终稿 PLC实现自动重合闸设计.doc

吉林大学网络教育学院毕业论文设计（论文）摘要吉林大学网络教育学院毕业论文设计专业 电气工程及其自动化指导教师 孙吉 学生 董克洋 学号11233108130005题目自动重合闸装置设计 2014年4月23日摘要 据统计，系统中永久性故障一般不到10%，其余故障都是由于雷击过电压引起的绝缘子表面闪络，大风时的短时碰线，树枝落在导线上等引起的瞬时故障。当系统出现故障时，保护立刻动作使线路或设备断电，在非常短暂的时间内，故障点的电弧就会自动熄灭，使绝缘自动恢复。此时自动重合闸装置动作，自动将断路器合上，恢复系统正常运行。针对传统的电磁式重合闸装置存在动作级数多，触点粘连等不可靠因素，采用PLC实现自动重合闸，对其进行硬件设计和软件编程，所用元件极少，故障率大大降低，克服了电磁式重合闸控制方式的不足。控制柔性好，控制系统的供电可靠性高。分析了传统继电器式自动重合闸装置存在的缺点，提出利用PLC设计自动重合闸装置，绘出梯形图。关键词：可编程逻辑控制器（PLC），自动重合闸，可靠性，应用II 吉林大学网络教育学院毕业论文设计（论文）目录目 录摘 要IAbstractII1 绪 论12 自动重合闸22.1 自动重合闸的定义22.2 自动重合闸的基本概念22.2.1 自动重合闸的作用32.2.2 自动重合闸的要求32.2.3 自动重合闸的选择原则32.2.4 自动重合闸的启动方式42.3 自动重合闸的构成和原理42.3.1 正常情况52.3.2 故障情况62.3.3 手动跳闸62.3.4 手动合闸63 可编程控制器73.1 PLC的特点73.2 PLC的基本结构103.3 PLC的工作原理124 PLC控制自动重合闸134.1 PLC自动重合闸系统概述134.2 自动重合闸的选择154.3 PLC的选型与设计154.3.1 S7-200的结构图示164.3.2 主机结构174.3.3 S7-200的扫描周期和工作方式194.3.4 S7-200的输入输出扩展204.3.5 S7-200主机性能指标214.4 S7-200的软件编程234.4.1 编程语言234.4.2 显示面板244.4.3 特殊功能模块254.5 软硬件设计254.5.1 I/O地址分配表254.5.2 梯形图264.5.3 PLC硬件接线图264.5.3 二次控制回路接线26总 结29参考文献30致 谢31附 录325 吉林大学网络教育学院毕业论文设计（论文）1 绪论1 绪 论自动重合闸（ARD）装置是将因故障跳开后的断路器按需要自动投入的一种自动装置。电力系统运行经验表明，架空线路绝大多数的故障都是瞬时性的，永久性故障一般不到10%。因此，在由继电保护动作切除短路故障后，电弧将自动熄灭，绝大多数情况下短路处的绝缘可以自动恢复。因此，自动将断路器重合，不仅提高了供电的可靠性，减少了停电损失，而且提高了电力系统的暂态稳定水平。随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，对电力需求愈来愈大，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，用户对供电质量和供电可靠性要求越来越高，甚至连发生电源的瞬时中断也不能忍受。“电力法”和“承诺制”的公布和贯彻执行，要求电力供应部门提供安全、经济、可靠和高质量的电能。传统的技术和管理手段已无法适应新的形势，PLC自动重合闸就是为了这一目的而提出来的。先进PLC的发展代表着国家的综合科技实力和水平，目前许多先进工业国家都已将PLC技术列为21世纪高科技发展计划。其发展呈现两个突出特点:一个是在横向上，PLC的应用领域在不断的扩大，正从传统的制造向人类工作和生活的各种领域扩展，PLC的种类日趋增多；另一方面是在纵向上，随着需求范围的扩大，PLC的结构和形态发展多样化，高端系统呈现明显的仿生和智能特征，其特性不断提高，功能不断扩展和完善，各种PLC向更智能化和人类社会更密切的融合方向发展。 吉林大学网络教育学院毕业论文设计（论文）2 自动重合闸2 自动重合闸2.1 自动重合闸的定义所谓自动重合闸装置，是将因故障跳开后的断路器按需要自动投入的一种自动装置。电力系统采用自动重合闸装置，极大地提高了供电的可靠性，减少了停电损失，而且还提高了电力系统的暂态稳定水平，增强了线路的送电容量。运行经验表明，架空线路大多数故障是瞬时性的，如:（1）雷击过电压引起绝缘子表面闪络。（2）大风时的短时碰线。（3）通过鸟类身体（或树枝）放电。此时，若重合闸保护动作熄弧故障消除合断路器恢复供电，手动（停电时间长）效果不显著，自动重合闸效果明显。自动重合闸对暂时性故障，可迅速恢复供电，从而能提高供电的可靠性。对两侧电源线路，可提高系统并列运行的稳定性，从而提高线路的输送容量，而且还可以纠正由于断路器或继电保护误动作引起的误跳闸。一般应用1KV及以上电压的架空线路或电缆与架空线路的混合线路上，只要装有断路器，一般应装设ARD。但是，ARD本身不能判断故障是瞬时性的，还是永久性的。所以若重合于永久性故障时，其不利影响:（1）使电力系统又一次受到故障的冲击；（2）使断路器的工作条件恶化（因为在短时间内连续两次切断短路电流）。据运行资料统计，ARD成功率为60%90%，经济效益很高，得到了广泛的应用。2.2 自动重合闸的基本概念按重合闸的动作来分，可分为电气式和机械式。按重合闸作用于断路器的方式，可分为三相普通重合闸、单相重合闸和综合重合闸三种。按重合闸的构成原理来分，可分为电磁式、晶体管式、集成电路式、数字（微机）式。按动作次数来分，可分为一次式和多次式。按使用条件来分，可分为单侧电源重合闸和双侧电源重合闸。双侧电源重合闸又可分为检定无压重合闸、检定同期和不检定三种。2.2.1 自动重合闸的作用架空线路故障大都是“瞬时性”的故障，在线路被继电保护迅速动作控制断路器断开后，故障点的绝缘水平可自行恢复，故障随即消失。此时，如果把断开的线路断路器重新合上，就能够恢复正常的供电。此外，也有“永久性故障”，“永久性故障”在线路被断开之后，它们仍然是存在的，即使合上电源，也不能恢复正常供电。因此，在电力系统中采用了自动重合闸装置，即是当断路器由继电保护动作或其它非人工操作而跳闸后，能够自动控制断路器重新合上的一种装置。大大提高供电的可靠性，减少线路停电的次数。在高压输电线路上采用重合闸，可以提高电力系统并列运行的稳定性。在架空线路上采用重合闸，可以暂缓架设双回线路，以节约投资。对断路器本身由于机构不良或继电保护误动作而引起的误跳闸，也能起纠正的作用。但是，当重合于永久性故障上时，它也将带来一些不利的影响，如:（1）使电力系统又一次受到故障的冲击。（2）由于断路器在很短的时间内，连续切断两次短路电流，而使其工作条件变得更加恶劣。2.2.2 自动重合闸的要求正常运行时，当断路器由继电保护动作或其它原因而跳闸后，自动重合闸装置均应动作。由运行人员手动操作或通过遥控装置将断路器断开时，自动重合闸不应起动。继电保护动作切除故障后，自动重合闸装置应尽快发出重合闸脉冲。自动重合闸装置动作次数应符合预先的规定。自动重合闸装置应有可能在重合闸以前或重合闸以后加速继电保护的动作，以便加速故障的切除。在双侧电源的线路上实现重合闸时，重合闸应满足同期合闸条件。当断路器处于不正常状态而不允许实现重合闸时，应将自动重合闸装置闭锁。2.2.3 自动重合闸的选择原则（1）三相普通一次重合闸方式适用于110kv及以下的电网中，特别是对于集中供电地区的密集型环网中，线路跳闸后不进行重合闸也能稳定运行的线路，适用于单侧电源辐射形式线路，不适用于大机组出口处。（2）单相重合闸及综合重合闸方式适用于220kv及以上的电网中，当发生单相接地故障时，如果使用三相重合闸不能保证系统的稳定性，或者地区系统会出现大面积停电，或者会导致重要负荷停电时，特别是大型机组的高压配电线路，使用三相重合闸的线路，在使用单相重合闸时对系统恢复供电有较好的效果。（3）检定无压或检定同期重合闸方式适用于两端均有电源的线路以及不允许非同期合闸的线路，双回线路上可直接检定另一回线路上有电流来判定同期。（4）非同期重合闸方式并列运行的发电厂或电力系统之间应有三条或三条以上紧密联系的线路，非同期重合闸时产生的冲击电流未超过规定的允许值，重合后电力系统可以很快恢复同期运行时，在非同期重合闸所产生的振荡过程中，对重要负荷的影响较小。2.2.4 自动重合闸的启动方式自动重合闸有两种启动方式:断路器控制开关位置与断路器位置不对应启动方式和保护启动方式。不对应启动方式的优点:简单可靠，还可以纠正断路器误碰或偷跳，可提高供电可靠性和系统运行的稳定性，在各级电网中具有良好运行效果，是所有重合闸的基本启动方式。其缺点是:当断路器辅助触点接触不良时，不对应启动方式将失效。保护起动方式，是不对应启动方式的补充。同时，在单相重合闸过程中需要进行一些保护的闭锁，逻辑回路中需要对故障相实现选相固定等，也需要一个保护启动的重合闸启动元件。其缺点是，不能纠正断路器误动。2.3 自动重合闸的构成和原理电磁式三相一次自动重合闸的原理接线图如图2.1所示:图2.1 自动重合闸原理接线图2.3.1 正常情况断路器处于合闸状态，QF1断开2KM失电2KM1断开。而SA处在合后位置，其触点SA21-23接通，触点SA2-4断开重合闸投入，指示灯HL亮。重合闸继电器的电容C经4R充电，经1015s后，电容器C两端电压等于电源电压，此电压可使中间继电器KM起动。2.3.2 故障情况断路器跳开后，QF1闭合2KM得电2KM1闭合起动KTKT经过约0.51s的延时KT1闭合电容器C放电KM起动闭合其常开触点KM1、KM2、KM3发出合闸脉冲。(1)若为瞬时性故障断路器合闸后，KM因电流自保持线圈失去电流而返回。同时，2KM失电2KM1断开KT失电，触点KT1断开电容器C经4R重新充电，经1015s又使电容C两端建立电压。整个回路复归，准备再次动作。(2)若为永久性故障断路器合闸后，继电保护动作再次将断路器断开QF1闭合2KM得电2KM1闭合，KT起动KT1经过约0.51s的延时闭合电容器C放电。2.3.3 手动跳闸SA发出预跳命令其触点SA2-4接通将C上的电荷瞬时放掉。SA发出跳闸命令其触点SA6-7接通断路器跳闸2KM1闭合KT起动，经过约0.51s的延时KT1闭合。这时，储能电容器C两端早已没有电压，KM不能起动重合闸不能重合。2.3.4 手动合闸SA发出跳闸命令SA5-8触点闭合，接通合闸回路，QF合闸。SA25-28触点闭合，起动加速继电器3KM。当合于故障线路时，保护动作，经3KM的常开触点使QF加速跳闸。C尚未充满电，不能使KM起动，所以断路器不能自动重合。说明:防跳继电器1KPJL的功用，在手动合闸及自动重合闸过程中防止断路器跳跃。如:当KM1、KM2、KM3接点卡住或粘住时，可以由1KM来防止将断路器多次重合到永久性故障上。 吉林大学网络教育学院毕业论文设计（论文）3 可编程控制器3 可编程控制器可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列的优点。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐。因而在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支柱之一。由于PLC在不断发展，因此，对它下一个确切的定义是困难的。在二十世纪七十年代PLC 问世后，由美国电气制造商协会（National Electric Manufacturer Associa-tion-NEMA）对PLC下过如下的定义：PLC是一种数字式的电子装置，它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。1982年，国际电工委员会（International Electrical Committee-IEC）颁布了PLC标准草案，1985年提交了第2版，1987年的第3版对PLC作了如下的定义：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及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，它有与其他顺序控制装置不同的特点。3.1 PLC的特点PLC能如此迅速发展的原因是由于它具有通用计算机所不及的一些下列特点:1可靠性高可靠性对于可以维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。PLC的可靠性高，表现在下列几方面:（1）与继电器逻辑控制系统比较，PLC可靠性提高的主要原因:1）PLC不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少。与此同时，系统的维修简单、维修时间缩短，因此可靠性得到提高。2）PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如冗余设计、掉电保护、故障诊断和信息保护及恢复等，使可靠性得到提高。3）PLC有较强的易操作性，它具有编程简单、操作方便、维修容易等特点，因此对操作和维修人员的技能要求降低，容易学习和掌握，不容易发生操作的失误，可靠性高。（2）与通用的计算机控制系统比较，PLC可靠性提高的主要原因:1)）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系统更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了经简化的编程语言，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。因此，PLC的可靠性较通用计算机控制系统的可靠性有较大提高。2）在PLC的硬件设计方面，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;采用先进的工艺制造流水线生产;对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等，设有对电源的掉电保护、存储器内容的保护并采用看门狗和其他自诊断措施、便于维修的设计等等。3）在PLC的软件设计方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波、软件自诊断、简化编程语言、信息保护和恢复、报警和运行信息的显示等等。一份用户选用PLC原因的调查报告指出，在各种选用PLC的原因中，第一位的原因是由于PLC可靠性高的用户达93%。其次，才是性能和维修方便等原因。可见，可靠性高是PLC的主要特点。2易操作性PLC的易操作性表现在下列三个方面:（1）操作方便 对PLC的操作包括程序输入的操作和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需的地址编号、继电器编号或触点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT屏幕上显示。所以PLC具有操作方便的特点。（2）编程方便 PLC有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，梯形图由于与电气原理图较为接近，容易掌握和理解，所以有利于程序的编写和学习。采用布尔助记符编程语言时，由于符号是功能的简单缩写，十分有利于编程人员的编程。虽然功能表图、功能模块图和高级描述语句的编程方法应用尚未普及，但是，由于它们具有功能清晰、易于理解等优点，正为广大技术人员所接纳和采用，并发挥出更有效的功能特点。（3）维修方便 PLC所具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低了。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可根据有关故障信号灯的提示和故障代码的显示，或通过编程器和CRT屏幕的显示，很快地找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间。为便于维修工作的开展，有些PLC的制造企业提供了维修用的专用仪表或设备，提供了故障树等维修用的资料。有些厂商还提供维修用的智能卡件或插件板，使维修工作变得十分方便。 PLC的面板和结构的设计也考虑了维修的方便性，例如，对需维修的部件设置在便于维修的位置，信号灯设置在易于观察的部位，接线端子采用便于接线与更换的类型等，这些设计使维修工作能方便地进行，从而大大节省维修时间。采用标准化元件和标准化工艺生产流水线作业，使维修用的备品备件简化，也使维修变得方便。3灵活性PLC的灵活性表现在下列三方面:（l）编程的灵活性 PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块图和语句描述编程语言，只要掌握其中一种语言就可以进行编程。编程方法的多样性使编程方便，应用面拓展。由于采用软连接的方法，在生产工艺流程更改或者生产设备更换时，可以不必改变PLC的硬设备，通过程序的编制与更改就能适应生产的需要。这种编程的灵活性是继电器顺序控制系统所不能比拟的。正是由于编程的柔性特点，使PLC能大量地替代继电器顺序控制系统，成为当今工业控制领域的重要控制设备。在柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)和计算机集成过程控制系统(CIPS)中，PLC正成为主要的控制设备，得到广泛的应用。（2）扩展的灵活性 PLC的扩展灵活性是它的一个重要的特点。它可根据应用的规模不断扩展，即可进行容量的扩展，功能的扩展，应用和控制范围的扩展。它不仅可以通过增加输入输出单元来增加点数，通过扩展单元来扩大容量和功能，也可以通过多台PLC的通信来扩大容量和功能，甚至可通过与集散控制系统(DCS)或其他上位机的通信来扩展它的功能，并与外部设备进行数据的交换等。这种扩展的灵活性大大地方便了用户。（3）操作的灵活性 操作的灵活性是指设计的工作量大大减少，编程的工作量和安装施工的工作量大大减少，操作十分灵活方便，监视和控制变得容易。在继电器顺序控制系统中所需的一些操作可以简化，不同的生产过程可采用相同的控制台或控制屏等。3.2 PLC的基本结构PLC的型号、规格繁多。它主要由中央处理单元CPU、存储器、输入、输出等部分组成。1中央处理单元CPUCPU是PLC的核心，其主要作用是:（1）接收从编程器输入的用户程序，并存入程序存储器中；（2）用扫描方式采集现场输入状态和数据，并存入相应的数据寄存器；（3）执行用户程序，从程序存储器中逐条取出用户程序，经过解释程序解释后逐条执行，完成程序规定的逻辑和算术运算，产生相应的控制信号去控制输出电路，实现程序规定的各种操作；（4）通过故障自诊断程序，诊断PLC的各种运行错误。因此，CPU的性能对PLC的整机性能有着决定性的影响。2存储器PLC的存储器用来存放程序和数据。程序分系统程序和用户程序。（1）系统程序存储器该存储器存放系统程序（系统软件）。系统程序是PLC研制者所编的程序，它是决定PLC性能的关键。系统程序包括监控程序、解释程序、故障自诊断程序、标准子程序及其他各种管理程序等。系统程序由制造厂家提供，一般都固化在ROM或EPROM中，用户不能直接存取。系统程序用来管理、协调PLC各部分的工作，翻译、解释用户程序，进行故障诊断等。（2）用户程序存储器该存储器存放用户程序（应用软件）。用户程序是用户为解决实际问题并根据PLC的指令系统而编制的程序，它通过编程器输入，经CPU存放入用户存储器。为便于程序的调试、修改、扩充、完善，该存储器使用RAM。（3）变量（数据）存储器变量存储器存放PLC的内部逻辑变量，如内部继电器、1/O寄存器、定时器/计数器中逻辑变脸的现行值等，这些现行值在CPU进行逻辑运算时需随时读出、更新有关内容，所以，变量存储器也采用RAM。现今用户程序存储器和变量存储器常采用低功耗的CMOS-RAM及铿电池供电的掉电保护技术，以提高运行可靠性。通常PLC产品资料中所指的内存储器容量，是指用户程序存储器而言，且以字（16位/字）为单位来表示存储器的容量。3输入输出接口（简称1/0）输入输出接口是CPU与工业现场装置之间的连接部分，是PLC的重要组成部分。与微机的1/O接口工作于弱电的情况不同， PLC的I/O接口是按强电要求设计的，即其输入接口可以接受强电信号，其输出接口可以直接和强电设备相连接。对于小型PLC，厂家通常将1/O部分就装在PLC的本体部分，而对于中、大型PLC各厂家通常都将1/O部分做成可供选取、扩充的模块组件，用户可根据自己的需要选取不同功能、不同点数的1/O组件来组成自己的控制系统。为便于检查，每个1/O点都接有指示灯，某点接通时，相应的指示灯发光指示。用户可以方便地检查各点的通断状态。（1）输入接口输入接口的功能是采集现场各种开关接点的状态信号，并将其转换成标准的逻辑电平，送给CPU处理。一般的输入信号多为开关量信号，各种开关量输入接口的基本结构大同小异，常有直流和交流开关量输入接口电路两种。交流开关量输入接口电路与直流开关量输入接口电路的主要区别是，前者要由现场提供交流电流，输入的交流信号经整流后得到直流，再去驱动光电耦合器。在机械设备中，除开关量外，还常遇到一些模拟量如温度、压力、位移和速度等。对这些模拟量进行采集时，必须经模数转换器（ACD）将模拟量转换成数字量，才能为PLC的CPU所接受。 （2）输出接口为适应不同的负载，输出接口有多种方式。常用的有晶体管输出方式、晶闸管输出方式和继电器输出方式。晶体管输出方式用于直流负载;晶闸管输出方式用于交流负载，继电器输出方式可用于直流负载，也可用于交流负载。一些PLC还具有模拟输出接口，用于需要摸拟信号驱动的负载。4编程器编程器是PLC中一种主要的外部设备，它是开发、维护PLC控制系统的必备设备。编程器用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视，还可以通过其键盘去调用与显示PLC的一些内部状态和系统参数。它通过通信端口与CPU联系，完成人机对话连接。编程器上有供编程用的各种功能键和显示灯，以及编程、监控转换开关。编程器的键盘采用梯形图语言键符，也可以采用软件指定的功能键符，通过屏幕对话方式进行编程。编程器有便携式和CRT智能式两大类，前者只能联机编程，而后者既可联机编程，又可脱机编程。便携式编程器体积小，重量轻，可随身携带，便于在生产现场使用。一般的小型PLC主要采用便携式编程器。编程器是专用的，不同型号的PLC都有自己专用的编程器，不能通用。PLC正常工作时，不一定需要编程器。因此，多台同型号的PLC可以只配一个编程器。5其他设备PLC的外部设备还有盒式录音机、打印机、EPROM写入器及高分辨率屏幕彩色图形监控设备等。3.3 PLC的工作原理与普通微机类似，PLC也是由硬件和软件两大部分组成的。在软件的控制下，PLC才能正常地工作。软件分为系统软件和应用软件两部分。PLC的基本工作如下:（1）输入现场信息:在系统软件的控制下，顺次扫描各输入点的状态;（2）执行程序:顺次扫描用户程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑运算;（3）输出控制信号:根据逻辑运算的结果，输出状态寄存器向各输出点并行发出相应的控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。每执行一遍所需的时间称为扫描周期。PLC的扫描周期通常为几十毫秒。在实际应用中，大多数机械设备的工作过程可以分为一系列不断重复的顺序操作，PLC的工作方式与此相似。因此，PLC的程序可与机器的动作一一对应，程序编制简单、直观、不容易出错，而且容易修改，从而大大减少了软件的开发费用，缩短了软件的开发周期。为了提高工作的可靠性，及时接收外来的控制命令，PLC在每次扫描期间，除完成上述三步操作外，通常还要进行故障自诊断，完成与编程器等的通信。每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入输出点、存储器和CPU等进行诊断，诊断的方法通常是测试出各部分的当前状态，并与正常的标准状态进行比较，若两者一致，说明各部分工作正常，若不一致则认为有故障。此时，PLC立即启动关机程序，保留现行工作状态，并关断所有输出点，然后停机。诊断结束后，如没发现故障，PLC将继续往下扫描，检查是否有编程器等的通信请求。如果有则进行相应的处理，比如，接受编程器发来的命令，把要显示的状态数据、出错信息送给编程器显示等。处理完通信后，PLC继续往下扫描，输入现场信息，顺序执行用户程序，输出控制信号，完成一个扫描周期。然后又从自诊断开始，进行第二轮扫描。PLC就这样不断反复循环，实现对机器的连续控制，直到接收到停机命令，或因停电、出现故障等才停止工作。35 吉林大学网络教育学院毕业论文设计（论文）4 PLC控制自动重合闸4 PLC控制自动重合闸4.1 PLC自动重合闸系统概述本文旨在设计一个以S7-200PLC为核心的控制器系统，实现对电力线路自动重合闸的控制。传统的自动重合闸装置由各种继电器及控制开关构成（控制原理图如图4.1，图4.2所示）。图4.1 自动重合闸装置原理框图图4.2 电磁式ARD装置动作过程图 由于连接导线繁多，继电器的寿命有限, 容易发生装置的误动和拒动，影响电力系统的可靠性，其定时单元由机电式或晶体管式时间继电器构成，误差大且调整不方便，影响上下级保护装置动作时限的配合；装置的功能单一，不利于实现电力系统自动化，且体积大，有色金属消耗多，噪音大。而PLC构成的ARD 装置调试简单，组态灵活，可靠性高，具有扩展性，可实现远程通讯，因此，PLC构成的ARD装置具有广阔的应用前景。能克服传统继电器控制存在的不足，而且具有结线简单，工作可靠，便于调试和维护等优点。它一种性能较好的控制器,在恶劣的工作环境下能可靠地工作，其故障率很小。用PLC实现自动重合闸，可用其内部已定义的各种辅助继电器代替传统的机械触点继电器，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，从根本上简化动作的物理链条，其控制原理如图4.3所示。从继电保护动作启动开始，仅经过PLC逻辑处理后就可直接发出重合闸动作信号，动作过程无触点参与。PLC控制方式既克服了使用传统继电器所带来的种种弊端，又兼容传统继电器的设计思想和技术方案。用PLC实现自动重合闸，可用其内部已定义的各种辅助继电器代替传统的机械触点继电器，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，从根本上简化动作的物理链条，系统的基本组成框图如图4.3所示:图4.3 PLC实现ARD动作过程图图4.4为PLC实现ARD功能的系统原理图:图4.4 ARD的系统原理图4.2 自动重合闸的选择在我国的电力系统中三相一次重合闸方式的应用相当广泛。三相一次自动重合闸方式是指不论在输电线路上发生相间短路还是接地短路，继电保护装置将动作，断路器将线路的三相一起断开，然后重合闸装置动作，将断路器的三相一起合上的重合闸方式。当故障为瞬时性时，则重合成功；当为永久性故障时，则继电保护再次将断路器三相一起断开，不再重合。本设计所用的重合闸是配电线路上用的单侧电源三相一次自动重合闸。为加速切除故障，提高供电的可靠性，保证系统安全可靠的运行，一般有继电保护配合工作。而继电保护与三相一次自动重合闸的配合方式有两种：自动重合闸前加速，自动重合闸后加速。而前加速保护主要用于35KV以下有发电厂或重要变电所引出的直配线路上，以便快速切除故障，保证母线电压。另外从经济和其他方面考虑，应选用前加速保护。前加速保护的优点:（1）能够快速地切除瞬时性故障。（2）可能使瞬时性故障来不及发展成永久性故障，从而提高重合闸的成功率。（3）能保证发电厂和重要变电所的母线电压在0.60.7倍额定电压以上，从而保证厂用电和重要用户的电能质量。（4）使用设备少，只需装设一套重合闸装置，简单，经济。前加速保护的缺点:（1）断路器工作条件恶劣，动作次数较多。（2）重合于永久性故障时，故障切除的时间可能较长。（3）如果重合闸装置或断路器拒绝合闸，则将扩大停电范围。4.3 PLC的选型与设计PLC是整个控制器的核心，它性能的好坏直接影响到整个系统的性能。通过对PLC控制功能的分析，决定采用德国西门子公司的S7-200系列PLC作为控制系统的核心控制器。西门子公司生产的S7200系列PLC，它结构紧凑，良好的扩展性，强大的功能指令，价格低廉，S7200的STEP7Micro/WIN32编程软件可以方便地在WINDOWS环境下对PLC编程、调试、监控、使得PLC编程更加方便快捷。S7200系列PLC具有以下几方面的优点:（1）S7200配置灵活，除主机单元外，还可扩展I/O模块，A/D模块，D/A模块和其它特殊功能模块。（2）S7200指令功能丰富，可完成各种控制，且指令执行速度快。（3）S7200可用内部辅助继电器M，状态继电器S，定时器T，寄存器D。 （4）S7200具有良好的扩展性。在1979年，微处理器技术被应用到可编程序控制器中，产生了SIMATIC S5系列，取代了S3系列，之后在20世纪末又推出了S7系列产品。最新的SIMATIC产品为SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。 S7200系列是一种可编程序逻辑控制器（Micro PLCs）。它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。S7200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7200成为各种控制应用的理想解决方案。S7200 CPU将一个微处理器，一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC。在下载了程序之后，S7200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。德国的西门子（SIEMENS）公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的SIMATIC可编程序控制器在欧洲处于领先地位。其第一代可编程序控制器是1975年投放市场的SIMATIC S3系列的控制系统。从CPU模块的功能来看，SIMATIC S7200系列小型可编程序控制器发展至今，大致经历了两代:第一代产品其CPU模块为CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元:CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216，对第一代PLC产品不再作具体介绍。第二代产品其CPU模块为CPU 22X，是在21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信能力。它具有四种不同结构配置的CPU单元:CPU 221，CPU 222，CPU 224和CPU 226，除CPU 221之外，其他都可加扩展模块。4.3.1 S7-200的结构图示SIMATIC S7-200系统由硬件和工业软件两大部分构成，如图4.5所示:图4.5 S7-200系统框图1硬件（1）基本单元 （2）扩展单元 （3）特殊功能模块 （4）相关设备 2工业软件 工业软件是为更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序、文档及其规则的总和，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几大类构成。4.3.2 主机结构 1各CPU介绍及I/O系统（1）主机外形SIMATIC S7-200系统CPU 22X系列PLC主机（CPU模块）的外形如图4.6所示:图4.6 主机外形图SIMATIC S7-200系统CPU 22X系列PLC主机及I/O特性如表4.1所示:表4.1 I/O特性表类型主机输出类型主机输入点数主机输出点数可扩展模块数CPU221DC/继电器64无CPU222DC/继电器862CPU224DC/继电器14107CPU226DC/继电器241672存储系统 存储系统图如图4.7所示:图4.7 存储系统框图主机CPU存储容量表如表4.2所示:表4.2 存储容量主机CPU类型CPU221CPU222CPU224CPU226用户程序区存储量2048字2048字4096字4096字用户数据区存储量1024字1024字2560字2560字用户存储器类型EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM3存储安全（1）主机CPU模块内部配备的EEPROM，上装程序时，可自动装入并永久保存用户程序、数据和CPU的组态数据。（2）用户可以用程序将存储在RAM中的数据备份到EEPROM存储器。（3）主机CPU提供一个超级电容器，可使RAM中的程序和数据在断电后保持几天之久。（4）CPU提供一个可选的电池卡，可在断电后超级电容器中的电量完全耗尽时，继续为内部RAM存储器供电，以延长数据所存的时间。（5）可选的存储器卡可使用户像使用计算机磁盘一样来方便地备份和装载程序和数据。4.3.3 S7-200的扫描周期和工作方式1扫描周期（1）输入处理 （2）执行程序 （3）处理通信请求 （4）执行CPU自诊断测试 （5）写数字输出2工作方式 （1）STOP方式 （2）RUN方式 3改变CPU工作方式的方法 （1）用PLC上的方式开关来手动切换，方式开关有3个挡位。（2）用STEP 7-Micro/Win32编程软件，应首先把主机的方式开关置于TERM或RUN位置，然后在此软件平台用鼠标单击STOP和RUN方式按钮即可。（3）在用户程序中用指令由RUN方式转换到STOP方式，前提是程序逻辑允许中断程序的执行。4.3.4 S7-200的输入输出扩展 1设备连接 图4.8 实物图2最大I/O配置的预算 （1）电流提供各CPU所能提供的最大5VDC电流如表4.3所示:表4.3 CPU提供的电流主机CPU类型CPU221CPU222CPU224CPU226最大扩电流（mA）03406601000（2）模块电流CPU 22X可连接的各扩展模块消耗5VDC电流如表4.4所示:表4.4 扩展模块消耗电流扩展模块编号扩展模块型号模块消耗电流（mA）1EM221 DI8*DC24v302EM222 DO8*DC24v503EM222 DO8*继电器404EM223 DI4/DO4*DC24v405EM223 DI4/DO4*DC24v406EM223 DI8/DO8*DC24v807EM223 DI8*DC24v/继电器808EM223 DI16*DC24v1609EM223 DI16/DO16*DC24v/继电器15010EM231 AI14*12位2011EM231 AI4*热电耦6012EM231 AI4*RTD6013EM232 AQ2*12位2014EM235 AI4/AQ1*123015EM277 PROFIBUS-DP150S7-200 CPU为每个主机数字量输入提供了脉冲捕捉功能，它可以使主机能够捕捉小于一个扫描周期的短脉冲，并将其保持到主机读到这个信号，但前提是只有通过滤波器后，脉冲捕捉才有效。此外，在一个给定的扫描周期内如果有不只一个脉冲，则只有第一个脉冲可以被捕捉到，几种情况下的脉冲捕捉波形如图4.9所示:图4.9 脉冲捕捉波形图4.3.5 S7-200主机性能指标 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程序存储器：可在运行模式下编辑4096字节4096字节8192字节16384字节数据存储区2048字节2048字节8192字节10240字节掉电保持时间50小时50小时100小时100小时本机I/O口6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出扩展模块数量0个模块2个模块7个模块7个模块高速计数器：单相/双相4路30KHZ2路20KHZ4路30KHZ2路20KHZ6路30KHZ4路20KHZ6路30KHZ4路20KHZ脉冲输出（DC）2路20KHZ2路20KHZ2路20KHZ2路20KHZ模拟电位器1122实时时钟配时钟卡配时钟卡内置内置通讯口1-RS-4851-RS-4852-RS-4852-RS-485浮点数运算有I/O映像区256（128入/128出）布尔指令执行速度0.22us/指令各元件介绍输入继电器（I）输出继电器（Q） 通用辅助继电器（M） 特殊标志继电器（SM） 变量存储器（V） 局部变量存储器（L） 顺序控制继电器（S） 定时器（T） 计数器（C） 模拟量输入映像寄存器（AI）模拟量输出映像寄存器（AQ） 高速计数器（HC）累加器（AC） S7-200将编程元件统一归为存储器单元，存储单元按字节进行编址，无论所寻址的是何种数据类型，通常应指出它在所在存储区域和在区域内的字节地址。每个单元都有惟一的地址，地址用名称和编号两部分组成，元件名称（区域地址符号）如表4.6所示:表4.6 S7-200编程单元原件符号（名称）所在数据区域位寻址格式其他寻址格式I（输入继电器）数字量输入映像位区A x.yA TxO(输出继电器)数字量输入映像位区A x.yA Tx M（通用辅助继电器）内部存储器标志位区A x.yA Tx SM（特殊标志继电器）特殊存储器标志位区A x.yA Tx S（顺序控制继电器）顺序控制继电器存储器区A x.yA TxV（变量存储器）变量存储器区A x.yA Tx L（局部变量存储器）局部存储器区A x.yA TxT（定时器）定时器存储器区A Y无C（计数器）计数器存储器区A Y无AI（模拟量输入映像寄存器）模拟量输入存储器区无A TxAQ（模拟量输出映像寄存器）模拟量输出存储器区无A TxAC（累加器）累加器区A Y无HC（高速计数器）高速计数器区A Y无4.4 S7-200的软件编程STEP 7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。4.4.1 编程语言1语句表语句表（STL）语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员。用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言，STEP 7 Micro/Win32的语句表如下所示:NETWORK 1 /NETWORK TITLE(single line)/NETWORK COMMENTS/LD I0.0 /load a bitO I0.5 /or a bitA I0.1 /and a bitLD I0.6 A I0.7OLD /orloadA I0.2A I0.3A I0.4= Q10.0 /output a bit2梯形图 图4.10 梯形图3功能块图 图4.11 功能块图4其他编程语言SIMATIC工业软件中的工程工具中为大型或中型PLC提供了许多高级编程工具，如以下几种:（1）S7-SLC和 M7-Pro C/C+（2）S7-GRAPH（3）S7-