第三章变电所测控系统设计.doc

第三章变电所PLC测控系统设计3.1变电所PLC测控系统硬件设计 3.1.1总体方案设计图3-1 测控系统框图Figure3-1 Block diagram of measurement and control system 井上下各区域变电所PLC测控系统的总体设计框图如图3-1所示，总体设计可以分为以下几部分： 中央控制单元。采用西门子公司S7-200系列可编程序控制器CPU224CN AC/DC继电器和S7-300系列可编程序控制器CPU314为中央处理单元，主要实现数据采集、计算、逻辑判断、定时等功能。 电源滤波器单元。为S7-300与S7-200系列PLC提供稳定的220V AC工作电源。 低压测量单元。低压测量单元进线柜选用江阴东瑞电力仪表有限公司的PD204E-9S4智能电表，馈出柜选用江阴东瑞电力仪表有限公司的PD204I-AK1智能电表，主要是对电力网络中的各电量参数进行采集，包括三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等。 高压综保单元。选用南京因泰莱电器有限公司生产的PA150单元与PA100单元，上述系列装置集保护、测量、控制、监测、通讯、故障录波、事件记录等多种功能于一体；高精度测量电流、电压、功率、功率因数、频率、零序电流、零序电压、计算电度；在线记录事件量达64条，先进先出动态刷新，带有时间标记，掉电不丢失。 低压柜开关量输入/输出单元。遥信、遥控部分通过加装一台小型PLC实现。PLC的开关量输入通道负责接入各开关柜的刀闸位置、断路器分合闸状态以及漏电保护状态等信号，上述信号均可取自面板，实现遥信功能。PLC的开关量输出通道则用于实现断路器分合闸、漏电复位等遥控操作。PLC可选用西门子S7-200CN PLC。需要输入的开关量有：各低压开关柜的漏电试验信号、断路器的分合闸状态。开关量输出单元包括用于控制断路器的开关量和系统发生故障时的报警信号。 显示单元。采用西门子公司生产的TP270触摸屏显示器，通过MPI电缆和PLC相连实现通讯，可以用来设置参数、显示数据、图形、触摸式按钮或开关，以动画形式描绘自动化控制过程。触摸屏与PLC的配套使用，一方面扩展了PLC的功能，使PLC的内部有关参数实时显示出来；另一方面也可以通过画面发出关开分合闸、保护定值上传及修改、电度底码设定、保护压板投退、顺序事件记录查询、保护装置复归、保护装置统一校时等控制命令，实现变电所内设备的集中控制功能。并具有权限设置、闭锁设置功能。在使用触摸屏的过程中，若需要在操作单元上表示图形、文本以及按钮和显示元素，首先必须使用Protool组态软件，在组态计算机上创建。组态计算机必须连接至操作单元，以便将项目下载给操作单元，如图3-2所示。一旦项目成功下载，就可以将操作单元连接到PLC。随后，操作单元可以与PLC进行通讯，并根据PLC的程序对所组态的信息作出反应。图3-2 组态和过程运行示意图Figure3-2 Schematic diagram of configuration and operation触摸屏界面采用Protool组态软件编制，图3-3为触摸屏的部分监控界面。图3-3 触摸屏部分监控画面3.1.2开关量输入/输出部件及接口1、开关量输入电路的设计开关量输入主要有各种漏电试验信号，断路器的分、合闸状态信号，这些信号经PLC的输入接口接入。采用汇点式输入接线方式(如图3-4所示)和直流数字量输入模板，将所有的开关量输入点作为一组，共用一个电源(+24V DC)和一个公共端(COM)，经光电隔离后，将电平转换成CPU可处理的TTL电平。图3-5为直流数字量输入模板原理图。输入信号处理电路。这部分电路由电阻R、R、稳压管V和电容C组成。其中R起3个作用：限制输入信号U的输入电流的大小；与稳压管V一起构成稳压电路(稳压值为3V)，既可以防止输入的U过压，又可稳定给光电耦合器的驱动电压，还可以防止输入的U极性接反而击穿光电耦合器；与C一起组成一个RC低通滤波器，以抑制输入U中的高频干扰。R是滤波电容C上电荷的泄放电阻，当U是一个开关或触点送来的+24V直流电压时，在开关或触点打开后，U呈开路状态，此时C上的电荷通过R泄放掉。光电隔离电路。由发光二极管LED、光电耦合器N、电阻R和电容C组成光电隔离电路。当输入U为+24V时，稳压管V两端稳压值为3V，此电压使LED发光，并使光电耦合器的原边点亮(原边侧发光二极管导通)，LED的点亮发光是指示此电路输入为高电平(即开关S闭合)；光电耦合器原边点亮，导致它的副边侧产生电路，使电阻R上的电压近似为5V。该电压经过由R和电容C组成的滤波器(也是为了抑制高频干扰)，送到下一级数字信号锁存器的输入端。当U为0时(即开关S打开)，LED熄灭，指示该电路输入为低电平，光电耦合器不导通，所以送到下一级锁存器输入端的信号为0。图3-4 开关量汇入式输入接线图Figure3-4 Hookup of input on digital signal图3-5 直流数字量模板原理图Figure3-5 Schematic diagram of DC cyclostyle on digital signal2、开关量输出电路的设计开关量输出信号包括控制断路器的开关量、控制绝缘检测接触器的开关量。将所有的开关量输出点作为一组，共用一个公共端(COM)和一个电源(220VAC)，采用汇点式输出接线方式和继电器输出接口模板。图3-6为汇点式输出接线图，图3-7为继电器输出接口模板输出驱动电路图。图3-6 开关量汇入式输出接线图Figure3-6 Hookup of output on digital signal图3-7 继电器输出接口模板驱动电路图Figure3-7 Driving circuit of cyclostyle on relay output图3-7中光电耦合器N的副边电流作为三极管V的基极驱动电流，从而使V饱和导通，继电器K吸合，发光二极管LED点亮。R为基极限流电阻，R为V基极区电荷释放电阻，以加速V截止。同时，R与R组成分压电路，避免基极过电压。R是LED的限流电阻(LED正常点亮时，电流约35mA)。稳压管V既可防止继电器线圈过电压，同时可以抑制V截止瞬间使继电器线圈上产生反向高压。从而保护V以免反向击穿。二极管V用来防止电源电压的极性接反。压敏电阻R并接在继电器的触点上，用来防止触点之间电压过高，避免触点打开时电感性负载产生高电压使触点“粘接” 。供电电源必须与继电器线圈额定工作电压相同，它只作为输出模板的负载的自用电源，而与PLC的输出能力无关。PLC的输出能力取决于输出继电器输出触点的额定电压与电流参数，即继电器触点闭合时可通过的最大电流和触点打开时可承受的最高电压。3.2 PLC系统配置模块设计对于监控系统中的不同控制要求，PLC系统中的CPU模块、I/O模块等硬件构成有所不同。系统配置就是使PLC系统的硬件结构与其上运行的软件功能完全吻合，是软件中的一个重要模块，是编制调试PLC控制程序的基础。本部分依托模块式结构的PLC，主要讨论系统配置模块软件的设计与实现。3.2.1系统配置结构和内容本课题所设计的PLC系统由上位机、主控制器(CPU模块)、I/O模块、通讯模块以及电源模块组成。这种由多个模块组成的PLC，在物理结构上，一般也制作成模块式结构。模块式结构的PLC如图3-1中S7-300所示。除了上位机外，PLC系统中的主控制器、I/O模块、通讯模块以及电源模块都固定在一个机架上。机架内设有若干插槽，每个模块在插槽中的位置决定了该模块在系统中的地址信息。装有CPU模块的机架称为主机架，其它为扩展机架，机架之间通过电缆连接，如图3-8所示。其中，CPU模块必须安装在主机架的1号槽位，电源模块安装在每个机架的最左侧，为1号槽位。CPU模块的性能决定了主机架可带的扩展机架的个数，例如西门子公司的S7-300系列的PLC中，安装了CPU314/315型CPU的主机架最多可扩展为四个机架，IM360/IM361接口模块将S7-300背板总线从一个机架连接到下一个机架。图3-8 主机架与扩展机架连接图由于机架和模块各有其型号与规格，根据控制系统要求，选哪些，怎么选，各选多少，怎么组合成系统，就是这里讲的系统配置。为了使软件能够适应各种情况下的系统硬件组合，软件中系统配置的内容与步骤如下：1、选择机架类型和电源模块；2、配置CPU模块，以符合系统应用需求；3、配置I/0等其他模块，并根据系统应用需求设置相应通道的属性；4、保存配置信息，生成配置文件，并将配置文件下载到主控制器(CPU模块)。3.2.2系统配置的设计与实现1、配置流程当一个PLC应用系统的硬件设计完毕，系统所有模块的个数与模块的型号、规格以及在机架中的插装位置、地址分配即以确定。编程软件完成的配置信息必须同系统的物理硬件相匹配，以使系统的运行软件与硬件设置完全吻合。PLC编程软件设计了一个形象灵活美观的硬件配置界面，并通过树型目录引导用户正确地完成配置工作。系统配置的最终界面如图3-9所示，由界面中树型目录的第四层可以展开到机架类型，配置好机架类型后，在相应的槽位插装所选类型的CPU、I/O等模块，同时在右边的属性页设置相应的CPU的参数、I/O模块的通道属性等。当系统配置完成，所有配置信息以二进制形式的文件保存。保存的系统配置文件可在下次需要查看时打开，并下载到主控制器。系统配置的程序流程如图3-10所示。图3-9 PLC系统硬件配置界面图3-10 系统配置程序流程图2、模块属性配置PLC应用系统配置的模块包括有电源模块、CPU模块、I/O模块与通讯模块等，其中，I/O模块又分为模拟量输入输出模块、开关量输入输出模块。每配置一个这样的模块，都需为该模块设置相应的属性参数，如CPU的扫描周期、I/0模块各个通道的地址等属性。在编程软件的系统配置窗口中，用鼠标双击机架上的模块图标，便可设置相应模块的属性参数。以西门子公司的S7-300系列PLC中型号为CPU314的模块为例，它是一个处理器模块，其上提供了CPU的各个属性设置，其常规属性标签提供关于模块类型和位置的信息，并为带接口的模块提供与网络有关的信息，例如，节点地址。还可以在其中找到包含了当前模块的STEP 7项目的信息。配置界面如图3-11所示。图3-11 CPU常规属性配置界面串行通讯处理模块CP340 RS485/422属性配置的项目包括常规、地址、基本参数共3项。常规选项卡中主要包含该模块的简述、订货号和名称；地址选项卡包括输入与输出地址；而参数选项卡中主要用来设置串行收发数据帧格式，通信协议的信息格式如下： 编码格式为二进制代码； 波特率可以设置； 通信方式为双工工作模式； 每个字符由11位组成(1位起始位，8位数据位，l位停止位，一位奇偶校验位)。字符发送顺序为低位在先，如图3-12所示。图3-12 串行通讯处理模块属性配置界面3、S7-300与S7-200的详细配置在对PLC的选配工作进行之前，需要对测控对象和控制任务进行统计和分析，然后才能确定系统的规模、机型和配置。根据规划，本系统各区域变电所所有高压柜参数通过一块CP340通讯处理模块就可以读取所有高压系统参数；至于低压柜的遥测数据，也通过一块CP340通讯处理模块就可以读取所有低压柜智能电量仪表的数据；低压柜的遥信和遥控则通过S7200与S7300的MPI通信方式完成，经统计各区域变电所低压柜需要配置的不同性质的I/O点如下：34个数字量输入，55个数字量输出。通常I/O点数的确定要按照实际点数再加2030%的备用量，配置了的模块如表3-1。表3-1 S7-300与S7200模块配置表Table 3-1 Module configuration名称型号数量用途S7-300电源模块PS307 5A1PLC供电S7-300 CPUCPU3141处理器模块S7-300 CP340RS485/4222串行通讯处理模块S7-300 CP3431以太网通讯模块S7-200 CNCPU 224 CN AC/DC/RLY1处理器模块S7-200 EM223CN24V DC输入/继电器输出3扩展I/O通讯模块3.3变电所PLC测控系统软件设计软件设计是井上下变电所实现综合自动化的关键问题之一，它是测控系统系统设计的核心，性能优良的软件是保证测控系统高效、可靠、安全工作的技术保障。本节根据变电所的控制原则和技术要求，采用西门子S7-300系列PLC的SIMATIC Manager编程软件和西门子S7-200系列PLC的STEP-Mcro/Win编程软件，应用模块化结构程序设计方法设计了测控系统的监控程序和各模块程序，并给出了程序框图和部分PLC程序。3.3.1软件设计原则软件设计包括拟定程序的总体方案并绘制程序流程图、编制具体模块程序、程序的检查修改、程序的调试等步骤。1、首先要对设计的项目进行任务分析做一个总体规划，然后拟定一个程序设计的总体方案。一个实际的控制系统功能复杂、信息量大、程序较长，因此需要选用切实可行的程序设计方法。该系统在拟定变电所测控系统的总体控制方案基础上，采用了模块化设计方法，将一个较大的程序分为若干个具有独立功能的子程序，对各个子程序分别进行编译、调试，最后链接成一个统一的整体。在设计过程中，要求将各执行模块逐一列出，并对每一执行模块进行功能定义和接口定义。在为各执行模块进行定义时，将要涉及到的数据结构和数据类型问题也一并规划好。最后绘制出各功能模块和总体设计的流程图。2、资源分配系统中各个执行模块之间有着各种因果关系，互相之间要进行各种信息传递，所以必须严格规定好各个模块之间的接口条件，即各接口参数的数据机构和数据类型。完成数据类型和数据结构的规划后，需要对系统资源进行合理的分配，在分配中要留有足够的余地，以满足设计过程中出现新的要求。3、程序的编制和调试程序流程图绘制成功后，整个程序的轮廓和思路已十分清楚，设计者就可以进行程序编制了。软件设计有两种方法：一种是自上而下，逐步细化；一种是自下而上，先设计出每一个具体的模块(子程序)，然后再慢慢扩大，最后组成一个系统。两种方法各有优点。实际的应用程序编制好后，往往会有不少潜在的隐患和错误，这是不足为奇的。但如果这些隐患和错误不加排除和修改，很容易产生并发症，使得本来很好的程序陷入不可收拾的地步。因此，在上机调试前静态检查源程序是十分必要的。4、编程语言和开发环境的选择应用系统的开发软件多种多样，比如单片机采用汇编语言和C语言，或者采用两种语言混合编程，该系统采用西门子公司S7-200系列PLC配套的软件V4.0 STEP7 MicroWIN SP3和西门子公司S7-300系列PLC配套的SIMATIC Manager。3.3.2 PLC软件开发环境西门子公司S7-200系列PLC配套的软件V4.0 STEP7 MicroWIN SP3和西门子公司S7-300系列PLC配套的软件SIMATIC Manager使用梯形图语言或语句表语言编制相应的程序进行下载、监控和调试。具有如下显著特点：1、WINDOWS平台上运行，简单易用；2、能够解决复杂的自动化任务；3、基于标准的WINDOWS软件，具有较强的扩展功能；4、使用PC/PPI、PC/MPI电缆进行通讯，可以对程序实现快速下载，在线调试，节省编程时间。3.3.3主程序设计（Main Program Design）本文用框架结构阐述下位机PLC的控制系统各个程序。采用功能模块子程序结构，设置好每个模块的出口和入口，利用CPU314调用子程序的功能链接在一起，使整个程序层次分明、结构清晰。各个主要功能模块有：程序初始化模块、高压综保解析模块、低压智能仪表解析模块、低压柜遥信遥控模块，其框架图如图3-13所示。系统主程序自动循环与高压综保、低压智能测量仪表、低压侧S7-200通讯，针对不同的要求与状态做出综合计算和逻辑分析，判断当前需要完成什么样的工作，从而决定调用哪一个功能子程序来完成工作，被调用的子程序一旦执行完毕，又返回到主程序中继续循环检测，整个系统就如此反复地运行。系统中复位监视定时器用来监视PLC的扫描工作过程，通过CPU内部设置的监视定时器来监视每次扫描是否超过规定时间，避免由于CPU内部故障使程序执行进入死循环，PLC的扫描周期与CPU运行速度、PLC硬件配置及用户程序长短有关，典型值为0100ms，在本系统中取150ms。图3-13主程序流程图Figure 3-13 Main Program Flowchart3.3.4高压综保PLC解析子程序1、高压综保PLC解析子程序总体思路以井下-100水平变电所的16台南京因泰莱电器有限公司INT-PA150、INT-PA100系列综合保护单元(以下称为从站)为例，其中有2台PA100，14台PA150。PLC采用Polling方式和每个从站通信，因此，在PLC的M存储区设置一个全局变量“站号” ，符号为“PA100-ZhNo” ，地址为MB31。在PLC的组织块OB100中编程，置MB31为1，PLC上电或复位时，在执行正常的循环扫描之前，先执行一次OB100，即从1#站开始执行。当对1#站执行完某项操作时，程序使MB31加1变为2，在PLC用户程序的下一个扫描周期，将对2#站进行操作，依次类推。由于是在执行完操作后又使MB31加1，因此，当检测到MB31为16时，表示16个站已经轮流查询完一遍，此时重新置MB31为1，再从1#站开始操作。按照INT-BUS PA150和INT-BUS PA100单元通信规约的要求，还在PLC的M存储区设置MB30分配给每个从站，被称为“令牌” ，即该从站目前处于哪个阶段。不同的命令帧和收集的数据存储在PLC不同的DB块中，DB块以字节为单位进行定义，如DB1存储发送帧命令、DB5存储各高压开关柜通信状态、DB6存储各高压开关柜遥测量、DB7存储各高压开关柜遥信量、DB8存储综保校时数据、DB9存储各高压开关柜保护定值、DB10存储事件记录数据。PLC刚上电或者复位时，M区会自动复位即总是对所有从站执行初始化开始。同时开辟出2个字节(MB80、MB81、MB90、MB91)作为遥控合、分闸存储字节，从1#到16#合闸位为M80.0、M80.1、M80.2M81.7,从1#到16#分闸位为M90.0、M90.1、M90.2M91.7。PLC与从站之间完整的数据通信过程如图3-14所示。根据现场调试发现，PA100挂到485总线上与PLC通信时，会发生时间乱跳现象，经与生产厂家联系所知，这是PA100产品的设计缺陷，PA150没有发生时间乱跳现象，为了解决这个问题，经过试验，在定时中断块OB35中设置定时器，设定每隔1分钟自动进行一次对挂到485总线上的所有综保统一校时，解决了这一问题。另外，在调试过程中发现，系统运行一天左右时间后，会出现PLC与所有高压综保通信中断问题，经过分析可知，由于高压综保站数多，CP340的接收缓冲区里有大量的数据，运行一段时间后，接收缓冲区溢出，导致CP340与综保站通信中断，所以在主程序OB1中设置定时器，设定每隔1分钟自动进行一次CP340复位，也解决了这个问题。图3-14 PLC与从站一次完整通信过程Figure3-14 Flow chart of communication between PLC and slave station2、接受数据的分类处理程序在从站上送PLC的数据中，既有遥测遥信帧，又有保护压板帧、事件记录帧、上传定值帧等。如何识别接收的数据到底是哪类数据便是一个关系后续处理的关键问题。在CPU的存储器中设置了一个DB块DB4，用于接收数据的暂存区，后续处理程序直接从DB4中读数据。帧类别识别程序如下：L PA100-Token /MB30,令牌L 0=I JC YK /跳转至遥控 L PA100-TokenL 1=I JC YCYX /跳转至遥测遥信 L PA100-TokenL 2=I JC SCDZ /跳转至上传定值L PA100-TokenL 3=I JC DZSD /跳转至定值设定L PA100-TokenL 4=I JC YBTT /跳转至保护压板投退功能 L PA100-TokenL 5=I JC DDDM /跳转至设定电度底码功能L PA100-TokenL 6=I JC DYFW /跳转至单元复位功能 L PA100-TokenL 7=I JC ZHLB /跳转至召唤录波功能 L PA100-TokenL 8=I JC DYJS /跳转至单元校时功能 L PA100-TokenL 9=I JC SOE /跳转至SOE查询功能 L PA100-TokenL 10=I JC FB2R /跳转至CP340复位模块3、遥测遥信量的处理下面以对遥测量的处理为例，讲PLC对数据的处理过程。由于在RS485总线上下挂两种型号的综保PA150和PA100，所以在对遥测遥信量的处理上得做一个区分。PLC正常情况下依次对每个从站召唤遥测值，PA150从站以47H响应，PA100从站以43H响应。另外综保PA100与PA150综合保护单元中，遥测值的两个字节排列顺序是低字节在前，高字节在后，所以在转存入PLC内用户自定义的遥测信息表时，需先将高低字节交换。L PA100-JSDB.DB_VAR2L B#16#47 /PA150上行无事件=I JC P150 /跳至PA150遥测遥信处理程序L PA100-JSDB.DB_VAR2L B#16#43 /PA100上行无事件=I JC P100 /跳至PA100遥测遥信处理程序4、校验和程序INT-BUS PA150、INT-BUS PA100单元通信规约中的帧校验比较简单，只是校验和。即对控制域、地址域、数据长度域等异或校验和，采用指针寻址方式计算校验和。这种代码和校验方式虽然没有CRC可靠性高，但实现起来简单，尤其是用PLC来实现，仅用了很简单的几个指令就可以实现。3.3.5基于MODBUS协议的低压多功能电力仪表PLC解析子程序1、MODBUS仪表通信协议MODBUS协议是广泛应用于电子控制器上的一种通用数字通信协议，并已成为通用工业标准。该协议支持不同控制器间、控制器其它设备仪表间的通信，从而实现不同厂家控制设备的有效互联，便于进行集中监控。控制器通信采用“主-从”模式，即由主设备初始化传输查询，从设备根据主设备查询提供的信息做出相应反应。一个完整的通信过程包括主设备的查询和从设备的回应两部分。主设备可单独和从设备通信，也可以以广播方式和所有从设备进行通信。基于MODBUS协议的通信通常支持2种传输模式：美国标准信息交换码(ASCII码)模式和远程终端单元(RTU)模式。用户可根据需要选择适当的传输模式，但在同一个MODBUS网络上必须采用相同的传输模式。 ASCII模式当控制器在MODBUS网络上以ASCII码模式通信时，所传输数据中的每个8bit字节都作为2个ASCII字符发送。其主要优点在于字符发送的时间间隔较短，而且不易产生错码。ASCII代码系统采用十六进制ASCII字符(09,AF),每字节包含1个起始位、7个数据位、1个奇偶校验位(无校验位则无此位)、1个停止位(有校验时)或2个停止位(无校验时)。 RTU模式当控制器在MODBUS网络上以RTU模式通信时，所传输数据中的每个8bit字节包括2个4bit的十六进制字符。其主要优点在于，在同样的波特率下，有较ASCII码更高效的数据传输量。RTU代码系统采用4位二进制数表示十六进制数(09,AF)，每字节包含1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位(无校验位则无此位)、1个停止位(有校验时)或2个停止位(无校验时)。发送同样的数据时，RTU模式的效率大约为ASCII模式的两倍。一般来说，数据量少而且主要是文本时采用ASCII；数据量大而且是二进制数值时，多采用RTU模式。本系统中低压多功能电力仪表采用MODBUS-RTU通讯协议。 错误检测域CRC(循环冗长检测)通信过程中主机发送的每一帧数据包含以下信息(十六进制)： 从机地址(1个字节)：从机设备号，主机利用从机地址来识别进行通讯的从机设备。每个从机都必须有唯一的地址码，并且只有符合地址码的从机才能响应回送。 命令字(1个字节)：从机根据主机发送的功能码执行相应任务，譬如：功能码04H代表读取数据寄存器中的电压、电流等数据。而功能码05H代表写入命令寄存器命令，设置电压、电流变比等。 信息字(N个字节)：包括进行两机通讯中各种数据地址、数据长度、数据信息。 校验码(2个字节)：用于检测数据通讯错误，采用循环冗余码CRC16。主机请求和从机响应数据格式如图3-15所示。图3-15 MODBUS-RTU数据应答格式Figure 3-15 2、低压多功能电力仪表的通讯参数设置 PD204E-9S4电力仪表通讯参数通过仪表上的编程键盘对该仪表进行以下通讯参数设置。 仪表地址：设置通讯网络中从机地址，根据现场情况，2个进线柜的电力仪表采用江阴东瑞电力仪表有限公司的PD204E-9S4型仪表，地址可以设为12。 通讯速度：设置通讯网络的通讯速度，可选择波特率为4800、9600，应与CP340模块的参数一致，取9600。 数据格式：设置通讯网络中数据格式：1个起始位，8个数据位，1个停止位，奇校验位。 PD204I-AK1电力仪表通讯参数 仪表地址：设置通讯网络中从机地址，根据现场情况，15个馈线柜的电力仪表采用江阴东瑞电力仪表有限公司的PD204I-AK1型仪表，地址可以设为317。 通讯速度：设置通讯网络的通讯速度，可选择波特率为4800、9600，应与CP340模块的参数一致，取9600。 数据格式：设置通讯网络中数据格式：1个起始位，8个数据位，1个停止位，奇校验位。3、软件实现 低压多功能电力仪表PLC解析子程序总体思路以井下-100水平变电所的17台江阴东瑞电力仪表有限公司的多功能电力仪表为例，其中有2台PD204E-9S4电力仪表，15台PD204I-AK1电力仪表。PLC采用Polling方式和每台仪表通信，因此，在PLC的M存储区设置两个全局变量“站号” ，符号分别为“PD204E-ZhNo” 、“PD204I-ZhNo” ，地址为MB51、MB52。在PLC的组织块OB100中编程，置MB51为1、MB52为3，PLC上电或复位时，在执行正常的循环扫描之前，先执行一次OB100，即从PD204E-9S4电力仪表1#站以及PD204I-AK1电力仪表3#站开始执行。当对PD204E-9S4电力仪表1#站执行完某项操作时，程序使MB51加1变为2，在PLC用户程序的下一个扫描周期，将对2#站进行操作，依次类推。由于是在执行完操作后又使MB51加1，因此，当检测到MB51为2时，表示2个站已经轮流查询完一遍，此时重新置MB51为1，再从1#站开始操作；当对PD204I-AK1电力仪表3#站执行完某项操作时，程序使MB51加1变为4，在PLC用户程序的下一个扫描周期，将对4#站进行操作，依次类推。由于是在执行完操作后又使MB52加1，因此，当检测到MB51为17时，表示15个站已经轮流查询完一遍，此时重新置MB52为3，再从3#站开始操作。按照MODBUS-RTU通信规约的要求，不同类型的电力仪表收集的数据存储在PLC不同的DB块中，DB块以字节为单位进行定义，如DB124存储2台PD204E-9S4电力仪表的数据、DB125存储15台PD204I-AK1电力仪表中的数据。PLC与各电力仪表之间完整的数据通信过程如图3-16、3-17所示。图3-16 PLC与从站PD204E-9S4一次完整通信过程Figure3-16 Flow chart of communication between PLC and slave station PD204E-9S4图3-17 PLC与从站PD204I-AK1一次完整通信过程Figure3-17 Flow chart of communication between PLC and slave station PD204I-AK1 遥测数据的分类处理程序由于低压多功能电力仪表存在两种型号，通过以下程序可以区分 L DYG-Token L 0 =I JC YC1 /跳转至遥测1,进线电表，PD204E-9S4 L DYG-Token L 3 =I JC YC2 /跳转至遥测2,其他线路电表，PD204I-AK1 CRC16校验算法的实现在通信中的主机和从机，应用校验码来进行接收信息，并判断传输的信号是否正确。由于电子噪声的干扰，信息在传输的过程中有可能会出现错误，循环冗余校验码(CRC)可以检验主机或从机在通信数据传送过程中的信息是否有误，如果是错误的，数据即可放弃。MODBUS通信协议的CRC(冗余循环校验码)包含2个字节，即16位二进制数。CRC码由发送设备计算，放置于所发送信息帧的尾部。接收信息的设备再重新计算所接收信息(除CRC之外的部分)的CRC，比较计算得到的CRC是否与接收到的CRC相符，如果两者不相符，则认为数据出错。字节型算法的一般描述为：本字节的CRC码，等于上一字节CRC码的低8位左移8位，与上一字节CRC右移8位同本字节异或后所得的CRC码异或。 CRC寄存器组初始化为全0(0x0000)。(注意：CRC寄存器组初始化全为1时，最后CRC应取反。) CRC寄存器组向左移8位,并保存到CRC寄存器组。 原CRC寄存器组高8位（右移8位）与数据字节进行异或运算，得出一个指向值表的索引。 索引所指的表值与CRC寄存器组做异或运算。 重复步骤3到步骤4，直到右移8次，这样整个8位数据全部进行了处理。 得出CRC。作为通信中极为关键的步骤，在必须借助指令表实现校验码的编程。在Step7集成开发环境下对S7-300系列PLC的编程过程中，要对数据块中的字节进行循环冗余CRC16校验。本程序中，通过功能块FC19以及数据块DB117(CRC 高位字节值表)和DB118(CRC 低位字节值表)实现CRC16校验算法。3.3.6低压柜遥信遥控子程序PLC的开关量输入通道负责接入各低压开关柜的刀闸位置、断路器分合闸状态以及漏电保护状态等信号，上述信号均可取自面板，实现遥信功能。PLC的开关量输出通道则用于实现低压柜断路器分合闸、漏电复位等遥控操作。PLC可选用西门子S7-200CN系列PLC。S7-200CN与S7-300之间采用MPI通讯方式，S7-200CN PLC需要将要交换的数据整理到一个连续的V存储区当中，而在S7-300中需要在OB1当中调用系统功能X_GET(SFC67)和X_PUT(SFC68)，实现S7-300与S7-200之间的通讯，调用SFC67和SFC68时VAR_ADDR参数填写S7-200CN的数据地址区。以井下-100变电所低压部分为例，S7-200CN输入点(低压遥信34个开关量):D1柜断路器状态、D1柜检漏信号 I0.0I0.1 V0.0V0.1 S7-300D2柜断路器状态、D2柜检漏信号 I0.2I0.7 V0.2V0.7 S7-300D3柜断路器状态、D3柜检漏信号 I1.0I1.5 V1.0V1.5 S7-300D4柜断路器状态、D4柜检漏信号 I2.0I2.5 V1.6V2.3 S7-300D5柜断路器状态、D5柜检漏信号 I2.6I4.1 V2.4V3.7 S7-300D6柜断路器状态、D6柜检漏信号 I4.2I4.3 V4.0V4.1 S7-300S7-200CN输出点(低压遥控)：S7-300 D1柜断路器遥控、D1柜检漏复位 S7-200 Q0.0Q0.3 S7-300 D2柜断路器遥控、D2柜检漏复位 S7-200 Q0.4Q2.2S7-300 D3柜断路器遥控、D3柜检漏复位 S7-200 Q2.3Q3.3S7-300 D4柜断路器遥控、D4柜检漏复位 S7-200 Q3.4Q4.4S7-300 D5柜断路器遥控、D5柜检漏复位 S7-200 Q4.5Q6.6S7-300 D5柜断路器遥控、D5柜检漏复位 S7-200 Q6.7Q7.2低压柜的遥信信号通过S7-200CN的输入通道，借助MPI通信方式，把遥信信号送入到S7-300PLC，而低压柜的遥控信号以及漏电复位信号则通过在S7-300中发出命令，借助MPI方式，把遥控信号送入到S7-200CN的输出通道，从而达到遥控的功能。S7-300与S7-200CN的MPI通信程序如下：S7-300读取S7-200CN遥信程序(低压柜遥信信号)： A M 0.0 = L 20.0 BLD 103 A M 10.1 = L 20.1 BLD 103 CALL X_GET REQ :=L20.0 CONT :=L20.1 DEST_ID :=W#16#3 VAR_ADDR:=P#DB1.DBX0.0 BYTE 11 RET_VAL :=MW20 BUSY :=M11.0 RD :=P#DB1.DBX0.0 BYTE 11 NOP 0S7-300写入S7-200CN遥控及漏电复位程序：A M 0.0 = L 20.0 BLD 103 A M 10.2 = L 20.1 BLD 103 CALL X_PUT REQ :=L20.0 CONT :=L20.1 DEST_ID :=W#16#3 VAR_ADDR:=P#DB1.DBX11.0 BYTE 11 SD :=P#DB1.DBX11.0 BYTE 11 RET_VAL :=MW22 BUSY :=M11.1 NOP 03.4变电所PLC测控系统抗干扰设计3.4.1干扰的主要来源在电路中，所谓噪声就是指电路或系统中出现的非期望电信号，是对有用信号进行干扰，对信息传输进行阻碍和扰乱。由于噪声在一定条件下干扰电子设备、通信电路的工作，所以也把这种噪声称为电磁干扰，简称干扰。干扰可分为内部干扰和外部干扰，外部干扰是由外部条件和工作环境引起的，内部干扰是由系统本身及电路布局造成的。在煤矿井下，不仅空间小、潮湿、易冒顶，而且供电系统中存在大功率接触器、断路器等电气设备，这些设备在开断、闭合时往往产生很强的干扰信号。干扰信号可以沿供电线路侵入CPU系统、或者通过控制系统的前后向通道直接进入CPU系统、或者以场的形式从空间辐射到CPU系统，严重影响着测控系统的可靠运行。主要干扰源包括：电源是电网中各种浪涌电压入侵的主要途径；系统接地不良也容易引起干扰信号；电流、电压互感器、输入输出线路的绝缘不良等，均有可能引入干扰；在操作开关时，供电线路的接线形式及参数将发生变化，线路中将形成电磁暂态过渡过程，造成高频电磁场干扰；以场的形式入侵的干扰主要发生在高电压、大电流、高频电磁场附近，它们通过静电感应、电磁感应等方式耦合到测控系统中。3.4.2干扰的主要危害干扰对测控系统的危害有以下几个方面：1、输入通道。干扰使输入信号失真，使输入开关量和数字量出错。测控系统根据这种失真错误的信号进行运算和处理，就会得出错误的结论，从而发出错误的指令。2、输出通道。干扰使输出的控制信号混乱，微机系统不能准确地输出，使实际输出结果与PLC发出的命令不符，导致微机系统的各种指令不能可靠执行，或使控制达不到要求的控制精度，造成系统控制失常或失灵。3、CPU系统(微机的最小系统)。电磁干扰使程序经常发生“跑飞” 、“死循环” 、“不正常跳转”等现象，或者使外部程序存储器单元内容发生异常改变，从而使整个测控系统完全瘫痪。由此可见，一旦系统在某一瞬间受到电磁脉冲的干扰，导致程序失灵，系统被破坏的不仅仅是该瞬间的数据和指令，而且很容易引起整个控制系统的误动作，最后还可能导致整个系统瘫痪。因此，采取有效的抗干扰措施，对提高系统整个测控系统的可靠性具有非常重要的意义。3.4.3 PLC硬件抗干扰1、电源系统引入的干扰电网的干扰、频率的波动，将直接影响PLC系统的可靠性和稳定性。如何抑制电源系统的干扰是提高PLC的抗干扰性能的主要环节。 加装滤波、隔离、屏蔽、开关稳压电源系统。设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从电源线传导到系统中，为了抑制电网大容量设备起停引起电压的波动，保持供电电压的稳压，可采用开关稳压电源。本系统中的采用的UPS就实现了所需的隔离作用：将瞬间间断、谐波、电压波动、频率波动及电压噪声等电网干扰阻挡在负载之前。 分离供电系统PLC的控制器与I/O系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主电源分开，这样当输入输出供电断电时，不会影响到控制器的供电。2、抑制接地系统引入的干扰良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件之一，可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地线与机器的接地端相联，基本单元必须接地，如果选用扩展单元，其接地点与基本单元接地点接在一起。为了抑制附加在电源及输入、输出端的干扰，应给PLC接以专用地线，接地线与动力设备(如电动机)的接地点应分开，若达不到此要求，则可与其他设备公共接地，严禁与其他设备串联接地。另外接地电阻要小于100ft，接地线要粗，接地面积要大于2平方毫米，而且接地点最好靠近PLC装置，其间的距离要小于50米，接地线应避开强电回路，若无法避开时，应垂直相交，缩短平行走线的长度。实践证明。接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段，良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。3、抑制输入输出电路引入的干扰为了实现输入输出电路上的完全隔离，近年来在控制系统中光电耦合得到广泛应用，已称为防止干扰的最有效措施之一。光电耦合器具有以下特点：首先，由于是密封在一个管壳内，不会受到外界光的干扰；其次，由于靠光传送信号，切断了各部件电路之间地线的联系；第三，发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，能够传送到光电耦合器输入输出的干扰信号就变得很小；第四，光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数相比，一般很小，远不如晶体管对干扰信号那么灵敏，而光电耦合器的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，即使在干扰电压幅值较高的情况下，由于没有足够的能量，仍不能使发光二极管发光，从而可以有效地抑制掉干扰信号。PLC在硬件设计方面，首先对器件进行了严格的筛选和优化，而且在电路结构及工艺上采取了一些独特的方式。例如，在输入/输出电路中都采用了光电隔离措施，做到电浮空，既方便接地，又提高了抗干扰性能；各个I/O端口除采用了常规模拟滤波外，