基于plc的输电线路自动重合闸系统设计

摘要随着可编程序限制器(PLC)技术的发展，由于其高牢靠性、高性价比、广泛的工业现场适应性和便利的工艺扩展性能，PLC在电力系统的限制过程中得到了越来越广泛的应用。目前，可编程逻辑限制器（PLC）的应用，解决了存在的诸多问题。PLC功能强大，以它为自动限制的核心，能够将逻辑限制、过程限制和运动限制这三控集于一体，可便利、敏捷地组合成不同规模和需求的限制系统，以实现现代多功能自动限制。现代电力系统日趋困难,电压等级的上升,系统出现问题的可能性比以往有所增加,因此,必需有足够的措施保障系统的平安,将电力系统出现故障时所造成的损失减到最低,继电爱护技术是各种平安措施爱护功能中最为重要的一种。高压输电线路自动重合闸功能作为电力系统继电爱护装置爱护功能的重要组成部分。它在保证系统平安、稳定和经济运行等方面起着特别重要的作用。针对输电线路常出现短暂性的故障，为提高供电的牢靠性，在线路上须装设自动重合闸装置。为保证触头开断过程的电弧总能量最小，要求实行定相合闸，通过芯片KJ008在获得电压的过零信号后产生触发脉冲，选用FX2N-32MR型PLC为限制模块，编写PLC程序，限制断路器的合闸时刻。关键词：自动重合闸；可编程逻辑限制器；电力系统；KJ008AbstractWiththedevelopmentoftechnologyofprogrammablelogiccontroller,andbecauseofitshighreliability,highratioofperformancetoprice,PLChasfoundmoreandmorebroadadaptabilityinindustryspotandconvenienttechniqueexpansibility,soPLCbecomemoreandmoreabroadintheautomationprocesscontrolinhigh-voltagebreaker.Atpresent,theprogrammablelogicalcontroller(PLC)applicationhassolvedexistencemanyproblems.ProgrammableLogicController(hereafterabbreviatedasPLC),haspowerfulfunctions.Asacoreofautomationofpowersystem,itcombineslogiccontrol,processcontrolandmotioncontrol,andcanbeeasilyandflexiblyorganizedintoacontrolsystemondifferentscalestomeetvariousrequirements.So,thecontrolsystemismulti-functionalandmodern.Withthemodernelectricsystembecomingmorecomplicatedandvoltagegradekeepingelevated，theprobabilitythatsystemcomesforthsomeproblemsisincreasing.Therefore,itisnecessaryforustotakeadequatemeasurestoensurethesecurityofthesystemandminimizethelosswhenthesystemfailstofunction.Relayprotectiontechniqueisthemostimportantoneamongdiversifiedsafetyprecautions.Astheimportantpartofrelayprotectiondevices,thehigh-voltagetransmissionlineauto-reclosingfunctionactsasthecrucialroleinsystemsafety,stabilityandeconomicalrunning.Fortransmissionlinesoftenappearedatemporaryfailure,toimprovepowersupplyreliability,on-lineontheinstallationofautomaticreclosingdevices.Toensurethattheprocessofbreakingcontactarctotalenergyminimum,calledforthezerosclosingphase,throughthechipKJ008inobtainingthezerovoltagesignalafterthetriggerpulse,optionalFX2N-32MR-PLCforthecontrolmodule,preparedbythePLCprogram,theclosingmomentsisset.Keyword:automaticreclosingdevice;programmablelogiccontrollerelectricpowersystemkj008目录TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 IAbstract II1绪论 11.1课题的提出及探讨的意义 11.2自动重合闸的发展状况 21.3PLC限制技术的应用 22自动重合闸装置的方案选择 42.1国内外自动重合闸的发展历史 42.2自动重合闸装置的工作原理 42.3自动重合闸的作用 72.4自动重合闸的类型 72.5高压线路自动重合闸启动方式 82.6对自动重合闸装置的基本要求 92.7单重、三重及综重特点与区分 102.8什么叫重合闸前、后加速 192.9自动重合闸的配置原则 223自动重合闸装置的硬件设计 243.1PLC的发展历史 243.2PLC的组成 253.3SIMATICS7-200的工作原理 263.4PLC编程语言 313.5可编程序限制器限制系统的设计和调试步骤 333.6硬件框图 343.7主要组成部分的说明 363.8硬件接线图 414自动重合闸装置的软件设计 434.1限制过程分析 434.2自动重合闸PLC的限制程序设计 444.3梯形图仿真结果 484.4结论 49结束语 51参考文献 52谢辞 531绪论1.1课题的提出及探讨的意义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，人们对电力的需求愈来愈大，这促使电力事业快速发展。电力法的公布和执行，更要求电力供电部门供应平安、经济、牢靠和高质量的电力。随着社会经济的飞速发展，对电力系统的牢靠性、稳定性和平安性的要求也越来越高，对继电爱护的性能的要求也越来越苛刻。对继电爱护而言，分析电力系统故障的目的在于依据故障后电流、电压、阻抗等电气量的变更特点确定故障是否发生、故障是否发生在被爱护范围之内、故障的性质以及故障发生的精确位置，进而确定继电爱护是否动作。用于线路方面的继电爱护装置作为电力系统的重要组成部分在保证系统平安、稳定和经济运行方面起着重要的作用，当线路发生短路故障时可刚好切除故障线路，能够保障系统其它部分的正常运行。在电力系统的各组成元件中，线路作为覆盖面积最大且工作条件最恶劣的元件，受各种各样自然条件的影响，其故障发生率是各个电力设备中最高的。输电线路故障可分为瞬时性故障和永久性故障两种：永久性故障是指出于线路倒塔、断线、绝缘子击穿或损坏等引起的故障，在线路断开后，故障点的绝缘不能复原；瞬时性故障是指大风引起的碰线、线路通过线下树木对地放电或异物落在导线上引起的短路等，这类故障在线路跳开后，电弧可自行熄灭，故障点的绝缘基本复原到正常水平，这时合上电源，就能够复原正常供电，故称此类故障为瞬时性故障。电力系统的运行阅历表明，输电线路发生的故障大都是瞬时性的。当断路器跳闸后，若由运行人员手动进行重合，由于停电时间过长，用户电动机多数已经停转，重合闸的效果不显著。因此，目前电力系统广泛采纳自动重合闸。电力系统的运行资料统计表明，自动重合闸的动作胜利率相当高，一般在60%-90%之间。由此可见，自动重合闸对于提高瞬时性故障时供电的连续性、双侧电源线路系统并列运行时的稳定性，以及订正由于断路器或继电爱护误动作引起的误跳闸，都发挥了巨大的作用[1]。由于流经重合器的电压信号是交变的，断路器在不同相位下合闸，其合闸过程的动态特性也不同，即触头间的碰撞和弹跳持续时间、衔铁运动速度的变更规律和碰撞能量不同，接通电路出现的电流最大值也不同，触头间由于产生电弧而引起的触头电腐蚀量亦可能有所不同。所以断路器最好是在电压过零时合闸，因而要解决电压选相的问题。随着PLC的发展，由于PLC能够为自动化限制应用供应平安牢靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的须要。另一方面，PLC还必需依靠其他新技术来面对市场份额渐渐缩小所带来的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。PLC始终处于工业自动化限制领域的主战场，为各种各样的自动化限制设备供应了特别牢靠的限制应用。PLC在电力系统中得到了广泛的应用。探讨自动重合闸的PLC限制系统对于保证供电的牢靠性、稳定性，改善供电质量，切实提高企业的经济效益和工作效率具有重要意义。1.2自动重合闸的发展状况随着科学技术的进步，电器产品渐渐向机电一体化方向发展，采纳了电子、计算机改革和创新研制的新型开关电器—沟通高压真空自动重合器就是一个典型的项目。老的变电站改造，新建的全户外小型化变电站以及配电架空线、住宅区、开发区等都将广泛运用重合器。它能保证电网的新建与改造。它有三个突出的优点是其他开关目前尚未具备的：第一，它简化了传统变电站的接线方式，取代了传统的限制室、高压配电室、继电盘等设备，省去了大量的投资，占地面积省去1∕3，整个施工建设周期大为缩短。其次，该产品具有智能功能，使电网大部分瞬时性故障重回胜利，永久性故障自动隔离闭锁，不仅具有断路器限制和爱护功能，而且能自动检测10KV输电线路运行状态和识别记忆故障相类型及次数，具有反时限I—t特性及多组TCC曲线，按预先整定的程序可以与分段器、重合器、断路器等开关设备协作实施各种功能和“三遥”操作，大大缩短电网故障寻址时间，快速切除故障区段，提高供电质量和牢靠性。第三，整定值按预定的调试程序自动复位，具备远方操作和分合闸功能，具备运行操作电源。1.3PLC限制技术的应用在今后的发展中，电器的发展趋向自动化、智能化，PLC的运用将更为广泛，PLC在电力系统中的应用，也将有更好的应用。因为PLC限制系统有更为优越的特点它的功能强大，性能价格比高，一台小型的可编程序限制器内有成百上千个内部继电器、几十到几百个定时器和计数器、几十个特殊用途继电器，有很强的功能，可以实现特别困难的限制功能。可编程序限制器产品已经标准化，它的硬件配套齐全，运用便利，易于限制。PLC限制系统无触点配线，牢靠性高，抗干扰实力强。以它为自动限制的核心，能够将逻辑限制、过程限制和运动限制这三控集于一体，可便利、敏捷地组合成不同规模和需求的限制系统，以实现现代多功能自动限制。基于PLC限制的系统在运行中体现了很多优点，例如：（1）PLC工作性能牢靠，免去了对原设备继电器的校验与清扫工作。（2）PLC操作简洁，PLC人机接口简洁便利，逻辑限制回路完全由软件实现，可按运行人员要求变更限制流程，满意现场运行须要。（3）限制系统检修维护便利，大大降低了检修工作量，节约了大量的检修费用。（4）报警系统的完善，爱护范围全面。（5）工作环境的改善，PLC限制柜布局紧凑，结构合理，盘面美观大方，运行显示一目了然，限制操作便利。（6）远方监控便利，PLC可随时建立与上位机的通讯，将采集的开关量数据及模拟量数据上传远方ALP工作站，便于远方监测。上位机还可下传限制指令，实现试验系统的远方限制。系统采纳先进的PLC限制，设计合理，使整个系统性能优于常规限制系统，这一点在仿真试验及实际运行中得到了证明与考验，将为平安生产发挥实际作用，对其它设备的独立改造也具有肯定的参考价值。PLC作为一种自动化程度高、配置敏捷的工业生产过程限制装置，因为其本身的高牢靠性、允许在较为恶劣的环境下工作而在自动限制领域中得到广泛应用。限制设备性能稳定，维护便利，既降低了维护人员的劳动强度，又保证了生产的稳定畅行，能收到很好的经济效益和社会效益。2自动重合闸装置的方案选择自动重合闸（AutomotiveReclosingDevices，缩写为ARD）是指当断路器跳闸后，能够自动将断路器重新合闸的装置。自动重合闸作为保证电力系统平安供电的有效措施之一，能够有效的削减不必要的停电事故，在输、配电线路中，已经得到极其广泛的应用。2.1国内外自动重合闸的发展历史随着上个世纪五、六十年头电子技术的发展，出现了最早的第一代重合闸装置，即晶体管型的重合闸。我国在单相自动重合闸方面的探讨和实际应用起步都较早，1960年，东北电网在220kV阜锦线上第一次采纳了单相重合闸。由于它是连接阜新市和锦州市两个地区的唯一主电源，每次跳闸都造成了较大影响和损失。随着阜锦线的单相自动重合闸投入后，每年不止发生一次单相接地故障，单相重合闸100%胜利。1963年，东北电网进行了阜（新）鞍（山）营（口）220kV环网的继电爱护与重合闸改造工程，在设计过程中，推广采纳了单相重合闸，还设计采纳了非故障线电流突变量元件作为单相重合闸过程中的后加速元件。阜（新）鞍（山）营（口）220kV环网的继电爱护与重合闸的胜利改造，取得了预期的运行效果。自此，单相重合闸得到了快速的推广。上个世纪90年头中期至今，伴随着计算机技术的飞速发展，高压微机线路爱护装置在我国的电网中得到了应用和推广，其次代重合闸装置，即微机型重合闸装置也随之在高压输电线路中得到了广泛的应用。随着高压微机线路爱护的不断成熟与完善，微机型重合闸装置也在不断的改进与完善。在欧洲，单相重合闸很早就起先得到了广泛应用。西欧及北欧电网的联网电压为420kV及245kV，其特点是变电所密集，420kV线路的平均长度为80km，245kV线路的平均长度是40km，最多发生的故障是单相接地故障。因此，极为期望保持线路在运行中，同时尽力降低网络传送容量不行用率。故此，在早期，当断路器与继电爱护装置供应了条件时，就选择了单相重合闸。自上世纪50年头到60年头中期，在各自系统内部已形成了150kV与220kV联网，随后顺当的在420kV线路上采纳了单相重合闸。在北美,最普遍采纳的各级电压线路自动重合闸方式是快速三相重合闸。2.2自动重合闸装置的工作原理三相一次自动重合闸装置通由启动元件、延时元件、一次合闸脉冲元件和执行元件4部分组成。

启动元件的作用是当断路器跳闸之后，使重合闸的延时元件启动；

延时元件是为了保证断路器跳闸之后，在故障点有足够的去游离时间和断路器及传动机构能打算再次动作的时间；

一次合闸脉冲元件用于保证重合闸装置只能重合一次；

执行元件则是将重合闸动作信号送至合闸电路和信号回路，使断路器重新合闸，让值班人员知道重合闸已动作。（1）正常状况下线路处在正常工作状况下，断路器处在合闸状态，其协助常开接点DL2闭合，常闭接点DL1打开，限制开关KK的接点21、23接通，重合闸继电器中的电容器C经1R而充溢电，电容器两端的电压等于电源电压。用于监视中间继电器ZJ接点是否完好灯光监视回路6接通，XD亮。图图2-1自动重合闸原理图图表图表SEQ图表\*ARABIC1图表SEQ图表\*ARABIC2-2表2.1KK接点的通断状况操作状态手动合闸时合闸后手动跳闸时跳闸后接点通断状况2-4通通通断5-8断通通通6-7通通断通21-23断断通通25-28断通通通（2）线路短路爱护动作时

当线路发生短路，爱护动作时BH1闭合，2SJ启动。经预定延时后，送出跳闸信号，使防跳继电器TBJ（1）启动（回路12)，断路器跳开后，接点DL2打开，DL1闭合，TBJ（1）因断电失磁而复原原来状态。

当断路器跳开，DL1闭合后，跳闸位置继电器TWJ被启动（回路11)，其接点TWJ1闭合。于是，时间继电器1SJ启动（回路1和2)，经重合闸的整定时间（0.5～1.55）后，延时接点1SJ1闭合，电容器C即通过1SJ1对中间继电器ZJ放电（回路3和4)，使ZJ动作。其常闭接点ZJ4打开，灯光熄；其常开接点ZJ3闭合，直流电源经回路7和10使合闸接触器HC励磁，使断路器合闸。由于ZJ电流自保持线圈的作用，只要电压线圈被短时启动，便可保证使ZJ于合闸过程中始终处于动作状态，从而使断路器牢靠合闸。

假如线路上的故障是短暂性的，则断路器合闸后DL1打开，TWJ失磁，TWJ1打开，1SJ返回ZJ也因DL1打开而返回。ISJ返回后，1SJ1断开，电容C起先经1R充电，大约经10～15s后，C两端充溢电压，这一电路就自动复归，打算好再次动作。

假如线路上的故障是永久性的，则在断路器合闸后，继电爱护将再次动作，而使断路器重新跳开，这时1SJ将再次启动，1SJ1又闭合，电容C向ZJ放电，因电容C充电的时间短，其两端电压较低不足以使ZJ启动，故断路器不能再次重合。ZJ也就恒久不能再次动作，从而保证了重合闸只动作一次。（3）手动操作跳闸时

当手动操作跳闸时，KK的接点6、7接通，回路12通，断路器跳开。断路器跳开后，KK的接点21、23断开，接点2、4接通，使重合闸回路失去正电源，不行能再动作于合闸。而2、4接通后，使电容C经2R放电，C上的电压快速降低。

（4）手动操作合闸时

当手动操作合闸时，KK接点5、8接通，经回路10启动合闸接触器HC，断路器合闸，同时，KK的接点21,23,25,28接通，接点2、4断开，重合闸回路获得正电源，正电源经1R向C充电，但需经10～15s才能充到操作电源电压。接点25、28接通后，使加速继电器JSJ动作，JSJ接点闭合。如线路上有故障，则断路器合闸后，继电爱护随即动作，经JSJ接点使断路器无延时跳开。这时，电容器C两端电压还比较低，不足以使ZJ启动，故重合闸不行能动作。（5）防止断路器多次重合于永久性故障的措施

在原理接线图中，若ZJ动作后，它的常开接点ZJ1、ZJ2、ZJ3被粘住时，线路发生永久性故障，则当第一次重合闸后，爱护再次动作，使断路器断开，断路器跳开后，由于DL1又处于闭合状态，若无防跳继电器TBJ，则ZJ被粘住的接点又会马上启动HC，发出合闸脉冲，形成多次重合。为此，在原理图中装设了防跳继电器TBJ。（6）重合闸的闭锁回路

在某些状况下，例如在母线L发生故障，母线差动爱护动作，使线路断路器跳闸时，不允许实现自动重合闸。在这种状况下，应将重合闸闭锁，使之退出工作，为此，可将母线差动爱护的出口继电器常开接点BH2与KK的接点2、4并联，当母线差动爱护动作后，BH2闭合，电容C即经2R放电，就不能再使ZJ动作，从而达到了闭锁重合闸的目的。2.3自动重合闸的作用自动重合闸的作用可归纳为如下几点:(1)在线路上发生短暂性故障时,快速复原供电,从而提高了供电的牢靠性。(2)对于有双侧电源的高压输电线路,可提高系统并列运行的稳定性。(3)在电力网设计过程中,装设自动重合闸的,可暂缓架设双回线路以节约投资。(4)对于断路器本身由于机构不良,或继电爱护误动作而引起的误跳闸,自动重合闸能起到订正作用。由于自动重合闸本身的投资低,工作牢靠,采纳自动重合闸后可避开因短暂性故障停电所造成的损失,因此,规程规定,在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,只要装设断路器,一般都应装设自动重合闸装置。在用高压熔断器爱护的线路上,可采纳自动重合熔断器.但是,采纳自动重合闸后,当重合到永久性故障时,系统再次受到短路电流的冲击,可能引起电力系统振荡。同时断路器在短时间内连续两次切断短路电流,这就恶化了断路器的工作条件。对于油断路器,其实际切断容量将比额定切断容量有所降低。2.4自动重合闸的类型自动重合闸装置按其功能可分为以下三种类型。1.三相重合闸所谓三相重合闸是指不论在输、配电线上发生单相短路还是相间短路时，继电爱护装置均将三相断路器同时跳开，然后启动自动重合闸再同时重新合三相断路器的方式。若短暂性故障，则重合闸胜利；否则爱护再次动作，跳开三相断路器。这时，是否再重合闸要视状况而定。目前，一般只允许重合闸动作一次，称为三相一次自动重合闸装置。在特殊状况下，如无人值班的变电所的无遥控单回线，无备用电源的单回线重要负荷供电线，断路器遮断容量允许时，可采纳三相二次重合闸装置。2．单相重合闸在110KV及以上的大接地电流系统中，由于架空线路的线间距离较大，故相间故障机会很少，而单相接地短路的机会却比较多，占总故障的90%左右。因此，在输电线路上，当不允许用快速非同期三相重合闸，而采纳检查同期重合闸，在因复原供电时间太长，满意不了系统稳定运行要求时，可以采纳单相重合闸方式工作。单相重合闸，是指线路发生单相接地故障时，爱护动作只断开故障相的断路器，然后进行单相重合。如故障是短暂性的，则重合胜利，假如是永久性故障，而系统又不允许非全相长期运行，则重合后，爱护动作使三相断路器跳闸，不再进行重合。当采纳单相重合闸时，假如发生相间短路，则一般都跳三相断路器，且并不进行三相重合；假如因任何其他缘由断开三相断路器，则也不再进行重合。3.综合重合闸综合重合闸是将单相重合闸和三相重合闸综合在一起，当发生单相接地故障时，采纳单相重合闸方式工作；当发生相间短路时，采纳三相重合闸方式工作。综合考虑这两种重合闸方式的装置称为综合重合闸装置。综合重合装置经过转换开关的切换，一般都具有单相重合闸、三相重合闸、综合重合闸和直跳（线路上发生任何类型的故障时，爱护可通过重合闸装置的出口，断开三相，不再重合闸）等四种运行方式。在110KV及以上的高压电力系统中，综合重合闸已得到广泛应用[3]。2.5高压线路自动重合闸启动方式高压线路自动重合闸有两种启动方式：不对应启动方式和爱护启动方式。不对应启动方式的优点：简洁牢靠，还可以订正断路器误碰或偷跳，可提高供电牢靠性和系统的稳定性，在各级电网中具有良好运行效果，是全部重合闸的基本启动方式。不对应启动方式对于传统的非综自厂、站，是利用限制开关位置与断路器位置不相符合的原则启动自动重合闸。对于综自型厂、站，已经不再须要传统的限制屏，断路器合闸也不肯定要通过限制开关，所以利用限制开关位置与断路器位置不相符合的原则启动自动重合闸已经不再适用于新型综自厂、站，而是利用跳闸位置继电器触点启动重合闸。爱护起动方式，是不对应启动方式的补充。由爱护装置动作来启动。它的特点是：仅在爱护装置动作状况下才启动自动重合闸装置。因此，它不能自动复原“误碰”使断路器掉闸后的供电[1]。2.6对自动重合闸装置的基本要求自动重合闸的基本要求如下：1、动作快速自动重合闸装置在满意故障点去游离（介质强度复原）所需的时间和断路器消弧室及断路器的传动机构打算好再次动作所需时间条件下，自动重合闸装置的动作时间应尽可能短。因为从断路器开到自动重合闸发出合闸脉冲时间越短，用户的停电时间也可以相应缩短，从而可减轻故障对用户和系统带来的不良影响。重合闸动作的时间，一般采纳0.5~1s。2、在下列状况下，自动重合闸应牢靠地步动作（1）运行人员发出跳闸吩咐时重合闸不应动作。由值班人员手动操作限制开关或通过遥控装置使断路器跳闸时，属于正常的限制运行，自动重合闸装置不应动作。（2）手动合闸时，由于线路上存在故障，继电爱护动作跳闸后，重合闸不应动作。这种状况下，故障多为永久性故障，它可能是由于检修质量不合格，隐患未消退或者保安的接地线没有拆除等缘由引起的，因此即使再次重合也不会胜利。3、自动重合闸装置应具有接收外来闭锁信号的功能。例如，当断路器处于不正常状态时（如操作机构气压或液压低等），不能实现自动重合闸，或某些爱护（如线路爱护永跳等）动作不允许自动重合时，应将自动重合闸装置闭锁。4、当断路器由继电爱护动作或机构误动作等缘由引起的跳闸，重合闸均应动作，使断路器重新重合。5、自动重合闸装置可由爱护启动或限制开关与断路器位置不对应的原理启动。6、在任何状况下，自动重合闸装置动作次数符合预先的规定。自动重合闸假如多次重合于永久性故障，将使系统遭遇多次冲击，导致严峻后果，同时还可能损坏断路器等电气设备，从而扩大事故。假如一次重合闸应当只动作一次，当重合于永久性故障而再次跳闸后，不应当再动作。二次重合闸应当能够动作二次，当其次次重合于永久性故障而跳闸以后，不应当再动作。7、自动重合闸装置动作后应自动复归，打算好再次动作。自动重合闸在动作以后，应能自动复归，打算好下一次再动作。对于故障频率较高的线路（如受雷击机会较多的线路），为了发挥自动重合闸的作用，这一要求更是特别必要的。8、自动重合闸装置的合闸时间应能整定，并有可能在重合闸以前或重合闸以后加速继电爱护的动作，以便更好地与继电爱护相协作，加速故障的切除。9、双侧电源供电的线路在进行自动重合闸时，应考虑合闸时两侧的同步问题等。2.7单重、三重及综重特点与区分重合闸方式必需依据具体的系统结构及运行条件，经过分析后选定。凡是选用三相重合闸方式能满意具体系统实际须要的，线路都应当选用三相重合闸方式。特殊对于那些处于集中供电地区的密集环网中，线路跳闸后不进行重合闸也能稳定运行的线路，更宜采纳整定时间适当的三相重合闸。对于这样的环网线路，快速切除故障是第一位重要的问题。当发生单相接地故障时，假如运用三相重合闸不能保证系统稳定，或者地区系统会出现大面积停电，或者影响重要负荷停电的线路上，应当选用单相或综合重合闸方式。单相自动重合闸的特点

(l）须要装设故障判别元件和故障选相元件

采纳一般三相重合闸装置时，线路的故障干脆由继电爱护作用于断路器的跳闸机构使三相断路器跳开。然后，重合闸装置进行三相重合，其任务比较单一。而采纳综合重合闸时，要求单相接地短路只跳开故障相断路器，并进行单相重合；相间故障时，应跳开三相断路器，并进行三相重合。这样，在线路故障时，除了首先要求推断是区内还是区外故障外，还必需判别应跳三相还是跳单相，当确定应跳单相后，还要进一步判别应当跳哪一相。因此，综合重合闸的任务是较为困难的。通常继电爱护装置只推断故障的范围，确定该不该跳闸，而确定跳三相还是跳单相，以及确定应跳哪一相断路器，是由重合闸装置内的故障判别元件（简称判别元件）和故障选相的元件（简称选相元件）来完成的。

由于某些线路爱护（例如相差高频爱护）在单相接地故障时也动作跳三相，假如综合重合闸内不装判别元件，就会出现单相短路跳三相的后果。

图2-2选相元件和判别元件的逻辑图故障判别元件的构成及工作原理

我国采纳的故障判别元件一般是由零序电流继电器或零序电压继电器构成。线路内部相间短路时，零序继电器不动作，继电爱护干脆跳三相断路器。接地短路时，零序继电器动作，继电爱护经选相元件再次判别是单相接地还是两相接地后，再确定是跳单相或跳三相。

原理如图2-2所示。图中1ZKJ～3ZKJ是三只反映接地短路的选相元件。Y0J是判别是否发生接地短路的零序电压元件。相间短路时，Y0J不动作，爱护直跳三相。接地短路时，Y0J动作闭锁三相跳闸回路。假如只一个选相元件动作，则说明发生单相接地短路，爱护动作只将该故障相跳开；假如有两个选相元件动作，则说明是两相接地短路，爱护应将三相断路器跳开。

选相元件的任务及基本要求：

选相元件是实现单相重合闸的重要元件，其任务是在发生单相接地时选出故障相。

对选相元件的基本要求是：

①线路单相接地故障时，故障相的选相元件应牢靠动作，非故障相的选相元件应牢靠不动作，即保证选择性和牢靠性。

②选相元件不应影响主爱护的性能，即对故障相末端发生的接地短路时，接于该相的选相元件应比该线爱护更灵敏。选相元件的动作速度也要比爱护更快速，即保证足够的灵敏度和速动性。

③多相短路（包括两相接地短路）时，应牢靠跳三相。

④选相元件拒动时，应经延时跳三相。(2）应考虑潜供电流的影响

当线路故障相的两侧断开后，由于非故障相与断开相之间存在着通过电容和互感的联系，虽然短路电流已被切断，但故障点弧光通道中仍会有肯定数值的电流流过，此电流即称为潜供电流。

图2-3潜供电流说明图由于潜供电流的存在，将维持故障点K点处的电弧，使之不易熄灭。当潜供电流熄灭瞬间，断开相的电压马上上升。此电压也由两部分组成：一是A、B相电压通过电容藕合过来，另一是A、B相负荷电流通过互感产生的互感电势。由于这两部分电压的存在，故障相短路点的对地电压可能升得较高，并使弧光复燃，因而再次出现弧光接地。此电压为持续弧光的电压，简称复原电压。

由于潜供电流和复原电压的影响，短路处的电弧不能很快熄灭。弧光通道的去游离受到严峻的阻碍。自动重合闸只有在故障点电弧熄灭，绝缘强度复原以后才有可能胜利。因此，单相重合闸的动作时间必需充分考虑它们的影响，否则，将造成单相重合闸的失败。潜供电流的大小与线路的参数有关。一般线路电压越高，负荷电流越大，则潜供电流愈大，单相重合闸受到的影响也越大，单相重合闸的动作时间也就随之增长。为了保证单相重合闸有良好的效果，正确选择单相重合闸的动作时间是很重要的。此时间一般都应比三相重合闸的时间长。(3）应考虑非全相运行状态的各种影响

l）负序电流的影响

由于负序电流将在发电机转子中产生二倍频率的沟通重量，引起转子的附加发热；而转子中的偶次谐波也将在定子线圈中感应出偶次谐波，谐波重量与基波重量叠加，就有可能产生危急的过电压。

2）零序电流的影响

非全相运行时，会出现零序电流，对旁边的通信线路干脆产生干扰，并可能造成通信设备的过电压。对铁路闭锁信号也会产生影响。

3）非全相运行状态对继电爱护的影响

非全相运行将使继电爱护的性能变坏，甚至使继电爱护不能正确工作。因此，在非全相运行期间，必需对爱护实行必要的措施。另外，在非全相运行状态下，由于一些爱护装置必需退出工作；如再发生故障（即发生断线加短路的困难故障）时，未退出工作的继电爱护还能否正确动作，这也是采纳单相重合闸后应考虑的问题。

综合自动重合闸装置的构成原则及其要求

（1）重合闸启动的方式问题

目前重合闸启动主要采纳爱护和限制开关与断路器位置不对应共同作用的启动方式，即当限制开关在合闸位置而断路器在实际断开位置时，由爱护启动重合闸的方式。

（2）与各种爱护相互协作的问题

在非全相运行时，距离爱护Ⅰ、Ⅱ段和零序电流爱护Ⅰ、Ⅱ段可能误动。因此，当不采纳其他措施时，应将它闭锁，这就要求在重合闸装置中设有将这些爱护闭锁的接线端子M，对在非全相运行中不会误动的爱护（如相差高频爱护等）须另设接线端子N。当差动爱护动作时，应使其跳三相断路器，然后进行三相重合。为此，应设接线端子Q，而对一些只要求跳三相断路器，而不再进行重合的爱护，应设接线端子R。将各类爱护接在相应的端子上。

（3）单相接地故障时只跳故障相断路器

单相接地故障时应跳故障相断路器，然后进行单相重合，重合不胜利时，跳三相，不再进行重合。

（4）相间故障时跳三相断路器

相间故障时，跳三相断路器，并进行三相重合，重合不胜利，跳三相，不再进行重合。

（5）选相元件可能拒动的问题

在重合闸中采纳了选相元件之后，不论这种元件是用什么原理实现的，都不应解除拒动的可能性。

（6）高压断路器的性能问题

重合闸与高压断路器关系特别亲密，它必需适应高压断路器性能的要求。

（7）对不允许长期非全相运行的系统的问题

对于不允许长期非全相运行的系统，若一相断开后，重合闸拒动，则可能使系统长时间非全相运行，这时应考虑跳其余两相。综合自动重合闸的动作状况介绍综合重合装置装置包括两部分即：沟通回路和直流回路。

装置直流回路的探讨：

直流回路由4部分组成：即分相跳闸回路、三相跳闸回路、重合闸回路和信号回路。图2-4综合重合闸装置原理方框图图2-5跳闸回路方框图(l）分相跳闸回路

分相跳闸回路由分相跳闸继电器1TJ～3TJ、阻抗选相元件lZKJ～3ZKJ和相电流继电器1LJ～3LJ组成，其原理方框图见图2-5。图中M、N为继电爱护的引入端子。在非全相运行状态下会误动的爱护由M端引入，不会误动作的爱护由N端引入。

A相接地短路时，继电爱护动作，M、N端有信号输入，同时，重合闸阻抗选相元件1ZKJ和相电流继电器1LJ也动作（其他两相ZKJ不动）。于是，“与l”、“与4”开放，经“或1”启动分相跳闸继电器lTJ，发出跳闸脉冲，使A相断路器断开。与此同时，还启动重合闸继电器ZQJ，使A相断路器跳开后，能进行一次重合。对于B、C相的单相接地短路，工作过程相像。

(2）三相跳闸回路

三相跳闸回路包括：分相跳闸回路、零序电压继电器YJ0、三相跳闸继电器TJ和三相跳闸后备时间元件SJ等部分，其原理方框图见图2-5。图中Q、R为继电爱护的引入端子。爱护动作后必需跳三相断路器，并进行三相重合的爱护由Q端引入，不须重合的爱护，从R端引入。其工作过程可以分为K（2、0）跳三相、K（2）跳三相、选相元件拒动跳三相和手动合闸于故障线路跳三相等四条回路来说明。

l）两相接地短路跳三相回路

A、B二相短路接地时，两故障相选相元件1ZKJ、2ZKJ和电流元件1LJ、2LJ的动作信号使“与l”、“与2”开放，当有M、N端送来的继电爱护动作信号时，“与4”、“与5”开放。于是，相应的分相跳闸继电器1TJ、2TJ启动，使“与10”开放；三相跳闸继电器TJ启动，使三相跳闸。与此同时，“与10”的输出信号也使分相跳闸继电器1TJ～3TJ启动，保证三相牢靠跳闸。1TJ～3TJ动作后，启动重合闸回路，实现三相一次重合闸。

2）两相短路跳三相回路

A、B二相短路时，M、N有爱护动作信号输入；但因阻抗选相元件不能正确反映相间短路的测量阻抗，故选相元件可能不动。由于这时YJ0不会动作，故“否1”开放。一方面经TJ跳二相，另一方面启动1TJ～3TJ，接通经“与9”,“与10”、“与11”的三相跳闸回路，同时启动ZQJ,实现三相一次重合。

3）发生接地故障且选相元件拒动回路

当发生接地故障且选相元件拒动时，由M、N端引入的爱护动作启动后备时间继电器SJ。延时0.25后启动TJ，使三相断路器跳闸，同时，ITJ～3TJ启动，接通重复跳三相回路，并启动ZQJ，实现三相一次重合闸。

4）手动合闸于故障线路回路

手动合闸时，继电器SHJ有信号至“与8”，手动合闸于故障线路，则M、N端有继电爱护的动作信号输入，“与8”开放，使三相跳开，不再重合。

(3）重合闸回路

重合闸回路由重合闸启动继电器ZQJ、重合闸后加速继电器JSJ、分相后加速继电器FJJ、重合闸时间继电器ZSJ、重合闸出口继电器ZHJ和分相跳闸固定继电器1GJ～3GJ等构成，其原理方框图如图2-6所示。当接于M、N、Q端子的继电爱护动作（如图2-5所示），分相跳闸继电1TJ～3TJ启动使断路器第一次跳开时，重合闸启动继电器ZQJ和分相跳闸固定继电器1GJ～3GJ即被启动并自保持。ZQJ启动后，应当首先接通本身的自保持回路，使ZQJ在整组复归时才能返回；为启动重合闸时间继电器ZSJ做好打算；然后延时0.3s后，输出信号闭锁M端爱护，并打算好三相跳闸回路。

重合闸时间继电器ZSJ可以采纳限制开关与断路器位置不对应的原则来启动，也可以采纳爱护启动的方法图2-6重合闸回路方框图综合重合闸装置中的一次合闸脉冲元件的原理与三相一次重合闸相同。在正常时，一次合闸脉冲元件处于打算动作状态。当ZSJ2有信号送至“与16”时，“与16”马上开放，使重合闸出口继电器启动。一方面发出合闸脉冲，使断路器重新合闸；另一方面使后加速继电器JSJ启动，将信号送至“与17”和“与18”，为断路器重合于永久性故障供应后加速动作的条件。

当断路器重合于故障线路时，由相电流元件1LJ～3LJ和分相跳闸固定继电器1GJ～3GJ启动的重合闸分相后加速继电器FJJ将动作，经0.1s后，将信号送至“与18”和“与17”去加速相间爱护Ⅱ段和开放三相跳闸回路。在三相合闸后，开放接于M端的继电爱护。FJJ所以要经0.1s才送出信号，是考虑到当三相重合于非故障线路时，由于三相断路器的主触头不同时闭合，可能使YJ，瞬时启动，造成后加速误动作。因此，检查线路有电流后，由FJJ延时0.1s送后加速信号，就可避开后加速误动作。

重合闸启动继电器ZQJ启动后经延时0.3s闭锁M端爱护，是为了保证接M端的爱护不致在断路器第一次跳开之前就退出工作。线路单重、三重及综重的条件单相重合闸是指线路上发生单相接地故障时，爱护动作只跳开故障相的断路器并单相重合；当单相重合不胜利或多相故障时，爱护动作跳开三相断路器，不再进行重合。由其它任何缘由跳开三相断路器时，也不再进行重合。综合重合闸是指，当发生单相接地故障时采纳单相重合闸方式，而发生相间短路时采纳三相重合闸方式。在下列状况下，须要考虑采纳单相重合闸或综合重合闸方式。1、220kV及以上电压单回联络线、两侧电源之间相互联系薄弱的线路；特殊是大型气轮发电机组的高压配出线路。2、当电网发生单相接地故障时，假如运用三相重合闸不能保证系统稳定的线路。3、允许运用三相重合闸的线路，但运用单相重合闸对系统或复原供电有较好效果时，可采纳综合重合闸方式。例如，两侧电源间联系较紧密的双回线路或并列运行环网线路，依据稳定计算，重合于三相永久故障不致引起稳定破坏时，可采纳综合重合闸方式。一般在单侧电源线路上，通常运用简洁的三相一次自动重合闸。如由几段串联线路构成的电力网，为了补救其电流速断等瞬动爱护的无选择性动作，三相重合闸采纳带前加速或依次重合闸方式，此时断开的几段线路自电源侧依次重合。但对供电给重要负荷的单回线路，为提高其供电牢靠性，也可以采纳综合重合闸。对于两端均有电源的线路采纳自动重合闸时，应保证在线路两侧断路器均已跳闸，故障点电弧熄灭和绝缘强度已复原的条件下进行。同时还必需考虑如下问题：1、线路两侧爱护装置以不同时限切除故障时，两侧重合闸时间必须要有协作。2、当重合于永久性故障时，系统是否会失去稳定。3、两侧电源线路联系较强，且不会失去稳定时。单重与三重的优点、缺点比较采纳单相重合闸时，要求爱护只跳开故障相，然后重合闸只自动重合单相。因此，与三相重合闸相比，它有如下几个显著的优点：1、能在绝大多数的故障状况下保证对用户的连续供电，从而提高供电的牢靠性。当由单侧电源单回线路向重要负荷供电时，对保证不间断地供电更有显著的优越性。2、在双侧电源的联络线上采纳单相重合闸，就可以在故障时大大加强两个系统间的联系，从而提高系统并列运行的动态稳定。对于联系较弱的系统，当三相切除并继之以三相重合闸而很难复原同步时，采纳单相重合闸就能避开两系统的解列。3、与三相重合闸比较，单相故障运用单相重合闸，一般不会产生操作过电压在采纳单相重合闸时，也须要考虑到它的一些缺点：1、须要特地的选相元件与继电爱护相协作，在考虑一些特殊的要求后，使重合闸回路的接线比较困难。2、须要有按相操作的断路器。3、运用单相重合闸时会出现非全相运行，除纵联爱护须要考虑一些特殊问题外，对零序电流爱护的整定和协作产生了很大影响，也使中、短线路的零序电流爱护不能充分发挥作用。例如，一般环网三相重合闸线路的零序电流一段都纵续动作，即在线路一侧出口单相接地而三相跳闸后，另一侧零序电流马上增大并使其一段动作。以前利用这一特点，即使线路纵联爱护停用，协作三相快速重合闸，仍旧保持着较高的胜利率。但当运用单相重合闸时，这个特点不存在了，而且为了考虑非全相运行，往往须要抬高零序电流一段的起动值，零序电流二段的灵敏度也相应降低，动作时间也可能增大。采纳三相重合闸最大的优点就是简洁。运用三相重合闸时，各种爱护的出口回路可以干脆动作于断路器。但在高压及超高压系统中往往不能满意系统动态稳定的要求，假如重合于三相短路故障，对电网及发电机将产生巨大的冲击[1]。2.8什么叫重合闸前、后加速自动重合闸与继电爱护协作的方式主要有两种：即自动重合闸前加速爱护动作和自动重合闸后加速爱护动作。两者关系极为亲密，爱护可利用重合闸供应的便利条件，加速切出故障。（1）重合闸前加速爱护一般简称“前加速”。前加速一般用于单侧电源辐射形电网中，重合闸仅装在靠近线路的电源一侧，当线路上发生故障时，靠近电源侧的线路爱护首先动作，瞬时切除故障；然后断路器进行重合，假如重合失败则由爱护进行有选择性的动作。原理说明:

图2-7中每一条线路上均装有过流爱护，当其动作时限按阶梯形选择时，断路器1DL处的继电爱护时限最长。为了加速切除故障，在IDL处可采纳自动重合闸前加速爱护动作方式。即在1DL处不仅有过流爱护，还装设有能爱护到L3的电流速断爱护和自动重合闸装置ZCH。这时，不论是在线路L1、L2或L3发生故障，1DL处的电流速断爱护都无延时地断开断路器1DL，然后自动重合闸装置将断路器重合一次。假如是短暂性故障，则重合胜利，复原正常供电；假如是永久性故障，则在1DL重合之后，过流爱护将按时限有选择地将相应的断路器跳开。即当凡点故障时，由3DL的爱护跳开3DL，若3DL爱护拒动，则由ZDL爱护跳开断路器ZDL。

图2-7重合闸前加速爱护动作原理说明图图2-8重合闸前加速爱护的动作的接点电路自动重合闸“前加速”爱护方法动作过程:

自动重合闸“前加速”爱护方法的实现,是将重合闸装置中加速继电器JSJ的常闭接点串联接于电流速断爱护跳闸出口回路中（如图2-8所示），其动作过程可参阅图2-1。当线路上发生故障时，电流速断爱护的电流继电器LJ的接点瞬时闭合，正电源经加速继电器的常闭接点JSJ启动TQ而跳闸。随后，自动重合闸装置启动，当ZCH的中间继电器ZJ动作，常开接点ZJ1～ZJ3闭合而发出合闸脉冲时，其中的一对常开接点ZJ3也同时启动加速继电器JSJ，使JSJ的常闭接点打开。假如重合于永久性故障，则电流速断爱护的电流继电器LJ虽启动，但不能经JSJ的常闭接点去瞬时跳闸，而是要等过流爱护的延时接点2SJ闭合后，才能去跳闸这样，在重合闸后，爱护就带时限跳闸。

采纳“前加速”方式的优缺点

优点:能快速地切除故障，使短暂性故障来不及发展成为永久性故障，而且设备少，只须一套ZCH装置。

缺点:重合于永久性故障时，再次切除故障的时间可能很长，装有重合闸装置的断路器的动作次数很多，若此断路器或重合闸拒动，则停电的范围将扩大，甚至在最末一级线路上故障，也可能造成全部停电。因此，事实上“前加速”方式主要用于35kV以下的网络

（2）自动重合闸后加速爱护简称“后加速”。线路采纳重合闸后加速，即在线路各段上都装设了有选择性的爱护和自动重合闸。当线路发生故障时，各段爱护首先有选择性动作，然后重合闸动作；当重合于永久性故障上时，则重合闸启动加速爱护动作，爱护瞬时动作切除故障，而这与第一次切除故障是否带延时无关。原理说明:

这种方式就是第一次故障时，爱护按有选择性的方式动作跳闸。假如重合于永久性故障，则加速爱护动作，瞬时切除故障采纳“后加速”方式时，必需在每条线路上都装设有选择性爱护和自动重合闸装置,与任一线路上发生故障时，首先由故障线的选择性爱护动作将故障切除，然后由故障线路的ZCH进行重合，同时将选择性爱护的延时部分退出工作。假如是短暂性故障，则重合胜利，复原正常供电；假如是永久性故障，故障线的爱护便瞬时将故障再次切除。图2-9重合闸后加速爱护动作的原理说明图图2-10重合闸后加速爱护动作的接点电重合闸后加速爱护动作过程:

ZCH加速继电器的常开接点JsJ，与爱护的瞬时接点LJ串联，而加速继电器的常闭接点JSJ2与爱护的延2SJ串联。当故障时，LJ虽然动作，但JSJ1是断开的，不能瞬时跳闸；只有当依据选择性原则动作的爱护接点2SJ闭合时，才能接通TQ，使断路器跳闸。随后，ZCH动作，发出合闸脉冲，并启动加速继电器JSJ，使常开接点JSJ1闭合，常闭接点JSJ2打开。若重合在永久性故障上，则LJ将瞬时再次动作，这时，因JSJ1已闭合，故能马上形成TQ的通路，无须等待延时，而马上使断路器跳闸。“后加速”也可采纳JSJ1短接2SJ的延时接点的方法来实现。

采纳“后加速”爱护的优缺点：

优点：第一次跳闸是有选择性的动作，不会扩大事故。在重要的高压网络中，一般都不允许爱护无选择性地动作，应用这一方式尤其适合；使再次断开永久性故障的时间加快，有利于系统并联运行的稳定性。

缺点：第一次故障可能带时限，当主爱护拒动，而由后备爱护来跳闸时，时间可能比较长。2.9自动重合闸的配置原则技术规程规定自动重合闸的配置原则是：1.1KV及以上架空线路及电缆与架空混合线路，在具有断路器的条件下，当用电设备允许且无备用电源自动投入时，应装设自动重合闸装置；2.旁路断路器和兼作旁路母线断路器或分段断路器，应装设自动重合闸装置；3.低压侧不带电源的降压变压器，可装设自动重合闸装置；4.必要时，母线故障也可采纳自动重合闸装置。依据自动重合闸运行的阅历可知，线路自动重合闸的配置和选择应依据不同系统结构、实际运行条件和规程要求具体确定。一般选择自动重合闸类型可按下述条件运行：（1）110KV及以下电压的系统单侧电源线路一般采纳三相一次重合闸装置。（2）220、110KV及以下双电源线路用合适方式的三相重合闸能满意系统稳定和运行要求时，可采纳三相自动重合闸装置。（3）220KV线路采纳各种方式三相自动重合闸不能满意系统稳定和运行要求时，采纳综合闸装置。（4）330～500KV线路，一般状况下应装设综合闸装置。（5）在带有分支的线路上运用单相重合闸时，分支侧是否采纳单相重合闸，应依据有无分支电源，以及电源大小和负荷大小确定。（6）双电源220KV及以上电压等级的单回路联络线，适合采纳单相重合闸；主要110KV双电源单回路联络线，采纳单相重合闸对电网平安运行效果显著时，可采纳单相重合闸[3]。3自动重合闸装置的硬件设计3.1PLC的发展历史世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简洁的逻辑限制及定时，计数功能。20世纪70年头初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程限制器，使PLC增加了运算,数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业限制装置。为了便利熟识继电器,接触器系统的工程技术人员运用，可编程限制器采纳和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参与运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规限制概念相结合的产物。

20世纪70年头中末期,可编程限制器进入好用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程限制器中,使其功能发生了飞跃.更高的运算速度,超小型体积,更牢靠的工业抗干扰设计,模拟量运算,PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位.20世纪80年头初,可编程限制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程限制器发展的特点是大规模,高速度,高性能,产品系列化.这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程限制器的国家日益增多,产量日益上升。这标记着可编程限制器已步入成熟阶物[5]。电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufacturersAssociation）于1980年正式命名其为可编程序限制器（ProgrammableController），简称PC。为与个人计算机（PersonalComputer）相区分，同时也运用其早期名称PLC。国际电工技术委员会IEC（InternationalElectrotechnicalCommission）分别于1982年11月和1985年1月颁布了PLC的第一稿和其次稿标准。以后PLC起先向小型化、高速度、高性能、高牢靠性方面发展，并形成多种系列产品，编程语言也不断丰富，使其在80年头工业限制领域中占据着主导地位[6]。可编程序限制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动限制技术为一体的工业限制产品，是在硬接线逻辑限制技术和计算机技术的基础上发展起来的。通常把PLC认为是由等效的继电器、定时器、计数器等元件组成的装置。1985年1月，国际电工委员会（IEC）的可编程序限制器标准草案第2稿对可编程序限制器作了如下定义：“可编程序限制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采纳可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、依次限制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，限制各种类型的机械或生产过程。可编程序限制器及其有关设备，都应按易于使工业限制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”[7]。20世纪末期,可编程限制器的发展特点是更加适应于现代工业的须要。从限制规模上来说,这个时期发展了大型机和超小型机；从限制实力上来说,诞生了各种各样的特殊功能单元,用于压力,温度,转速,位移等各种各样的限制场合；从产品的配套实力来说,生产了各种人机界面单元,通信单元,使应用可编程限制器的工业限制设备的配套更加简洁。目前,可编程限制器在机械制造,石油化工,冶金钢铁,汽车,轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。3.2PLC的组成PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块、和编程装置组成（见图3.1）[8]。（l）CPU模块CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC限制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。图3-1PLC限制系统示意图（2）I/O模块输入（Input）模块和输出(Output)模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来自开关量的输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器供应的连续变更的模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来限制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备；模拟量输出模块用来限制调整阀、变频器等执行装置。CPU模块的工作电压一般是5V，而PLC的输入/输出信号电压较高，例如DC24V和AC220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。在I/O模块中，用光耦合器、光控晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的I/O电路，I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。（3）编程器编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改、和监视用户程序的执行状况。手持式编程器不能干脆输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。运用编程软件可以在计算机屏幕上干脆生成和编辑梯形图或指令表程序，并用可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘和打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。（4）电源PLC一般运用AC220V电源或DC24V电源。内部的开关电源为各模块供应不同电压等级的直流电源，小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器（例如接近开关）供应DC24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户供应。3.3SIMATICS7-200的工作原理SIMATICS7-200结构图1．主机外形SIMATICS7-200系统CPU22X系列PLC主机（CPU模块）的外形如图3-2所示:图3-2SIMATICS7-200主机结构图SIMATICS7-200系统CPU22X系列PLC主机及I/O特性如表4.1所示:表3.1I/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3-3所示:图3-3存储系统框图主机CPU存储容量表如表3.2所示:表3.2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．存储平安（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供应一个超级电容器，可使RAM中的程序和数据在断电后保持几天之久。（4）CPU供应一个可选的电池卡，可在断电后超级电容器中的电量完全耗尽时，接着为内部RAM存储器供电，以延长数据所存的时间。（5）可选的存储器卡可运用户像运用计算机磁盘一样来便利地备份和装载程序和数据。3.3.2SIMATICS7-200的特点西门子公司生产的S7—200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，S7—200的STEP7—Micro/WIN32编程软件可以便利地在WINDOWS环境下对PLC编程、调试、监控、使得PLC编程更加便利快捷。S7—200系列PLC具有以下几方面的优点:（1）S7—200配置敏捷，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）S7—200指令功能丰富，可完成各种限制，且指令执行速度快。（3）S7—200可用内部协助继电器M，状态继电器S，定时器T，寄存器D。（4）S7—200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限制器中，产生了SIMATICS5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SIMATICS7、M7和C7等几大系列。S7—200系列是一种可编程序逻辑限制器（MicroPLCs）。它能够限制各种设备以满意自动化限制需求。S7—200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、困难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，变更输出状态以达到限制目的。紧凑的结构、敏捷的配置和强大的指令集使S7—200成为各种限制应用的志向解决方案。S7—200CPU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，S7—200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可编程序限制器在欧洲处于领先地位。其第一代可编程序限制器是1975年投放市场的SIMATICS3系列的限制系统。从CPU模块的功能来看，SIMATICS7—200系列小型可编程序限制器发展至今，大致经验了两代:第一代产品其CPU模块为CPU21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元:CPU212，CPU214，CPU215和CPU216，对第一代PLC产品不再作具体介绍。其次代产品其CPU模块为CPU22X，是在21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信实力。它具有四种不同结构配置的CPU单元:CPU221，CPU222，CPU224和CPU226，除CPU221之外，其他都可加扩展模块。SIMATICS7-200的工作原理PLC工作方式：PLC是采纳循环扫描的工作方式，即每一次状态变更需一个扫描周期。PLC循环扫描时间一般为几毫秒至几十毫秒。整个过程分为内部处理、通信、输入处理、执行程序、输出处理几部分。PLC通电后，须要对硬件和软件作一些初始化的工作。为了使PLC的输出刚好地响应各种输入信号，初始化反复不停地分阶段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作模式称为扫描工作模式。1、读取输入在PLC的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入过程映像寄存器和输出过程映像寄存器。CPU以字节为单位来读写输入/输出过程映像寄存器。在读取输入阶段，PLC把全部外部数字量输入电路的I/O状态读入输入过程映像寄存器。外接的输入电路闭合时，对应的输入过程映像寄存器为1状态，梯形图中对应的输入点的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入电路断开时，对应的输入过程映像寄存器为0状态，梯形图中对应的输入点的常开触点断开，常闭触点接通。图3-4扫描过程2、执行用户程序PLC的用户程序由若干指令组成，指令在存储器中按依次排列。在RUN工作模式的程序执行阶段，在没有跳转指令时，CPU从第一条指令起先，逐条依次地执行用户程序。在执行指令时，从I/O映像寄存器或别的位元件的映像寄存器读出其0/1状态，并依据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到相应措施的映像寄存器中，因此，各映像寄存器的内容随着程序的执行而变更。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变更，输入过程映像寄存器的状态也不会随之变更，输入信号变更了的状态只能在下一个扫描周期的读取输入阶段被读入。执行程序时，对输入/输出的存取通常是通过映像寄存器的，而不是实际的I/O点，这样做有以下好处：(1)程序执行阶段的输入值勤是固定的，程序执行完后再用输出过程映像寄存器的值更新输出点，便系统的运行稳定；(2)用户程序读写I/O映像寄存器比读写I/O点快得多，这样可以提高程序的执行速度。3、通信处理在通信恳求处理阶段，CPU处理从通信接口和智能模块接收到的信息，例如读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，在适当的时候将信息传送给通信恳求方。4、CPU自诊断测试自诊断测试包括定期检查CPU模块的操作和扩展模块的状态是否正常，监控定时复位，以及完成一些别的内部工作。5、改写输出CPU执行完用户程序后，将输出过程映像寄存器的0/1状态传送到输出模块并锁存起来。梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出过程映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯型图中输出点的线圈“断电”对应的输出过程映像寄存器中存放的二进制数为0，将它送到继电器型输出模块，对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作[9]。3.4PLC编程语言IEC（国际电工委员会）于1994年5月公布了可编程序限制器标准（IEC1131），其中的第三部分（IEC1131-3）是可编程序限制器语言标准。IEC1131-3具体地说明白句法、语义和下述5种编程语言（见图3.4）的表达方式：（1）依次功能图（2）梯形图（3）功能块图（4）语句表（5）结构文本图3-5PLC