管型繼電器裝置。由于機械式繼電器組的觸點多，頻繁動作后容易損壞，降低了供電的可靠性并增加了設備維護的工作量。晶體管型裝置則由于抗電磁干擾能力差而容易發生誤動作。在傳統裝置的各元件之間以及各裝置之間，即使實現一些基本的保護配合，也必須用到很多連接導線，如想進一步將變電站的各個部分聯成一個完整的集中管理系統，那么所需的大量連接線就會使變電站的二次系統變得非常龐大而復雜，甚至達到無法調試檢修的程度。因此，傳統的繼電保護裝置難以適應變電站自動化要求。8.1.2 新方法的引入可編程控制器（plc）是一種新型的、免維護的微電腦式配電控制器。其主要特點是用內部已定義的各種輔助繼電器（每個plc可有多達上

32、千個內部繼電器）代替傳統的機械觸點繼電器，又通過軟件編程方式用內部邏輯關系代替實際的硬件連接線，這些內部繼電器的節點0-1狀態轉換時間可理想化地認為等于零，因此無需考慮傳統繼電器所固有的返回系數。正是基于這一特點，如果將plc引入繼電保護裝置中，一方面可以大大改善裝置的動作準確性和可靠性；另一方面，又可兼容傳統繼電保護設計思想和技術方法。尤其是對于邏輯關系較復雜的功能，應用plc軟件編程能很快設計出最簡明的符合規程的方案，再加上像饋電線路這樣的保護對象，所有保護控制功能是在同一程序中進行設計，便于相互配合。plc的微電腦屬性使得各保護裝置之間、裝置與主控機之間能夠按計算機通訊方式進行數據傳遞，

33、配以主機監控平臺從而構成整個變電站集中管理系統。8.2 硬件設計電路8.2.1 s7-200系統概述s7-200plc是超小型化的plc，它適用于各行各業，各種場合的自動測試、監測及控制等。s7-200plc的強大功能使其無論單機運行，或連成網絡都能實現復雜控制。s7-200plc可提供4個不同型號與8種cpu。8.2.2 s7-200系列plc的特點及產品類型 1s7-200系列plc的特點： （1）結構緊湊； （2）擴展性良好； （3）指令功能強大； （4）價格低廉。成為各種小型控制工程的理想控制器。3.s7-200plc的產品：（1）集成一定數字點的cpu：cpu222、cpu224、c

34、pu226、cpu226xm（2）擴展模塊 數字量擴展模塊：em221、em222、em223 模擬量擴展模塊：em231、em232、em235（3）特殊功能模塊s7-200可以十分方便地組成不同模塊的控制器，其控制規模可以從幾點到幾百點。s7-200plc可以方便地組成plc-plc網絡和計算機-plc網絡，從而完成規模更大的工程。8.2.3 s7-200系列plc的基本硬件組成s7-200系列plc可提供四種不同的基本單元和6種型號的擴展單元，其系統構成包括基本單元、擴展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。1.基本單元s7-200plc可提供4個不同的基本型號與8種cpu供選擇使

35、用。表8-1 s7-200系列plc中cpu22x的基本單元型號輸入點輸出點可擴展模塊數s7-200cpu22164s7-200cpu222862個擴展模塊78路數字量i/o點s7-200cpu22414107個擴展模塊168路數字量i/o點或10路模擬量i/o點s7-200cpu22624167個擴展模塊248路數字量i/o點或10路模擬量i/o點s7-200cpu226xm24167個擴展模塊248路數字量i/o點或10路模擬量i/o點2. 擴展單元s7-200系列plc主要有6種擴展單元，它本身沒有cpu，只能與本單元相連接使用，用于i/o擴展點數，s7-200系列plc擴展單元型號及輸

36、入輸出點數的分配如表7-1所示。表8-2 s7-200系列plc擴展單元型號及輸入輸出點數類型型號輸入點輸出點數字量擴展模塊em2218無em222無8em2234/8/164/8/16模擬量擴展模塊em2314無em232無2em23541 3.編程器s7-200系列plc可采用多種編程器，一般可分為簡易型和智能型。簡易型編程器是袖珍型的，簡單實用，價格低廉，是一種很好的現場編程及監測工具，但顯示功能較差，只能用指令方式輸入，使用不夠方便。智能型編程器采用計算機進行編程操作，將專用的編程軟件裝入計算機內，可直接采用梯形圖語言編程，實現在線監測，非常直觀，且功能強大。s7-200系列plc的專

37、用編程軟件為step7-micro/win32。1. 出現存儲卡為保證程序及重要參數的安全，一般小型plc設有外接eeprom卡盒接口，通過該接口可以將卡盒的內容寫入plc，也可以將plc內的程序及重要參數到外接eeprom卡盒內作為備份。出現存儲卡eeprom有6es 7291-8gc00-0xa0和6es 7291-8gd00-0xa0兩種，程序容量分別為8k和16k程序步。 4.寫入器 寫入器的功能是實現plc和eeprom之間的程序傳送，是將plc中區的程序通過寫入器固化到出現存儲卡中，或將出現存儲卡中的程序通過寫入器傳送到區。5.文本顯示器文本顯示器td200不僅用于顯示系統信息的顯

38、示設備，還可以作為控制單元對某個量的數值進行修改，或直接設置輸入/輸出量。文本信息的顯示用選擇/確認的方法，最多可顯示80條信息，每條信息最多4個變量的狀態。過程參數可在顯示器上顯示，并可以隨時修改。td200面板上的8個可編程程序的功能鍵，每個都分配了一個存儲器位，這些功能鍵在啟動和測試系統時，可以進行參數設置和診斷。8.3 可編程控制器基本結構可編程控制器（programmable logic controller）專為工業場合設計，才用了典型的計算機結構，主要是cpu模塊、編程器、電源、存儲器和專門設計的輸入輸出接口電路等組成。圖8-1為典型的可編程控制器結構簡圖。圖8-1 可編程控制器

39、結構簡圖8.3.1 cpu模塊cpu是plc的核心，每套plc至少有一個cpu模塊它按plc的系統程序賦予的功能接收并存儲用戶程序和數據，用掃描的方式采集現場輸入裝置的狀態或數據，并存入規定的寄存器中，同時，診斷電源和plc內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規定的任務產生相應的控制信號去控制外部電路。cpu速度和內存容量是plc的主要參數，它們決定著plc的工作速度，i/o數量及軟件容量等，因此限制著控制規模。8.3.2 存儲器雖然各種plc的cpu的最大尋址空間各不相同，但是根據plc的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個

40、區域：（1）系統程序存儲區；（2）系統ram存儲區（包括i/o映像和系統軟件設備）等；（3）用戶程序存儲區。1.plc常用的存儲器類型 (1)ram（random access memory）讀/寫存儲器（隨機存儲器），其存取速度最快，由鋰電池支持。 （2）eprom（erasable progammable read only memory）可擦除的只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內的所有內容保持不變（在紫外線連續照射下可擦除存儲器內容）。 （3）eeprom（electrical erasable programmable read only memory）電可擦除的只讀存儲器。使用編程器

41、就能很容易對其所存儲的內容進行修改。2.系統ram存儲區包括i/o映像區以及各類軟設備（邏輯線圈，數據寄存器，計時器，變址寄存器，累加器等）。（1）i/o映像區：由于plc投入運行后，在輸入采樣階段依次讀入各輸入狀態和數據，存放在存儲單元（ram）內，供執行程序使用；程序執行的結果不是立即輸出，而是也存放在存儲單元內，在輸出刷新階段才將輸出的結果和數據送至相應的外設。用以存放i/o占用存儲單元的一個位（bit），一個模擬量i/o占用存儲單元的一個字（16個bit）。（2）系統軟件設備存儲區：系統ram存儲區還包括內部各類軟設備（邏輯線圈，數據寄存器，計時器，變址寄存器，累加器等）的存儲區。該存

42、儲區又分為具有失店保存的存儲區域和無失電保存的存儲區域，前者在plc斷電時，又內部的鋰電池供電，數據不會遺失；后者當plc斷電時，數據被清零。每個邏輯線圈占用系統ram存儲區中的一個位，但不能直接驅動外設，只供用戶在編程中使用，其作用類似于電器控制線路中的中間繼電器。另外，不同的plc還提供數量不等的特殊邏輯線圈，具有不同的功能。每個數據寄存器與模擬量i/o一樣，占用系統ram存儲區中的一個字（16bit）。另外，plc還提供數量不等的特殊數據寄存器，具有不同的功能。計數器計時器用戶程序存儲區存放用戶程序。同一系列不同類型的cpu，其存儲容量各不相同。8.3.3輸入/輸出模塊i/o模塊是plc

43、與外部電氣回路的接口，i/o模塊集成了plc的i/o電路，其輸入贊存器反映輸入信號狀態，輸出點反映輸出鎖存器狀態。plc的cpu處理的信號之間的電平轉換；i/o接口還具有良好的光電隔離和濾波作用。plc的輸出接口與被控對象相連，一般是接觸器、電磁閥、指示燈等，如圖7-1所示。i/o模塊分為數字量輸入，數字量輸出，模擬量輸入，模擬量輸出等模塊。8.3.4 電源模塊 plc電源用于為plc各模塊的集成電路提供工作電源，同時，有的還為輸入電路提供24v的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220vac或110vac），直流電源（常用的為24vdc）。8.3.5 底板與機架 大多數模塊式plc使用底板

44、或機架。其作用是：電氣上，實現各模塊間的聯系，是cpu能訪問底板上的所有模塊；機械上，實現各個模塊間的連接，使各模塊構成一個整體。8.3.6 可編程控制器系統的其他設備1.編程設備編程器是plc開發應用、監測運行、檢查維護不可缺少的外部設備，用于編程、調試、系統設定、監控plc及plc所控制的系統工作狀況，但它不直接參與現場控制運行。編程器分智能型與非智能型，非智能型的是手持編程器，用于狀態監測；智能型編程器是一臺運行編程軟件的計算機，通過通信適配器與plc通信完成編程器的功能。2. 人機界面最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運

45、行組態軟件）充當人機界面非常普及。2. 輸入輸出設備用于永久性地存儲用戶數據，如rprom、eeprom寫入器，輸入模擬量的電位器，打印機等。8.4 系統硬件電路設計8.4.1 主保護板的設計1.模擬量輸入本裝置的模擬量輸入主要來自電流互感器采集到的電流信號，采集到的型號屬于交流信號，并且在故障初期，電流信號中可能含有較高的頻率分量，因此需要將采集來的電流信號進行交換，分別通過整流、濾波等回路。由于plc控制需要的是低電壓信號。變送器是接在電流互感器與信號采集電路之間的一個接口，通過此電路，信號采集電路便可以得到較小的電壓信號，然后經過整流電路便可得到直流電壓信號，再經過濾波等處理，便可將信號

46、送往plc的模擬量輸入模塊em231。整流管和晶閘管是構成整流電路的主要元件。整流管具有單向導電性，晶閘管具有可控開通單向導電特性。整流電路的原理就是利用二極管的單向導電性，構成輸出單一方向電流的電力變換電路，從而將輸入的交流電壓變為輸出的直流電壓。小功率整流電路有半波、全波、橋式等整流電路形式。在此設計電路中采用全波整流電路，最常用的是單相橋式整流電路。其原理圖如圖8-2所示。圖8-2 整流電路原理圖系統采樣時只用到一次和二次諧波分量，因此需要將高頻部分濾除，只留下較低頻率的信號，濾波電路采用低通rc濾波器來實現。模擬量輸入模塊em231接受標準的電壓信號，然后將電壓信號轉換成cpu處理的數

47、字信號，即a/d轉換，它的模數轉換時間小于250us，轉換精度是12位。2. 數字量數字量輸入模塊接受外部開關信號。數字量輸入模塊一般分為2類：直流輸入模塊（操作電壓一般是dc24v），交流輸入模塊（操作電壓為ac120v或ac230v）。本設計采用直流輸入模塊，其原理簡圖如圖7-3所示。當外部輸入觸點接通時，光耦合器的發光二極管點亮，光敏三極管截止。信號經背板總線接口傳送到內部電路。圖 8-3 直流數字量輸入電路圖 本設計采用的數字量輸入模塊為em221，為8點24v直流輸入。 3. 數字量輸出 數字量輸出模塊將plc內部信號電平轉換為控制過程所需的外部信號電平，同時有隔離和功率放大的作用。

48、可直接用于驅動電磁閥、接觸器、繼電器、燈和電動機啟動器等負載。按負荷回路的電源不同分為：直流輸出模塊、交流輸出模塊和交直流輸出模塊。按輸出開關器件的種類由可分為：晶閘管輸出方式、雙向晶閘管輸出方式和繼電器輸出方式。晶閘管輸出方式的模塊，只能帶直流負載，屬于直流輸出模塊；雙向晶閘管輸出模塊屬于交流輸出模塊；繼電器觸點輸出模塊屬于交直流輸出模塊。晶閘管型輸出模塊的輸出信號經光耦合器使晶閘管導通或截止，相當于觸點的接通和斷開，以控制外部負載電路。雙向晶閘管輸出模塊的輸出模塊采用光電耦合器觸發雙向晶閘管，當某一輸出點狀態為1時，通過光敏晶閘管，觸發雙向晶閘管導通，接通與該點對應的外部負載電路。繼電器型

49、輸出模塊，當某一輸出點狀態為1時，通過光電耦合器，使模塊中對應的微型繼電器線圈得電，其常開觸點閉合，接通與該點對應的外部負載電路。本設計采用的數字量輸出模塊為繼電器型輸出模塊em222，采用繼電器型8點輸出，其原理圖如圖8-4所示。圖8-4 繼電器型輸出模塊原理簡圖em222型數字量輸出模塊，采用繼電器型8點輸出。8.4.2 人機接口板電路的設計 1. 液晶顯示屏的電路設計 本設計中液晶顯示屏采用td200文本顯示器，td200文本顯示器是所有sinatic s7-200系列操作員界面問題的最佳方法。td200連接很簡單，只需要用它提供的連接電纜接到cpu 22x系列ppi接口上即可，不需要單

50、獨的電源。 td200具有下列功能： （1）文本信息的顯示:用選擇項確認方法可顯示最多80條信息，每條信息最多可包含4個變量，五種系統語言。 （2）可設定實時時鐘。 （3）提供強制i/o點診斷功能。 （4）過程參數的顯示和修改，參數在顯示器中顯示并可用輸入鍵進行修改，例如，改變動作、報警等的設定值，設定實時時鐘的時間等。（5）提供密碼保護。（6）可編程的8 個功能鍵可以代替普通的控制按鈕，作為控制鍵。這樣還可以節省8 個輸入點。（7）可選擇通訊的速率。（8）輸入忽然輸出的設定：8個可編程功能鍵的每一個都分配了一個存儲器位。（9）可選擇顯示信息刷新的時間。 td200用step7micro/wi

51、n軟件進行編程，無需其他的參數賦值軟件。在s7-200系列的cpu中保留了一個專用區域用于與td200交換數據，td200直接通過這些數據區訪問cpu的必要功能。2.rs485通信變電站自動化是變電站發展的必然趨勢，而本裝置要想成為變電站自動化系統中的一部分，必然要與控制主站進行通信，本設計將遠端plc設備與主站設備進行通信，以方便主站設備對plc進行監控和參數設置。plc與主站設備之間采用主從式rs485總線通信。主從式rs485通信協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管他們是經過何種網絡進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其他設備的過程，如何回應來自其他設備的請求，以及怎樣偵測錯

52、誤并記錄。它制定了消息域的格局和內容的公共格式。此協議決定了每個控制器需要知道他們的設備地址，識別按地址發來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息按本協議發出。（1） 數據在網絡上傳輸控制器通信使用主-從技術，即僅一設備（主設備）能初始化傳輸（查詢）。其他設備（從設備）根據主設備提供的數據作出相應反應。 主設備可單獨和從設備通信，也能以廣播方式和所有從設備通信。如果單獨通信，從設備返回一消息作為回應，如果是以廣播方式查詢的，則從設備不作任何回應。協議建立了主設備查詢的格式：設備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發送的數據、錯誤檢測域。（2）在對等網絡類型上傳輸在對等網絡上

53、，控制器使用對等通信技術，故任何控制都能初始和其他控制器的通信。這樣在單獨的通信過程中，控制器既可作為主設備也可作為從設備。在信息位，本協議仍提供了主-從原則，盡管網絡通信方法是“對等”。如果一控制器發送一信息，它只是作為主設備，并期望從設備得到回應。同樣，當控制器接收到一消息，它將建立從設備格式并返回給發送的控制器。（3）查詢-回應周期 查詢 查詢信息中的功能代碼告之被選中的從設備要執行何種功能。數據段包含了從設備要執行功能的任何附加信息。錯誤檢測域為從設備提供了一種驗證消息內容是否正確的方法。 回應如果從設備產生一正常的回應，在回應消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應。數據段包括了從設備收集的數據。如果有錯誤發生，功能代碼將被修改以用于指