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基于 PLC 的耐压试验控制系统设计 I 基于 PLC 的耐压试验控制系统设计 摘 要：本课题通过选择电容分压器法测量试验电压，同时采用全波傅立叶算法 分析谐波分量并设计滤波电路消除试验电压中的谐波，完成了工频耐压试验控制系统 的设计。设计主回路包括：接触式调压器、试验变压器、NSP 保护装置等；控制回路包 括：电压、电流、试验电压测量电路。实现了工作方式设定、动作顺序控制、耐压时 间设定、调压器位置检测与报警、试验电路过电流保护等。使用西门子 S7-300 编程软 件进行包括数字信号、模拟信号的处理以及整个控制系统的软件编程与调试。同时制 作 WINCC 界面，配合硬件控制系统实现了监控试验过程的功能。 关键词：工频耐压试验；可编程控制器；控制系统设计；组态软件 Design of Withstand Voltage Test Control System Based on PLC Abstract: This topic measure the experimental voltage by selecting method of capacitive voltage divider, and adopts the whole wave fourier algorithm analysis and design of harmonic components and filter circuits eliminate test of voltage harmonics, completed the design of control system for power frequency withstand voltage test. Design of main circuit including:- contact test transformer, NSP regulator, protector and so on; control circuit including: voltage, current, test voltage measurement circuit. Realizing the work setting, action sequence control time set, regulator, pressure test circuit for position detection and alarm, over current protection. Programming with Siemens S7-300 software include digital signal, analog signal processing and control software programming and debugging of system as a whole. At the same time making WINCC interface, with the functionality of hardware control system to achieve a monitoring test procedure. Key words: Industrial frequency pressure test；programmable controller；control system design；configuration software 基于 PLC 的耐压试验控制系统设计 II 目 录 1 引言.1 1.1 课题的背景 .1 1.2 课题的目的和意义 .1 1.3 系统设计的主要内容 .1 2 工频耐压试验原理及模拟实验电压谐波分析.2 2.1 试验原理 .2 2.2 试验电压测量方法的选择 .2 2.3 模拟试验电压谐波分析 .3 2.3.1 试验电压谐波的产生 .3 2.3.2 谐波分析算法 .4 3 工频耐压试验控制系统硬件设计.7 3.1 控制系统主回路 .7 3.2 控系统控制回路设计 .9 3.3 控制系统测量电路设计 .11 3.3.1 电压测量电路设计 .11 3.3.2 试验电压测量电路设计 .13 3.3.3 电流测量电路设计 .13 3.3.4 电源电路设计 .14 3.3.5 电源滤波电路设计 .15 3.4 PLC 控制系统整体设计方案.16 3.4.1 PLC 控制系统框图 .16 3.4.2 输入输出端口分配 .16 3.5 变频调速系统的设计 .17 3.5.1 变频器型号及相关参数 .17 3.5.2 变频器调速控制回路 .17 3.6 试验变压器的选型 .18 3.7 调压器的选型 .19 4 工频耐压试验控制系统软件设计.19 4.1 软件设计的主要任务 .19 4.2 STEP7 程序设计步骤.19 4.3 控制系统主程序设计 .20 4.4 控制系统子程序设计 .23 基于 PLC 的耐压试验控制系统设计 IV 4.4.1 模拟量信号处理 .23 4.5 控制系统上位机界面设计 .23 4.5.1 WINCC 简介 .23 4.5.2 WINCC 组态界面创建过程 .24 4.5.3 WINCC 组态界面 .24 4.5.4 试验主回路组态界面 .25 4.5.5 上位机组态界面调试 .26 结束语.28 参考文献.29 致谢.30 基于 PLC 的耐压试验控制系统设计 1 1 引言 1.1 课题的背景 电力设备在运行中，绝缘强度长期受电场、温度和机械振动的作用会逐渐发生劣 化，包括整体劣化和部分劣化，形成绝缘缺陷。而在电力系统所发生的事故中，很大 一部分都是由于设备或线路的绝缘遭到破坏所造成的。可以说，在电力系统工作中常 常由于某一部分或某一个设备的绝缘遭到破坏引起事故，破坏电力系统工作的可靠运 行，由于电气设备绝缘工作不可靠引而引起事故所带来的经济损失远远超过设备本身 的价值1。工频耐压试验就是对电力设备施加一定的电压，并保持一定时间，以考察电 力设备绝缘承受各种电压的能力。工频耐压试验能有效地发现电气设备存在的绝缘缺 陷，是考验电力设备绝缘承受各种过电压能力最严格、最有效的方法，是保证设备安 全运行的重要手段。 1.2 课题的目的和意义 为了检验电气设备的绝缘强度，使其不仅能在正常的工作电压下安全可靠的运行， 而且还必须具备耐受各种过电压的能力。这就需要使用交流、直流、冲击电流等各种 波形的高电压对电气设备绝缘进行耐压试验。进行高压电气设备或输电线路绝缘的工 频耐压实验，开展绝缘理论和应用技术的研究性试验2，确定绝缘材料的绝缘性能试 验，都需要高性能的试验电压产生设备和完善可靠的控制、测量、保护及分析环节组 成的工频绝缘耐压试验控制系统。为了确保各种高压电气设备和输电线路的绝缘能够 在现场安全可靠的运行，开展工频耐压试验的控制系统具有理论和实用价值。本课题 的研究目的和意义就在于利用可编程控制器(PLC)控制技术设计出一套硬件和软件兼容 度较好的控制系统，这套控制系统的实践应用若能成功实现于高压电器型式试验来说， 可以提高试验的自动化程度，减轻劳动强度，提高试验的数据收集，处理系统的性能， 所以这方面的研究潜力是相当大的，也有很高的实际价值。 1.3 系统设计的主要内容 针对传统手动控制系统以及工控机控制系统自身的不足，本课题设计了一套以 PLC 为核心的新型工频耐压试验控制系统。主要完成以下几方面的研究： 利用电容分压器法测量试验高电压并采用傅里叶算法对模拟试验电压谐波分量 进行分析。 控制系统的硬件设计：包括控制系统主回路、手动控制回路、PLC 控制系统、 电压电流测量电路、电源电路、电源滤波电路设计等。 控制系统的软件设计：使用西门子公司 S7-300 进行包括数字信号、模拟信号 的处理以及整个控制系统的编程及调试。制作 WINCC 组态界面，配合硬件实现实时 基于 PLC 的耐压试验控制系统设计 2 监控试验过程的功能。 对工频耐压试验控制系统进行调试，验证其综合性能。 2 工频耐压试验原理及模拟实验电压谐波分析 2.1 试验原理 工频耐压试验电源部分经调压器来改变电压幅值，并加到试验变压器原边，同时 在试验变压器副边产生一个高于试品正常工作的电压，并加在被测试品的绝缘体上， 持续 1 分钟时间3，如果其间的绝缘性足够好，加在上面的电压就只会产生很小的漏 电流并且被测试品绝缘体在耐压过程时间内没有发生击穿，就可以确定被测试品可以 在正常的运行条件下安全运行。如图 1 为工频耐压试验接线图。 图 1 工频耐压试验接线图 2.2 试验电压测量方法的选择 分压器是一种将高电压波形转换成低电压波形的转换装置，它由高压臂和低压臂 组成。输入电压加在整个装置上，而输出电压则取自低压臂。通过分压器可以解决低 压仪器测量高压峰值以及波形的问题。在工频耐压试验中，往往用到的分压器是电容 分压器。用电容分压器测量高电压的原理是将被测电压通过串联的电容分压器进行分 压4，测出其中低阻抗电容器上的电压，再用分压比算出被测电压，如图 2 所示，图 中 C1、C2分别代表高电压臂和低电压臂的电容，测量仪表接在 C2两端，可以用高阻抗 的交流电压表或静电电压表测量电压的有效值，也可以用峰值表测量电压的峰值;还可 以用示波器观察波形和测量电压的峰值。R 为并联在 C2上的一个高电阻，可以用它防 止 C2在加压前或加压后所存在的残余电压5。假定被测电压为 U，C2两端电压为 U2， 根据电流连续性原理: (1) = + = 式中:，称为电容分压比。 = + 基于 PLC 的耐压试验控制系统设计 3 图 2 电容式分压器原理图 本课题采用电容分压器法测量试验电压，其中高压臂电容量 C1=200pF，低压臂电 容量 C2=1F，额定电压 550kv，额定频率 50Hz，分压比 5000:1。经过电容分压器，我 们可以得到 0100V 的电压信号，此电压信号经过分压、整流、滤波、放大、稳压后 变为 05V 的满足 S7-300 的 A/D 输入模块要求的标准电压信号6。 2.3 模拟试验电压谐波分析 2.3.1 试验电压谐波的产生 试验电压的波形对各种试验是有不同程度的影响的。国家标准规定试验电压一般 应是频率为 45Hz65Hz 的交流电7，试验电压的波形为两个半波相同的近似正弦波， 且峰值和方均根(有效)值之比应在以内。如果谐波的方均根(有效)值不大于7.002 基波方均根值的 5%。则认为满足上述的波形要求。 以试验变压器为供电电源的高压绝缘试验系统造成试验电压波形畸变，由于变压 器的铁心的基本磁化曲线是非线性的，因此若变压器一次侧所加的电压接近为正弦波 时，变压器铁心中的主磁通也接近为正弦形，这样激磁电流 i1就是非正弦的，也就是 说除基波分量之外，还有三次、五次等谐波分量，激磁电流呈尖顶波形。当试验变压 器的前面接有调压器而且调压器的漏抗较大时，如图 3 所示。非正弦的激磁电流 i1就 会在其上产生非正弦的压降 U，如果电源电压 U1为正弦波，则因 U2=U1-U，因此试验变 压器的一次侧电压 U2必为非正弦的，变压器的高压侧输出电压 U3也因此为非正弦。 图 3 含有调压器漏抗 的试验变压器等效电 路 基于 PLC 的耐压试验控制系统设计 4 2.3.2 谐波分析算法 目前谐波分析方法有离散傅里叶变换(DFT)法、准同步法、小波变换法等。其中离 散傅里叶变换法发展很快，快速傅里叶变换(FFT)就是 DFT 的一种改进算法。由于 FFT 算法较 DFT 的计算量减少 1 到 2 个数量级，而且该方法分析谐波时，精度高、功能强、 使用方便，因此目前应用比较广泛。全波傅里叶算法具有较强的滤波能力，可以分析 所有的整数次谐波分量，而且稳定性好8。本文应用全波傅里叶算法进行基波分量和 各次谐波分量的求解，精确提取试验电压中的各次谐波分量，并进行有效的滤波处理， 使试验电压的波形满足试验标准要求。 全波傅里叶算法能有效地求解直流分量和信号中的整数次谐波分量。如输入信号 为： n n n tnUat sin)(u 1 （2） 式中：a 为直流分量； Un 为基波(n=l)分量或(n2)分量的幅值； 为基波角频率； 为基波(n=l)或(n2)分量的相位。 n 可求得： tdtntu T T n cos)( 2 a 0 （3） tdtntu T T n sin)( 2 b 0 （4） 式中:T 为基波周期； an为 n 次谐波的余弦分量； bn为 n 次谐波的正弦分量。 由 MATLAB 的软件对试验电压波形进行采样，得到的是一组离散的采样值。 具体的傅里叶算法为： N nku N N k n 2 cos)( 2 a 1 （5） 基于 PLC 的耐压试验控制系统设计 5 N nkku N N k n 2 sin)( 2 b 1 （6） 式中:N 为一个周期中的采样点数。 求得 an和 bn后，可以计算出交流分量有效值 Un。 22 u nnn ba （7） (l) 仿真模型 为分析试验电压中谐波含量，以 MATLAB 软件为工具进行模拟仿真，建立如图 4 所 示的仿真模型。模型主要包括电源模块(Subsystem)、LC 滤波元件、电阻和显示元件 (Scope)等。仿真时间选择 0.3s，选用变步长 ode45 算法。 图 4 谐波分析仿真模型 电源子模块中设置含有谐波分量的模拟分量：基波分量 220V；二次谐波分量 10V；三次谐波分量 8V；四次谐波分量 6V；五次谐波分量 4V。 ttttttt5sin44sin63sin82sin10)30(sin220)(u （8） (2) 仿真结果分析 仿真分析结果为:基波分量 220V，二次谐波含量 10V，三次谐波含量 8V，四次谐波 含量 6V，五次谐波含量 4V。从具有 2-5 次谐波的仿真结果如图 5 所示，该谐波分析算 基于 PLC 的耐压试验控制系统设计 6 法与被给定信号谐波分量的参数完成一致，可以应用该算法进行模拟试验电压的谐波 分析。 模拟试验电压谐波含量为： %5%7.310 48612 312 %100 5 1 2 5 2 2 i i i i u u （9） 图 5 滤波前傅里叶仿真结果 （3） 试验电压谐波的消除 我们知道一般高次谐波中的三次及五次谐波起主要作用，通过计算模拟试验电压 谐波含量可知此试验电压不满足试验标准，必需对试验电压进行滤波。滤波电路并联 在调压器输出电路上，分别滤除三次谐波分量与五次谐振波分量。每个滤波支路均采 用 L-C 串联谐振回路，根据来选择三次滤波参数，来选择五次滤波参 L L 3 1 3 C L 5 1 5 数，为基波角频率，即为 100。通过三次与五次滤波器，使激磁电流中三次与五次 谐波分量有了短路回路，避免在调压器的漏抗上产生三次与五次谐波压降，以保证试 验变压器输入电压为满足试验标准要求的正弦波。为了不显著增加调压设备的容量， 基于 PLC 的耐压试验控制系统设计 7 选择滤波电容时，要考虑流过滤波回路的交流电不要太大，各滤波支路的滤波电容 C 都应选择在 6F10F 范围之内。 本文中三次滤波电路滤波电容 C=10F，电感 L=110mH，五次滤波电路滤波电容 C=10F，电感 L=43mH。如图 6 所示。 通过计算可得谐波含量为 4.75%0.25U1 ? 慢速降压 下限位？ 二次侧断开 一次侧断开 结束 发生闪络击穿？ 发生闪络击穿？ 发生闪络击穿？ 发生闪络击穿？ 发生闪络击穿？ 保护动作装置 调压器归零 等待 否 否 否 否 否 否 否否 否 否 否 否 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 图 20 控制系统主程序流程图 基于 PLC 的耐压试验控制系统设计 24 在主程序流程图中，从快速升压到慢速升压的判断过程由比较器来完成，比较器 有两个触点输入端 IN1 和 IN2 进行 BIN 比较。试验电压经过子程序处理转换成对应的 实际电压存储在 MD60 寄存器中并送入 IN1，同时在 FC1 块中定义 75%Ue 值存储在 MD40 寄存器中并送入 IN2 端，两数值进行 LE 比较，如 IN1 值小于 IN2 值 LT 比较器条件满 足，试验电压小于 75%Ue，快速升压线圈 Q2.0 得电接通，调压器快速升压。当 IN1 值 大于 IN2 值 LT 比较器不满足时，说明试验电压大于 75%Ue，GT 比较器条件满足，慢速 升压线圈 Q2.1 线圈接通，开始慢速升压。降压过程中同样用到比较器，其原理与升压 过程类似，比较器工作原理如图 21 所示。 图 21 比较器工作原理图 手动控制控系统中的定时由时间继电器来完成14，PLC 控制系统则使用内部定时 器来完成定时任务，STEP7 编程软件提供了五种定时器分别为脉冲定时器(S_PULSE)、 扩展脉冲定时器(S_PEXT)、接通延时定时器(S_ODT)、保持接通延时定时器(S_ODTS)、 断开延时定时器(S_OFFDT)，试验中选用接通延时定时器(S_ODT)。主程序中定时支路 如图 22 所示。只要 I1.5 有一个上升沿，Q2.2 闭合，S_ODT 将启动定时器 T0，同时定 时器以输入端 TV 设定的时间值开始计时，时间设定格示为 S5T#1M，表示定时 1 分钟。 图 22 主程序定时支路 基于 PLC 的耐压试验控制系统设计 25 4.4 控制系统子程序设计 控制系统子程序在功能 FC1FC6 块中编写，主要任务是端口定义、赋值、数据处 理，实现实时测量电源电路的电压与电流、调压器二次侧的电压与电流、试验电压与 电流，并将测量到的各电路电压和电流在 WINCC 的单步控制试验和连续控制试验组态 界面中显示。A/D 模块输入端口定义如表 7 所示。 表 7 输入端口定义 电源电压IW256初级电流IW262 电源电流IW258试验电压IW264 初级电压IW260次级电流IW266 程序扫描过程中内部运算比较器 INZ 端口用到的 0.75%Ue 值，在子程序中用 MOVE 指令定义并保存在指定的寄存器中。 4.4.1 模拟量信号处理 工频耐压试验共有 6 个模拟量信号需要进行 A/D 转换，模拟信号经过测量电路把 模拟信号转换成标准的电压信号后通过 A/D 转换，转变为与模拟信号成比例的数字信 号，并存放在缓冲器里，CPU 通过“ L PIW x”指令读取模拟量缓冲器的内容，并传送 到指定的存储区中等待处理。CPU 通过“ T PQW x”指令把指定的数字量信号传送到模 拟量模块的缓冲器中，模拟量模块通过 D/A 转换器，把缓冲器的内容转变为成比例的 标准电压信号，标准电压信号驱动相应的执行器动作。本文中所选用的可编程控制器 A/D 模块标准量程为 05V，转换精度为 14 位，图 23 为 A/D 转换的原理图。 图 23 A/D 转换的原理图 4.5 控制系统上位机界面设计 4.5.1 WINCC 简介 组态软件是数据采集监控系统 SCADA 的软件平台工具，是工业应用软件的一个组 基于 PLC 的耐压试验控制系统设计 26 成部分。它具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。组态软件是早先单一的 人机界面向数据处理方向发展，管理的数据量越来越大。随着组态软件自身以及控制 系统的发展，监控组态软件部分地与硬件发生分离，为自动化软件的发展提供了充分 发挥作用的舞台。WINCC V6.0 采用标准 Microsoft SQF Serve2000 数据库进行生产数 据的归档，同时具有 Web 浏览器功能，可以在办公室内看到生产流程的动态画面，从 而更好地调度指挥生产，是工业企业中 MES 和 ERP 系统首选的生产实时数据平台软件。 4.5.2 WINCC 组态界面创建过程 WINCC 的基本组件包括组态软件和运行软件。WINCC 项目管理器是组态软件的核心， 对整个试验项目的数据组态和设置时进行全面的管理。使用 WINCC 运行软件，操作人 员可监控生产过程。 启动 WINCC 界面后，首先需要创建新项目。创建项目的过程包括项目类型的选 择、项目名称和项目存放的文件夹、项目属性的设定。WINCC 中的工程项目分为 3 种类 型:单用户项目、多用户项目和客户机项目。单用户项目可与多个控制器建立连接，但 只有一台 PC 机15。这台 PC 机既当作服务器，又当操作员。多用户项目中可以使用多 台计算机进行协调工作，可创建多用户项目。客户机项目具有一台或多台服务器的多 用户系统和只有一台服务器的多用户系统。本文项目类型选用单用户项目，项目名称 为“工频耐压试验控制系统”。 选择及安装通讯程序。若要使用 WINCC 来访问 PLC 的当前过程值，需要在 WINCC 与 PLC 间组态一个通讯连接。通讯将由通讯驱动程序来控制，本文选用 PROTOCOLSUITE 驱动程序。 定义变量。WINCC 的变量按照功能可分为外部变量、内部变量、系统变量和脚 本变量四种。工频耐压试验组态变量为外部变量也称为过程变量，在创建过程变量之 前，首先需要建立过程连接，在变量管理器的 TCP/IP 中建立名为“工频耐压试验”的 逻辑连接。然后定义过程变量，在变量属性中设定变量名称、数据类型。点击“选择 (S)”按钮，在地址属性中定义变量地址，此地址应与 STEP7 程序中对应变量地址一致。 过程变量定义如图 24 所示。 4.5.3 WINCC 组态界面 组态界面的设计是非常重要的，它直接关系到整套软件的美观性与可视性、直观 而具体的界面能够使操作人员轻松地掌握系统操作方法，在设计时应充分考虑界面设 计的易用性、规范性、合理性、美观与协调性、独特性、安全性等各个细节，尽量做 到界面风格统一，简单清晰；界面色彩搭配合理；界面信息量适度，合理利用表格等 更直观的形式表达原有的意思。工频耐压试验 WINCC 组态界面包括初始组态界面，试 基于 PLC 的耐压试验控制系统设计 27 验主回路组态界面，单步控制试验组态界面，连动控制试验组态界面四个部分。 图 24 定义过程变量 4.5.4 试验主回路组态界面 在初始界而中按下“试验主回路”按钮或者在图形编辑器中进入试验主回路控制 组态界面。在此界面中可以查看试验相关的参数如图 25 所示，如试验温度、试品名称、 试验日期以及电容分压比等等。同时在界面中可以观察试验主回路的变化情况，同样 设置有自动切换按钮，可以随时切换到初始画而，单步控制试验画面，连续控制试验 画面。 基于 PLC 的耐压试验控制系统设计 28 图 25 连续控制组态界面 4.5.5 上位机组态界面调试 上位机界面调试在 PC 机上完成，下位机程序编写完成并保存后，运行此程序，启 动 WINCC 运行界面，通过运行界面观察电压、电流值、指示灯变化等。最后，本文对 单步控制界面和连续控制界面进行了调试，分别如图 26 和图 27 所示。 图 26 单步控制运行界面 基于 PLC 的耐压试验控制系统设计 29 图 27 连续控制运行界面 本课题使用 STEP7 编程软件编写下位机控制程序，包括单步控制试验程序和动控 制试验