（电力系统及其自动化专业论文）基于现场总线的供用电监控系统及负荷特性研究.pdf

摘要 随着工业企业对供用电自动化水平要求的不断提高，电能质量问题也受到了更 多的关注，建立一套完善的监控系统十分必要。本论文采用现场总线技术，开发了基 于p r o f i b u s d p 总线的供用电监控系统，完成了系统的主站设计、软件缳态和人机 界面，开发了智能从站的软硬件系统，采用双级从站的方案实现了主从系统的网络连接 和数据通信。通过m a t l a b 仿真和具体实验对电压暂降情况下电动机负荷的再起动特 性进行了分析，并在供用电监控系统平台上实现了电动机负荷的再起动控制。 关键词：现场总线，p r o f i b u s d p ，监控系统，m o d b u s ，再起动控制，电 能质量，暂降 a b s t r a c t w i t hm o r ea t t e n t i o nt ot h ep o w e rq u a li t yp r o b l e mo ni n d u s t r y ，i ti sn e c e s s a r y t ob u i i dac o n s u m m a t em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m i nt h i st h e s i s ，am o n i t o ra n d c o n t r o ls y s t e mb a s e do np r o f i b u s d pf i e l db u si sd e v e l o p e d ，i n c l u d i n gt h e d e s i g no fm a s t e rs t a t i o n ，t h ec o n f i g u r a t i o no ft h es o f t w a r ea n dh m i a tt h es a m e t i m e ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fi n t e l l i g e n ts l a v es t a t i o na r ea l s o d e s i g n e d t h en e t 一1 i n ka n dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o nf r o mm a s t e rs t a t i o nt o s 1 a v es t a t i o na r ea c h i e v e dv i at h ed e s i g no fd o u b l es l a v es t a t i o ns c h e m e a c c o r d i n gt o t h es i m u l a t i o nw it hm a t l a ba n d e x p e r i m e n t ，t h e r e s t a r t c h a r a c t e r i s t i eo fi n d u c t i o n m o t o rl o a d si nt h ec a s eo fv 0 1 t a g es a gis a n a l y z e d ，t h ec o n c e p t o f i n d u c t i o n m o t o r s r e s t a r t i n gc o n t r o l is p u t f o r w a r db a s e do nt h ef ie i db u ss y s t e m p a nx u e l o n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n ga n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f h a nm i n x i a o k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ，f i e l db u s ，p r o f i b u s - - d p ，m o n i t o ra n dc o n t r o l s y s t e m ，m o d b u s ，s a g ，r e s t a r t i n gc o n t r o l ， 声明 、8 6 7 7 3 2 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于现场总线的供用电监控系 统及负荷特性研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华 北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：监日飘；至翌 。js 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：皇竺；! 华北电力大学硕十学位论文 1 1 研究背景与选题依据 第一章绪论 工业企业是电力系统最大的用电用户。近些年来，随着生产规模的不断扩 大，自动化水平的不断提高，加之人们对电能质量相关的供用电情况重视度不 断加强，已经有越来越多的工业企业意识到了对供用电情况进行监控的必要 性。完善的供用电监控系统，辅之以一些解决生产用电实际中出现的电能质 量问题的控制策略将为这些工业企业带来很大的收益。 通信是监控系统的重要组成部分，随着生产的发展，钡4 点的增多，数据信息 越来越多，相互关系也越来越复杂，传统的集散型控制系统，存在采用封闭的协 议不利于系统的互操作、模拟信号传递限制了传输媒体和拓扑结构的选择等 缺点，已不能适应设备监控系统进一步升级和业务扩展的需要。本论文将通过 现场总线方式实现监控系统的运行。现场总线是应用在生产现场，实现微机化 测量控制设备之间双向、串行、多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数 字化、多点通信的底层控制网络1 。在供用电设备自动化监控系统中采用现 场总线技术，并结合工业以太网、先进控制、数据挖掘与数据仓库等各种新技 术，可以有效解决现场的智能化仪表、控制器、执行机构等现场设备之间的数 字通讯以及这些现场用电设备和高级控制系统之间的信息传递问题，从而打 破“信息孤岛”，开发形成高度自动化、集成化的供用电监控系统。 对于电能质量问题而言，在工业现场中电压暂降已经成为危害最大的一 种现象。感应电动机”在用电设备中占的比重最大，对这些用电设备在电 压暂降情况的运行特性进行分析具有重要意义。供电系统发生暂时性故障， 如电力系统发生短路故障，继电保护装置误动作以及大容量三相电动机的切 换等都有可能使电源电压瞬时骤降至一定幅度，从而引起感应电动机短时跳 闸是常见现象。 对于电压暂降带来的电能质量问题传统的解决方法是加装诸如u p s 、 u p q r 等装置来最大程度的解决这个问题，但是受到造价和容量的限制，以及 这些装置也是处于一个发展进步的时期，技术实现仍不是十分完善，现场运 行经验并不丰富，大部分的用户现在并没有大量装设这样的装置。所以本文 将本着经济、有效的原则，提出一些实际的解决暂降问题的控制策略，诸如， 对暂降不敏感的设备可防止接触器欠压跳闸；对因暂降带来的多设备掉电， 结合感应电动机电压暂降情况下运行特性分析运用再起动控制达到有次序 的设备启动，最大限度的将损失减小。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状及前景 从监控系统的发展史中 2 j ，我们可以发现，每代新的系统的出现决不 是偶然的，它的推出都是针对老一代监控系统存在的缺陷而给出的解决方 案，最终在用户需求和市场竞争两大外因的推动下占领市场的主导地位，现 场总线和现场总线控制系统的产生也不例外。它经历了模拟仪表控制系统、 集中式数字控制系统、集散控制系统后发展而来，而当前计算机、通信和控 制技术的迅猛发展也为研究开发现场总线提供了坚实的技术基础。 ( 1 ) 模拟仪表控制系统( a c s ) 模拟仪表控制系统在六、七十年代占主导地位。其显著特点是：模拟信 号精度较低，易受外界干扰。 ( 2 ) 直接数字控制系统( d d c ) 直接数字控制系统在七、八十年代开始有应用，采用模数转换装置使控 制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度 低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。直接数字控制系统的优点是易于根据 全局的情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时机的选择上可以统一 调度和安排。不足的是，对控制器本身要求很高，在当时器件水平质次价高 的情况下，往往不能有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时， 控制器的效率和可靠性急剧下降。 ( 3 ) 集散控制系统( d c s ) 1 d c s 控制系统的出现可以说是现代工业控制领域的次飞跃，它首次提 出了“信息集中，控制分散”的控制系统构架思想，在很大程度上改善了集 中控制系统的主要缺陷：控制集中，因此危险也相对集中：很难实现复杂的 控制算法；系统维护非常复杂等等。d c s 系统在定程度上做到了“控制分 散，危险分散”，采用了模拟数字混合的系统，抗干扰能力较之先前有所增 强，同时d c s 控制系统的主控制站可以实现菲常复杂的控制算法，整个系统 的安装维护相对简单。并且，大多d c s 控制系统都引入了冗余技术，进一步 提高了系统的可靠性。因此，d c s 系统发展非常迅速，占有很大部分市场 份额，到目前为止，还显示出很强的生命力。 但是，d c s 控制系统有它的局限性。它在控制站和现场设备之削采用点 到点的连接方式，这种所谓的i 0 连接方式，传递的是4 2 0 m a ( 模拟量信 息) 或2 4 vd c ( 开关量信息) 信号。 它的主控制站完成了所有的控制指令，并没有真正体现“信息集中，控制 分散”的思想。 它的控制站和现场设备之间的连接方式，使得现场的布线和维护都非常的 4 华北电力大学硕士学位论文 复杂，可靠性不易保证。对于大范围的分布式系统，大量的i 0 电缆敷设旌 工，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。 几乎所有的d c s 控制系统在现场级采用的都是专用的网络和接口，不同厂 家的产品由各自的硬件和软件构成自己的产品体系，其中多少都含有自己的 专利技术，彼此封锁，只能通过专用网关等接口才能与其他厂商的产品进行 通信，缺乏互操作性、互换性。系统的开放性和可扩展性很差，用户的选择 余地相对较小。 现场级控制设备信息集成能力不强，控制器获取信息量有限，大量的数据 如设备参数、故障诊断和故障记录等很难得到。可维护性不足。 另外，用户为了降低企业成本，提高产品质量，以增加企业的竞争能力， 不得不扩大其生产规模，强化其生产过程，同时使得检测的点数和控制回路 数急剧上升。如此众多的检测信号汇集到d c s 的入口处，不可避免的会出现 “瓶颈”现象，导致信号堵塞，降低了系统的安全性和可靠性，因此用户迫 切需要现场总线与智能化的现场仪表，以便将一部分的控制功能下放到现场 仪表，减少d c s 处理信息的压力，增强系统的可靠性和安全性。 由于这些缺点的存在，因此吸取d c s 控制系统的优点，改善它的不足之处， 研究开发新型控制系统就显得很有必要。现场总线控制系统正是在这种背景 下应运而生的。 ( 4 ) 现场总线控制系统 速率：在一个有着3 2 个站点的分布系统中，p r o f i b u s d p 对所有 站点传送5 1 2 b i t 的输入数据和5 1 2 b i t 的输出数据，在1 2 m b i t s 时只需 1 m s 。 ( 2 ) 诊断功能：经过扩展的p r o f i b u s d p 诊断功能能对故障进行快速 定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集。这些诊断信息分三级： 本站诊断：诊断信息表示本站设备的一般运行状态，如温度过高，电压 过低： 模块诊断：诊断信息表示一个站点的莱具体i o 模块出现故障( 如8b i t 的输出模块) ： 通道诊断：诊断信息表示某个单独的输入输出位的故障( 如输出通道短路) 。 3 ，5 2 2 系统组态和设备类型 p r o f i b u s d p 允许构成单主沾或多主站系统。这就为系统组态提供了高度的 灵活性。在同一总线上最多可连接1 2 6 个站点( 主站或从站) 。系统组态的 描述包括：站数、站地址和输入输出地址的分配、输入输出数据的格式， 诊断信息的格式以及所使用的总线参数。每个p r o f i b u s d p 系统可包括以下 三种不同类型的设备： ( 】) 一类d p 主站( d p m i ) ：一类d p 主站是中央控制器，它在规定的信 息周期内与分散的站点( 如d p 从站) 交换信息。典型的主设备包括可编程 序控制器p l c 和个人计算机( p c ) 。 ( 2 ) 二类d p 主站( d p m 2 ) ：二类d p 主站是编程器、组态设备或操作面 板，在d p 系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。 ( 3 ) d p 从站id p 从站是进行输入信息采集和向控制器发送输出信息的 外围设备( 如i o 设备、驱动器、h m i 、阀门等) 。输入和输出信息量的大小 取决于设备类型。目前允许的输入和输出信息，最多不超过2 4 6 字节。 ( 4 ) 单主站系统：在总线系统的运行阶段，只有一个主站在运行。单主 华北电力大学硕士学位论文 站系统可获得最短的总线循环时问。 ( 5 ) 多主站系统：总线上连接有多个主站。这些主站与各自从站构成相互 独立的子系统。每个子系统包括一个d p m l 、指定的若干从站及可能的d p m 2 设备。任何一个主站均可读取d p 从站的输入和输出映象，但只有一个d p 主 站( 在系统主态时指定的d 跏1 ) 允许对d p 从站写入输出数据。多主站系统 的总线循环时间要比单主站系统长一些。 3 5 2 3 系统行为 p r o f i b u s d p 规范包括了对系统行为的详细描述以保证设备的可互换性。 系统行为主要取决于d p m i 的运行状态，这些状态由本地或总线的组态设备 所控制。主要有以下三种状态： ( 1 ) 停止：在这种状态下，d p m l 和d p 从站之间没有数据传输： ( 2 ) 清除：在这种状态下，d p m i 读取d p 从站的输入信息并使输出信息保持 在故障安全状态。 ( 3 ) 运行：在这种状态下，d p m l 处于数据传输阶段，循环数据通信时，d p m i 从d p 从站读取输入信息并向d p 从站写入输出信息。 d p m 设备在一个预先设定的时间间隔内以有选择的广播方式将其本地状 态周期性地发送到每一个有关的d p 从站。如果在d p m l 的数据传输阶段中发 生错误( 如一个d p 从站有故障) ，系统将作出反应，它是由组态参数“自动 清除”( a u t o _ c l e a n ) 确定的。如果此参数为真，d p m i 将所有有关的d p 从站 的输出数据立即转入故障安全状态，而d p 从站将不再为用户传输数据。在 这之后，d p m l 输入清除状态。如果此参数为假，则d p m i 即使在这个d p 从站 出错时仍停留在运行状态，然后由用户决定对系统作出什么反应。 3 5 2 4d p m i 和d p 从站间的循环数据传输 d p m i 和相关的d p 从站之间的用户数据传输是由d p m i 按照确定的递归顺 序自动进行。在对总线系统进行组态时，用户对d p 从站与d p m 的关系进行 定义并确定哪些d p 从站被纳入循环的用户数据传输，哪些被排斥在外。 d p m i 和d p 从站间的数据传输分为三个阶段；参数化，组态、数据传输。在 参数化阶段，每个d p 从站将自己的实际组态数据和从d p m l 接收到的组态数 据进行比较。只有当实际数据与所需的组态数据相匹配时，d p 从站才进入用 户数据传输阶段。因此，设备类型、数据格式和长度以及输入输出数量必须 与实际组态数据一致。这些测试可为用户提供可靠的保护以防止参数化发生 错误。除了d p m i 自动执行用户的数据传输外，新的参数化数据可应用户的 请求发送给d p 从站。 3 5 2 5d p m i 和系统组态设备回的循环数据传输 华北电力人学硕十学位论文 除主一从功能外，p r o f i b u s d p 允许主一主之间的数据通信，这些功能使组 态和诊断设备通过总线对系统进行组态。 3 5 2 6 同步和锁定模式 除d p m i 设备自动执行的用户数据循环传输外，d p 主站设备也可向单独的 d p 从站、一组从站或全体从站同时发送控制命令。这些命令是通过有选择的 广播命令发送的。它们可以使用同步及锁定模式以实现d p 从站的事件控制 的同步。当这些d p 从站接收到从主站发送来的同步命令后，即进入同步模 式。在这种模式中，所有编址的从站输出数据锁定在当前状态下。在这之后 的用户数据传输周期中，从站存储接收到的输出数据，但它的输出状态保持 不变，直到接收到下一同步命令时，所存储的输出数据才被发送到外围设备 上。用户可通过非同步命令退出同步模式。 同样锁定控制命令使得编址的从站进入锁定模式。锁定模式将从站的 输入数据锁定在当前状态下，直到主站发送下个锁定命令时才可以更新。 用户可通过非锁定命令退出锁定模式。 3 ，5 2 7 保护机制 为达到安全可靠的目的，有必要对p r o f i b u s d p 系统提供有效的保护功 能，以防止出现参数化差错或传输设备发生故障。在d p 主站和d p 从站中均 带有时问监视器。监视间隔时间在组态时加以确定。 对d p 主站，d p m l 使用数据控制定时器对从站的数据传输进行监视。每个 从站都采用各自的控制定时器。在规定的监视时间间隔中，如数据传输发生 差错，定时器就会超时。一旦发生超时，用户就会得到这个信息。如果错误 自动反应功能( h u t o c l e a r = t r u e ) 被启动，d p m i 将退出运行状态，并将所 有相关从站的输出置于故障安全状态，并进入清除状态。 对d p 从站，使用看门狗控制器检测主站和传输线路的故障。如果在一定 的时间问隔内发现没有与主站的数据通信，从站自动将其输出进入故障安全 状态。 为保证多主站系统的安全运行，有必要对d p 从站的输入和输出进行存取 保护。这就保证了只有指定的主站才能直接进行存取操作。对其它主站来说， 它只能读取从站提供的输入和输出映象，而没有存取操作权。 3 5 3p r o f i b u s d p 的扩展功能 d p 扩展功能允许非循环读写功能并中断并行与循环数据传输并行的应 答。另外，对从站参数和测量值的非循环存取可由某些诊断或操作员控制站 ( 二类主站，d p m 2 ) 来完成。有了这些扩展功能，p r o f i b u s d p 可满足某些 华北电力人学硕士学位论文 复杂设备的要求，例如过程自动化的现场设备，智能化操作设备和变频器等。 这些设备的参数往往在设备运行期间才能确定，而且与循环性测量值相比很 少有变化。因此，与高速周期性用户数据传送相比，这些参数的传送具有低 优先级。d p 扩展功能可选，与d p 基本功能兼容。d p 扩展功能的实现通常采 用软件更新的办法。d p 扩展的详细规定可参阅p r o f t b u s 技术准则2 0 8 2 号。 3 5 46 s d 文件 p r o f i b u s 设备均具有不同的性能特征”1 ，特征的不同在于现有功能( 即 i o 信号的数量和诊断信息、波特率、时间监视等) 的不同或可能的总线参 数如波特率和时间的监控不同。这些参数对每种设备类型和每个生产厂商来 说均各有差别，为达到p r o f i b u s 简单的即插即用配置，每一个p r o f i b u s 从 站或一类主站都要有一个“设备描述文件”，称为g s d 文件，用来描述 p r o f i b u s d p 设备的特性参数。标准化的g s d 数据将通信扩大到操作人员控 制一级，使用基于g s d 的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在一个总线 系统中，并且用户界面友好。 对每一种设备类型的特性，g s d 以一种准确定义的格式作了全面而明确的 描述。g s d 文件由生产厂商分别针对每一种设备类型准备并以电子设备数据 库文件的形式提供给用户，这种明确定义的文件格式允许组态系统从任何一 种p r o f i b u s 设备的设备数据库文件中方便地读出，并且在组态总线系统时 自动使用这些消息。在组态阶段，组态系统自动地对输入错误和与整个系统 有关的数据的一致性进行检查核对。g s d 文件是文本文件( t e x t ) ，无论使 用什么样的系统配置软件，都要根据g s d 文件来对设备进行配置。国际 p r o f i b u s 组织p i 提供了g s d 文件编辑软件：g s d e d i t e x e ，该软件依照 p r o f i b u s 技术标准格式规定，对用户编写的g s d 文件进行格式检查。 g s d 分为以下几部分： 总体规范：包括厂商设备名称、软硬件版本情况、支持的波特率、可能 的监控时间间隔及总线插头的信号分配。 与d p 主设备相关的规范：包括所有只适用于d p 主设备的参数( 例如可 连接的从设备的最多台数或加载卸载能力) ，从设备没有这些规定。 与从设备相关的规范：包括与从设备有关的所有规定( 如i 0 通道的数 量和类型、诊断测试的规格及i o 数据的一致性信息) 。 每种类型的d p 从设备与每种类型的一类d p 主设备一定有一个标识号。 主设备用此标识号识别哪种设备连接后不产生协议的额外开销。主设备将所 连接的d p 设备的标识号与在组态数据中用组态工具指定的标识号进行比较， 华北电力大学硕士学位论文 直到具有正确站地址的设备类型连接到总线上，用户数据才开始传送，这可 避免组念错误，从而大大提高安全级别。厂商必须为每种d p 从设备类型和 每种一类d p 主设备类型向p r o f i b u s 用户组织申请标识号。 3 5 5p r o f i b u s - - d p 行规 p r o f i b u s d p 协议只是规定了数据如何在站点间传送，用户数据不是由 d p 传输协议来评定，它的含义是在p r o f i b u s 行规中具体说明的。另外，行 规还具体规定了p r o f i b u s - d p 如何用于应用领域。使用行规可使不同厂商所 生产的不同设备互换使用，而工厂操作人员不须关心两者之间的差异。 n c r c 行规( 3 0 5 2 ) ：描述如何通过p r o f i b u s d p 对操作机器人和装配机 器人进行控制。根据详细的顺序图解，从高级自动化的角度描述机器人的运 动和程序控制。 编码器行规( 3 0 6 2 ) ：描述了带单转或多转分辨率的回转式、转角式和线 性编码器与p r o f i b u s d p 的联接。这些设备分两种等级定义了基本功能和附 加功能，例如标定、中断处理和扩展的诊断。 变速传动行规( 3 0 7 1 ) ：规定了传动设备如何参数化，以及如何传送设 定值和实际值，这样不同厂商生产的传动设备就可互换。此行规包括了对速 度控制和定位所必须的规格参数，规定了基本的传动功能而又为特殊应用扩 展和进一步发展留有余地。 操作员控制和过程监视行规( h m i ) ：规定了操作员控制和过程监视设备 如何通过p r o f i b u s d p 网络连接到更高一级自动化设备上。此行规使用扩展 的p r o f i b u s d p 功能进行通信。 华北屯力大学硕士学位论文 第四章基于p r o f i b u s - - d p 的供用电监控系统 4 1 系统主站设计 4 1 1 主站设备选型 系统主站选用西门子公司的$ i m a t i cs 7 4 0 0 的p l c 。下面做一简要概述。 圈4 1s i h a t i c s 7 4 0 0 p l c 1 负载电源( 选项)6 存储器卡( c p u4 1 3 以上) 2 后备电池( c p u4 1 3 以上) 7 m p i 多点接口 3 2 4 vd c 连接8 前连接器 4 模式开关9 前门 5 状态和故障指示灯 功能“： s i m a t i cs 7 4 0 0 有大量的助能支持，可帮助用户进行编程、启动和维护。 高速的指令处理，支持浮点数运算，用此功能可以有效地实现更为复杂的 算术运算。 方便用户的参数赋值 人机界面( h m i ) 诊断功能c p u 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录 错误和特殊系统事件( 例如：超时，模块更换，等等) 。 通讯 s m a t i cs 7 4 0 0 具有多种不同的通讯接口。 多科一通讯处理器用来连接a s i 接口、p r o f i b u s 和工业以太网总线系统。 通讯处理器用来连接点到点的通讯系统。 多点接口( m p i ) 集成在c p u 中，用于同时连接编程器、p c 机、人机界面 多点接口( m p i ) 集成在c p u 中，用于同时连接编程器、p c 机、人机界面 3 l 华北电力大学硕士学位论文 系统及其他s i m a t i cs 7 m 7 c 7 等自动化控制系统。 上层操作员站和工程师站我们采用d e l l 的g x 2 8 0 ，显示器为2 2 寸c r t ，作为 工控计算机，用做人机交互的界面，通过西门子专用的以太网卡c p l 6 1 3 ，实现 操作员站之间，操作员站和p l c 控制站之间的数据通讯。 4 1 ，2 主站组态及通信设置 4 ，1 2 1 s t e p 7 编程软件概述” 现场总线控制系统的软件开发采用运行在操作系统w i n 9 5 9 8 n t 上的s t e p 7 编程软件平台。s t e p 7 编程软件是一个用于s i m a t i c 可编程逻辑控制器的组态和 编程的标准软件包，标准软件包中提供一系列的应用工具，如：s i k a t i c 管理器、 符号编辑器、硬件诊断、编程语言、硬件组态、网络组态等。其中s i m a t i c 管理 器是它的核心，管理属于一个自动化项目的所有数据。启动s i m a t i c 管理器，编 辑所选数据所需要的工具由管理器自行启动，可执行控制软件生成过程的各个阶 段，包括项目的建立和管理。硬件与网络的组态和参数分配，符号管理，程序的 生成和下装，现场控制器的测试及对生产设备故障的诊断等。如图4 2 所示。 7 f诊断功能j 、一一一一7 ? 。 ，五，i 、 l 变量 i ，、一一 ，一，一 l a d ，s t l i f b d 、 l程序 j 、一一，7 图4 2s t e p 7 功能 s t e p 7 编程软件的另一个特点是编程语言非常丰富，有l a d ( 梯形图) ，s t l ( 语 句表) ，f b d ( 状态图) 等，用户根据需要可以选择一种或几种语言编程，它使控制 程序的编程工作大大简化，对用户来说，开发、输入，西门子s t e p 7 运用结构化 程序设计，用文件块的形式管理用户程序及程序运行所需的数据，如果这些文件 块是子程序，可以通过调用语句，将它们组成结构化的用户程序。这样，p l c 的 程序组织明确，结构清晰，易于修改，通常，用户程序由组织块( 0 b ) 、功能块( f b 、 f c ) 、数据块( d b ) 构成，其中o b 是系统操作与用户应用程序在各种条件下的接口， 界面，用于控制程序的运行。 、一、 o 络一 一卟膊一 磊! ，又 华北电力大学硕十学位论文 利用s t e p 7 可以很方便地创建一个自动化解决方案。自动化系统的设计流程 如图4 3 所示。 设计控制器缎态和程序 启动s t e p 7 并创建项目 配置硬件和建立连接 模块组态 网缨站的组态 辐邻站连接的组态 定义符号 生成用户程序 在程序中调用块 定义本地符号 生成参考数据 配置硬件和建立连接 下戴程序 测试程序和错误诊断 打印程序和归档 图4 3s t e p 7 系统设计流程图 4 1 ，2 2 主站硬件配置和组态 基于前面所述的p r o f i b u s d p 网络设计方案和上述硬件选型，进行系统器件 选型后，在s t e p 7 编程环境中，首先生成工程项目，调用本项目的 l j c o n f i g 程 序，进行系统硬件组态和网络配置。启动s i m a t i c 管理器进入s 7 4 0 0 站的h w c o n f l 6 窗口，打开p r o f i b u s d p 文件夹中的硬件目录，从软件提供的硬件库选取 本项目所需的s 7 4 0 0 系列c p u 模板、电源模板、输入输出模板、通讯模板等组态 现场控制器主站和从站，先组态主站，再组态从站。具体包括系统组件的型号、 名称及数量，硬件模块的预置参数，如地址、量程等，配置列表中模块的排列次 序必须和实际安装次序一致，模块的订货号也必须和硬件模块相一致，否则下载 n c p u 会提示出错。硬件配置如图4 4 所示。 完成p r o f i b u s d p 网络的硬件后，要使系统通信正常，必须为每一工作站分 配一个指定的地址。s 7 的站地址是在s t e p 7 内用组态软件进行设定，服务器和工 程师站的站地址用s e tp g p c 接口对c p l 6 1 3 进行设定。组态过程中，最主要的工 作就是给网络接点即各从站分配网络地址和确定它们之间的传输协议。具体的传 华北电力大学硕士学位论文 输协议在后面的部分会详细介绍。项目的连接组态如图4 5 所示。 4 2 系统从站设计 图4 4系统硬件匹配 图4 5 硬件连接组态 系统采用两级从站的设计方法，该方法不但扩充了从站的数量，而且使得二 级从站的设计更为简捷可靠。下面将对这种设计思想做具体介绍。 4 ，2 1 一级从站设计 系统的一级从站采用了一种总线桥的设计方法，由总线桥做一级从站与 主站进行连接，与主站的接口支持d p 协议，与二级从站的接口遵循r s 4 8 5 的 电气规定，总线桥将具有r s 2 3 2 4 8 5 接口的设备连接至u p r o f i b u s 总线上，使设备 成为p r o f i b u s 总线上的一个从站。 该桥的技术指标如下： 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) p r o f i b u s d p v o 协议，符合：j b t1 0 3 0 8 3 - 2 0 0 1 ：测量和控制数字数据通信 工业控制系统用现场总线第3 部分：p r o f i b u s 规范； ( 2 ) 标准p r o f i b u s - d p 驱动接口，波特率自适应，最大波特率6 l ； ( 3 ) p r o f i b u s 输入输出数量可自由设定，最大输入输出：i n p u tb y t e s + o u t p u t b y t e s 2 3 2b y t e s ；m a xi n p u tb y t e s 1 2 2b y t e s ：m a xo u t p u tb y t e s = 1 ) i f ( ( c r c & 0 x 8 0 0 0 ) ! = o ) c r c = 1 ；c r c “= 0 x 1 0 2 1 ； e l s ec r c = 1 ： i “( + p t r & i ) 1 2 0 ) e r e “= 0 x 1 0 2 1 ； ) p t r 卜+ ； ) r e t u r n ( c r c ) ； ) 3 9 华北电力大学硕士学位论文 4 3 系统主从站通信调试 4 3 1 系统主从站通信组态 利用s t e p 7 编程软件，采用l a d ( 梯形图) 编程方法对主从站的通信设置进行 组态。 在完成了总线桥从站的硬件配置之后，要对p r o f i b u s 输入输出与r s 4 8 5 报 文格式进行设置。以一个定时发送数据给从站的程序为例： 图4 8 为这个梯形图程序的简要过程。 报文的通信状态字： p r o f i b u s 输入地址通信状态字 1 1 0 接受完毕发送允许r e o k _ t r e n 1 1 1 正在发送报文标记t r _ i n g 1 1 2 正在接收报文标记r e _ i n g 1 1 3 1 1 6不用 1 1 7 奇偶校验错标记o e _ e r 报文的通信控制字 p r o f i b u s 输出地址 通信控制宇 q 1 0 启动发送标记s t a r tt r q 1 1 q 1 5 不用 q 1 6强置等待接收状态s e t _ r e q 1 7强置接收完毕发送允许状态s e t _ t r t * 哇t ：了l t l t ； 鬯：i _ i t v a t r kl ；n t l t ： 瓦i 蕞一一一一一一 福；谝蒜一一 0 一一。一一。，。，。，。， h 芸要_ 二主_ 华北电力人学硕士学位论文 1 6 6 h 啊b t 叱k ：t i c l e 1 ) 1 1 o = 覆壤托评旺e n ；0 1 畦厝z ；g 2 2 】h 5 0 o 是周期为l 硅舫熊谜时讳脉冲 t 携发送剐现蛹设备 3 ) 由于0 l0 必短谋捧到n 0 = 0 f 始i i t l = o 时，嫩濑。上0 e 栋记5 t a 【ccr： 0 1 0 由o 受l _ 廖针r s 一2 3 2 j 螭棒。b 2 一o b l i 中1 0 + 因此鬻f i f 0 1 0 8 擦：当笈送 s o 0i 4 3 2 g s d 文件 图4 8 一个定时发送数据给从站的程序 作为该编译环境要完成d p 网络的数据读写操作，需要对d p 从站有相应的描 述性文件，也就是g s d 文件，可参照西门子产品手册g s d 代码的编制和修改方法 进行编写。下面是一部分g s d 代码： # p r o f i b u sd p ；u n i t d e f i n i t i o n l i s t ： g s dr e v i s i o n = 2 v e n d o rn a m e = ”d sc o 1 t d ” m o d e ln a r l e = ”p b b r s 2 3 2 ，4 8 5 ，v 3 ” r e v i s i o n = ”v 1 2 ” i d e n tn u m b e r = 0 x 0 0 8 0 p r o t o c o li d e m = o s t a t i o n _ t y p e = 0 h a r d w a r e _ r e l e a s e = ”v i 0 ” s o f t w a r e _ r e l e a s e = ”v 2 0 ” 9 6 _ s u p p = 1 1 9 2 一s u p p = 1 华北电力大学硕士学位论文 4 5 4 5 一s u p p 2 1 9 3 7 5 _ s u p p = l 18 7 + 5 _ s u p p = l 5 0 0s u p p 2 l 1 5 ms u p p = l 3 m _ s u p p 2 l 6 m _ s u p p = l ；1 2 m _ s u p p = l ；波特率设定 其他的包括d p 从站的数据读入读出方式、长度等设定的g s d 文件的编写大体与之 相同，编译完成后的g s d 文件需要复制到：s i e m e n s s t e p 7 s 7 d a t a g s d 目录下， 从而完成对d p 从站的描述。 4 3 3 数据通信协议 为保证数据通信的严谨性和通用性，通信数据帧的格式采用了在工业数 据通信系统中常用的m o d b u s 协议格式。 m o d b u s 协议最初由m o d i c o n 公司开发出来，在1 9 7 9 年末该公司成为施耐德 自动化( s c h n e i d e ra u t o m a t i o n ) 部门的一部分，现在m o d b u s 已经是工业领域全 球最流行的协议。此协议支持传统的r s 一2 3 2 、r s - 4 2 2 、r s 一4 8 5 和以太网设备。 许多工业设备，包括p l c ，d c s ，智能仪表等都在使用m o d b u s 协议作为他们之间 的通讯标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监 控。 下表是一部分常用的m o d b u s 支持的功能码“1 功能码名称作用 0 1 读取线圈状态取得一组逻辑线圈的当前状态( o n o f f ) 0 2 读取输入状态取得一组开关输入的当前状态( o n o f f ) 在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制 0 3读取保持寄存器 值 在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制 0 4 读取输入寄存器 值 0 5 强置单线圈强置一个逻辑线圈的通断状态 0 6 预置单寄存器 把具体二进值装入一个保持寄存器 华北电力大学硕士学位论文 通信数据( 信息帧) 格式见下表： 数据格式 地址码 功能码数据区校验码 数据长度1 字节1 字节n 字节1 6 位c r c 码 图4 9s t e p 7 中的数据传输 图4 9 表示的是一个s t e p 7 中数据传输的调试过程。 4 4 人机界面 在监控系统的人机交互软件设计中，以运行在w i n d o w s 2 0 0 0 州上的w i n c c 6 0 软件为开发平台。w i n c c 6 0 在目前人机接口软件系统的所有组态软件中功能比 较强大，采用w l n c c 多用户系统服务器客户机结构可以很容易地组成s c a d a 集中监控系统，同时w i n c c 6 0 提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及 报表的功能模块。高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据使其具 有高度的实用性。集成通过o d b c 和s q l 方式的归档数据访问，以及通过o l e 2 0 和a c t i r e 控件的对象和文档的链接。另外，主站选用s 7 4 0 0p l c 及其编程工 具s t e p 7 。与w i n c c 同为德国s i e 赫e n s 公司的产品，w i n c c 本身提供与s 7 - - 4 0 0p l c 的通讯驱动软件，使p l c 与上位计算机的通讯连接变得高效、紧密。 在完成了w i n c c 服务器配置和与p l c 的驱动安装之后，进行人机监控界面的设 计。图4 1 0 建立的是通信数据与监控界面功能块的连接。 华北电力大学硕士学位论文 图4 一l o功能块连接 通过功能块的连接使主站与从站通信的数据上传显示至1 w i n c c 的动画界面 中，w i n c c 的动画编辑功能十分强大，可以十分直观的对监控系统的设备进行状 态监测和指令控制。 使用w i n c c 编辑库中的元件模块组成可视化的人机界面，需要对界面中的元 件显示的数据进行数据连接，图4 1l 做的就是这样一个工作。 图4 1 l 界面中的数据链接 完成所有设备的编译连接后，要对所有组态设备进行编译下载。图4 一1 2 表 示的就是这一过程。 华北电力大学硕士学位论文 图4 1 2组态完成后的编译 这样就得到了完整的人机监控界面，如图4 一1 3 。 图4 1 3人机界面 4 5 华北电力人学硕士学位论文 第五章电动机类负荷再起动控制及特- 眭分析 随着企业的不断发展，电网规模相应扩大，电网结构也相应复杂，企业的 供配电系统发生事故、故障的几率也相应增加。感应电动机在用电设备中占 的比重最大，对这些用电设备的运行特性进行分析具有重要意义。供电系统 发生暂时性故障，如电力系统遭受雷击，发生短路故障，继电保护装置误动 作以及大容量三相电动机的切换等都有可能使电源电压瞬时骤降至一定幅 度，从而引起感应电动机短时跳闸是常见现象。有统计表明，目前在工业现 场中电压暂降已经成为危害最大的一种电能质量问题。这种现象在工业现场 中常被称为“晃电”。 以抚顺石油石化三厂为例，该厂采用6 6 k v 供电，双回供电系统，双母 线带旁路，中性点经消弧线圈接地，两台主变等级为6 6 6 k v ，容量为 2 5 0 0 0 k v a ，厂变电室负责车间生产供电，一部分负荷为6 k v 供电，一部分 通过次级变压器变成3 8 0 v 系统进行供电。该厂有各类感应电动机1 千多台。 石化企业属于连续性生产企业，此种性质的生产企业中有大量设各在工艺流 程上是不允许电动机跳闸停机，一旦出现电压暂降现象，会引起重要电机停 机，导致生产过程紊乱，使生产装置停车。这对化工企业的安全、长周期、 高负荷生产造成严重的不利影响。，并造成设备损坏、环境污染甚至伤亡事 故的发生，同时给企业造成巨大的经济损失。据不完全统计，该厂每年会发 生2 3 次此类现象，均对生产过程造成了不同程度的影响，直接、间接的 经济损失达上千万元。 对于电压暂降和短时中断带来的影响最根本的解决方法是改善系统侧输 入，避免这一现象的发生。也可有补偿性的措施，加装诸如u p s 、u p o r 等装 置来最大程度的解决这个问题，但是受到造价和容量的限制，以及这些装置 也是处于一个发展进步的时期，技术仍不是十分完善，现场运行经验并不丰 富，大部分的用户还不能接受这样等级的装置。 5 1电动机再起