无功补偿PLC控制系统说明书毕业论文.docx

无功补偿PLC控制系统说明书毕业论文目录第一章 绪论11.1选题的背景及意义11.1.1设计选题背景11.1.2无功补偿及其自控系统的发展趋势21.2无功补偿系统31.2.1无功补偿系统的组成31.2.2 PLC无功补偿系统优点4第二章无功补偿原理52.1无功补偿的基本原理52.1.1 无功补偿功补偿的基本原理52.2无功补偿的基本思想62.2.1无功补偿基本思想62.3矿热炉无功补偿的基本方法72.3.1高压补偿72.3.2中压补偿82.3.3低压补偿82.4低压补偿应用82.4.1低压补偿应用82.4.2选择合适的补偿位置82.5并联电容器补偿容量的计算92.5.1补偿电容器容量计算92.6理论补偿结果估算92.6.1投入电容器组与功率因数变化关系92.6.2理论补偿估算10第3章 无功补偿控制系统硬件设计113.1总体设计113.1.1功能要求113.1.2系统框架设计113.2可编程控制器PLC选型123.2.1 PLC系列选型123.2.2 S7-200系列各型号CPU比较163.2.3 PLC模拟量模块选型173.3电压信号采集173.3.1电压互感器选型173.3.2电压变送器选择193.4电流信号采集203.4.1电流互感器选型203.4.2电流变送器选型223.5功率因数的采集233.5.1功率因数测量器件选型243.6谐波测量信号采集243.7补偿电容器选型263.7.1补偿电容选择26第四章 无功补偿系统控制程序设计294.1软件设计304.1.1流程图设计304.2.2 PLC I/O分配表32表2324.2.3软件设计部分33第五章 上位组态的设计365.1上位组态设计365.1.1添加新工程365.1.2数据库组态设计415.1.3动画与数据库连接455.2报表、趋势数据记录465.2.1实时趋势画面设计465.2.2报表设计48设计总结53参考文献54外文翻译55英文原文55中文译文62致谢68附录 程序清单69第一章 绪论1.1选题的背景及意义1.1.1设计选题背景矿热炉又称电弧电炉或电阻电炉。它主要用于还原冶炼矿石等矿石原料。主要生产硅铁，锰铁，铬铁、钨铁、硅锰合金等，是冶金工业中重要的设备。其采用碳质或镁质耐火材料作炉衬，使用自培电极。电极插入炉料进行埋弧操作，利用电弧的能量及电流通过炉料时因炉料的电阻而产生能量来熔炼金属，是一种陆续加料，间歇式出铁渣，连续作业的一种工业电炉。矿热炉变压器的负载连续、平稳，阻抗电压低，调压级数较多，级差较小过载能力强。可分为有载、无励磁调压两种。一般前几级恒流容量输入，后几级恒电流输出，矿热炉主要由炉壳，炉盖、炉衬、短网，水冷系统，排烟系统，除尘系统，电极壳，电极压放及升降系统，上下料系统，把持器，烧穿器，液压系统，矿热炉变压器及各种电器设备等组成。根据矿热炉的结构特点以及工作特点，矿热炉的系统电抗的70是由短网系统产生的，而短网是一个大电流工作的系统，最大电流可以达到上万安培，因此短网的性能决定了矿热炉的性能，正是由于这个原因，因此矿热炉的自然功率因数很难达到0.85，绝大多数的炉子的自然功率因数都在0.70.8之间，较低的功率因数不仅使变压器的效率下降，消耗大量的无功功率，且被电力部分加收额外的电力罚款，同时由于电极的人工控制以及堆料的工艺，导致三相间的电力不平衡加大，最高不平衡度可以达到20以上，这导致冶炼效率的低下，电费增高，因此提高短网的功率因数，降低电网不平衡就成了降低能耗，提高冶炼效率的有效手段。如果采取适当的手段，提高短网功率因数，可以达到非常好的效果。一般情况下为了解决矿热炉功率因数低下的问题，我国目前一般采用电容补偿的方式，通常是在高压端进行无功补偿，但是由于高压端补偿不能解决三相平衡的问题，而且由于短网的感抗占整个系统感抗的70以上，因此高压端补偿并没有达到降低短网系统感抗，提高短网功率因数，增加变压器出力的目的，仅仅是对供电部门有意义。因此目前也有部分单位在新建炉子上采取了高低压同时进行无功补偿的措施，来解决以上的问题，在短网端进行补偿能够大幅提高短网端的功率因数，降低电耗。针对电炉变压器低压侧短网的大量无功消耗和不平衡性的问题，同时兼顾有效提高功率因数而实施无功补偿技术改造，从技术上来讲是可靠、成熟的，从经济上来讲，投入和产出是成正比的。矿热炉低压侧短网无功消耗和其布置长度不一致导致的三相不平衡现象而实施的无功就地补偿，无论在提高功率因数、吸收谐波，还是在增产、降耗上，都有着高压补偿无法比拟的优势。但是由于成本较高，同时由于工作环境恶劣，因此寿命受到极大的影响，同时短网低压端无功补偿也带来了谐波增加，因此又必须采取措施来抑制谐波，从而使投入加大，投资回收周期加长，同时后续维护费用高，综合效益不佳。 目前在国内冶炼行业，由于其工作电极属于强电感性负载，导致电网中存在很大无功损耗，致使电网功率因数降低，电网供电质量变差，矿热炉工作效率降低，使得降低矿热炉无功损耗、改善电网供电质量从而提高能效、降低消耗的重要性尤为突出。电加热型矿热炉工作在140V左右的低电压下，并且电极电流高达几万安培，要对这么大的电流进行无功补偿，给控制上提出许多难题。所以设计出适合矿热炉的低压无功补偿控制装置，可提高功率因数，增加产品产量，降低电耗，其社会效益和经济效益是非常显著的。1.1.2无功补偿及其自控系统的发展趋势从上个世纪五十年代开始,我们国家就有许多电力行业的科技工作人员从事着低压无功功率补偿装置的研究，为了改善电网的质量和降低线损，配电室一般都会安装无功补偿装置。我们国家低压无功补偿装置发展主要经历了静态无功补偿装置和动态无功补偿装置阶段。美国英国等过在80年代末就有DSTATC投入无功补偿的运行，之后虽有发展，但是应用并不广泛。静态无功功率补偿装置主要是3个时期，分别为：（1）70年代以前补偿装置主要有刀熔开关和电力电容器组成。其缺点是不能随着负载的无功补偿量来补偿，工作时常处于欠补或者过补状态。（2）70年代末，补偿装置主要由刀熔开关，接触器和电力电容器组成。该方案对过补现象有一定的化解作用，但仍然存在着诸如刀熔开关烧毁，接触器烧毁和电容器鼓胀等一些问题。（3）80年代初期，刀开关+熔断器+电抗器+接触器+电容器的主电路方案得到应用，这一类型的主电路方案经过多年的运行证明是可靠的，但仍属于静态补偿范围。这类补偿装置的主要问题在于：有极，有延时（典型值是30S），电容投入时候有涌流；有噪声，不可以分相或单相补偿。动态无功补偿装置发展主要设三个阶段,分别是：为了解决静态补偿装置邮寄和跟踪时间问题，1995年由机械工业科技发展基金发起的行业内P(G)JD1型动态补偿装置。该装置主电路采用MSC+TCR方案。装置输出的无功量可以是装置总无功补偿量内的任意值，跟踪响应时间是20ms。为了解决静态补偿装置时间跟踪，以及涌流，噪声等问题，行业于1999年完成了XJD1型动态补偿装置的研究。该装置主要采用TSC方案，可以做到电容器投入无涌流，工作没有噪声，具有单相和分相补偿功能，2002年行业完成了P(G)JD3型动态的无功补偿装置研制，该装置采用了TSC+TCR方案。除了具有P(G)JD2型动态补偿装置的全部优点外，还做到了无功输出无极调节。以上是静态补偿和动态补偿的发展现状，本设计主要针对动态无功补偿装置的设计，从动态无功补偿中我们可以看到目前的无功补偿装置还是有缺陷：目前控制电容器投切的依据和判断的理由不够充分，一些控制系统仅仅以功率因数或者电压来做为投切的判断，这是完全不够的，这会导致频繁的投切操作。补偿装置对电压和电流数据采样方式不当，一些控制其只采样一相的电压电流数据，使得三相不平衡时很难准确测出无功功率，从而导致误投误切。控制器工作环境处于强磁场中，一些控制器由于没有采用力度不大的抗干扰措施，导致电抗器抗干扰能力差，出现误投或者误切。采用交流接触器作为电容器投切开关，不可避免形成过渡过程，形成冲击电流，并引起电网电压波动，造成接触器烧毁。1.2无功补偿系统1.2.1无功补偿系统的组成无功补偿系统是指：采用电容补偿方式，用可编程逻辑器件PLC投切电容器组的系统，同时还伴有上位机组态工艺画面及操作画面设计；报表、趋势数据记录、操作员登录功能、时钟功能、PLC监视、操作帮助等功能。以先进的PLC控制技术为主要手段，以满足无功补偿的需求.(1)电容器组电网需求的无功功率补偿直接来自于并入电网的电容器组，电容器组接入电网的多少直接决定无功补偿的效果，并入电路的电容器可以用三角形接法，也可是使用星形接法，通过中间继电器来决定电容器组是否接入电网中。(2)数据测量系统控制电容器组的投切需要采集电网各项数据，只有采集了电网现阶段各项数据，才能决定是否投切电容器组是否投入电网，测量需要电压互感器，电流互感器，功率因数表，电能质量检测仪电压变送器，电流变送器。通过这些器件，能够采集电网的各项数据，并且可以将这些数据传输给PLC中。（3）控制系统的组成控制系统主要包括PLC及其模拟量模块，以及上位机。PLC是控制系统的主要核心，通过数据采集模块，我们可以将电网各项数据参数传输给PLC，我们可以通过编程将各定量传入PLC，这样输入量可以与定量进行比较，然后控制中间继电器的投切，同时，也可以通过上位机控制手动投切。1.2.2 PLC无功补偿系统优点在国内的冶炼行业，普遍使用电加热型矿热炉，由于其工作电极属于强感性的负载导致电网的无功功率过大，导致电网的功率因数降低，供电损耗加大，有功输出减少，如6600Kvar的矿热炉如果减少20%的无功损耗，一台电路一天可以节约几千到几万度电，采用PLC技术，能够自动进行补偿减少了人力成本，对功率因数的变化进行快速反应。本设计针对以上矿热炉的无功补偿的方法，设计一种智能化无功补偿监控系统。该系统中的PLC依据从电量采集模块获得的无功功率、功率因数、谐波参数等电网运行参数，并将测量数据输入PLC中，与设定值进行比较分析，通过编程，完成自动化控制的任务。第二章无功补偿原理目前无功补偿广泛应用于电力行业中，是保证电能质量，稳定供电的重要手段。2.1无功补偿的基本原理2.1.1 无功补偿功补偿的基本原理电网输出的功率包括两部分;一是有功功率;二是无功功率.直接消耗电能,把电能转变为机械能,热能,化学能或声能,利用这些能做功,这部分功率称为有功功率;而不消耗电能;只是把电能转换为另一种形式的能,这种能做为电气设备能够做功的必备条件,并且这种能是在电网中与电能进行周期性转换,这部分功率称为无功功率,如电磁元件建立磁场占用的电能,电容器建立电场所占的电能.电流在电感元件中做功时,电流滞后于电压90.而电流在电容元件中做功时,电流超前电压90.在同一电路中,电感电流与电容电流方向相反,互差180.如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件,就能使两者的电流相互抵消,使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小, 无功补偿的具体实现方式：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。无功补偿的意义： 1 补偿无功功率，可以增加电网中有功功率的比例常数。 减少发、供电设备的设计容量，减少投资，例如当功率因数cos=0.8增加到cos=0.95时装1Kvar电容器可节省设备容量0.52KW；反之，增加0.52KW对原有设备而言，相当于增大了发、供电设备容量。因此，对新建、改建工程，应充分考虑无功补偿，便可以减少设计容量，从而减少投资。 2 降低线损，由公式P%=（1-cos0/cos1）100%得出其中cos1为补偿后的功率因数，cos0为补偿前的功率因数则： cos0 cos0，所以提高功率因数后，线损率也下降了，减少设计容量、减少投资，增加电网中有功功率的输送比例，以及降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益。所以，功率因数是考核经济效益的重要指标，规划、实施无功补偿势在必行。 电网中常用的无功补偿方式包括： 集中补偿：在高低压配电线路中安装并联电容器组； 分组补偿：在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器； 单台电动机就地补偿：在单台电动机处安装并联电容器等。 加装无功补偿设备，不仅可使功率消耗小，功率因数提高，还可以充分挖掘设备输送功率的潜力。 确定无功补偿容量时，应注意以下两点： （1） 在轻负荷时要避免过补偿，倒送无功造成功率损耗增加，也是不经济的。 (2) 功率因数越高，每千伏补偿容量减少损耗的作用将变小，通常情况下，将功率因数提高到0.95就是合理补偿。2.2无功补偿的基本思想2.2.1无功补偿基本思想将电容器组与阻感性负载并联是补偿无功功率最传统，最有效的办法。电容器和电感电路并联在同一个电路中，电感吸收能量时正好电感释放能量，电感释放能量时正好电容吸收，能量只在他们之间交换，所以就说阻感性负载所吸收的无功功率，可以从电容器所释放的无功功率中得到。所以说，把这种电容器组叫做无功补偿装置。电网以及大部分的用电设备都是阻感性负载，我们用电阻R和电感L串联电路来等效cos=R/R2+X2。cos就是我们所收指的功率因数，他的物理意义是供应给线路中有功功率P占线路视载功率的比值百分数，在电网运行过程中，我们希望功率因数可以越大越好，因为越大好，电路中的大部分功率都是用来供给有功功率，可以减少无功功率的占用。将R,L串联电路并联电容器后，电路图如图2-1，当开关断开，也就是没有并联电容器时，负载两端电压为U,功率因数为cos1，电流为l1，无功功率为Q1,他们的向量图如图2-2所示当开关闭合，投入电容时，整个电路的向量图如图2-3所示。图2-1无功补偿等效电路图2-2开关断开时的向量图图2-3 开关闭合时候的向量图由图2-3可以知道，容性电流IC在相位上超前电压90度，这样可以抵消一部分相位滞后电压的感性电流，就使电路上的电流减少，功率因数cos1提高到了cos2线路除了需要负担用电负荷的有功功率P之外，还要承担负荷无功功率Q有功功率与无功功率还有视载功率S之间存在如下关系：S=P2+Q2,功率因数可以表示成如下形式cos1=PS=P3UI.可以想见，在一定的电压和电流的情况下，提高cos，其输出的有功功率增大。因此，改善功率因数是充分发挥设备潜能，提高设备利用率相当有用的方法.2.3矿热炉无功补偿的基本方法矿热炉的补偿方法有三种高压补偿，中压补偿，低压补偿2.3.1高压补偿高压补偿实在电炉变压器一次侧接入并联串接10Kv电容器组进行功率因数补偿，他能降低供电线路的电能损失，释放供电设备容量，减小电路压降，满足供电部门对功率因数的要求，高压补偿的有点是补偿电压高，补偿电流小，电容器利用率高，一般情况下为固定容量补偿，运行稳定，缺点是不能减少补偿接入点后端电炉变压器绕组和短网部分无功功率，对企业增产，节能并无实质意义。2.3.2中压补偿中压补偿的优点与高压补偿相似，但由于补偿接入点是电炉变压器中压补偿端子，主要的无功补偿容量来自于变压器，而并非从电网获得，因此，在大中型电炉变压器中，中压补偿具有不可忽视的经济效益.2.3.3低压补偿低压补偿是在电炉变压器低压二次侧短网最靠近电极的地方接入电容器组进行动态补偿，由于接入点位于无功损耗和电流损耗最大的电流回路上，不但能够提高整个供电系统的功率因数，还能对提升电极电压，减少电能损失，增加产量，平衡三相功率有着十分明显的作用。2.4低压补偿应用2.4.1低压补偿应用低压补偿并不是一项简单的电工技术，需要了解电炉工艺参数，短网结构和压降，选择合适的接入点，充分认识设备的补偿环境，科学计算补偿容量，学则合理的控制方式，避免投切涌流和操作过电压，选择合适的控制配比的电抗器抑制谐波对电容器的影响，否则抵押补偿设备不能正常工作。例如某个电石厂一台矿热炉，这台矿热炉的容量为5000kva，一次侧电压为10kv，二次侧电压为100，功率因数在0.89到0.90，炉子运行比较正常。为了进一步降低能耗，我们在低压侧采用电容器补偿，来提高电极对地电压，将功率因数提高到0.94-0.95。2.4.2选择合适的补偿位置在电极之前的短网，变压器感性负载需要消耗大量无功，测试资料表明，短网部分消耗的无功占总量的70%。在一次电压一定的情况下，电极对地电压的大小与感性负载消耗的无功有直接关系，如果在变压器二次侧补偿，那么补偿的无功只有一小部分给了变压器，而大部分则通过变压器补给了10kv的高压线路，短网消耗的无功并没有得到有效补偿，对用电企业说是不划算的，因此，我们将补偿点选择在电极和短网之间。2.5并联电容器补偿容量的计算2.5.1补偿电容器容量计算提高功率因数所需补偿电容器的无功功率的容量Q，可根据负载有功功率的大小，负载原有的功率因数cos0及提高后的功率因数cos1来决定，其计算方法如下：设有功功率为P，无电容器补偿时的功率因数cos0，则由功率三角形可知，无电容器补偿时的感性无功功率为：Q1Ptan0并联电容器后，电路的功率因数提高到cos1，并联电容器后的无功功率为：Q2Ptan1由电容器补偿的无功功率QK显然应等于负载并联电容器前后的无功功率的改变。 Q=S(sin0 -sin1)式子中：Q是所需要的补偿容量，单位kw，S为额定功率（视在功率），单位KW；。通过上面的计算公式，代入改善前功率因数cos0=0.80，和期望改善成的功率因数cos1=0.95。计算得到sin0=0.6, sin1=0.312.矿热炉变压器的容量P=6600kvar,可以算出补偿容量约为1900kvar.但是为了能更好的控制功率因数,所以我增加了200Kvar无功补偿容量,以满足额外的容量.2.6理论补偿结果估算2.6.1投入电容器组与功率因数变化关系 本次设计中是对6600KV的矿热炉进行补偿,经过计算和校准,得到补偿容量为2100Kvar,所以我们可以采用7台提供300kvar无功功率的电容器组. 2.6.1投入电容器组与功率因数关系变化计算.本设计中的6600kvar矿热炉,其的自然功率因数是0.8,所以P0=Scos0=6600*0.8=5280kw Q0=Ssin0=3960kw.当投入一组并联电容器组是Q1=Q0-QC=3660kwP1=S2-Q12. cos1=P1/S=S2-Q12/S.(公式1)根据公式1,我们可以算出每投入一组时可以到达的功率因数.当投入一组电容器时,无功功率到达3660kw, cos1=0.832当投入二组电容器时,无功功率到达3360kw, cos2=0.861当投入三组电容器时,无功功率到达3060kw, cos3=0.886当投入四组电容器时,无功功率到达2760kw, cos4=0.908当投入五组电容器时,无功功率到达2460kw, cos5=0.928当投入六组电容器时,无功功率到达2160kw, cos6=0.945当投入七组电容器时,无功功率到达1860kw, cos7=0.9592.6.2补偿经济效益估算虽然，使用PLC以及各种智能仪表会使无功功率补偿成本提高很多，但是我们从系统可靠性以及实现的的经济价值来说是大有裨益的。使用PLC软件实现补偿的过程，其可以根据具体要求实现软件的编程，这是电子式等硬件线路无法比拟的，而且如果真用硬件电路实现PLC系统完成完善的保护功能，那么他的成本要远远高于本系统，可靠性也要远远低于本系统，难以应用于实践生产，与电容器手动投切相比，虽然本系统投入了几千甚至上万元的成本，但是手动投切只是早送晚切，功率因数根本不能随时调整，平均值无法达到期望值，本设计中我们为一个10Kv6600Kva的矿热炉进行无功补偿，假设其的自身功率因数为0.75，那么根据计算：S=6600KVA cos1=0.80 cos2=0.95 R线路=5S1=S* cos I=S1/(U* cos) U=120V用于线路发热的功率：P损=I* R线路=S*R/(U*cos)=6600*5/(120*cos)=275/cos当功率因数达到0.95是，线路损耗是：289.47KW全年损耗是：289.47*4380 (小时)=1267878（度）当功率因数达到0.90时，线路损耗是：305.56KW全年损耗是：305.56*4380（小时）=1338352（度）当功率因数是0.75时，线路损耗是：366.67KW全年损耗是：366.67*4380（小时）：1606014（度）由上面数字可以看到，完全一年节约的电费安装上数个这样的无功补偿控制器，所以补偿可以带来较大的经济效益。第3章 无功补偿控制系统硬件设计目前无功补偿装置在矿热炉无功补偿中广泛应用。电网中度阻感性负载将强，可以通过PLC来控制实现电容器组的投切，即投入容性无功功率来达到减少总无功功率的效果。本设计采用西门子公司的S7-200plc系统来控制无功补偿装置更好的满足实时性和精准性的要求。3.1总体设计3.1.1功能要求该无功补偿装置主要有以下功能的要求：a. 当电网电压低于电压超低限时,认为故障事件,电容3器全部切除;当电网谐波电压超过上限或谐波电流超过上限则电容器全部切除。b. 当电网电压超过上限或低于下限则相应的切除或投入电容器。c. 当电网电流低于下限且0cos0.1时认为电网负载比较低,系统控制闭锁,即系统保持原电容器投切控制状态不变,以避免投切振荡。d. 功率因数阈值范围及相应的控制方法如下:0cos0.1时系统控制闭锁; 0.1 cos 0.91时系统投入电容器; 0.91cos1时系统不投切电容器; cos0时系统切除电容器。3.1.2系统框架设计该无功补偿装置的系统框架如图3-1所示该系统主要通过电压互感器（PT），电流互感器（CT）将高压电网的高电压，打的电流都转换成低的电压，经过变送器条例后，信号进PLC中通过变换计算，算出相应电量参数和是否需要投入电容器组，在通过中间继电器控制电容器组投入电网中。该PLC系统可以通过RS484串行总线与上位机通信。电量采集模拟模块PLC投切单元上位显示 投切控制 电容器组负载图3-1系统控制原理框图3.2可编程控制器PLC选型3.2.1 PLC系列选型在可编程逻辑控制器系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是可编程逻辑控制器工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。可编程逻辑控制器及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型。所选用可编程逻辑控制器应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，可编程逻辑控制器的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定可编程逻辑控制器的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的可编程逻辑控制器和设计相应的控制系统。一、输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商可编程逻辑控制器的产品特点，对输入输出点数进行调整。二、存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。三、控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。1、运算功能简单可编程逻辑控制器的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通可编程逻辑控制器的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型可编程逻辑控制器中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在可编程逻辑控制器中都已具有通信功能，有些产品能与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信的能力，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。2、控制功能控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。可编程逻辑控制器主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高可编程逻辑控制器的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。3、通信功能大中型可编程逻辑控制器系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。可编程逻辑控制器系统的通信接口应包括串行和并行通信接口、RIO通信口、常用DCS接口等；大中型可编程逻辑控制器通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。可编程逻辑控制器系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。可编程逻辑控制器系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1）、PC为主站，多台同型号可编程逻辑控制器为从站，组成简易可编程逻辑控制器网络；2）、1台可编程逻辑控制器为主站，其他同型号可编程逻辑控制器为从站，构成主从式可编程逻辑控制器网络；3）、可编程逻辑控制器网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4）、专用可编程逻辑控制器网络（各厂商的专用可编程逻辑控制器通信网络）。为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、）通信处理器。4、编程功能离线编程方式：可编程逻辑控制器和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型可编程逻辑控制器中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。5、诊断功能可编程逻辑控制器的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对可编程逻辑控制器的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。可编程逻辑控制器的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。6、处理速度可编程逻辑控制器采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则可编程逻辑控制器将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，可编程逻辑控制器接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.20.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.2ms/K。四、可编程逻辑控制器的类型可编程逻辑控制器按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型可编程逻辑控制器的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型可编程逻辑控制器提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。西门子S7-200用途：S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。西门子S7-200构造集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU221，222具有180mA输出，CPU224，CPU224XP，CPU226分别输出280，400mA。可用作负载电源。3.2.2 S7-200系列各型号CPU比较CPU221本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。无I/O扩展能力。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。CPU222本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。可连接2个扩展模块。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。CPU224本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。CPU224XP本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。20K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O,位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。本设计采用S7-200CPU2263.2.3PLC模拟量模块选型由于S7-200-CPU226的集成24输入/16输出不能完全满足设计要求所以又选用了EM231扩展模块，正好满足设计要求用于接收外界的模拟量输入信号。3.3电压信号采集信号采集是无功补偿控制系统的眼睛，决定着PLC是否进行操作，没有信号采集，无所谓控制，在本设计系统中，最少需要采集一次测电压，电流，功率因数，以及二次侧的谐波电压和谐波电流，才能满足本设计系统最低的设计要求.本设计中，矿热炉的一次测电压为10KV，如此大的电压不可能直接输入到PLC模拟量模块中，必须将这电压转换成PLC能承受的电压，才能输入到PLC中。为了能获得合适的电压，我们需要采用电压互感器和电流互感器3.3.1电压互感器选型电压互感器是一个带铁心的变压器。它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成。当在一次绕组上施加一个电压U1时，在铁心中就产生一个磁通，根据电磁感应定律，则在二次绕组中就产生一个二次电压U2。改变一次或二次绕组的匝数，可以产生不同的一次电压与二次电压比，这就可组成不同比的电压互感器。电压互感器将高电压按比例转换成低电压，即100V，电压互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等；主要是电磁式的（电容式电压互感器应用广泛），另有非电磁式的，如电子式、光电式。电压互感器工作原理：其工作原理与变压器相同，基本结构也是铁心和原、副绕组。特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态。电压互感器本身的阻抗很小，一旦副边发生短路，电流将急剧增长而烧毁线圈。为此，电压互感器的原边接有熔断器，副边可靠接地，以免原副边绝缘损毁时，副边出现对地高电位而造成人身和设备事故。测量用电压互感器一般都做成单相双线圈结构，其原边电压为被测电压（如电力系统的线电压），可以单相使用，也可以用两台接成V-V形作三相使用。实验室用的电压互感器往往是原边多抽头的，以适应测量不同电压的需要。供保护接地用电压互感器还带有一个第三线圈，称三线圈电压互感器。三相的第三线圈接成开口三角形，开口三角形的的电压线圈联接。正常运行时，电力系统的三相电压对称，第三线圈上的三相感应电动势之和为零。一旦发生单相接地时，中性点出现位移，开口三角的端子间就会出现零序电压使继电器动作，从而对电力系统起保护作用。线圈出现零序电压则相应的铁心中就会出现零序磁通。为此，这种三相电压互感器采用旁轭式铁心（10KV及以下时）或采用三台单相电压互感器。对于这种互感器，第三线圈的准确度要求不高，但要求有一定的过励磁特性（即当原边电压增加时，铁心中的磁通密度也增加相应倍数而不会损坏）。1电压互感器是发电厂、变电所等输电和供电系统不可缺少的一种电器。精密电压互感器是电测试验室中用来扩大量限，测量电压、功率和电能的一种仪器。电压互感器和变压器很相像，都是用来变换线路上的电压。但是变压器变换电压的目的是为了输送电能，因此容量很大，一般都是以千伏安或兆伏安为计算单位；而电压互感器变换电压的目的，主要是用来给测量仪表和继电保护装置供电，用来测量线路的电压、功率和电能，或者用来在线路发生故障时保护线路中的贵重设备、电机和变压器，因此电压互感器的容量很小，一般都只有几伏安、几十伏安，最大也不超过一千伏安。线路上为什么需要变换电压呢?这是因为根据发电、输电和用电的不同情况，线路上的电压大小不一，而且相差悬殊，有的是低压220V和380V，有的是高压几万伏甚至几十万伏。要直接测量这些低压和高压电压，就需要根据线路电压的大小，制作相应的低压和高压的电压表和其他仪表和电压互感器的基本结构和变压器很相似，它也有两个绕组，一个叫一次绕组，一个叫二次绕组。两个绕组都装在或绕在铁心上。两个绕组之间以及绕组与铁心之间都有绝缘，使两个绕组之间以及绕组与铁心之间都有电的隔离。电压互感器在运行时，一次绕组N1并联接在线路上，二次绕组N2并联接仪表或继电器。因此在测量高压线路上的电压时，尽管一次电压很高，但二次却是低压的，可以确保操作人员和仪表的安全。电压互感器基本作用：电压互感器的作用是：把高电压按比例关系变换成100V或更低等级的标准二次电压，供保护、计量、仪表装置使用。同时，使用电压互感器可以将高电压与电气工作人员隔离。电压互感器虽然也是按照电磁感应原理工作的设备，但它的电磁结构关系与电流互感器相比正好相反。电压互感器二次回路是高阻抗回路，二次电流的大小由回路的阻抗决定。当二次负载阻抗减小时，二次电流增大，使得一次电流自动增大一个分量来满足一、二次侧之间的电磁平衡关系。可以说，电压互感器是一个被限定结构和使用形式的特殊变压器。简单的说就是“检测元件”。本设计中采用JSZJK-10Q互感器JSZJK-10Q型电压互感器为单相环氧树脂浇注户内双线圈电压互感器型号额定电压V准确级及相应的额定输出(VA)最大容量(VA)连接组一次二次0.20.513JDZ-330001001530501202001/1-12JDZ-660001002550802003001/1-12JDZ-101000010040801503005001/1-12其接线图如图所示：图3.3通过电压互感器，可以将一次侧的高电压转化成二次侧的低电压，而且成数学比例，方便获得电网数据。3.3.2电压变送器选择电压变送器是一种将被测交流电压、直流电压、脉冲电压转换成按线性比例输出直流电压或直流电流并隔离输出模拟信号或数字信号的装置。采用普遍传感器电压电流信号，输入电压信号：05V/010V/15V3、输出电流信号：010mA、020mA、420mA4、输出电压信号：05VDC、010VDC、15VDC。电压变送器分直流电压变送器和交流电压变送器，交流电压变送器是一种能将被测交流电流（交流电压）转换成按线性比例输出直流电压或直流电流的仪器，广泛应用于电力、邮电、石油、煤炭、冶金、铁道、市政等部门的电气装置、自动控制以及调度系统。交流电压变送器具有单路、三路组合结构形式。直流电压变送器是一种能将被测直流电压转换成按线性比例输出直流电压或直流电流的仪器，也广泛应用在电力、远程监控、仪器仪表、医疗设备、工业自控等各个需要电量隔离测控的行业。电压变送器工作原理：电压变送器可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC420mA(通过250电阻转换DC15V或通过500电阻转换DC210V)恒流环标准信号，连续输送到接收装置(计算机或显示仪表)。电压变送器原副边高度绝缘隔离，两线制输出接线，辅助工作电源+24V与输出信号线DC420mA共用，具有精度高，体积小、功耗小、频响宽、抗干扰、国内首创4种补偿措施和6大全面保护功能，两线端口防感应雷能力强，具有雷击波和突波的保护能力等优点。特别适用发电机、电动机、智能低压配电柜、空调、风机、 路灯等负载电流的智能监控系统。 图3.4本设计选择CP-V-33-A5-A420-D电流变送器，他是三相三线的电压变送器能将5A以下电流转换成只有4-20ma的电流，方便输入到PLC中。上图为电压变送器与电压互感器的连接图，变送器能将信号转化成更小的信号。3.4电流信号采集变压器一次侧电流达到数百安培，二次侧甚至达到了数万安培，这样大的电流无法直接输给测量元件，必须要通过相应的转换，而这样的转换需要电流互感器和电流变送器。3.4.1电流互感器选型电流互感器原理是依据电磁感应原理。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。它的一次绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的二次回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。电流互感器的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。如变比为400/5的电流互感器，可以把实际为400A的电流转变为5A的电流。互感器原理在供电用电的线路中电流电压大大小小相差悬殊从几安到几万安都有。为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到变流和电气隔