西门子模块6ES7241-1AA22-0XA0多仓发货

0　概述
　　提高城市供用电系统的自动化程度是电网改造的一项重要内容，而变电站保护控制的技术水平又是其中关键环节。目前，在我国绝大多数城网变电站中，广泛应用的继电保护装置仍是由传统的机械触点继电器构成，往往完成一种基本的保护或控制任务都必须由多个继电器共同承担，比如一条10 kV馈线的过流保护和自动重合闸控制就要用到数以十计的各种继电器。由于继电器触点要经常分合动作，容易损坏，降低了供电的可靠性，并增加了设备维护的工作量；同时，各继电器之间大量的连接导线不仅使调试检修困难极大，还致使变电站的各部分几乎不可能被连接成一个完整的自动化系统。因此，传统的机械触点继电器显然已不能满足变电站自动化对继电保护装置的要求。
　　可编程控制器(PLC)是一种新型微电脑式配电控制器。其主要特点是用内部已定义的各种辅助继电器(每个PLC可有多达上千个内部继电器)代替传统的机械触点继电器，又通过软件编程方式用内部逻辑关系代替实际的硬件连接线。正因为这一特点，如果将PLC引入继电保护装置中，一方面可以克服使用传统继电器所带来的种种弊端；另一方面，又可兼容基于传统继电器的设计思想和技术方案，尤其是对于逻辑关系较为复杂的触点信号处理及操作出口控制，采用PLC编程能使方案设计工作变得更加简单方便，本文通过应用实例对此加以说明。
　　1　低频减载和备用电源自动投入的PLC程序设计
　　长沙新建的马王堆110 kV/10 kV变电站，地处郊区，按无人值班标准设计。选用的二次保护装置是法国MERLIN GERIN公司的SEPAM数字式多功能继电器，其功能框图如图1所示。从图中可看出，这基本上与微机保护典型图相同，稍有区别的是，该装置将通常的计算机继电器逻辑电路分解成保护功能继电器组和PLC 2个部分。根据不同保护对象(主变压器差动保护、母线保护、电容器保护、线路保护等)，由不同保护功能继电器群组合，使装置分成若干个标准型号，其中所有的单个功能元件均遵循正逻辑法则，在PLC中定义动作节点。例如，一个过电压元件动作，在PLC中就有一个相应的常开节点闭合(0→1)，而一个失压元件动作，反映在PLC中也是一个相应的常开节点闭合(0→1)。PLC编程使用的是与传统二次电路图相似的梯形图法，存放程序的EEPROM为外插接式，便于随时修改设计方案。

　　图1　SEPAM装置功能框图
　　1.1　低频减载功能的设计
　　按照规程，变电站中应装设足够数量的自动低频减载装置。当电力系统因事故发生功率缺额时，必须由自动低频减载装置断开一部分次要负荷，以防止频率过度降低，并使之很快恢复到一定数值，保证系统的稳定运行和重要负荷的正常工作。又为了保证动作的准确性，低频减载装置至少需具备下列功能：
　　(1)为防止在系统短路过程中，由于短路功率突增使频率突降可能引起的误动作，低频动作出口需具有频降变化率(df/dt)闭锁功能；
　　(2)为防止在自动重合闸或备用电源自动投入动作过程中，由于失压间隔可能引起的误动作，低频动作的出口延时需独立可调；
　　(3)可以根据重要程序分别决定哪些负荷接入基本段(快速动作段)及其应属于什么频率级，又有哪些负荷接入后备段(长时限动作段)及其应该定多长的出口延时，并且这些接入和整定工作可在不停电的情况下进行。
　　在本例中，10 kV馈线保护装置选用SEPAM S07型，该型号的保护功能继电器组除了线路保护必配的过流、速断、零序过流元件之外，还包括2个名字分别为F561、F562的低频元件，借助这2个元件可编制出符合上述要求的PLC低频减载程序(见图2)。
　　由图2程序及注释得出：
　　(1)F561整定值与F562整定值之差为Δf，T1整定值为Δt。当系统频率在Δt内从高于F561整定值降到低于F562整定值时，说明频降变化率Δf/Δt过高，造成系统低频的原因可能是短路功率突增或系统突然失电，而不是负荷过重，此时低频动作出口被闭锁，反之则由继电器K7产生1个出口脉冲命令作用于跳闸；
　　(2)程序中专门设计了1个特殊后备延时出口，其作用是，无论Δf/Δt为何值，只要系统频率低于动作频率整定值(F562)并在一定时间内(T3整定值)无法恢复，出口动作将负荷切除。该特殊功能可根据实际情况用PLC的1个内部开关KP1来决定取舍。
　　需要说明的是，PLC中的保护功能继电器F561、F562节点动作值以及时间继电器T1、T2、T3和内部开关KP1，均可通过手持编程器在系统运行时进行整定设置；开关量信号输入节点I2、I3的状态仅取决于装置的信号输入接口与电源小母线之间的连接片是否连通，运行人员只需通过合上相应的连接片就可决定负荷是接入低频基本段还是低频后备段。用PLC内部开关代替外部连接片具有同样效果，采用外部连接片仅仅是为直观起见。
　　在编制低频减载程序时，传统继电器的动作时间和返回系数概念在梯形图中被理想化了，之所以能这么处理，主要得益于PLC的微电脑属性。PLC中的程序是循环执行的，每2次执行之间的时间间隔(循环周期)，由整个装置从采样到滤波到数据处理等各环节的时序配合决定(SEPAM装置为13.3 ms)，但程序本身执行1次的时间以微秒计，是完全可以忽略的。显然，如果在梯形图中将继电器节点放在相应线圈的后面，节点动作时间可理想化地认为是零。这一点也是使复杂的低频减载功能得以简单实现的重要因素。

　　图2　线路保护PLC程序的低频减载部分

　　图3　马王堆变电站110 kV侧接线结构
　　1.2　备用电源自动投入程序设计
　　马王堆变电站是长沙地区电网110 kV系统的1个末端站，双回进线供电，其110 kV侧的接线结构如图3所示(隔离刀闸省略未画)。
　　备用电源自动投入方案按下列4种运行方式设计：
　　(1)方式1。1号进线供2台变压器，2号进线备用，此时断路器502、500“合”位，504“分”位，如果1号进线失压，断开502、合上504；
　　(2)方式2。2号进线供2台变压器，1号进线备用，此时断路器504、500“合”位，502“分”位，如果2号进线失压，断开504、合上502；
　　(3)方式3。1号、2号进线各供1台变压器，此时断路器502、504“合”位，500“分”位，如果1号进线失压，断开502、合上500；
　　(4)方式4。1号、2号进线各供1台变压器，此时断路器502、504“合”位，500“分”位，如果2号进线失压，断开504、合上500。
　　备用电源自动投入的控制程序又必须符合如下一些具体要求：
　　(1)4种运行方式的备用电源自投功能可分别投用或退出；
　　(2)出口只动作1次；
　　(3)只有在工作电源断开后才投入备用电源；
　　(4)当变电站发生过流故障引起进线失压时，备用电源自投功能应该闭锁，待故障电流消除后自动延时复归。这里要注意，过流故障是否跳开进线断路器由故障保护程序决定。
　　考虑到上述运行方式和具体要求，选择34台SEPAM B04型装置，每台对应1种运行方式。利用该型装置保护功能继电器组中的低电压元件(UAB、UBC、UCA)、过电压元件(UAB，整定值可低于额定电压)分别判断1号、2号进线电压和桥断路器500两边的母线电压是否失压或有压；又利用其中2台装置中的过流元件分别判断进线断路器502、504是否流过故障电流。对应于运行方式1、3的PLC程序逻辑框图如图4所示(因为两侧对称关系，图中省略运行方式2、4)，每种运行方式用1个内部开关KP来投退，由图可见，装置之间只须少量的外部导线通过I/O口，就可将各程序连接起来构成1个完整的备用电源自动投入系统，并且这样的系统模块化程度高，便于运行管理。
　　2　结束语
　　内置PLC的继电保护装置在变电站的设计安装调试过程及随后1 a多的运行情况表明：PLC所具有的高度灵活性能为及时解决调试过程中出现的问题提供佳方案；PLC的运行稳定性和动作准确性高，使继电保护更可靠；PLC编程技术容易掌握，而程序本身与传统的继电保护设计图十分吻合，使设计人员能充分发挥专长；应用PLC的继电保护设备更加标准化，选型和使用方便。

有5套PK包机组采用西门子独立的S7400PLC系统，并与CS3000进行MODBUS通讯。在DCS与PLC通讯时，DCS只能作为主设备，PLC作为从设备。MODBUS为单主站网络协议，所以系统中只能够有一个MODBUS主站，并且只能够实现主站和从站的数据交换，从站之间不能进行数据交换。

　　西门子CP340/CP341/CP440/CP441-1/CP441-2模块是S7300/400系列PLC中的串行通讯模块，该模块具有串行通讯口。可以使用这种通讯模块实现S7300/400与其他串行通讯设备的数据交换，例如打印机、扫描仪、仪表、MODBUS主从站、Data Highway站、变频器，USS站等。下面以CP341与ALR121为例介绍其通讯功能，其网络框图如图1所示。

　　一、通讯的硬件配置

        1、 CS3000系统的ALR121通讯卡
　　ALR121通讯卡支持RS 422/ 485 通讯，其接口定义和通讯接线如图2所示。RS485接线采用普通的3线接法。

        2、 西门子CP341通讯卡
　　CP341通讯模块是西门子S7-300/400系列PLC中的串行通讯模块，具有1个串行通讯口（RS232C或RS485/422）。可以使用这种通讯模块实现S7300/400与其它串行通讯设备的数据交换其物理接口如图3所示。

        图1  CP341与ALR121通讯网络示意图

　　3、CP341 与 ALR121连接
　　进行RS485通讯时，将CP341的4、8、11端子与ALR121的TX+、TX－、SG端子连接，接线图如图4所示。

　图2 ALR121硬件接口

　　图3   CP341硬件接口

　　图4  RS485通讯CP341 与 ALR121接线图

1引言

电厂出灰系统是热电厂的一个重要系统。近几年灰渣利用率越来越高,同时干式出灰系统具有节约水资源、保护环境等特点，因此目前电厂出灰多采用干式出灰系统。在干式出灰系统中，工况恶劣、控制点数多。传统的控制系统由于抗干扰能力弱、可靠性差、效率低，达不到预期的控制目标。而可编程逻辑控制器(PLC)的抗干扰能力强、可靠性高，选用可编程控制器(PLC)用于某热电厂锅炉干式出灰系统可以显著提高工程的实用性。

2工艺流程及控制要求

2.1系统工作流程

某热电厂共有八台锅炉，每台锅炉包括三个电场集尘装置，每个电场包括一组(两个)仓泵，每个仓泵附近配置一个就地控制箱,利用控制箱盘面上的手动开关，可以对现场阀门进行手动操作和现场调试。下面以单个仓泵为例来说明具体的工艺流程。

锅炉烟气中的灰尘通过电收尘收集后落入灰仓，灰仓下部安装有仓泵，灰经输灰管进入仓泵。在自动控制运行工况下，具体工艺流程为:仓泵内无灰时，打开透气阀→延时5s→开进料阀→延时5s→当仓泵进料量达到设定值(时间/重量/人工)时→料位信号到→关闭进料阀→延时5s→关闭透气阀→此时判断母管压力是否到位/判断灰管压力是否到位/判断在此系统中没有其它仓泵出灰，所有条件满足→打开出料阀→延时5s→打开一次气阀→延时5s→打开二次气阀1min后→检查灰管压力，当灰管压力低于设定值时→关闭一次气阀→延时20s后→关闭二次气阀→关闭出料阀完成一次出灰循环。

当发生出灰管路堵塞时，系统设置了排堵阀，通过负压反抽来疏通出灰管路。关闭一次气阀后，延时20s后关闭二次气阀。目的是保证出灰管路畅通，避免发生管路堵塞。每台仓泵的出灰系统如图1所示。
图1出灰系统流程示意图

2.2控制要求

(1)实现出灰的过程自动化，为便于操作调整及应急处理，应能随时切换到手动控制状态;
(2)当操作室内的“远程/就地”开关打到“就地”位置时，自动停止出灰;
(3)仓泵的进料重量和进料时间双重控制，进料重量或进料时间任意一个达到要求都作为仓泵料满对待;
(4)同一出灰管线上只能有一个仓泵出灰，一电场用一根出灰管，先满足出灰条件的优先出灰，二、三电场共用一根出灰管，先满足出灰条件的优先出灰;
(5)当发生灰管堵塞后(灰管压力大于550KPa)，报警指示灯发出声光报警，直至灰管堵塞故障排除;
(6)当来气母管压力小于400KPa时，系统自动停止运行。

3控制系统构成

本系统选用西门子公司的S7-300型可编程控制器和MT500型触摸屏人机界面。MT500型触摸屏直观生动地显示PLC、PC机上的数据信息。S7-300是模块化中型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。该控制系统主要由主控制柜、现场控制箱、若干测量传感器和辅助电器(称重传感器、压力传感器、电磁阀等由生产厂家配套供给)等组成，具有仓泵运行远程自动、远程手动、现场手动三种控制方式，控制方式的转换由设置在主控制柜上的转换开关完成。开关切换至自动位置时，点击要使用的仓泵画面，可选择其中一种方式。

S7-300系列PLC作为西门子公司的新一代产品，具有以下特点:

(1)功能强:极强的计算性能，完善的指令集，MPI接口和通过SIMATICNET联网能力强;
(2)快速:指令处理极其快速，功能强大的CPU只需0.3ms就可处理1024个二进制语句，在文字处理方面也同样表现出色;
(3)通用:高性能模板和六种CPU适用任一场合，模块可扩至3个扩展机架，用户友好的bbbbbbSSTEP7编程;
(4)全集成:全部模块化，运行可靠，操作方便，特别适合于比较恶劣的工况。本系统PLC由电源模块、模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块和中央处理单元组成。控制系统组成框图如图2所示。
图2出灰控制系统图

4软件设计

4.1系统界面设计

系统界面分系统主画面与系统操作画面。在系统主画面中，可以选择要操作的仓泵和要启停的系统。

在操作画面中，运行人员可观察每个仓泵的运转情况，也可对每个仓泵进行远方操作或根据运行工况对系统的参数进行修正，以保证系统的正常运行。故障发生后，可以在操作画面进行故障的处理。系统的操作画面如图3所示:
图3操作画面

4.2系统程序设计

(1)在系统程序设计中，为防止在自动运行状态下，由于灰量大或别的原因使出灰过程受阻，引起灰管压力上升慢，给系统造成仓泵内灰已出完的假象，从而导致系统判断失误。为避免系统操作引起堵管，在程序中设置了一分钟的延时时间，在出料阀打开一分钟后再检测灰管的压力，给出灰过程的顺利进行提供可靠的保证。

(2)为防止过程参数的影响，特设定了出料时间和进料时间。为防止重量信号出现故障而使控制系统一直处于进料状态，引起仓泵灰满特设定进料时间，无论重量信号有无达到设定值，都将停止进料。另外由于灰管压力不只受出灰过程的影响，而且还受来气母管压力的影响，当来气管压力升高时，会造成出灰过程顺利，灰已全部出完，但灰管压力长时间下降不到给定值。因此在程序设计中增加了出料时间，当出料时间大于8min时，系统就自动停止出灰，进入下轮循环，有效地避免了系统长时间不出灰的状况。

(3)当系统的来气压力低于额定值400kPa或灰管压力高于给定值(550kPa)时系统自动停止运行，因为此时灰管易出现堵管现象，为防止事故的进一步扩大。系统会自动出现报警，正在运行的系统会立即停下来，所有的阀门自动关闭。此时将系统切换至远程控制排堵。