西门子模块6ES7231-7PF22-0XA0供应现货
1、 引言
随着社会经济的发展，工业的迅速兴起，使得一些10KV配电系统大幅度增加，配电系统的简便性、可靠性、安全性、节能性、性价比显得尤其重要。
目前，传统的10KV配电系统还是采用继电器系统和分布监测计量、分布控制方式，而采用PLC（可编程序控制器）系统集中控制和集中监测计量方式，有利于提高配电系统的运行管理自动化水平，保证配电的安全稳定，还能减少运行人员的工作强度提，安全可靠。
2、 继电器系统和PLC系统的比较
PLC（可编程序控制器）是近几十年来发展起来的一种新型工业控制器，由于它编程灵活，功能齐全，应用广泛比继电器系统的控制简单，使用方便，抗干扰力强，，工作寿命高，而其本身具有体积小，重量轻，耗电省等特点。继电器系统有明显的缺点：体积大，可靠性低，工作寿命短，查找故障困难，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成系统，所以接线复杂，对于生产工艺的变化的适应性差，不便实现集中控制；而PLC的安装和现场接线简便，可以应用其内部的软继电器简化继电器系统的繁杂中间环节，实现软接线逻辑构成系统，方便集中控制，除此之外，PLC还具有自诊断、故障报警、故障报警种类显示及网络通讯功能，便于操作和维修人员检查。
3、 集中控制、集中监测计量在10KV配电一次系统中的应用举例
在一个10KV配电一次系统中，有两台1000KVA变压器并联运行。图1为该配电一次系统的原理图。
图1 10KV配电一次系统原理图
3.1 PLC在集中控制中的地位
在配电一次系统中继电器系统主要集中在总受柜和变压器配出柜内，应用PLC系统来代替继电器系统，可以减少柜与柜之间的硬连线，省去很多继电器，简化工艺，降低系统制作成本，提高配电系统的可靠性，安全性和节能性。PLC系统框图如图2所示。
图2 PLC系统框图
PLC是整个系统的神经中枢，所有控制，保护，工作状态指示都通过PLC内部的虚拟继电器通过软连线配合外部给定开关量和信号来完成。控制电压在安全电压以下，可以提高工作的安全性，远离高压室进行操作，可以避免工作人员的误操作，一站式控制，可以提高工作效率，减少工作人员的劳动强度。用两条现场总线就可以实现整个系统的信号传输，通过PLC的工作状态和报警指示，便于工作和维修人员的故障排除。另外，与继电器相比，PLC的免维护性高，工作寿命长。
3.2 PLC的I/O分配
10KV配电一次系统中，除了上电断电控制外，还有对变压器的过流，欠压和瓦斯保护。我们以欧姆龙CAMP2AH40点的PLC为例进行I/O分配，如表1所示。上断电控制是开关量，选用控制按钮即可，过流，欠压和瓦斯保护涉及自动检测技术，选用智能传感器来实现，可以提高保护的可靠性。
表1 PLCI/O分配表
3.3 10KV配电一次系统集中控制、集中监测计量的设计
配电系统是供电网的神经中枢。配电系统的正常工作和我们的生活保障及工作秩序密不可分，这就要求它有更高的可靠性；配电系统的智能化、节能、操作简便、方便维护是经济高速发展的需要；配电系统操作和维护对工作人员的安全系数要求更高、劳动强度更低和设备的性价比更高是用户所希望的。综合以上几点，我们对10KV配电一次系统作了如下改进，应用PLC对系统的总受柜、配出柜实现集中控制，应用数字仪表对系统进行集中监测计量。改进后的10KV配电一次系统框图如图3所示。
图3 10KV配电一次系统框图
改进后，以综合柜为工作平台，在值班室，工作人员可以对高压室运行状态进行控制，既方便又安全；工作人员可以随时对监测仪表和计量仪表以及工作或报警状态进行记录，巡查，既方便又及时明了，还可以减少劳动强度。
采用微型计算机PLC实现继电保护和控制系统的操作，大大提高系统的自动化水平和可靠性，同时更加便于系统的集中控制和监测，方便了系统的信息化管理，大大降低成本，提高了工作的效率，具有一定的推广意义。
为了提高系统的抗干扰能力，我们从一开始设计的时候就应该花心思。下面分享一下在设计时的一些注意事项，希望大家有则改之无则加勉。
在进行具体工程的抗干扰设计时，我们可以选择有较高抗干扰能力的产品，采取抑制干扰源、切断或衰减电磁干扰的传播途径和利用软件手段等措施，来提高装置和系统的抗干扰能力。
1、采用性能优良的，抑制电网引入的干扰
对于plc控制器供电的电源，应采用非动力线路供电，直接从低压配电室的主母线上采用专用线供电。选用隔离变压器，且变压器容量应比实际需要大1.2～1.5倍左右，还可在隔离变压器前加入滤波器。
对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布小、采用多次隔离和屏蔽及漏感技术的配电器。控制器和i/o系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主电路电源分开。plc控制器的24v直流电源尽量不要给外围的各类供电,以减少外围传感器内部或供电线路短路故障对plc控制器的干扰。此外，为保证电网馈电不中断，可采用在线式不间断供电电源(ups)供电，ups具备过压、欠压保护功能、软件监控、与电网隔离等功能，可提高供电的安全可靠性。对于一些重要的设备，交流供电电路可采用双路供电系统。
2、正确选择电缆的和实施敷设，消除可编程控制器、的空间辐射干扰。
不同类型的信号分别由不同电缆传输，采用远离技术，信号电缆按传输信号种类分层敷设，相同类型的信号线采用双绞方式。严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敷设，增大电缆之间的夹角，以减少电磁干扰。为了减少动力电缆尤其是变频装置馈电电缆的辐射电磁干扰，从干扰途径上阻隔干扰的侵入，要采用屏蔽电缆。
3、plc控制器输入输出通道的抗干扰措施。
输入模块的滤波可以降低输入信号的线间的差模干扰。为了降低输入信号与大地间的共模干扰，plc控制器要良好接地。输入端有感性负载时，对于交流输入信号，可在负载两端并接电容和电阻，对于直流输入信号可并接续流。为了抑制输入信号线间的寄生电容、与其他线间的寄生电容或耦合所产生的感应电动势，可采用rc浪涌吸收器。
输出为交流感性负载，可在负载两端并联rc浪涌吸收器；若为直流负载，可并联续流二极管，也要尽可能靠近负载。对于开关量输出的场合，可以采用浪涌吸收器或晶闸管输出模块。另外，采用输出点串接或光电耦合措施，可防止plc控制器输出点直接接入控制回路，在电气上完全隔离。
4、plc控制器抗干扰的软件措施。
由于电磁干扰的复杂性，仅采取硬件抗干扰措施是不够的，要用plc控制器的软件抗干扰技术来加以配合,进一步提高系统的可靠性。采用数字滤波和工频整形采样、定时校正参考点电位等措施，有效消除周期性干扰、防止电位漂移。采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件保护等。例如对开关量输入信号，采用定时器延时的方式多次读入，结果一致再确认有效，提高了软件的可靠性。
5、正确选择接地点，完善接地系统。
良好的接地是保证plc控制器可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害，还可以抑制干扰。完善的接地系统是plc控制器抗电磁干扰的重要措施之一。
plc控制器属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰，应给plc控制器接上专用地线，接地点应与动力设备的接地点分开。若达不到这种要求，也必须做到与其他设备公共接地，禁止与其他设备串联接地。接地点应尽可能靠近plc控制器。集中布置的plc控制器适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。分散布置的plc控制器，应采用串联一点接地方式。接地极的接地电阻小于2ω，接地极好埋在距建筑物10～15m远处，而且plc控制器接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。如果要用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点接在一起。
信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；信号源不接地时，应在plc控制器侧接地。信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，各屏蔽层应相互连接好。选择适当的接地处单点接地，要避免多点接地。
6、正确选择接地点，完善接地系统。
在选择设备时，首先要了解国产plc生产厂家给出的抗干扰指标，如共模抑制比、差模抑制比、耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作等，要选择有较高抗干扰能力的产品，如采用浮地技术、隔离性能好的可编程控制器、人机界面。
可编程控制器、人机界面现场应用时的抗干扰问题，是复杂而细致的。抗干扰性设计是一个十分复杂的系统性工程，涉及到具体的输入输出设备和工业现场的具体环境，要求我们要综合考虑各方面的因素，必须根据现场的实际情况，从减少干扰源、切断干扰途径等方面进行全面的考虑，充分利用各种抗干扰措施来进行可编程控制器、人机界面的设计。才能真正提高可编程控制器、人机界面hmi现场应用时的抗干扰能力，确保系统安全稳定运行。
目前，在售的西门子simatic系列产品主要有三种comfort panels(精智面板)、basic panels(精简面板)以及smart panels(精彩面板)。其中comfort panels属于高端屏，功能较为丰富，而smart panels则适用于简单的应用。
1、comfort panels(精智面板)的特点，如图1所示。
◆ 宽屏幕显示尺寸从4in到22in(1in =0.0254m)，可进行触摸操作或按键操作；
◆ 有效的节能管理；
◆ 万一发生故障，可确保的数据安全；
◆ 使用系统卡来简化项目传输；
◆ 可在危险区域中使用；
◆ 同时支持profibus/mpi接口和profinet(lan)接口；
◆ 支持多种通信协议，例如：profibus、profinet以及第三方协议。
图1 精智面板
2、basic panels(精简面板)的特点。
◆ 适用于不太复杂的可视化应用；
◆ 所有显示屏尺寸具有统一的功能；
◆ 显示屏具有触摸功能，可实现直观的操作员控制；
◆ 按键可任意配置，并具有触觉反馈；
◆ 只有一种通信接口，profibus或profinet(lan)接口；
◆ 支持多种通信协议，profibus或profinet以及第三发协议。
3、smart panels(精彩面板)的特点：
◆ 集成的接口，可以和s7-200 smart以及logo!oba7建立连接；
◆ 通过以太网可以同时连接3台控制器；
◆ 通过串口可以连接西门子s7-200以及s7-200 smart；
◆ 集成的串口(支持modbus,rs422/rs485自适应切换)，可以和市场主流的小型plc建立稳定可靠的通信连接(三菱fx系列、欧姆龙cp1系列、台达dvp-sv/es2系列)。
1引言矿用隔爆型真空馈电开关（以下简称馈电开关），适用于煤矿井下和其它周围介质中含有爆炸性气体的环境中，在中性点不接地的三相电网中，作为配电总开关或分支开关之用。本文介绍开关采用智能型保护器，性能可靠，动作准确，具有欠压、过载、短路、漏电闭锁、选择性漏电保护功能，并可外接远方分励脱扣按钮。
目前国内馈电开关产品一般是由分立元器件或单片机组成的控制核心，结构复杂，安装调试困难；抗干扰能力差，故障率高，元件的分散性对保护的可靠性和稳定性影响很大；显示采用普通数码管或指示灯，不直观。国外同类产品也普遍采用PLC系统组成，工艺水平较国内高。但是，一旦出现故障，维修跟不上，影响生产。另外，国外产品价格极高，是国内同类产品的十倍以上。
针对这种情况，某电器有限公司开发了一种新型智能矿用隔爆型高压真空电子馈电开关。该装置核心采用技术先进的工业可编程控制器PLC 和人机界面（文本显示器及设置键盘），构成的智能型综合保护控制器，使配电装置既可靠又安全。
馈电开关的隔爆外壳呈长方形，用4只M12的螺栓与撬形底座相连，隔爆外壳上、下两个空腔，分别为接线腔与主腔。接线腔在主腔的上方，它集中了全部主回路与控制回路的进出线端子。主回路电源进线端子上罩有防护板。接线腔两侧各有两个主回路进出线喇叭口，可引入电缆外径为φ68～φ78的电缆。主腔由主腔壳体与前门包容组成，主要装有主体芯架和千伏级电源控制开关，前门采用快开门结构。
交流真空断路器安装在主体芯架左侧上方，三根进线直接接在断路器的进线端子上，三根出线则接在芯架反面的出线端子上。千伏级电源控制开关安装在主腔右侧壁上方，由连接套与主腔外的操作手把相连。过电压吸收装置安装在断路器的下方，控制变压器、电流互感器、零序互感器安装在主体芯架的反面，芯架正面还装有中间继电器、熔断器、电抗器、变压器，及两个插接件用以连接前门、接线腔七芯接线端子过来的插头和插座。
前门上装有观察窗、按钮、试验按钮、保护器整定按钮、保护器、保护器电源、PLC及显示屏等。 前门与外壳之间有可靠的机械联锁，当需要打开馈电开关前门时，首先须将右侧壁上的电源控制开关的手把打至断开位置（中间位置），断开控制电源，断路器因控制电路失电而自动分闸，然后拧进闭锁杆，使其里端进入电源开关手把的闭锁孔内，将电源开关闭锁与断开位置，其外端才能脱离前门上的限位块解除前门闭锁，此时方能打开前门，前门闭合的方法与打开的程序相反，从而实现了馈电开关前门闭锁后才能进行合闸操作。
系统原理框图如图1。该配电开关的线路保护功能需在高压互感器上采集三相电流、零序电流、一个线电压、零序电压、绝缘以及相敏共八路信号。这八路信号通过低压互感器，然后经过整流和滤波变成直流的标准信号，后进入PLC 以控制断路器的分闸输出。
PLC 对进入的电压信号进行计算，电压计算结果大于1.2 倍额定电压，显示过压，过压保护5s 内动作；电压计算结果小于0.8 倍额定电压，显示欠压，欠压保护5s 内动作；三相不平衡度计算结果大于0.7，显示断相，10～20s 内保护动作。电流计算结果中任何一相在6～10 倍额定电流范围内，显示短路，短路保护0.08s 内动作；电流计算结果中任何一相在1.2～6 倍额定电流范围内时，显示过载，过载保护按反时限特性动作。若线路发生漏电故障，根据相敏及电压信号漏电保护动作，切断线路。
3控制系统PLC使用和利时公司LM系列可编程控制器，LM系列PLC是和利时公司生产的小型一体化PLC。本应用中CPU模块选择本体上集成14 点输入/10点继电器输出的LM3107模块，模拟量输入选择和利时公司特有的电量采集模块LM3315模块，它为12 位精度，完成电压和电流采集的同时，完成功率计算。本模块能够满足井下比较恶劣环境，能够满足中性点不接地的供配电系统供电保护要求。系统中显示部件选用了和利时公司四行蓝色文本屏，通过串口以Modbus RTU协议与PLC通讯，实时显示采集值。控制系统配置图见图2。
馈电开关控制系统通过软件编程主要完成功能为：
a) 参数设定
* 额定电流：额定电流的整定范围为100A----630A。
* 供电电压：供电电压的整定范围为660V和1140V二挡。
* 短路倍数：整定范围为3----10倍连续可调。
b ) 漏电保护
* 漏电闭锁：1140V系统42K闭锁,50K恢复，660V系统 23K闭锁,28K恢复。
* 漏电故障：1140V系统23K保护，660V系统12.2K保护。
c) 过电流保护
按照煤炭行业标准要求，根据不同实际电流/额定电流的比值确定不同的动作时间，为了提高保护准确性和灵敏性，B相与A、C相使用不同精度互感器。
煤炭行业标准MT871－2000 的要求
开关参数
程序说明
实际电流/额定电流的比值
动作时间
脱扣器状态
动作时间
动作范围
检测电流
1.05
2h不动作
冷态
不动作
1.1
50分钟(3000S)
1.09Ie2秒，1.08动作
B相
1.2
0.2---1h
热态
15分钟(900S)
1.109Ie2秒，1.18动作
1.5
90----180S
热态
2分钟（120S）
1.42Ie2秒，1.18动作
A或C相的大电流
2.0
45----90S
热态
60S
1.90Ie2秒，1.42动作
3
30S
3.00Ie2秒，1.90动作
4.0
14----45S
热态
20S
4.00Ie2秒，3.00动作
5
12S
5.00Ie2秒，4.00动作
6.0
8----14S
冷态
9S
5.85Ie2秒，5.00动作
d) 短路保护
在短路故障发生时，PLC得到的是一个缓慢上升的电压信号，因为从它发出切断指令到开关真正动作，存在一个故有的“机械动作延时”，为了使动作值准确，同时满足不大于100 mS的时间要求，PLC的判定值一定要超前要求的动作值，从而弥补了“机械动作延时”所带来的不良后果。
e) 模块自检保护
本程序具有模块自检功能，当PLC出现故障时，本装置具有如下保护：
* PLC自诊断：当扩展模块出现故障时， 有“模块故障”报警画面。
* 模块供电电源丢失时，有“模拟量模块一无电源”和“模拟量模块二无电源”的报警画面。
f) 性能试验功能
* 漏电试验：是利用继电器外接1K电阻实现的。
* 短路试验：模拟电流是“额定电流”与“短路倍数”的积送内存单元。
* 过载试验：为1.9Ie，动作时间为60秒，因为动作时间较长，为此在程序中设置了显示。
g) 故障记忆功能：
装置能对近50次故障进行记忆，并可分别报出十四种故障，包括动作时间和动作值。进入故障记忆画面和在内进行上下翻页时具有人性化风格，改变了过去的车轱轳转方式。
h) 开机时间记忆功能：
本装置能记忆“累计带电时间”和“累计吸合时间”
除了上面罗列的基本功能本馈电开关还有漏电电阻、电压、电流以及功率显示功能，移动变压器温度超限、瓦斯超限、高压据动、低压据动等功能。
5结束语本配电开关的控制系统以我国煤矿电气设备特性为基础，吸纳了国际先进的智能化技术和结构形式，使用PLC控制系统代替分立电子元器件或单片机，实现了对井下供电系统的控制、保护和计量，具有性能好、可靠性高、稳定性强和开发周期快等特点。
另外值得注意的是LM3315模块的特点，本模块非常适合应用到馈电开关系统，完全可以满足在井下苛刻工作环境中的配电系统电量采集和保护要求。主要体现2个特点：
1、电量计算的功能
本模块可以通过采集三相电的电流、电压及各相电流之间的相位差，准确地计算出配电系统的总有用功率和总无功功率以及功率因数。
2、过流保护
LM3315模块对输入电流瞬时值进行监测，过流时直接通过模块芯片上硬件中断控制继电器动作，切断电流通路。
过流保护时间由以下3部分组成：T1：从过流信号加到输入端子，到该信号传输到AD输入端子，这部分时间主要为互感器的延时（互感器之后没有容性滤波电路），互感器延时约为15微秒，因此这部分延时不超过0.02ms。T2：从过流信号加载到AD芯片IN+、IN-端子到该电流值被采集之后芯片引脚上输出保护控制信号，这段时间在5ms左右（程序里面每隔4.2ms查询一次）。T3：继电器动作时间。在上电后正常工作时继电器闭合，出现过流时，继电器再次释放（release），继电器释放时间为2ms（典型值）。
所以模块过流保护时间为T1+T2+T3<10ms，这在其它品牌的PLC中是不可能实现的，利用此模块的馈电开关过流保护到真空断路器动作时间完全可以控制在30ms的时间内，大大提高馈电开关的性能。
