PLC實現(xiàn)自動重合閘設計 經典論文.doc

吉林鐵道職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）摘要摘 要據(jù)統(tǒng)計，系統(tǒng)中永久性故障一般不到10%，其余故障都是由于雷擊過電壓引起的絕緣子表面閃絡，大風時的短時碰線，樹枝落在導線上等引起的瞬時故障。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，保護立刻動作使線路或設備斷電，在非常短暫的時間內，故障點的電弧就會自動熄滅，使絕緣自動恢復。此時自動重合閘裝置動作，自動將斷路器合上，恢復系統(tǒng)正常運行。針對傳統(tǒng)的電磁式重合閘裝置存在動作級數(shù)多，觸點粘連等不可靠因素，采用PLC實現(xiàn)自動重合閘，對其進行硬件設計和軟件編程，所用元件極少，故障率大大降低，克服了電磁式重合閘控制方式的不足?？刂迫嵝院茫刂葡到y(tǒng)的供電可靠性高。分析了傳統(tǒng)繼電器式自動重合閘裝置存在的缺點，提出利用PLC設計自動重合閘裝置，繪出梯形圖。關鍵詞：可編程邏輯控制器（PLC），自動重合閘，可靠性，應用I吉林鐵道職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）AbstractAbstractAccording to statistics, permanent fault in the system generally less than 10 per cent and the rest were due to failures caused by lightning over-voltage insulator surface flashover, when the winds of short-term touch lines, tree branches fell from the upper wire transient fault. When the system failure, immediate action to protect the power lines or equipment, in a very short time, the point of failure will automatically extinguish the ARD, is insulated to resume. At this point automatically reclosing device moves automatically close the circuit breaker and restore normal operation system.Aiming at the unreliable factors that the traditional electromagnetic ARD device has more actiongrades and adhering of contact, using PLC to realize the auto-reclosure andmaking the design for hardware and soft-ware, the used components is fewer, accident chance ismuch lower. The method overcomes the defects of the traditional electromagnetic ARD control method. So control flexibility is strong and the reliability of power-supply of control system is high. The artica Analyses the defects in traditional relay automatic reclosing, proposes application of PLC in the design automatic relcosing and draws a ladder chart.Keywords: pragramable logic controller(PLC),auto-reclosure,reliability,applicationII吉林鐵道職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）目錄目 錄摘 要IAbstractII1 緒 論12 自動重合閘22.1 自動重合閘的定義22.2 自動重合閘的基本概念22.2.1 自動重合閘的作用32.2.2 自動重合閘的要求32.2.3 自動重合閘的選擇原則32.2.4 自動重合閘的啟動方式42.3 自動重合閘的構成和原理42.3.1 正常情況52.3.2 故障情況62.3.3 手動跳閘62.3.4 手動合閘63 可編程控制器73.1 PLC的特點73.2 PLC的基本結構103.3 PLC的工作原理124 PLC控制自動重合閘134.1 PLC自動重合閘系統(tǒng)概述134.2 自動重合閘的選擇154.3 PLC的選型與設計154.3.1 S7-200的結構圖示164.3.2 主機結構174.3.3 S7-200的掃描周期和工作方式194.3.4 S7-200的輸入輸出擴展204.3.5 S7-200主機性能指標214.4 S7-200的軟件編程234.4.1 編程語言234.4.2 顯示面板244.4.3 特殊功能模塊254.5 軟硬件設計254.5.1 I/O地址分配表254.5.2 梯形圖264.5.3 PLC硬件接線圖264.5.3 二次控制回路接線26總 結29參考文獻30致 謝31附 錄326吉林鐵道職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）1 緒論1 緒 論自動重合閘（ARD）裝置是將因故障跳開后的斷路器按需要自動投入的一種自動裝置。電力系統(tǒng)運行經驗表明，架空線路絕大多數(shù)的故障都是瞬時性的，永久性故障一般不到10%。因此，在由繼電保護動作切除短路故障后，電弧將自動熄滅，絕大多數(shù)情況下短路處的絕緣可以自動恢復。因此，自動將斷路器重合，不僅提高了供電的可靠性，減少了停電損失，而且提高了電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平。隨著國民經濟的發(fā)展和人民物質文化生活水平的不斷提高，對電力需求愈來愈大，促使電力事業(yè)迅速發(fā)展，電網不斷擴大，用戶對供電質量和供電可靠性要求越來越高，甚至連發(fā)生電源的瞬時中斷也不能忍受?！半娏Ψā焙汀俺兄Z制”的公布和貫徹執(zhí)行，要求電力供應部門提供安全、經濟、可靠和高質量的電能。傳統(tǒng)的技術和管理手段已無法適應新的形勢，PLC自動重合閘就是為了這一目的而提出來的。先進PLC的發(fā)展代表著國家的綜合科技實力和水平，目前許多先進工業(yè)國家都已將PLC技術列為21世紀高科技發(fā)展計劃。其發(fā)展呈現(xiàn)兩個突出特點:一個是在橫向上，PLC的應用領域在不斷的擴大，正從傳統(tǒng)的制造向人類工作和生活的各種領域擴展，PLC的種類日趨增多；另一方面是在縱向上，隨著需求范圍的擴大，PLC的結構和形態(tài)發(fā)展多樣化，高端系統(tǒng)呈現(xiàn)明顯的仿生和智能特征，其特性不斷提高，功能不斷擴展和完善，各種PLC向更智能化和人類社會更密切的融合方向發(fā)展。吉林鐵道職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 2 自動重合閘2 自動重合閘2.1 自動重合閘的定義所謂自動重合閘裝置，是將因故障跳開后的斷路器按需要自動投入的一種自動裝置。電力系統(tǒng)采用自動重合閘裝置，極大地提高了供電的可靠性，減少了停電損失，而且還提高了電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平，增強了線路的送電容量。運行經驗表明，架空線路大多數(shù)故障是瞬時性的，如:（1）雷擊過電壓引起絕緣子表面閃絡。（2）大風時的短時碰線。（3）通過鳥類身體（或樹枝）放電。此時，若重合閘保護動作熄弧故障消除合斷路器恢復供電，手動（停電時間長）效果不顯著，自動重合閘效果明顯。自動重合閘對暫時性故障，可迅速恢復供電，從而能提高供電的可靠性。對兩側電源線路，可提高系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性，從而提高線路的輸送容量，而且還可以糾正由于斷路器或繼電保護誤動作引起的誤跳閘。一般應用1KV及以上電壓的架空線路或電纜與架空線路的混合線路上，只要裝有斷路器，一般應裝設ARD。但是，ARD本身不能判斷故障是瞬時性的，還是永久性的。所以若重合于永久性故障時，其不利影響:（1）使電力系統(tǒng)又一次受到故障的沖擊；（2）使斷路器的工作條件惡化（因為在短時間內連續(xù)兩次切斷短路電流）。據(jù)運行資料統(tǒng)計，ARD成功率為60%90%，經濟效益很高，得到了廣泛的應用。2.2 自動重合閘的基本概念按重合閘的動作來分，可分為電氣式和機械式。按重合閘作用于斷路器的方式，可分為三相普通重合閘、單相重合閘和綜合重合閘三種。按重合閘的構成原理來分，可分為電磁式、晶體管式、集成電路式、數(shù)字（微機）式。按動作次數(shù)來分，可分為一次式和多次式。按使用條件來分，可分為單側電源重合閘和雙側電源重合閘。雙側電源重合閘又可分為檢定無壓重合閘、檢定同期和不檢定三種。2.2.1 自動重合閘的作用架空線路故障大都是“瞬時性”的故障，在線路被繼電保護迅速動作控制斷路器斷開后，故障點的絕緣水平可自行恢復，故障隨即消失。此時，如果把斷開的線路斷路器重新合上，就能夠恢復正常的供電。此外，也有“永久性故障”，“永久性故障”在線路被斷開之后，它們仍然是存在的，即使合上電源，也不能恢復正常供電。因此，在電力系統(tǒng)中采用了自動重合閘裝置，即是當斷路器由繼電保護動作或其它非人工操作而跳閘后，能夠自動控制斷路器重新合上的一種裝置。大大提高供電的可靠性，減少線路停電的次數(shù)。在高壓輸電線路上采用重合閘，可以提高電力系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性。在架空線路上采用重合閘，可以暫緩架設雙回線路，以節(jié)約投資。對斷路器本身由于機構不良或繼電保護誤動作而引起的誤跳閘，也能起糾正的作用。但是，當重合于永久性故障上時，它也將帶來一些不利的影響，如:（1）使電力系統(tǒng)又一次受到故障的沖擊。（2）由于斷路器在很短的時間內，連續(xù)切斷兩次短路電流，而使其工作條件變得更加惡劣。2.2.2 自動重合閘的要求正常運行時，當斷路器由繼電保護動作或其它原因而跳閘后，自動重合閘裝置均應動作。由運行人員手動操作或通過遙控裝置將斷路器斷開時，自動重合閘不應起動。繼電保護動作切除故障后，自動重合閘裝置應盡快發(fā)出重合閘脈沖。自動重合閘裝置動作次數(shù)應符合預先的規(guī)定。自動重合閘裝置應有可能在重合閘以前或重合閘以后加速繼電保護的動作，以便加速故障的切除。在雙側電源的線路上實現(xiàn)重合閘時，重合閘應滿足同期合閘條件。當斷路器處于不正常狀態(tài)而不允許實現(xiàn)重合閘時，應將自動重合閘裝置閉鎖。2.2.3 自動重合閘的選擇原則（1）三相普通一次重合閘方式適用于110kv及以下的電網中，特別是對于集中供電地區(qū)的密集型環(huán)網中，線路跳閘后不進行重合閘也能穩(wěn)定運行的線路，適用于單側電源輻射形式線路，不適用于大機組出口處。（2）單相重合閘及綜合重合閘方式適用于220kv及以上的電網中，當發(fā)生單相接地故障時，如果使用三相重合閘不能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，或者地區(qū)系統(tǒng)會出現(xiàn)大面積停電，或者會導致重要負荷停電時，特別是大型機組的高壓配電線路，使用三相重合閘的線路，在使用單相重合閘時對系統(tǒng)恢復供電有較好的效果。（3）檢定無壓或檢定同期重合閘方式適用于兩端均有電源的線路以及不允許非同期合閘的線路，雙回線路上可直接檢定另一回線路上有電流來判定同期。（4）非同期重合閘方式并列運行的發(fā)電廠或電力系統(tǒng)之間應有三條或三條以上緊密聯(lián)系的線路，非同期重合閘時產生的沖擊電流未超過規(guī)定的允許值，重合后電力系統(tǒng)可以很快恢復同期運行時，在非同期重合閘所產生的振蕩過程中，對重要負荷的影響較小。2.2.4 自動重合閘的啟動方式自動重合閘有兩種啟動方式:斷路器控制開關位置與斷路器位置不對應啟動方式和保護啟動方式。不對應啟動方式的優(yōu)點:簡單可靠，還可以糾正斷路器誤碰或偷跳，可提高供電可靠性和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，在各級電網中具有良好運行效果，是所有重合閘的基本啟動方式。其缺點是:當斷路器輔助觸點接觸不良時，不對應啟動方式將失效。保護起動方式，是不對應啟動方式的補充。同時，在單相重合閘過程中需要進行一些保護的閉鎖，邏輯回路中需要對故障相實現(xiàn)選相固定等，也需要一個保護啟動的重合閘啟動元件。其缺點是，不能糾正斷路器誤動。2.3 自動重合閘的構成和原理電磁式三相一次自動重合閘的原理接線圖如圖2.1所示:圖2.1 自動重合閘原理接線圖2.3.1 正常情況斷路器處于合閘狀態(tài)，QF1斷開2KM失電2KM1斷開。而SA處在合后位置，其觸點SA21-23接通，觸點SA2-4斷開重合閘投入，指示燈HL亮。重合閘繼電器的電容C經4R充電，經1015s后，電容器C兩端電壓等于電源電壓，此電壓可使中間繼電器KM起動。2.3.2 故障情況斷路器跳開后，QF1閉合2KM得電2KM1閉合起動KTKT經過約0.51s的延時KT1閉合電容器C放電KM起動閉合其常開觸點KM1、KM2、KM3發(fā)出合閘脈沖。(1)若為瞬時性故障斷路器合閘后，KM因電流自保持線圈失去電流而返回。同時，2KM失電2KM1斷開KT失電，觸點KT1斷開電容器C經4R重新充電，經1015s又使電容C兩端建立電壓。整個回路復歸，準備再次動作。(2)若為永久性故障斷路器合閘后，繼電保護動作再次將斷路器斷開QF1閉合2KM得電2KM1閉合，KT起動KT1經過約0.51s的延時閉合電容器C放電。2.3.3 手動跳閘SA發(fā)出預跳命令其觸點SA2-4接通將C上的電荷瞬時放掉。SA發(fā)出跳閘命令其觸點SA6-7接通斷路器跳閘2KM1閉合KT起動，經過約0.51s的延時KT1閉合。這時，儲能電容器C兩端早已沒有電壓，KM不能起動重合閘不能重合。2.3.4 手動合閘SA發(fā)出跳閘命令SA5-8觸點閉合，接通合閘回路，QF合閘。SA25-28觸點閉合，起動加速繼電器3KM。當合于故障線路時，保護動作，經3KM的常開觸點使QF加速跳閘。C尚未充滿電，不能使KM起動，所以斷路器不能自動重合。說明:防跳繼電器1KPJL的功用，在手動合閘及自動重合閘過程中防止斷路器跳躍。如:當KM1、KM2、KM3接點卡住或粘住時，可以由1KM來防止將斷路器多次重合到永久性故障上。吉林鐵道職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 3 可編程控制器3 可編程控制器可編程序控制器是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。它具有體積小、功能強、靈活通用與維護方便等一系列的優(yōu)點。特別是它的高可靠性和較強的適應惡劣環(huán)境的能力，受到用戶的青睞。因而在冶金、化工、交通、電力等領域獲得了廣泛的應用，成為了現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱之一。由于PLC在不斷發(fā)展，因此，對它下一個確切的定義是困難的。在二十世紀七十年代PLC 問世后，由美國電氣制造商協(xié)會（National Electric Manufacturer Associa-tion-NEMA）對PLC下過如下的定義：PLC是一種數(shù)字式的電子裝置，它使用可編程序的存儲器來存儲指令，實現(xiàn)邏輯運算、順序運算、計數(shù)計時和算術運算等功能，用來對各種機械或生產過程進行控制。1982年，國際電工委員會（International Electrical Committee-IEC）頒布了PLC標準草案，1985年提交了第2版，1987年的第3版對PLC作了如下的定義：PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置，它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴展其功能的原則而設計。上述的定義表明，PLC是一種能直接應用于工業(yè)環(huán)境的數(shù)字電子裝置，它有與其他順序控制裝置不同的特點。3.1 PLC的特點PLC能如此迅速發(fā)展的原因是由于它具有通用計算機所不及的一些下列特點:1可靠性高可靠性對于可以維修的產品，可靠性包括產品的有效性和可維修性。PLC的可靠性高，表現(xiàn)在下列幾方面:（1）與繼電器邏輯控制系統(tǒng)比較，PLC可靠性提高的主要原因:1）PLC不需要大量的活動部件和電子元器件，它的接線也大大減少。與此同時，系統(tǒng)的維修簡單、維修時間縮短，因此可靠性得到提高。2）PLC采用了一系列可靠性設計的方法進行設計，例如冗余設計、掉電保護、故障診斷和信息保護及恢復等，使可靠性得到提高。3）PLC有較強的易操作性，它具有編程簡單、操作方便、維修容易等特點，因此對操作和維修人員的技能要求降低，容易學習和掌握，不容易發(fā)生操作的失誤，可靠性高。（2）與通用的計算機控制系統(tǒng)比較，PLC可靠性提高的主要原因:1)）PLC是為工業(yè)生產過程控制而專門設計的控制裝置，它具有比通用計算機控制系統(tǒng)更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了經簡化的編程語言，編程的出錯率大大降低，而為工業(yè)惡劣操作環(huán)境設計的硬件使可靠性大大提高。因此，PLC的可靠性較通用計算機控制系統(tǒng)的可靠性有較大提高。2）在PLC的硬件設計方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高的元件;采用先進的工藝制造流水線生產;對干擾采用屏蔽、隔離和濾波等，設有對電源的掉電保護、存儲器內容的保護并采用看門狗和其他自診斷措施、便于維修的設計等等。3）在PLC的軟件設計方面，也采取了一系列提高系統(tǒng)可靠性的措施。例如，采用軟件濾波、軟件自診斷、簡化編程語言、信息保護和恢復、報警和運行信息的顯示等等。一份用戶選用PLC原因的調查報告指出，在各種選用PLC的原因中，第一位的原因是由于PLC可靠性高的用戶達93%。其次，才是性能和維修方便等原因?？梢?，可靠性高是PLC的主要特點。2易操作性PLC的易操作性表現(xiàn)在下列三個方面:（1）操作方便 對PLC的操作包括程序輸入的操作和程序更改的操作。大多數(shù)PLC采用編程器進行程序輸入和更改的操作。編程器至少提供了輸入信息的顯示，對大中型的PLC，編程器采用CRT屏幕顯示，因此，程序的輸入直接可以顯示。更改程序的操作也可直接根據(jù)所需的地址編號、繼電器編號或觸點號進行搜索或順序尋找，然后進行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT屏幕上顯示。所以PLC具有操作方便的特點。（2）編程方便 PLC有多種程序設計語言可供使用。對電氣技術人員來說，梯形圖由于與電氣原理圖較為接近，容易掌握和理解，所以有利于程序的編寫和學習。采用布爾助記符編程語言時，由于符號是功能的簡單縮寫，十分有利于編程人員的編程。雖然功能表圖、功能模塊圖和高級描述語句的編程方法應用尚未普及，但是，由于它們具有功能清晰、易于理解等優(yōu)點，正為廣大技術人員所接納和采用，并發(fā)揮出更有效的功能特點。（3）維修方便 PLC所具有的自診斷功能對維修人員維修技能的要求降低了。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可根據(jù)有關故障信號燈的提示和故障代碼的顯示，或通過編程器和CRT屏幕的顯示，很快地找到故障所在的部位，為迅速排除故障和修復節(jié)省了時間。為便于維修工作的開展，有些PLC的制造企業(yè)提供了維修用的專用儀表或設備，提供了故障樹等維修用的資料。有些廠商還提供維修用的智能卡件或插件板，使維修工作變得十分方便。 PLC的面板和結構的設計也考慮了維修的方便性，例如，對需維修的部件設置在便于維修的位置，信號燈設置在易于觀察的部位，接線端子采用便于接線與更換的類型等，這些設計使維修工作能方便地進行，從而大大節(jié)省維修時間。采用標準化元件和標準化工藝生產流水線作業(yè)，使維修用的備品備件簡化，也使維修變得方便。3靈活性PLC的靈活性表現(xiàn)在下列三方面:（l）編程的靈活性 PLC采用的編程語言有梯形圖、布爾助記符、功能表圖、功能模塊圖和語句描述編程語言，只要掌握其中一種語言就可以進行編程。編程方法的多樣性使編程方便，應用面拓展。由于采用軟連接的方法，在生產工藝流程更改或者生產設備更換時，可以不必改變PLC的硬設備，通過程序的編制與更改就能適應生產的需要。這種編程的靈活性是繼電器順序控制系統(tǒng)所不能比擬的。正是由于編程的柔性特點，使PLC能大量地替代繼電器順序控制系統(tǒng)，成為當今工業(yè)控制領域的重要控制設備。在柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)和計算機集成過程控制系統(tǒng)(CIPS)中，PLC正成為主要的控制設備，得到廣泛的應用。（2）擴展的靈活性 PLC的擴展靈活性是它的一個重要的特點。它可根據(jù)應用的規(guī)模不斷擴展，即可進行容量的擴展，功能的擴展，應用和控制范圍的擴展。它不僅可以通過增加輸入輸出單元來增加點數(shù)，通過擴展單元來擴大容量和功能，也可以通過多臺PLC的通信來擴大容量和功能，甚至可通過與集散控制系統(tǒng)(DCS)或其他上位機的通信來擴展它的功能，并與外部設備進行數(shù)據(jù)的交換等。這種擴展的靈活性大大地方便了用戶。（3）操作的靈活性 操作的靈活性是指設計的工作量大大減少，編程的工作量和安裝施工的工作量大大減少，操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變得容易。在繼電器順序控制系統(tǒng)中所需的一些操作可以簡化，不同的生產過程可采用相同的控制臺或控制屏等。3.2 PLC的基本結構PLC的型號、規(guī)格繁多。它主要由中央處理單元CPU、存儲器、輸入、輸出等部分組成。1中央處理單元CPUCPU是PLC的核心，其主要作用是:（1）接收從編程器輸入的用戶程序，并存入程序存儲器中；（2）用掃描方式采集現(xiàn)場輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并存入相應的數(shù)據(jù)寄存器；（3）執(zhí)行用戶程序，從程序存儲器中逐條取出用戶程序，經過解釋程序解釋后逐條執(zhí)行，完成程序規(guī)定的邏輯和算術運算，產生相應的控制信號去控制輸出電路，實現(xiàn)程序規(guī)定的各種操作；（4）通過故障自診斷程序，診斷PLC的各種運行錯誤。因此，CPU的性能對PLC的整機性能有著決定性的影響。2存儲器PLC的存儲器用來存放程序和數(shù)據(jù)。程序分系統(tǒng)程序和用戶程序。（1）系統(tǒng)程序存儲器該存儲器存放系統(tǒng)程序（系統(tǒng)軟件）。系統(tǒng)程序是PLC研制者所編的程序，它是決定PLC性能的關鍵。系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序、解釋程序、故障自診斷程序、標準子程序及其他各種管理程序等。系統(tǒng)程序由制造廠家提供，一般都固化在ROM或EPROM中，用戶不能直接存取。系統(tǒng)程序用來管理、協(xié)調PLC各部分的工作，翻譯、解釋用戶程序，進行故障診斷等。（2）用戶程序存儲器該存儲器存放用戶程序（應用軟件）。用戶程序是用戶為解決實際問題并根據(jù)PLC的指令系統(tǒng)而編制的程序，它通過編程器輸入，經CPU存放入用戶存儲器。為便于程序的調試、修改、擴充、完善，該存儲器使用RAM。（3）變量（數(shù)據(jù)）存儲器變量存儲器存放PLC的內部邏輯變量，如內部繼電器、1/O寄存器、定時器/計數(shù)器中邏輯變臉的現(xiàn)行值等，這些現(xiàn)行值在CPU進行邏輯運算時需隨時讀出、更新有關內容，所以，變量存儲器也采用RAM?，F(xiàn)今用戶程序存儲器和變量存儲器常采用低功耗的CMOS-RAM及鏗電池供電的掉電保護技術，以提高運行可靠性。通常PLC產品資料中所指的內存儲器容量，是指用戶程序存儲器而言，且以字（16位/字）為單位來表示存儲器的容量。3輸入輸出接口（簡稱1/0）輸入輸出接口是CPU與工業(yè)現(xiàn)場裝置之間的連接部分，是PLC的重要組成部分。與微機的1/O接口工作于弱電的情況不同， PLC的I/O接口是按強電要求設計的，即其輸入接口可以接受強電信號，其輸出接口可以直接和強電設備相連接。對于小型PLC，廠家通常將1/O部分就裝在PLC的本體部分，而對于中、大型PLC各廠家通常都將1/O部分做成可供選取、擴充的模塊組件，用戶可根據(jù)自己的需要選取不同功能、不同點數(shù)的1/O組件來組成自己的控制系統(tǒng)。為便于檢查，每個1/O點都接有指示燈，某點接通時，相應的指示燈發(fā)光指示。用戶可以方便地檢查各點的通斷狀態(tài)。（1）輸入接口輸入接口的功能是采集現(xiàn)場各種開關接點的狀態(tài)信號，并將其轉換成標準的邏輯電平，送給CPU處理。一般的輸入信號多為開關量信號，各種開關量輸入接口的基本結構大同小異，常有直流和交流開關量輸入接口電路兩種。交流開關量輸入接口電路與直流開關量輸入接口電路的主要區(qū)別是，前者要由現(xiàn)場提供交流電流，輸入的交流信號經整流后得到直流，再去驅動光電耦合器。在機械設備中，除開關量外，還常遇到一些模擬量如溫度、壓力、位移和速度等。對這些模擬量進行采集時，必須經模數(shù)轉換器（ACD）將模擬量轉換成數(shù)字量，才能為PLC的CPU所接受。 （2）輸出接口為適應不同的負載，輸出接口有多種方式。常用的有晶體管輸出方式、晶閘管輸出方式和繼電器輸出方式。晶體管輸出方式用于直流負載;晶閘管輸出方式用于交流負載，繼電器輸出方式可用于直流負載，也可用于交流負載。一些PLC還具有模擬輸出接口，用于需要摸擬信號驅動的負載。4編程器編程器是PLC中一種主要的外部設備，它是開發(fā)、維護PLC控制系統(tǒng)的必備設備。編程器用于用戶程序的編制、編輯、調試、檢查和監(jiān)視，還可以通過其鍵盤去調用與顯示PLC的一些內部狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)。它通過通信端口與CPU聯(lián)系，完成人機對話連接。編程器上有供編程用的各種功能鍵和顯示燈，以及編程、監(jiān)控轉換開關。編程器的鍵盤采用梯形圖語言鍵符，也可以采用軟件指定的功能鍵符，通過屏幕對話方式進行編程。編程器有便攜式和CRT智能式兩大類，前者只能聯(lián)機編程，而后者既可聯(lián)機編程，又可脫機編程。便攜式編程器體積小，重量輕，可隨身攜帶，便于在生產現(xiàn)場使用。一般的小型PLC主要采用便攜式編程器。編程器是專用的，不同型號的PLC都有自己專用的編程器，不能通用。PLC正常工作時，不一定需要編程器。因此，多臺同型號的PLC可以只配一個編程器。5其他設備PLC的外部設備還有盒式錄音機、打印機、EPROM寫入器及高分辨率屏幕彩色圖形監(jiān)控設備等。3.3 PLC的工作原理與普通微機類似，PLC也是由硬件和軟件兩大部分組成的。在軟件的控制下，PLC才能正常地工作。軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩部分。PLC的基本工作如下:（1）輸入現(xiàn)場信息:在系統(tǒng)軟件的控制下，順次掃描各輸入點的狀態(tài);（2）執(zhí)行程序:順次掃描用戶程序中的各條指令，根據(jù)輸入狀態(tài)和指令內容進行邏輯運算;（3）輸出控制信號:根據(jù)邏輯運算的結果，輸出狀態(tài)寄存器向各輸出點并行發(fā)出相應的控制信號，實現(xiàn)所要求的邏輯控制功能。上述過程執(zhí)行完后，又重新開始，反復地執(zhí)行。每執(zhí)行一遍所需的時間稱為掃描周期。PLC的掃描周期通常為幾十毫秒。在實際應用中，大多數(shù)機械設備的工作過程可以分為一系列不斷重復的順序操作，PLC的工作方式與此相似。因此，PLC的程序可與機器的動作一一對應，程序編制簡單、直觀、不容易出錯，而且容易修改，從而大大減少了軟件的開發(fā)費用，縮短了軟件的開發(fā)周期。為了提高工作的可靠性，及時接收外來的控制命令，PLC在每次掃描期間，除完成上述三步操作外，通常還要進行故障自診斷，完成與編程器等的通信。每次掃描開始，先執(zhí)行一次自診斷程序，對各輸入輸出點、存儲器和CPU等進行診斷，診斷的方法通常是測試出各部分的當前狀態(tài)，并與正常的標準狀態(tài)進行比較，若兩者一致，說明各部分工作正常，若不一致則認為有故障。此時，PLC立即啟動關機程序，保留現(xiàn)行工作狀態(tài)，并關斷所有輸出點，然后停機。診斷結束后，如沒發(fā)現(xiàn)故障，PLC將繼續(xù)往下掃描，檢查是否有編程器等的通信請求。如果有則進行相應的處理，比如，接受編程器發(fā)來的命令，把要顯示的狀態(tài)數(shù)據(jù)、出錯信息送給編程器顯示等。處理完通信后，PLC繼續(xù)往下掃描，輸入現(xiàn)場信息，順序執(zhí)行用戶程序，輸出控制信號，完成一個掃描周期。然后又從自診斷開始，進行第二輪掃描。PLC就這樣不斷反復循環(huán)，實現(xiàn)對機器的連續(xù)控制，直到接收到停機命令，或因停電、出現(xiàn)故障等才停止工作。36吉林鐵道職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）4 PLC控制自動重合閘4 PLC控制自動重合閘4.1 PLC自動重合閘系統(tǒng)概述本文旨在設計一個以S7-200PLC為核心的控制器系統(tǒng)，實現(xiàn)對電力線路自動重合閘的控制。傳統(tǒng)的自動重合閘裝置由各種繼電器及控制開關構成（控制原理圖如圖4.1，圖4.2所示）。圖4.1 自動重合閘裝置原理框圖圖4.2 電磁式ARD裝置動作過程圖 由于連接導線繁多，繼電器的壽命有限, 容易發(fā)生裝置的誤動和拒動，影響電力系統(tǒng)的可靠性，其定時單元由機電式或晶體管式時間繼電器構成，誤差大且調整不方便，影響上下級保護裝置動作時限的配合；裝置的功能單一，不利于實現(xiàn)電力系統(tǒng)自動化，且體積大，有色金屬消耗多，噪音大。而PLC構成的ARD 裝置調試簡單，組態(tài)靈活，可靠性高，具有擴展性，可實現(xiàn)遠程通訊，因此，PLC構成的ARD裝置具有廣闊的應用前景。能克服傳統(tǒng)繼電器控制存在的不足，而且具有結線簡單，工作可靠，便于調試和維護等優(yōu)點。它一種性能較好的控制器,在惡劣的工作環(huán)境下能可靠地工作，其故障率很小。用PLC實現(xiàn)自動重合閘，可用其內部已定義的各種輔助繼電器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械觸點繼電器，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，從根本上簡化動作的物理鏈條，其控制原理如圖4.3所示。從繼電保護動作啟動開始，僅經過PLC邏輯處理后就可直接發(fā)出重合閘動作信號，動作過程無觸點參與。PLC控制方式既克服了使用傳統(tǒng)繼電器所帶來的種種弊端，又兼容傳統(tǒng)繼電器的設計思想和技術方案。用PLC實現(xiàn)自動重合閘，可用其內部已定義的各種輔助繼電器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械觸點繼電器，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，從根本上簡化動作的物理鏈條，系統(tǒng)的基本組成框圖如圖4.3所示:圖4.3 PLC實現(xiàn)ARD動作過程圖圖4.4為PLC實現(xiàn)ARD功能的系統(tǒng)原理圖:圖4.4 ARD的系統(tǒng)原理圖4.2 自動重合閘的選擇在我國的電力系統(tǒng)中三相一次重合閘方式的應用相當廣泛。三相一次自動重合閘方式是指不論在輸電線路上發(fā)生相間短路還是接地短路，繼電保護裝置將動作，斷路器將線路的三相一起斷開，然后重合閘裝置動作，將斷路器的三相一起合上的重合閘方式。當故障為瞬時性時，則重合成功；當為永久性故障時，則繼電保護再次將斷路器三相一起斷開，不再重合。本設計所用的重合閘是配電線路上用的單側電源三相一次自動重合閘。為加速切除故障，提高供電的可靠性，保證系統(tǒng)安全可靠的運行，一般有繼電保護配合工作。而繼電保護與三相一次自動重合閘的配合方式有兩種：自動重合閘前加速，自動重合閘后加速。而前加速保護主要用于35KV以下有發(fā)電廠或重要變電所引出的直配線路上，以便快速切除故障，保證母線電壓。另外從經濟和其他方面考慮，應選用前加速保護。前加速保護的優(yōu)點:（1）能夠快速地切除瞬時性故障。（2）可能使瞬時性故障來不及發(fā)展成永久性故障，從而提高重合閘的成功率。（3）能保證發(fā)電廠和重要變電所的母線電壓在0.60.7倍額定電壓以上，從而保證廠用電和重要用戶的電能質量。（4）使用設備少，只需裝設一套重合閘裝置，簡單，經濟。前加速保護的缺點:（1）斷路器工作條件惡劣，動作次數(shù)較多。（2）重合于永久性故障時，故障切除的時間可能較長。（3）如果重合閘裝置或斷路器拒絕合閘，則將擴大停電范圍。4.3 PLC的選型與設計PLC是整個控制器的核心，它性能的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的性能。通過對PLC控制功能的分析，決定采用德國西門子公司的S7-200系列PLC作為控制系統(tǒng)的核心控制器。西門子公司生產的S7200系列PLC，它結構緊湊，良好的擴展性，強大的功能指令，價格低廉，S7200的STEP7Micro/WIN32編程軟件可以方便地在WINDOWS環(huán)境下對PLC編程、調試、監(jiān)控、使得PLC編程更加方便快捷。S7200系列PLC具有以下幾方面的優(yōu)點:（1）S7200配置靈活，除主機單元外，還可擴展I/O模塊，A/D模塊，D/A模塊和其它特殊功能模塊。（2）S7200指令功能豐富，可完成各種控制，且指令執(zhí)行速度快。（3）S7200可用內部輔助繼電器M，狀態(tài)繼電器S，定時器T，寄存器D。 （4）S7200具有良好的擴展性。在1979年，微處理器技術被應用到可編程序控制器中，產生了SIMATIC S5系列，取代了S3系列，之后在20世紀末又推出了S7系列產品。最新的SIMATIC產品為SIMATIC S7、M7和C7等幾大系列。 S7200系列是一種可編程序邏輯控制器（Micro PLCs）。它能夠控制各種設備以滿足自動化控制需求。S7200的用戶程序中包括了位邏輯、計數(shù)器、定時器、復雜數(shù)學運算以及與其它智能模塊通訊等指令內容，從而使它能夠監(jiān)視輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)以達到控制目的。緊湊的結構、靈活的配置和強大的指令集使S7200成為各種控制應用的理想解決方案。S7200 CPU將一個微處理器，一個集成電源和數(shù)字量I/O點集成在一個緊湊的封裝中，從而形成了一個功能強大的微型PLC。在下載了程序之后，S7200將保留所需的邏輯，用于監(jiān)控應用程序中的輸入輸出設備。德國的西門子（SIEMENS）公司是歐洲最大的電子和電氣設備制造商，生產的SIMATIC可編程序控制器在歐洲處于領先地位。其第一代可編程序控制器是1975年投放市場的SIMATIC S3系列的控制系統(tǒng)。從CPU模塊的功能來看，SIMATIC S7200系列小型可編程序控制器發(fā)展至今，大致經歷了兩代:第一代產品其CPU模塊為CPU 21X，主機都可進行擴展，它具有四種不同結構配置的CPU單元:CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216，對第一代PLC產品不再作具體介紹。第二代產品其CPU模塊為CPU 22X，是在21世紀初投放市場的，速度快，具有較強的通信能力。它具有四種不同結構配置的CPU單元:CPU 221，CPU 222，CPU 224和CPU 226，除CPU 221之外，其他都可加擴展模塊。4.3.1 S7-200的結構圖示SIMATIC S7-200系統(tǒng)由硬件和工業(yè)軟件兩大部分構成，如圖4.5所示:圖4.5 S7-200系統(tǒng)框圖1硬件（1）基本單元 （2）擴展單元 （3）特殊功能模塊 （4）相關設備 2工業(yè)軟件 工業(yè)軟件是為更好地管理和使用這些設備而開發(fā)的與之相配套的程序、文檔及其規(guī)則的總和，它主要由標準工具、工程工具、運行軟件和人機接口等幾大類構成。4.3.2 主機結構 1各CPU介紹及I/O系統(tǒng)（1）主機外形SIMATIC S7-200系統(tǒng)CPU 22X系列PLC主機（CPU模塊）的外形如圖4.6所示:圖4.6 主機外形圖SIMATIC S7-200系統(tǒng)CPU 22X系列PLC主機及I/O特性如表4.1所示:表4.1 I/O特性表類型主機輸出類型主機輸入點數(shù)主機輸出點數(shù)可擴展模塊數(shù)CPU221DC/繼電器64無CPU222DC/繼電器862CPU224DC/繼電器14107CPU226DC/繼電器241672存儲系統(tǒng) 存儲系統(tǒng)圖如圖4.7所示:圖4.7 存儲系統(tǒng)框圖主機CPU存儲容量表如表4.2所示:表4.2 存儲容量主機CPU類型CPU221CPU222CPU224CPU226用戶程序區(qū)存儲量2048字2048字4096字4096字用戶數(shù)據(jù)區(qū)存儲量1024字1024字2560字2560字用戶存儲器類型EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM3存儲安全（1）主機CPU模塊內部配備的EEPROM，上裝程序時，可自動裝入并永久保存用戶程序、數(shù)據(jù)和CPU的組態(tài)數(shù)據(jù)。（2）用戶可以用程序將存儲在RAM中的數(shù)據(jù)備份到EEPROM存儲器。（3）主機CPU提供一個超級電容器，可使RAM中的程序和數(shù)據(jù)在斷電后保持幾天之久。（4）CPU提供一個可選的電池卡，可在斷電后超級電容器中的電量完全耗盡時，繼續(xù)為內部RAM存儲器供電，以延長數(shù)據(jù)所存的時間。（5）可選的存儲器卡可使用戶像使用計算機磁盤一樣來方便地備份和裝載程序和數(shù)據(jù)。4.3.3 S7-200的掃描周期和工作方式1掃描周期（1）輸入處理 （2）執(zhí)行程序 （3）處理通信請求 （4）執(zhí)行CPU自診斷測試 （5）寫數(shù)字輸出2工作方式 （1）STOP方式 （2）RUN方式 3改變CPU工作方式的方法 （1）用PLC上的方式開關來手動切換，方式開關有3個擋位。（2）用STEP 7-Micro/Win32編程軟件，應首先把主機的方式開關置于TERM或RUN位置，然后在此軟件平臺用鼠標單擊STOP和RUN方式按鈕即可。（3）在用戶程序中用指令由RUN方式轉換到STOP方式，前提是程序邏輯允許中斷程序的執(zhí)行。4.3.4 S7-200的輸入輸出擴展 1設備連接 圖4.8 實物圖2最大I/O配置的預算 （1）電流提供各CPU所能提供的最大5VDC電流如表4.3所示:表4.3 CPU提供的電流主機CPU類型CPU221CPU222CPU224CPU226最大擴電流（mA）03406601000（2）模塊電流CPU 22X可連接的各擴展模塊消耗5VDC電流如表4.4所示:表4.4 擴展模塊消耗電流擴展模塊編號擴展模塊型號模塊消耗電流（mA）1EM221 DI8*DC24v302EM222 DO8*DC24v503EM222 DO8*繼電器404EM223 DI4/DO4*DC24v405EM223 DI4/DO4*DC24v406EM223 DI8/DO8*DC24v807EM223 DI8*DC24v/繼電器808EM223 DI16*DC24v1609EM223 DI16/DO16*DC24v/繼電器15010EM231 AI14*12位2011EM231 AI4*熱電耦6012EM231 AI4*RTD6013EM232 AQ2*12位2014EM235 AI4/AQ1*123015EM277 PROFIBUS-DP150S7-200 CPU為每個主機數(shù)字量輸入提供了脈沖捕捉功能，它可以使主機能夠捕捉小于一個掃描周期的短脈沖，并將其保持到主機讀到這個信號，但前提是只有通過濾波器后，脈沖捕捉才有效。此外，在一個給定的掃描周期內如果有不只一個脈沖，則只有第一個脈沖可以被捕捉到，幾種情況下的脈沖捕捉波形如圖4.9所示:圖4.9 脈沖捕捉波形圖4.3.5 S7-200主機性能指標 CPU特性表如表4.5所示:表4.5 CPU特性表特性CPU221CPU222CPU224CPU226外形尺寸90*80*6290*80*60120.5*80*62190*80*62程序存儲器：可在運行模式下編輯4096字節(jié)4096字節(jié)8192字節(jié)16384字節(jié)數(shù)據(jù)存儲區(qū)2048字節(jié)2048字節(jié)8192字節(jié)10240字節(jié)掉電保持時間50小時50小時100小時100小時本機I/O口6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出擴展模塊數(shù)量0個模塊2個模塊7個模塊7個模塊高速計數(shù)器：單相/雙相4路30KHZ2路20KHZ4路30KHZ2路20KHZ6路30KHZ4路20KHZ6路30KHZ4路20KHZ脈沖輸出（DC）2路20KHZ2路20KHZ2路20KHZ2路20KHZ模擬電位器1122實時時鐘配時鐘卡配時鐘卡內置內置通訊口1-RS-4851-RS-4852-RS-4852-RS-485浮點數(shù)運算有I/O映像區(qū)256（128入/128出）布爾指令執(zhí)行速度0.22us/指令各元件介紹輸入繼電器（I）輸出繼電器（Q） 通用輔助繼電器（M） 特殊標志繼電器（SM） 變量存儲器（V） 局部變量存儲器（L） 順序控制繼電器（S） 定時器（T） 計數(shù)器（C） 模擬量輸入映像寄存器（AI）模擬量輸出映像寄存器（AQ）