毕业设计（论文）-PLC在断路器二次回路中的应用.doc

1 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 电气工程系 2012 届 电力系统自动化技术 毕业设计（论文）题目PLC 在断路器二次回路中的应用 课题内容性质工程技术研究 课题来源性质教师收集的结合生产实际的课题 校内（外）指导教师职称工作单位及部门联系电话 副教授电气工程教研室 一、题目说明（背景、目的和意义） 题目以断路器二次回路控制技术为研究对象，通过对其工作原理和控制方式的 分析，利用所学过的专业知识，设计断路器二次回路的PLC 控制系统，替代原 先的继电器控制系统。题目设计到知识内容包括：电机及拖动技术、电气控制技术、 PLC 原理及应用技术及自动控制原理等。培养学生对所学的本专业知识的综合运用 能力。 二、设计论文要求 (工作量、内容、设计成果 ) 1、设计基础资料分析 断路器控制、保护和信号回路(简称二次回路接线 )断路器控制、保护和信号回 路电路接线如图 11所示。 QF 为断路器， TA 为电流互感器， KA 为电流继电 器(GL-15、25 型)，KM 为中间继电器， WC 为控制小母线， WS 为信号小母线， WAS 为事故信号小母线， SA 为控制开关， SB 为按钮， RD 为红色指示灯， GN 为绿色指示灯， YO 为合闸线圈， YR 为跳闸线圈， SQ1、SQ2 为储能位置开关， M 为储能电机。 图 1 断路器控制、保护和信号回路原理图 图 1 为采用 CT7 型弹簧操作机构的断路器控制、保护和信号回路，SA 可采 用 LW2 或 LW5 型万能转换开关，其控制的基本要求如下: 2 (1) 只有当储能电机储能完成，才能进行合闸操作。 (2) QF 正常工作时，应是红灯亮，绿灯灭，并分别起到监视跳闸和合闸回路的 完好性。 (3) 当过电流保护装置检测到过电流信号时，应立即启动跳闸装置跳闸。 2、设计内容 （1）阐述和分析二次回路的工作原理和运行方式； （2）比较原有控制方式和PLC 控制方式的优缺点； （3）可编程控制器及器件的选择； （4）硬件电路设计； （5）梯形图设计； （6）总结； 3、设计成果 （1）毕业设计报告字数11.5 万字； （2）电路设计图（ A3cad 图纸一张）； （3）控制电器元件及设备的清单； （4）相关分析及器件选择依据（必要的计算过程）； 三、进度表 日期内容 2011-2012 学年秋 15 周(11.2812.4) 16 周(12.512.11) 17 周(12.1212.18) 18 周(12.1912.25) 19 周(12.261.1) 20 周(1.21.8) 2011-2012 学年春 第一周 第二周 消化毕业设计任务书的要求，准备设计材料 方案设计及比较 可编程控制器及器件的选择 硬件电路设计 梯形图设计 撰写毕业设计说明书 答辩 答辩 完成日期 答辩日期 四、主要参考文献、资料、设备和实习地点及翻译工作量 1袁桂慈 . 电工电子技术实践教程 . 北京:机械工业出版社， 2007. 2钱平. 大学职业技能培训教材 . 北京：高等教育出版社， 2005. 3王志锋 . 可编程控制原理与应用 . 西安：西安电子科技大学出版社， 2004.4相关电气设计手册 教研室意见： 同意 教研室主任 （签字）： 2011 年 10 月 27 日 PLC 在断路器二次回路中的应用 I 摘摘 要要 随着 PLC 应用技术的日益普推广 ，PLC 已经成为工业控制领域应用范围最广 的一种控制设备 。于是各高校机电类专业都开设了与此相关的课程。本论文详细 阐述了 PLC 在断路器二次回路中代替继电器系统的设计，对PLC 代替继电器控 制电路做了深入的研究。 本文提出解决方案为， 对高压断路器的控 制、保护和信号回路多采用传统的 继电器开关量控制方式，存在着元件多，接线繁琐，运行维护工作量大，故障多， 控制自动化程度低，可靠性差可用 PLC 进行代替 。而 PLC 作为继电器控制的替 代产品，具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、维护方便、适应环境好等等优 点，利用 PLC 对断路器二次回路进行控制无疑是较好的选择。 本文提出 的重点是 用超小型 PLC 代替继电器开关量控制 实现对断路器 二次 回路的控制 ，通过对其硬件接线图程序状态转移图和逻辑图的分析阐明了PLC 控制的优点。 关关键键词词 ：继电器控制系统； PLC； 断路器 ；二次回路 PLC 在断路器二次回路中的应用 II Abstract Pick to along with the PLC application technology daily popularization, PLC has become the field of industrial control to promote the fastest, should use the widest range of a control device, so each college of Electromechanical Specialty set up related courses. Because PLC mining with ladder diagram programming language is a relay ladder diagram based image programming language, so many factories, in the PLC system, often the original relay diagrams directly translated into PLC ladder diagram. This paper use PLC instead of relay system design methods are summarized, and a case analysis. Presents a subminiature PLC instead of relay switch quantity control of two circuit breaker control through the wiring diagram of the hardware program state transfer diagram and logic diagram analysis explained PLC control advantages Key words： relay control system ； PLC ；breaker two loop PLC 在断路器二次回路中的应用 III 目目 录录 目 录 .III 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题背景 .1 1.2 课题目的 .1 1.3 课题意义 .1 第 2 章 PLC 在变电站中的应用及发展.3 2.1 PLC 在变电站自动化中的应用 .3 2.2 PLC 在变电站继电保护中的应用.4 2.3 PLC 与继电器相比较的优缺点 .8 2.4 PLC 发展及未来展望 .12 第 3 章 断路器操作与二次回路 .15 3.1 断路器控制、保护和信号回路(简称二次回路接线 ) .15 3.2 断路器控制、保护和信号回路基本要求.16 3.3 控制电路工作原理 .16 3.4 万能转换开关的选择.16 第 4 章 断路器操作与 PLC 控制系统 .21 4.1 PLC 电气原理设计 .21 4.1.1 PLC 的程序设计 .22 4.1.2 可编程控制器的选择.22 4.1.3 PLC 电气原理设计.32 4.2 PLC 控制梯形图设计 .33 4.3 程序编程 .35 第五章 调试 .36 全文总结 .37 致谢 .38 参考文献 .39 附录 .40 断路器控制、保护和信号回路原理图.40 PLC 在断路器二次回路中的应用 1 第第 1 章章 绪论绪论 1 1. .1 1 课课题题背背景景 目前， PLC顺应时代的发展，产品的品种会更丰富、规格更齐全，日趋完美的 人机界面、完备的通信设备、和成熟的现场总线通信能力会更好地适应各种工业控 制场合的需求，将在我国电力系统自动化建设中发挥越来越大的作用。在工厂供 电系统中，对高压断路器的控制、保护和信号回路多采用传统的继电器开关量控制 方式，存在着元件多，接线繁琐，运行维护工作量大，故障多，控制自动化程度低， 可靠性差等诸多问题。而 PLC作为继电器控制的替代产品，具有可靠性高、抗干扰 能力强、编程简单、维护方便、适应环境好等等优点，利用PLC对断路器二次回 路进行控制无疑是较好的选择。 1.2 课课题题目目的的 本题目以断路器二次回路控制技术为研究对象，通过对其工作原理和控制方式 的分析，利用所学过的专业知识，设计断路器二次回路的PLC 控制系统，替代原 先的继电器控制系统 用 PLC 取代旧的继电器控制系统 ,可有效地提高控制系统的 可靠性和 经济效益。利用逻辑函数将继电器电路图转换为梯形图的设计方法,一 方面不用改动控制面板 ,保持了系统原有的外部特性 ,操作人员不用改变长期形成的 操作习惯另一方面基本不用重新设计控制程序,缩短了设计、安装和调试时间。但 在改造比较复杂的、特殊的继电器控制系统,只要掌握好内在的 规律,就能更好地 运用梯形图完成各种控制 ,在编程中就会避免一些不应有的错误,能快捷、准确地 编出功能更强、更好的程序。 题目设计到知识内容包括：电机及拖动技术、电气控制技术、PLC 原理及应 用技术及自动控制原理等。 用 PLC 代替继电器控制系统是PLC 产生的基础 ,其目 的是采用 PLC 的软件结构代替原来的继电器控制结构,是在继电器控制结构的基 础上进行 PLC 程序设计。为了适应社会要求，对将继电器图翻译成PLC 梯形图 成了高校 PLC 教学的重要课题。 培养学生对所学的本专业知识的综合运用能力。 1.3 课课题题意意义义 课题意义在于 电力系统的信息量大，控制复杂，自动化要求高，许多地方的自 动化设计都涉及到开关量的逻辑处理、模拟量闭环控制、顺序控制，例如高低压断 PLC 在断路器二次回路中的应用 2 路器和各种开关的控制均是典型的开关量逻辑控制，水轮机组的速度、温度控制 等多涉及模拟量闭环控制，火力发电厂辅助车间的工艺过程多以顺序控制为主。 以往采用电磁继电元件进行自动控制，接线复杂，功能单一，可靠性低，灵活性 差。可编程逻辑控制器 （Programmable Logic Controller，简称PLC）是微机技 术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，是专为在工业环境下应用而设计的一 种数字运算操作电子系统。它采用可编程序的存储器，执行逻辑运算、顺序控制、 定时、计数和算术运算等操作，取代了电磁继电元件庞杂的逻辑回路. 经过多年的发展， PLC 已十分成熟与完善，尤其在开关量逻辑运算和处理、顺 序控制这两方面具有显著优势，而模拟量闭环控制也已非常成熟。因此，PLC 技 术在电力系统自动控制领域 得到了广泛应用，并发展壮大，逐步淘汰了电磁继电元 件的常规控制模式。 PLC可以很容易地实现比较复杂的控制逻辑，传统的继电器系统实现同样的功能 则需要大量的控制继电器； PLC以弱电控制强电，省去大量控制继电器，节省电能， 运行成本低；对于复杂工艺的控制系统，采用PLC可以简化控制设备（箱柜），节 省设备投资； PLC改变工艺控制简便易行，传统继电器系统难以改变工艺；PLC 检修维护比较方便，需要配备的元器件少，维护成本低，节约大量有色金属； PLC控制设备占地面积小、运行噪音小、发热少、损坏元件垃圾少，利于环境； 随着计算机网络化技术的发展，我国的电力系统自动化正朝着数字化和信息化方向 发展。 当前在发电厂广泛应用的 集散型控制系统 DCS（Distributed Control System）经历了多年发展，开始减缓和停滞。新一代控制系统，现场总线控制系统 FCS (FieldBus Control System)应运而生。 FCS吸收了 DCS多年开发研究以及现场 实践的经验教训， 不仅具备 DCS的优点，而且利用现场总线跨出了革命性的一步。 随着现场总线技术的完善、热工自动化技术的发展和数字化、智能化控制仪表 的进一步开发和应用， FCS必将在电力系统得到广泛应用，使电力系统的自动化水 平提高到一个新的水平。 PLC在FCS系统中处于核心地位，因为新型的PLC具有完善的网络通信功能， 可以作为一个子站挂在高速总线上，充分发挥其对于顺序控制、开关量处理、闭环 控制的优势。因此，当前的 PLC的设计应强调能与 FCS进行通讯交换信息或遵循 现场总线通讯协议，既具有成熟的现场总线通信能力，还应能组成大型网络。可以 肯定，结合新型 PLC的FCS将具有强大的生命力。 PLC 运行维护需要比较高的专业技术等，通过这个课题对其工作原理和控制方 式，用在校期间学过的专业知识，对其加以应用及对自己所学知识的一个总结，对 所学知识进行综合应用等。 PLC 在断路器二次回路中的应用 3 第第 2 章章 PLC 在变电站中的应用及发展在变电站中的应用及发展 2 2. .1 1 P PL LC C 在在变变电电站站 自自动动化化 中中的的应应用用 PLC 构成的变压器自动化系统在中小型变电站综合自动化中的实现。它对变压器 的控制精度高，性能可靠。同时PLC 自身具备的 计算机、电子、网络通讯等特性， 使 PLC 在变电站 综合自动化中得到了广泛的应用。 可编程逻辑控制器（ PLC）作为新一化的 工业控制装置，结构简单、性能全面、 可靠性高。其突出的优点是：使用方便，具有杰出的实时功能和强大的通讯能力。 在其小小的单元中，包含了强大的功能，使之能够独立地或通过网络分布式系统轻 而易举地完成复杂的控制任务，很小的投入即能获得最有效的自动化系统，在工业 现场领域深受欢迎，特别是经过特殊模块配置后，可以在保持简单易用的特点的同 时大大扩展其应用领域。 PLC 的体积小，结构紧凑，编程方便，梯形图编程方式面 向一般电气技术人员，操作简单，维修方便，易于实现机电一体化，因而在变电站 综合自动化中得到了广泛的应用。 中小变电站综合自动化中的自动化设备有：可编程自动化监控装置、可编程变压 器自动化屏、可编程微机计量屏、可编程微机线路保护屏、可编程微机同期系统、 可编程中央信号屏、可编程电容屏、可编程微机直流电源系统等均应用了PLC 为其智能化单元，并且都能够挂网运行，方便地实现遥信、遥测、遥控功能，取代 了传统的 RTU。本文主要介绍由PLC 构成的变压器自动化部分在自动化变电站中 的实现。适用于老式变电站的自动化改造及新式变电站的建设。 在中小型变电站中，一台变压器及其配套设备一般包括：断路器及操作单元、变 压器、变压器控制屏、避雷器、差动保护屏、变压器接地系统等。下面以两种情况 分别讲述变压器的自动化构成方案。 如果断路器及操作单元、变压器、差动保护屏、变压器防雷接地系统等均为不含 智能单元及计算机接口的常规设备，那么只需将变压器控制屏部份选用可编程 （PLC）变压器自动化屏，就能构成比较完备的变压器自动化系统。其系统框图如图 2-1 所示，变电站中控室内的变压器控制屏及其配套设备分别与可编程变压器自动 化屏通过电缆直接连接，进行信息交换。中控室或远方的主计算机监控系统通过对 可编程变压器自动化屏的监控来实现对变压器的监控，其中的信息交换由主计算机 监控系统中的工控机（ IPC）与可编程变压器自动化屏中的PLC 通过工业现场通 讯网络来实现。这种变压器自动化系统一般适用于改造旧站或建设资金规模不大的 自动化新站。 可编程变压器自动化屏的组成及实现 PLC 在断路器二次回路中的应用 4 可编程变压器自动化屏的硬件设备一般包括：PLC，PLC 输入/输出信号隔离 继电器，近地操作按钮及故障事故指示灯、报警器、智能变压器油温度巡检仪， 智能信号测试议，小直流电源，通讯适配器等。 2 2. .2 2 P PL LC C 在在变变电电站站继继电电保保护护中中的的应应用用 1. 概述 提高城市供用电系统的自动化程度是电网改造的一项重要内容，而变电站保护 控制的技术水平又是其中关键环节。目前，在我国绝大多数城网变电站中，广泛应 用的继电保护装置仍是由传统的机械触点继电器构成，往往完成一种基本的保护或 控制任务都必须由多个继电器共同承担，比如一条10 kV 馈线的过流保护和自动 重合闸控制就要用到数以十计的各种继电器。由于继电器触点要经常分合动作，容 易损坏，降低了供电的可靠性，并增加了设备维护的工作量；同时，各继电器之间 大量的连接导线不仅使调试检修困难极大，还致使变电站的各部分几乎不可能被连 接成一个完整的自动化系统。因此，传统的机械触点继电器显然已不能满足变电站 自动化对继电保护装置的要求。 可编程控制器 (PLC)是一种新型微电脑式配电控制器。其主要特点是用内部已 定义的各种辅助继电器 (每个 PLC 可有多达上千个内部继电器 )代替传统的机械触 点继电器，又通过软件编程方式用内部逻辑关系代替实际的硬件连接线。正因为这 一特点，如果将 PLC 引入继电保护装置中，一方面可以克服使用传统继电器所带来 的种种弊端；另一方面，又可兼容基于传统继电器的设计思想和技术方案，尤其是 对于逻辑关系较为复杂的触点信号处理及操作出口控制，采用PLC 编程能使方案 设计工作变得更加简单方便，本文通过应用实例对此加以说明。 2. 低频减载和备用电源自动投入的PLC 程序设计 长沙新建的马王堆110 kV/10 kV 变电站，地处郊区，按无人值班标准设计。 选用的二次保护装置是法国MERLIN GERIN 公司的 SEPAM 数字式多功能继电器， 其功能框图如图 1 所示。从图中可看出，这基本上与微机保护典型图相同，稍有区 别的是，该装置将通常的计算机继电器逻辑电路分解成保护功能继电器组和PLC 2 个部分。根据不同保护对象 (主变压器差动保护、母线保护、电容器保护、线路 保护等 )，由不同保护功能继电器群组合，使装置分成若干个标准型号，其中所有的 单个功能元件均遵循正逻辑法则，在PLC 中定义动作节点。例如，一个过电压元 件动作，在 PLC 中就有一个相应的常开节点闭合(01)，而一个失压元件动作， 反映在 PLC 中也是一个相应的常开节点闭合(01)。PLC 编程使用的是与传统二 次电路图最相似的梯形图法，存放程序的EEPROM 为外插接式，便于随时修改设计 方案。 PLC 在断路器二次回路中的应用 5 图 2-1 SEPAM 装置功能框图 3.低频减载功能的设计 按照规程，变电站中应装设足够数量的自动低频减载装置。当电力系统因事故 发生功率缺额时，必须由自动低频减载装置断开一部分次要负荷，以防止频率过度 降低，并使之很快恢复到一定数值，保证系统的稳定运行和重要负荷的正常工作。 又为了保证动作的准确性，低频减载装置至少需具备下列功能： (1)为防止在系统短路过程中，由于短路功率突增使频率突降可能引起的误动作， 低频动作出口需具有频降变化率(df/dt)闭锁功能； (2)为防止在自动重合闸或备用电源自动投入动作过程中，由于失压间隔可能引 起的误动作，低频动作的出口延时需独立可调； (3)可以根据重要程序分别决定哪些负荷接入基本段(快速动作段 )及其应属 于什么频率级，又有哪些负荷接入后备段(长时限动作段 )及其应该定多长的出口 延时，并且这些接入和整定工作可在不停电的情况下进行。 在本例中， 10 kV 馈线保护装置选用SEPAM S07 型，该型号的保护功能继电 器组除了线路保护必配的过流、速断、零序过流元件之外，还包括2 个名字分别 为 F561、F562 的低频元件，借助这2 个元件可编制出符合上述要求的PLC 低频 减载程序 (见图 2-2) 由图 2 程序及注释得出： (1)F561 整定值与 F562 整定值之差为 f，T1 整定值为 t。当系统频率在 t 内从高于 F561 整定值降到低于 F562 整定值时，说明频降变化率f/t 过 高，造成系统低频的原因可能是短路功率突增或系统突然失电，而不是负荷过重， 此时低频动作出口被闭锁，反之则由继电器K7 产生 1 个出口脉冲命令作用于跳闸； (2)程序中专门设计了1 个特殊后备延时出口，其作用是，无论f/t 为 何值，只要系统频率低于动作频率整定值(F562)并在一定时间内 (T3 整定值 )无 法恢复，出口动作将负荷切除。该特殊功能可根据实际情况用PLC 的 1 个内部开 PLC 在断路器二次回路中的应用 6 关 KP1 来决定取舍。 需要说明的是， PLC 中的保护功能继电器F561、F562 节点动作值以及时间继 电器 T1、T2、T3 和内部开关 KP1，均可通过手持编程器在系统运行时进行整定设 置；开关量信号输入节点I2、I3 的状态仅取决于装置的信号输入接口与电源小母 线之间的连接片是否连通，运行人员只需通过合上相应的连接片就可决定负荷是接 入低频基本段还是低频后备段。用PLC 内部开关代替外部连接片具有同样效果， 采用外部连接片仅仅是为直观起见。 在编制低频减载程序时，传统继电器的动作时间和返回系数概念在梯形图中被 理想化了，之所以能这么处理，主要得益于PLC 的微电脑属性。 PLC 中的程序是 循环执行的，每 2 次执行之间的时间间隔 (循环周期 )，由整个装置从采样到滤波 到数据处理等各环节的时序配合决定(SEPAM 装置为 13.3 ms)，但程序本身执行 1 次的时间以微秒计，是完全可以忽略的。显然，如果在梯形图中将继电器节点放在 相应线圈的后面，节点动作时间可理想化地认为是零。这一点也是使复杂的低频减 载功能得以简单实现的重要因素。 图 2-2 线路保护 PLC 程序的低频减载部分 PLC 在断路器二次回路中的应用 7 4. 备用电源自动投入程序设计 马王堆变电站是长沙地区电网110 kV 系统的 1 个末端站，双回进线供电， 其 110 kV 侧的接线结构如图2-3 所示(隔离刀闸省略未画 )。 图 2-3 马王堆变电站 110 kV 侧接线结 备用电源自动投入方案按下列4 种运行方式设计： (1)方式 1。1 号进线供 2 台变压器， 2 号进线备用，此时断路器 502、500“合”位，504“分”位，如果 1 号进线失压，断开502、合上 504； (2)方式 2。2 号进线供 2 台变压器， 1 号进线备用，此时断路器 504、500“合”位，502“分”位，如果 2 号进线失压，断开504、合上 502； (3)方式 3。1 号、2 号进线各供 1 台变压器，此时断路器502、504“合”位， 500“分”位，如果 1 号进线失压，断开502、合上 500； (4)方式 4。1 号、2 号进线各供 1 台变压器，此时断路器502、504“合”位， 500“分”位，如果 2 号进线失压，断开504、合上 500。 备用电源自动投入的控制程序又必须符合如下一些具体要求： (1)4 种运行方式的备用电源自投功能可分别投用或退出； (2)出口只动作 1 次； (3)只有在工作电源断开后才投入备用电源； (4)当变电站发生过流故障引起进线失压时，备用电源自投功能应该闭锁，待故 障电流消除后自动延时复归。这里要注意，过流故障是否跳开进线断路器由故障保 护程序决定。 考虑到上述运行方式和具体要求，选择34 台 SEPAM B04 型装置，每台对应 1 种运行方式。利用该型装置保护功能继电器组中的低电压元件(UAB、UBC、UCA)、 过电压元件 (UAB，整定值可低于额定电压 )分别判断 1 号、2 号进线电压和桥断路 器 500 两边的母线电压是否失压或有压；又利用其中2 台装置中的过流元件分别 PLC 在断路器二次回路中的应用 8 判断进线断路器 502、504 是否流过故障 电流。对应于运行方式1、3 的 PLC 程 序逻辑框图如图 2-4 所示(因为两侧对称 关系，图中省略运行方式2、4)，每种 运行方式用 1 个内部开关 KP 来投退，由图可见，装置之间只须少量的外部导线通 过 I/O 口，就可将各程序连接起来构成1 个完整的备用电源自动投入系统，并且 这样的系统模块化程度高，便于运行管理。 内置 PLC 的继电保护装置在变电站的设计安装调试过程及随后的运行情况表明： PLC 所具有的高度灵活性能为及时解决调试过程中出现的问题提供最佳方案； PLC 的运行稳定性和动作准确性高，使继电保护更可靠；PLC 编程技术容易掌握， 而程序本身与传统的继电保护设计图十分吻合，使设计人员能充分发挥专长；应用 PLC 的继电保护设备更加标准化，选型和使用方便。 图 2-4 运行方式 1、3 的备用电源自动投入程序框图 2 2. .3 3 P PL LC C 与与继继电电器器相相比比较较的的优优缺缺点点 1. PLC 的特点 目前广泛使用的的检测方法有PLC 控制，继电器控制，单片机控制等。其中 PLC 检测控制系统应用最为广泛。因为其具有以下特点： PLC 在断路器二次回路中的应用 9 （1）可靠性 PLC 不需要大量的活动元件和连线电子元件。它的连线打打减少。与此同时，系统 的维修简单，维修时间短。 PLC 采用了一系列可靠性设计的方法进行设计。例如： 冗余的设计。断电保护，故障诊断和信息保护及恢复。 PLC 有较高的易操作性。它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不容 易发生操作的错误。 PLC 是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更 简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言。编程出错率大大降低。 （2）易操作性 对 PLC 的操作包括程序输入和程序更改的操作。程序的输入直接可接显示，更改程 序的操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻找，然后进 行更改。 PLC 有多种程序设计语言可供使用。用于梯形图与电气原理图较为接近。容易掌握 和理解。 PLC 具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故障时，通 过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快找到故障的部位。 （3）灵活性 PLC 采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程 语言。编程方法的多样性使编程简单、应用而拓展。操作十分灵活方便，监视和控 制变量十分容易。以上特点使用PLC 控制系统具有可靠性高，程序设计方便灵活， 抗干扰能力强，运行稳定等诸多优点今后PLC 控制系统还会得到更广泛的使用。 PLC 控制系统与继电器控制系统相比，有许多相似之处，也有许多不同。现将两 种控制系统进行比较。 继电器控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等 组合成控 制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增 加功能、较为困难。 另外，继电器的触点数量有限，所以继电器控制系统的灵活性和可扩展性受到 很大限制。而 PLC 采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中， 要改变控制逻辑只需 友变程序，因而很容易改变或增加系统功能。PLC 控制系 统连线少、体积小、功耗小，而且 PLC 中每只软继电器的触点数理论是无限制的， 因此其灵活性和可扩展性很好。 2.比较 PLC 与继电器控制方式的优缺点比较 （1）功能强，性能价格比高 PLC 在断路器二次回路中的应用 10 一台小型 PLC 内有成百上千个可供用户使用的编程元件（如计时器，计数器， 继电器等），有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电 器相比，具有很高的性能价格比。 （2）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件 装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系 统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC 有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。 （3）可靠性高，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触 不良，容易出现故障， PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与 输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因 触点接触不良造成的故障大为减少。 PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故 障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC 已被 广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。 （4）系统的设计、安装、调试工作量少 PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数 器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。 PLC 的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易 掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要 少得多。 PLC 的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过 PLC 上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场 的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器 系统少得多。 （5）编程方法简单 梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与 继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电 气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。 梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯 形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。 （6）维修工作量少，维修方便 PLC 的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC 或外部的输入装置和 执行机构发生故障时，可以根据PLC 上的发光二极管或编程器提供的实时梯形图 PLC 在断路器二次回路中的应用 11 的状态迅速的查明故障的原因，用修改程序或更换模块的方法可以迅速地排除故 障。 （7）体积小，能耗低 对于复杂的控制系统，使用PLC 后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器， 小型 PLC 的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确 1/2-1/10。PLC 的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线 和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。 （8）与时俱变，能实现网络通讯 PLC 可以与电脑及智能仪表等通过通信联网，实现分散控制，集中管理。并能 实现地显示出当前机械设备的工作状态和工作流程，对生产管理和现场维修带来极 大的方便。 提升产品技术含量，增加产品形象！ 对于复杂的机械设备，如果还使用传统的继电器控制，则不单加大的控制电箱 的配制难度，还让产品的最终客户觉得产品不够先进，使用信心不足，因为现在主 流机械设备都用上PLC，有 PLC 的机械品质或许更有保证，同时使用PLC 加大了 同行的仿制难度！ （9）对未来机械升级很方便 对于复杂的机械设备，如果随着时间的推移而不能满足使用的话，就必须要进 行机械设备升级改造，如果是用传统继电器控制的，则会很麻烦，基本上要把以前 的控制电箱宣布报废，但是用PLC 控制的电箱的话就很方面，只要扩展一个相关的 I/O 点，修改一下相关的控制程序就可以。 （10）控制方式： 继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极 延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。 PLC 采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑， 只需改变程序即可，称软接线。 （11）控制速度 继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械 触点有抖动现象。 PLC 是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步， 无抖动。 延时控制 继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时 精度不高，受环境影响大，调整时间困难。 PLC 在断路器二次回路中的应用 12 PLC 用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整 时间方便，不受环境影响。 PLC 和继电器逻辑控制在欧洲70 年代-现在从来没有抵触过。 PLC 和继电器在控制系统中是相辅相成，直到现在继电器从来没有停止进一步 的发展，包括 SIEMENS 在内从来没有承诺普通PLC 是安全的，如：设备的安全 控制（停电、重起、人身防护）都是由专门安全继电器来保证，所以至今欧洲还有 许多专门生产商在生产、研发。 2 2. .4 4 P PL LC C 发发展展及及未未来来展展望望 1.起源： 1968 年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。1969 年，美国 数字设备公司研制出了第一台可编程控制器 PDP14 ，在美国通用汽车公司的 生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程序 控制器，称 Programmable，是世界上公认的第一台PLC。 1969 年，美国研制出世界第一台PDP-14 1971 年，日本研制出第一台DCS-8 1973 年，德国研制出第一台PLC 1974 年，中国研制出第一台PLC 发展： 20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器， 使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控 制装置。此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机 发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller（PLC）。 20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全 面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更 可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工 业中的地位。 20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上 生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入 成熟阶段。 20 世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持 为 3040%。在这时期， PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网 络能力得到大幅度提高， PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程 控制领域处于统治地位的DCS 系统。 PLC 在断路器二次回路中的应用 13 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时 期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机 界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。 2 PLC 的国内外状况 世界上公认的第一台PLC 是 1969 年美国数字设备公司（ DEC）研制的。限于 当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC 主要由分立元件和中小规模集 成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20 世纪 70 年代初出 现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC 增加了运算、数据传送 及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、 接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图 作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时 的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全 面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更 可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工 业中的地位。 20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。 这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个 阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这 标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制 规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种 各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产 品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的 工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金 钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初 是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中 不断扩大了 PLC 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东 屋电气有限公司生产的CF 系列、杭州机床电器厂生产的DKK 及 D 系列、大连组 合机床研究所生产的S 系列、苏州电子计算机厂生产的YZ 系列等多种产品已具 备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司 等中外合资企业也是我国比较著名的PLC 生产厂家。可以预期，随着我国现代化 进程的深入， PLC 在我国将有更广阔的应用天地。 3 PLC 未来展望 PLC 在断路器二次回路中的应用 14 21 世纪， PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应 用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更 强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品 的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信 设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产 品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面， 会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控 制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。 PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它 采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、 计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种 类型的机械或生产过程。 PLC 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，它具有高可靠 性、抗干扰能力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜的特 点。 （1）产品规模向大、小两个方向发展 大：I/O 点数达 14336 点、32 位为微 处理器、多 CPU 并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。 小：由整体结构 向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。 （2）PLC 在闭环过程控制中应用日益广泛 （3）不断加强通讯功能 （4）.新器件和模块不断推出 高档的 PLC 除了主要采用 CPU 以提高处理速 度外，还有带处理器的EPROM 或 RAM 的智能 I/O 模块、高速计数模块、远程I/O 模块等专用化模块。 PLC 在断路器二次回路中的应用 15 第第 3 章章 断路器操作与二次回路断路器操作与二次回路 3 3. .1 1 断断路路器器控控制制、保保护护