西门子6ES212-1BB23-0XB8原装代理

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l 引言
    一般来说。大功率直流电源装置的系统主要由高压隔离开关、高压断路器、有载调压器、平波电抗器、整流变压器、晶闸管整流装置、控制系统、交流互感器、直流互感器、直流母线开关、综合测量装置及纯水冷却装置或者风机等部分组成．系统构造复杂、体积庞大，维修和维护极为不便。因此，实时掌握和了解直流电源系统的工作状况显得极为重要。所以，设计大功率直流电源智能监测系统对电源装置进行监测和保护是必要的。

2 电解锰电源的监控系统设计
2．1 系统总体设计
    采用西门子公司的S7—200可编程控制器和TD200文本显示器，设计电解金属锰直流电源的监控系统。670 V／26 kA电解锰电源采用三相桥式全控晶闸管整流，非同相逆并联的主电路形式。该电源检测系统采用可编程控制器(PLC)作为控制的核心器件，将大功率直流电源设备与通讯网络连接，检测和指示故障位置。PLC以其品种多样的扩展模块(如模拟量扩展模块、通信模块)为实现采集、上传数据提供便利。

  该电源检测系统中，PLC、开关量单元、模拟量单元、通信单元和TD200文本显示单元构成了模块的主控单元，还有现场变换与执行单元，用于实现电源设备强电与弱电之间的隔离，把相应的故障或运行参数的信号变换为开关量或隔离后的模拟量信号送入PLC，根据PLC的输出进行报警和执行跳闸等操作，TD200文本显示器用于显示现场电源系统的运行状态，以便于工作人员调试和应用。
2．2 系统控制工作原理
    三相桥式全控整流电源装置的被控对象主要是高压开关断路器、移相触发电路的触发角度、水冷却器的启停，被检测对象主要是水冷却器是否有故障、整流变压器油温是否过高、轻重瓦斯是否超标、晶闸管整流器的器件是否失效、桥臂是否过热等。整流电源装置通过控制面板上的合闸按钮将点动信号送入PLC的数字输人点后，通过PLC内部的自保持程序使电源合闸并到位后，PLC将解除对整流装置触发脉冲的封锁，这样可通过给定旋钮调节给定电压的大小，改变触发角度，改变输出电压的大小。高压分闸信号送入PLC后，首先应该封锁整流装置的触发脉冲，然后延时数秒，再自动分闸。基于PLC的电气控制系统对大功率直流电源系统的控制思路，仍然与继电器一接触器控制系统是一致的，只是在控制手段上采用了先进的控制设备。

3 PLC控制程序
    程序块选用子程序流程图，它是由故障检测子程序、模拟量采集子程序、显示子程序等几个程序块组成。

4 结语
    基于PLC控制的电解电源系统实现所要求的技术性能，利用TD200文本显示器可以直接显示报警内容，方便现场操作人员的维修与调试。系统已经投入运行，运行状态良好，为操作人员对电解电源操作和实时监控带来大便利，达到了预期的控制要求。

0 引言

近年来，我国的电力能源显得十分吃紧，节约电能已经成为社会的共识。在照明领域运用节能方法来节约电能已经为人们所接受。目前，路灯照明的传统节能方法主要有两种，一种是光源节能方法，另一种是控制节能方法。控制节能法主要采用人工控制节能、时控控制节能、光控控制节能和节能器控制节能等方法来进行节能。在控制节能方法中，运用智能节能控制器进行节能时，可通过多种节能模式的组合，来解决单一控制方法所带来的节能效果不理想的问题。

1 智能节能控制器的组成

基于 PLC 的智能节能控制系统是具备时控模式、光控模式、压控模式、声控模式、旁路模式等工作模式为一体的路灯节能控制系统。该节能控制系统能根据不同的工作环境，通过 PLC 的程序处理，来合理选择合适的模式以及模式组合，从而对路灯进行节能控制。

其中，时控模式可通过 PLC 编程实现。该节能控制系统主要运用在以高压钠灯为光源的路灯照明系统中。

2 可变电抗器设计

可变电抗器的设计可通过在变压器的原边和副边上都加电压，然后调节变压器副边的电压，以使主磁通发生变化，从而实现变压器原边侧阻抗发生变化，最后通过阻抗的变化来调节原边的电压。

3 声光控设计

其中，外部声音信号传播到传声器后，将通过运算放大器将输入的微弱音频信号转换为电压信号，此电压信号再由转换器转换成数字信号发送至 PLC ，以便 PLC 根据输入的数字信号进行处理。

由于系统采集的声音信号为道路上行人与车辆所发出的，故需选择灵敏度高、非线性失真小、频响范围宽的传声器。本系统选用电容式传声器作为路面声音信息的装置，该传感器适合于高质量的拾音。

本系统的光控传感器采用光敏三极管。因为光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还可对电信号进行放大。光敏三极管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极 ( 发射极和集电极 ) ，而基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，通常将基区面积做得很大，发射区则较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时，管子流过的电流为暗电流，其值为：

Ieco=(1+β)Icbo

由于 Ieco 一般很小 ( 比一般三极管的穿透电流还小 ) ，故当有光照时，会激发大量的电子空穴对，从而使得基极产生的电流增大 ( 此刻流过管子的电流称为光电流 ) ，其集电极电流为：

Ic=(1+β)Ib

可见，光电三极管具有较高的灵敏度。本系统利用光电三极管的这一特性，并通过 A ／ D 转换器把信息传输到 PLC 内部，由 PLC 根据得到的信息并通过程序来进行光控的输出控制。

4 控制程序流程设计

根据路灯控制节电器的不同工作模式，可以编写对应工作模式的控制程序， PLC 程序执行时，应先判断是否满足旁路条件，满足旁路的条件为其它元件损坏或处于路灯检修状态，如果满足，则执行旁路处理，否则进入声控模式，以进行声控处理。声控处理后还要判断光控是否运行，如果光控运行，则进入光控处理模式，压控模式条件满足后，进入压控模式，并通过压控处理程序对路灯端电压进行调节。如后半夜行人和车辆稀少，则调低电压。同时在其它路灯工作时间，如声控模式传来信息且行人和车辆稀少，也可在保证足够照明的情况下，适当调低路灯电压，以节约电能。不执行光控模式时，可进入时控模式。在时控模式，如满足压控模式条件，则压控模式继续执行。

5 结束语

路灯设备是使用量十分巨大的基础用电设备，对路灯进行节能控制可带来一定的经济效益。本智能路灯节能控制系统是专为大中规模的照明系统设计的智能装置。该智能节电系统设计简单、性能可靠，并具有很好的节电效果，因而是照明设备节能降耗的重要途径和有效方法。因此，本智能路灯节能控制系统的设计对于日常生产、生活的节能降耗具有重要意义。

1 引言
    近年来，35kV及以上等级变电站越来越多实现无人值守，而站内低压用电是保证变电站各种电气设备运行维护的基础，因此对变电站低压配电屏进行有效监控就越发显得重要。低压配电屏一次系统结构一般设计为两路进线，通过自动转换开关ATS或者联络开关实现不同电源之间的切换，出线负荷可根据实际需求配备相应的开关。在低压配电屏中加入智能控制系统，不仅可准确掌握相关电量参数、实现自动切换、远程监控等功能，还可丰富产品内涵，极大提高产品竞争力。本文主要介绍低压智能控制屏的设计思路及实现方式，通过系统的集成，将PLC、触摸屏、PM表、电压检测模块等智能设备有机的结合在一起，完成对进出线开关及相关电力参量的有效监控。

2 设计要求
    低压智能控制屏的设计要求主要有两部分：(1)电力参数及进出线开关状态采集、就地显示及上传；(2)两路进线电源自动切换。
    电力参数需要采集两路进线的电流、电压、频率、功率因数、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能等参数。进出线开关状态要求实时反映低压配电屏进线、出线开关的状态。设计要求将上述遥测遥信量就地显示于人机界面，并能准确上传至上级监控平台。
    为了确保供电可靠性，变电站低压配电屏设计为两路进线，通过自动转换开关ATS或者母联开关实现两路电源之间的切换。采用ATS的方式时，该设备有0、l、2三种位置状态。当ATS处于0位置时，两路电源皆不投入；当处于l位置时，I路电源投入运行；当处于2位置时，II路电源投入运行。基于ATS的控制特点，要求智能控制系统对ATS有五种控制模式，分别是：停止、固定电源I、自动电源I、固定电源II、自动电源II，

  采用母联开关的方式时，一般采用两进线一母联的“三合二”的控制方式保证供电，实现方式与ATS类似，不再赘述，下面仅以ATS为控制对象加以说明。

3 系统分析与设计
3．1 网络结构及硬件分析
    按照上述设计要求，在考虑满足性能的同时，还要兼顾整体价格的平衡，因此系统设备的选型需慎重考虑。智能控制系统不仅要完成自动控制的功能，还要完成与底层设备的现场总线通信功能。因此通过综合考虑，智能控制系统的核心设备选择了施耐德公司的小型PLC：TWDLCAFAODRF。该设备在本体有24个开关量输入点，16个开关量输出点，还可以通过扩展模块将IO点数最大扩展至264点。该设备更为强大的是有三个通信口：1个可作为通信用的编程口；1个RS485通信口；1个以太网接口，该PLC具有很强的集成与扩展能力。参阅图l中的系统结构，Twido作为核心控制单元，通过以太网上联触摸屏以及上级监控平台，通过RS485现场总线下接智能接口设备，还能通过I／O硬接线连接开关的辅助触点，完成输入输出控制。
    电力参数的采集主要使用施耐德公司的PM200，该产品通过对电流电压的测量，计算出各种电力参数，并通过RS485通信口与上位机连接，是一种经济简便的多功能电力测量仪器。进出线开关状态采集使用PLC与CCMl6采集器相结合的方式。与PLC在同一面屏的开关，将其辅助触点接入PLC开关量输入点，与PLC不在同一面屏的开关，在该屏配备开关量采集模块CCMl6，将辅助触点接入CCMl6，然后通过通信口上传至PLC。具体接线示意图可参见图l的左下角部分。

    人机界面选用台湾威伦通公司的触摸屏MT8104，该产品拥有65536色、TFT LCD；USB打印机接口；3组串口可同时使用3种不同通讯协议；支持100M以太网，是完全应工业所需研制而成的高品质触控式工业用人机界面。图1中触摸屏通过以太网与Twido相连，实现数据显示、趋势曲线描绘、告警信息汇总、控制命令输入等等人机交互功能。从图l可看出，PLC通过RS485通信口与底层智能设备连接，以现场总线的方式将数据采集到PLC，并通过程序将相关信息存储到内部存储区。就地显示使用触摸屏，实时反映配电屏的运行状态，显示电流电压趋势曲线以及系统相关的告警及运行信息。上级监控平台可以通过以太网接入到本智能监控系统，利用MODBUS TCP／IP通信规约进行信息交换，通信速率可达到100M／S，保证了数据更新的实时性与准确性。
3．2 PLC编程实现
    使用与Twido PLC配套的编程软件Twidosoft实现既定的控制逻辑及智能口通信功能。对于ATS控制的关键点在于电源的检测，为此选用Carlo GaVazzi公司的DPB7lCM23型电压检测模块。该模块能够检测输入电压的欠压、过压、缺相、反相等状况，通过辅助触点提供必要的信息，并且在模块面板上有指示灯反映故障信息。
    以自动电源1模式为例说明控制逻辑原理：(1)在远程控制模式下，操作人员通过触摸屏发出控制指令，两路电源都正常，电压检测模块实时检测电源状况， PLC控制ATS先处于1位置； (2)电源I不正常，电压模块发出电压不正常信号，PLC经过延时后，控制ATS断开1位置，回到0位置；(3)经过一定延时后，PLC断开0位置，转到2位置，使用电源II供电； (4)当电源I恢复正常时，电压模块发出电压正常信号，PLC断开2位置，回到0位置； (5)经过延时，PLC控制ATS断开0位置，回到1位置，恢复电源I供电。在自动电源1模式下，如果电源2不正常，ATS保持在1位置不动作。如果两路电源都不正常，PLC控制ATS处于停止状态。
    在本智能控制系统中，PLC有效地对底层智能口进行通信也是非常关键的。Twidosoft软件提供了强大的通信宏功能。通信宏通过简单的配置，指定好通信口的相关参数如波特率、设备地址、数据存储区等就可以与底层设备进行通信了。该软件最大支持总共32个通信宏，即最大32个子设备的智能通信。通信宏支持MODBUS以及TCP／IP通信规约。
    实际编程中，由于MODBUS主从应答式的通信机制，需要逐次分步调用通信宏，因此在程序开头应设计一个步进计数器。步进计数器利用系统脉冲信号产生步进脉冲，每个步进脉冲调用一次通信宏，以此来控制每次PLC主站与底层设备子站之间的通信。
    梯形图第10行表示步进计数器的第l步发生时，使内存点％M1为l，同时将需要采集数据的首地址存入通信宏指定的临时变量％MW23。第11行表示在％Ml上升沿时调用通信宏COMMl的读N字指令，具体是读10个字。第12行表示在％Ml下降沿时，将宏读到的10个字的数值赋值到从内存点％MWl00开始的10个字。

3．3 人机界面功能设计
    触摸屏与PLC通过以太网进行连接，使用MODBUS TCP／IP通信规约进行信息交换，两者的传输速率可达到100M／S，保证了数据刷新的实时性。人机界面的功能设计包括四部分：系统电力参数及开关状态实时显示；密码管理及开关操作：电流电压趋势曲线图；系统运行状态及告警信息显示。
    电力参数及开关状态实时显示主要包括PM200的三相电流、相电压、线电压、频率、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能、视在电能、ATS位置状态、出线开关位置状态等等。密码管理及开关操作功能设计为需要输入正确密码才能在触摸屏发出控制命令，如控制模式及ATS位置的转换。电流电压趋势曲线图将三相电流、三相电压的趋势曲线反映到人机界面，具有前后翻动显示或者曲线保持的功能。人机界面还有系统运行状态及告警信息汇总显示功能，方便操作人员及时快速掌握系统存在的问题。

4 应用情况
    低压智能控制屏采用了先进的系统结构，对底层智能设备的通信非常稳定，实时反映低压配电屏的运行状态以及电力参数。在自动运行的情况下，智能控制系统能够准确判断电源情况，根据设定好的程序完成电源的自动切换。人机界面简洁友好，便于操作人员掌握系统全部运行情况。目前本低压智能控制屏推出一年多以来，已成功应用在超过50个35kV及以上电压等级的大型变电站的站用低压配电系统中，以其稳定准确、功能完善的特点得到了用户的好评。随着越来越多的大型变电站的兴建或技术改造，本低压智能控制屏也将得到更大范围的推广和应用。

5 结语
    本文主要介绍了基于PLC技术的低压智能监控屏的设计及应用情况。低压智能监控屏结合现场总线及以太网技术，有效地将各种智能设备集成为具有实时显示、自动控制的监控系统。本智能监控系统与低压配电屏的融合，极大地提高了配电屏的技术含量，丰富了产品内涵，提高了配电用电的安全性和可靠性，且配置简单，性价比高，可移植性强，是值得广大配电屏生产厂家大力推广应用的自动化监控系统

随着计算机控制技术的迅速发展，以微处理器为核心的可编程序控制器(PLC)已逐步替代继电器控制，在各行业的自动化控制领域得到普遍应用。煤炭行业正在依靠现代化高科技手段对现有陈旧电气控制设备进行更新换代。

可控硅直流调速系统控制的发展，经历了分立元件和集成运放两代模拟控制电路，最终由PLC数字程控所代替。前两种在实践应用时，普遍存在由于设计问题和动、静态响应影响以及电子元件动态参数变化，还有给定与反馈作用误差产生的稳态误差，使得系统产生振荡、超调和起车惯性大等危害。

东海煤矿二水平钢丝绳胶带提升机于1990年投产使用，历经两代调速控制系统的使用，始终存在运行不稳、振荡、超调、起车惯力大等多方面实际故障。2004年11月将控制系统改换成PLC数字控制，解决了上述困扰。该系统经改制后实具有运行平稳、可靠、节省电能、操作方便、自动化程度高、无故障等优点。

1 系统改前后使用的设备

(1)改制前的设备，有继电器柜一套和后期改造时引进KGSFA2t型调节柜、整流柜、励磁柜各3套(其中2套分别用于2台直流电动机，另一套做备用设备)，每套整流柜内三相全桥整流由18个400A可控硅完成。

(2)改制后只选用整流柜和电源柜、控制柜各一套(西门子公司技术)，将提升机2台ZD2—151B一400kW／440V直流电动机电枢串联，因此用一套整流系统。PLC可编程控制器镶嵌在操纵台内，它是该系统的指挥中枢(相当于微机内中央处理器CPU)，接收和控制机构是控制柜内两台6RA7018整流控制装置，其中一套控制两台直流电动机串联电枢整流管(6个1 200 A可控硅)控制极，另一套控制励磁用。

2 程序控制系统各部件作用

(1)电源柜(低压供电系统)。对系统电机风机、制动闸、制动油泵、润滑油电机等提供电源和进行控制，并为PLC、微机和传动部分等提供各种电源。

(2)PLC可编程控制器。利用计算机接口将各种控制信号(如安全回路、各段保护、高压分合闸、快开控制等各种运行方式等)编程输入PLC输入接口，给PLC程序处理按顺序储存，在程序存储器内编辑的程序进行运算，最后做出状态输出，通过外部输出接口控制整流部件6RA7018。

西门子公司的PLC可编程控制器，是控制信号电压由0～10 V模拟信号转换成数码。即将模拟信号变换成数字信号装置(A／D转换)，通过内部S一自锁，R一只读，V一故障设置等继电程序设置以及程序、指令编排，最后通过外输控制整流控制装置6RA7018或电源柜内控制部件。

(3)控制柜。主要由2台整流装置6RA7018组成，其主要功能是接收PLC指令后，产生脉冲控制直流电动机主回路中的三相桥式整流电路6个1200 A和励磁用可控硅触发信号的导通角仅(或推B角)，以达到PLC预期设置的直流电动机恒转速转动输出。整流控制装置6RA7018自身也有接口联通计算机进行指令读写、修改、删除；并还有直观的显示，显示其正常工作状态值和相对应故障以及自锁值；在其板镶有触摸键，用以微调和转换原设置的参数用。

3 数字与模拟控制静动态参数分析比较

3．1 可控硅直流控制

通常闭环系统的参考输入和拢动量恒定不变时，被控量 也恒定不变。当参考输入或拢动量发生变化时，反馈量将与参考输入之间产生新的作用误差，通过控制作用，使被控量(输出量)按新的参考输入值稳定下来或趋于恢复到原来的数值达到新的平衡，但由于系统总存在着惯性或储能元件，使达到新的平衡状态不能瞬时完成，要经过过渡过程。

在摸拟控制电路设计时，无论是在时域还是频域考虑，都要求系统首先必须是稳定，对超调量、过渡过程的时间、振荡次数提出一定要求，再就是系统稳态误差应满足。可这三种要求之间又相互矛盾和制约，很难建立一个同时达到理想状态系统结构和参数。

3．2数字控制(PLC)

由于该控制系统为非线性系统，故将其设置在饱和非线性状态。由于该控制系统采用数码的形式传递，为数控系统，该系统的动态性能可用差分方程过程描述。在非线性系统中，暂态响应曲线的形状与输入信号的幅值有关，这是因为非线性系统不服从迭加原理的缘故；数字控制非线性系统的稳定性不取决于系统的结构和参数；非线性系统振荡在物理上是可存在的，但振幅是确定的，与初始条件无关；再就是非线性系统输出量(或信号)不包含输入信号频率的正弦分量。PLC对模拟量信号的处理，是将模拟信号变换成数字信号(A／D转换)。A／D变换精度取决于A／D变换器的位数，如10 V电压要求以1 mV精度变换时，精度1 m~／10 V=0．01％，即1／3200十进制的3200用二进制表示10位，该系统精度等级足以满足控制系统要求。且该系统中采用6RA7018整流装置均以积分方式变换，可使信号尖峰平均化，从而使系统运行平稳、可靠。

PLC通过通讯接口和通讯协议，与6RA7018进行双工通讯，将工作状态与运行参数相互传递，并能实现动态显示。同时操作6RA7018可将指令传至PLC，从而控制系统的运行状态。PLC、6RA7018不但能显示系统运行状态和参数，还能记录系统运行故障数据，显示故障点，从而缩短故障查找、排除时间。

由于该系统可对励磁电流实行无极控制，根据直流电机机械特性中不难看出当转速n恒定时，通过改变励磁电流来使得磁通改变对转矩 有较宽的调整，避免只调整主回路电压 而产生比较大的电能损耗，从而可降低能耗费用。

4 结束语

随着科技不断发展，PLC数字控制将会在自动控制，通讯程控等领域得到更多、更好的应用和发展

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