陕西西门子S7-200代理商

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以某工厂低压配电监控系统为例，针对目前低压配电系统监控和管理不便、成本较高、控制复杂等问题，采用PLC控制技术，通过检测接触器及各种开关的状态来进行自动控制，再结合计算机及网络技术，配合组态监控软件，使得系统能够实现对现场工作过程的实时监控，从而实现低压配电系统的智能化、可视化管理，为低压配电控制系统的遥控、遥测、遥信提供了可靠的平台。结果表明：智能型低压配电监控系统具有人机界面友好、控制方便、过程直观等特点，有效地提高了系统的自动化水平和可靠性，方便了系统的信息化管理，合理地利用了计算机的软硬件资源，提高了工作效率。

关键词：PLC；低压配电监控系统；组态监控软件；智能化管理


1、引言
智能型低压配电系统是采用先进的计算机技术、电力电子控制技术、微电子技术以及网络通信等技术设计制造的具有运行状态和电量参数自动检测、自动控制和自动故障应急处理能力，并具有网络通信能力的高性能、高可靠性的低压配电系统。智能型低压配电系统一般由若干面通过通信网络联接的智能型低压开关柜或非智能型低压开关柜组成。现代科技的发展对低压配电系统运行的可靠性及其智能化管理提出了更高的要求，而计算机技术、通信技术、微电子技术的飞速发展，促使了智能化低压电气管理系统应运而生，并成为未来低压配电系统的发展趋势。把PLC应用在低压配电监控系统中，为低压配电控制系统的遥控、遥测、遥信提供了可靠的平台，提高了低压配电监控系统的智能化水平。

2、PLC概述
PLC（可编程序控制器）是近几十年来发展起来的，专为在工业环境应用而设计的一种新型工业控制器，它由于编程灵活，功能齐全而得到广泛应用。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程[1]。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。在运行时PLC以循环扫描方式来执行内部程序，每一次循环时间极短，近似于同步执行，因此能够及时响应外部变化，提高系统准确性与稳定性。现代的PLC产品集数据处理、程序控制、参数调节和数据通信为一体，可以满足对工业生产绝大多数应用场合进行监视和控制的需要。

用PLC实现中低压配电网自动化的远程终端设备（RTU）功能，能够很好地满足RTU的特有的要求：使用PLC的离散输出点来实现遥控、用PLC的模拟采样输入来实现遥测、用PLC的离散输入点来实现遥信、用PLC的通信功能来实现和主机的通信。完成这些功能，只需相应的模块再根据开关量的实际情况，对PLC进行编程即可。这种基于PLC的中低压配电网自动化的RTU实现方案具有硬件结构简单、维护方便的特点，而且如果将PLC的扩展模块连接在一起，就可以实现遥控点、遥测点、遥信点的增加。下面本文将以某工厂的低压配电监控系统为例，论述PLC在低压配电柜中的应用。

3、PLC应用
3.1、设计配电主回路
某工厂通过低压电缆将低压侧的380/220V市电，经隔离开关和断路器后引至开关柜的低压铜母线，然后由低压断路器分成若干支路，每个分支回路配置普通三相交流接触器和电流互感器，后到单相或三相用电负载。每个配电柜共计14个三相配电回路，单个配电柜的容量约150KVA，各分支三相回路约10KW，其配电柜的配电系统图如图1所示。

3.2、选择PLC
目前国内应用的PLC品种繁多，选择合适的PLC非常关键。选择的原则是：在功能满足要求的前提下，保证使用可靠、维修方便，性价比好。即首先需要了解配电网的基本情况、自动化的具体要求，以确定系统需要进行遥控、遥信、遥测、甚至遥调的设备，统计各处配电房需要这4种信

图1 配电柜的配电系统图
号的具体点数；接着根据配电网的规模和分布状况，确定通信方案的设计和选择；后根据各处各种操作的点数以及所确定的通信方案，选择恰当型号的PLC来实现RTU功能。该项目选用了GE Fanuc推出的新一代控制系统Versa Max PLC，该产品为模块化结构，构成的系统可大可小，而且使用简单。所以在应用时，不但节约了设备的安装空间，而且也节省了用户的时间和费用。Versa Max既可以作为单独的PLC，又可以作为I/O组站，通过现场总线受控于其它主控设备；还可以由多台PLC组成的分布式大型控制系统，支持Modbus，DeviceNet，Profibus-DP， Ethernet，ASI，Genius总线等通信协议。

图2 接线原理框图

3.3、应用PLC
该项目每两台配电柜选用一台PLC的CPU单元，2个32路I/0模块，分别控制28个接触器的吸合，并采集接触器的吸合状态，剩余的I/O可以作为手动转换开关的状态检测、配电柜门开的检测、总电源停电或总开关跳闸的检测等。每个PLC可以通过RS-485与两个配电柜的30个EDA9033连接。PLC的接线原理框图如图2所示，当接触器的触点因故障而动作时PLC就会马上监测到输入触点的变化，从而根据程序来确定输出触点的动作。
该项目在中央控制室设计两台工业级PC机，分别作为数据库服务器和操作监控服务器，并选用GE公司的iFix Plus Unlimited Ver3.0版本作为监控软件。iFix工控组态软件是一套具有远程监控、现场数据采集、数据分析、过程可视化等功能的高性能自动化软件，它的优越性能为实现低压配电系统监控提供了可能。利用软件全真模拟PLC控制对象可以监测所编程序的正确与否和执行结果。该项目把整个厂区的低压配电系统的日常操作、管理及维护的主要工作集中在控制中心站。PLC将采集到的数据传递给计算机并通过组态软件实时显示出来，同时可以直接通过软件对PLC进行远程控制。调度系统部分的各种画面及功能模块按照显示和使用的处所驻留在本地的计算机上，在网络上流动的主要是实时生产数据和各种报警和消息。整个系统通过企业局域网的TCP/IP协议实现中央控制室与现场控制站PLC的交换数据，2台计算机和组成在逻辑意义上独立的一个功能子网。

4、结束语
结果表明采用微型计算机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。
随着社会对自动化程度要求的不断提高，各种智能型的系统设备也不断出现，而供配电系统是一切自动化和智能型系统设备的基础。通过实际的项目案例分析，把PLC应用在低压配电监控系统，为低压配电控制系统遥控、遥测、遥信提供了可靠的平台，符合未来智能型低压配电系统的发展方向。

由于PLC具有体积小、价格低、功能强、运行稳定可靠等特点，且集电控、电仪、电传于一体，所以在工业控制的各个领域得到了广泛的应用。对于要求I/O点数较多，且控制点比较分散的控制系统，可以通过PLC网络实现控制要求。本文介绍利用松下FPΣ构成PC-bbbb网络实现六层电梯的PLC控制。

一、电梯控制系统

电梯主要由轿厢系统、电力拖动系统、电气控制系统等组成。电力拖动系统通过曳引电机实现电梯轿厢的上下移动。电气控制系统实现电梯的自动运行。

电梯控制要求如下：开始时电梯处于任意一层。当有外呼梯信号时，轿厢应该响应呼梯信号，到达该楼层时轿厢停止运行，轿厢门打开，无人操作时延时一定时间后自动关门。当有内呼梯信号时，轿厢响应该呼梯信号，到达该层时轿厢停止运行，轿厢门打开，无人操作时延时一定时间后自动关门。电梯轿厢运行过程中，轿厢上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼信号均不响应，但如果反向外呼梯信号前方无其他内、外呼梯信号外呼梯响应功能。电梯未平层即运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。平层且电梯轿厢响应停止后，按开门按钮轿厢门打开，按关门按钮轿厢门关闭。

六层电梯控制系统的硬件是由松下新PLC产品FPΣ（2台）、三相异步电动机、变频器、旋转编码器、内选信号控制器、轿厢内部控制器、外呼装置等组成。2台PLC之间通过PC-bbbb网络实现数据共享，其控制系统结构如图1所示。

二、PC-bbbb网络的构成及通信原理

PC-bbbb网络是松下电工FPΣ系列PLC网络的子网，为工业局域网，其网络体结构是3层结构（如图2），其中物理层和数据链路层面向通信，应用层面向用户，向用户提供服务。应用层协议以其专用通信协议MEWTOCOL为基础。

其通信原理是串行通信中的共享存储器通信，它在网上的各站通信单元内都划出一块存储器，这些存储器在各站均占据相同的地址编号空间。把这样的存储区都构造成信箱。如果网上有n个站，则每个信箱都分为n格，其中1个格作为自己的发送信箱，其他（n-1）格作为（n-1）个接收分箱，与其他（n-1）个站一一对应。如果PC-bbbb的物理层和数据链路层提供的网络通信能够把每个站发送分箱的数据复制到其他（n-1）个站与其对应的接收分箱中去，则每个站只要访问自己的通信单元中的信箱就可以获得全网的通信数据。显然该信箱成为全网共享的存储器。

通过使用链接继电器和链接寄存器，能实现PLC之间的数据共享。在PC-bbbb网络中，打开网络中一台PLC上的链接继电器，也就打开了在同一网络上其他PLC上相同的链接继电器；如果一个PLC的链接寄存器的内容被改变，那么，同一网络上其他PLC上相同的寄存器的内容也相应被修改。

三、PC-bbbb的连接

四、PC-bbbb的设置

为了能够实现2个PLC之间正常通信，需进行必要的参数设置。

1. 站号和通信模式的设定

站号设置一方面可以利用FPΣ的站号设置开关进行设置，另一方面可以利用FPWIN GR编程工具使用系统寄存器设置。但首先站号设置开关设定为0，以便系统寄存器为有效状态。

当利用FPWIN GR编程工具设置时，进入FPWIN GR系统，打开本站的PLC程序。点击系统菜单“设置”的子菜单选项“PLC系统设置”，出现COM1口设置的对话框，对站号进行设置，在通信类型栏目中选择PC-bbbb，如果当前这台PLC设为1号站，则另一台设为2号站，整个网络站号不能重复。表1和表2为各站的设置情况。

2. 通信格式和波特率的设定

使用PC-bbbb，通信格式固定为：数据长度8位，奇偶校验奇校验，停止位1位；波特率固定为：115200b/s。

3. 链接继电器和链接寄存器的区域分配

为实现PLC之间的数据共享，使用了专用的内部继电器“链接继电器（L）”和数据寄存器“链接寄存器（LD）”。当使用链接继电器时，如果一个PLC中的某个链接继电器为ON状态，那么连接于网络上的其他PLC相应链接继电器也为ON状态。对于链接寄存器，如果一台PLC的链接寄存器的内容被重新写入，那么处于网络中的其他PLC的链接寄存器的内容也改变了。

在本PC-bbbb网络中，链接继电器的区域分配为：1号站的系统寄存器设定No.40为6，No.42为0，No.43为3，No.47为2；2号站的系统寄存器设定No.40为6，No.42为3，No.43为3，No.47为2。

在本控制系统中，由于站1和站2之间主要传递控制量，不需两站之间的数据量的传递，因此也不需分配链接寄存器区域，即链接寄存器采用默认设置。

通过以上设置，将各站的控制程序分别下载到1号PLC和2号PLC中，然后将2台PLC设置成运行模式，则电梯在2台PLC构成的PC-bbbb网络控制下自动运行。通过实际测试，电梯根据外呼和内呼信号能够正确响应，运行稳定可靠。

电梯的PLC控制，证明通信网络可以满足要求I/O点数较多且控制点比较分散的系统的控制要求，且PC-bbbb的建立比较简单。通过本系统的实现可为其他系统的PLC控制提供借鉴作用。

  目前的PLC系统有时需借助于专用的人机界面(HMI)、工业PC来显示过程变量或设置系统参数。HMI和IPC不仅增加了PLC系统的成本，而且无法适应高温、高湿热、多粉尘的工作环境。如果使用PLC系统的I/O直接驱动数码管进行显示，则需要占用大量的PLC系统I/O资源。本文采用单片机和程序控制技术，通过特定的传输时序，只需使用PLC系统的2个I/O点即可实现其参数显示。
　　1 硬件设计
　　以STC89C51为核心实现的PLC系统两线连接型数显仪表的硬件组成如图1所示。整个硬件系统主要由STC89C51单片机、输入接口、程序下载接口、数码管显示驱动电路、按键输入(可选)和报警输出(可选)等部分组成。STC89C51和标准80C51保持硬件结构和指令系统兼容，提高了时钟速率，扩充了在系统编程(ISP)、在应用编程(IAP)、电源欠压检测与复位、看门狗复位等功能，其I/O口经过了特殊的设计，使其在工业控制环境中具有极高的可靠性[2]。
　　

　　1.1 PLC系统输入接口
　　PLC系统通过两个输出点将显示数据按照一定的时序传给数显仪表。PLC系统一般有继电器出、可控硅输出、晶体管输出和24V直流电压输出等多种形式可供选择，一般使用其晶体管输出或24V输出形式经过相应的转换电路连接数显仪表。为了适应两种输出形式，采用光电耦合器统一将PLC系统的输出信号转换为TTL电平信号。如果PLC系统的输出形式为24VDC，例如西门子的S7系列PLC，则PLC输出与光电耦合器输入侧的连接如图2所示。如果PLC系统的输出为晶体管集电极开路或漏极开路输出，如三菱的FX系列PLC，则PLC输出与光电耦合器输入侧的连接如图3所示。无论采用何种连接方式，转换后进入STC89C51单片机的信号逻辑都与PLC系统的输出逻辑保持一致。使用光电耦合器实现信号转换，有利于提高系统的抗干扰能力，因为干扰信号即使具有较高的电压幅值，但其能量相对较小，形成的微弱电流一般不足以使光电耦合器导通[3]。转换后的两路信号分别作为数据线和时钟线，连接到单片机的两个外中断输入引脚，便于使用中断方式传输显示数据。
　　

　　1.2 程序下载接口
　　借助于ISP编程功能，可以通过RS-232C接口将程序代码从计算机下载到单片机内部的Flash中。程序下载接口一般设计为标准的RS-232接口，使用一片MAX232转换芯片即可实现。
　　1.3 数码管驱动电路
　　为了确保数码管的显示亮度，使用两片74HC245实现数码管的驱动。其中一片74HC245用于驱动4位共阴极数码管的段码，其输入和单片机的P0口连接，输出则经限流电阻限流后与4位数码管的8个段码引脚连接。另一片74HC245驱动4位数码管的位码，其输入和单片机的P1.0～P1.3连接，输出则分别和4位数码管的公共端连接。
　　2 传输时序
　　1台数显仪表和PLC实现数据传输时需占用PLC的2个输出点，分别用作数据线和时钟线。由于显示数据的传输是串行的，因此必须设计相应的传输时序。构建双方的传输时序时必须充分考虑PLC系统的工作原理、输出特性及其差异以及传输过程的可靠性等问题。综合考虑这些因素后所设计的传输时序如图4所示。传输1次显示数据总共需要21个时钟周期，其中3个时钟用于同步信号，16个时钟用于传输显示数据的4位BCD码或特定的提示字符，2个时钟用于传输2位表示小数点显示位置的信息。显示数据和小数点位置信息的低位在前，高位在后。例如，图4表示传输的显示数据为8951，小数点位置信息为10，表示小数点在十位之后，因此终显示数据为895.1。
　　

　　由于PLC系统基于扫描原理周而复始地刷新输入信号、执行用户程序和输出运行结果[4]，在一个扫描周期内让PLC系统的输出信号发生跳变难于实现，因此图4的一个时钟周期需要占用PLC系统的两个扫描周期。每次传输过程增设3个同步脉冲是为了提高传输过程的可靠性，确保PLC系统及其传输线路无论出现何种故障，都可以在故障恢复后的一个传输周期内正确地传输显示数据。
　　3 软件设计
　　数显仪表的程序由初始化、外中断0服务程序、外中断1服务程序和定时器T0中断服务程序4部分组成。T0每隔5ms中断1次，在其中断服务程序中根据接收到的显示数据及其小数点位置信息完成4位数码管的动态显示。外中断0服务程序用于检测同步信号，外中断1服务程序用于接收16位显示数据的BCD编码和2位表示小数点显示位置的信息。
　　3.1 外中断0服务程序
　外中断0由数据信号线的下降沿触发，在其中断服务程序中，如果检测到时钟线为低电平，则视为同步信号。当检测到3个同步脉冲后，则表明收到了正确的同步信号，此时关闭外中断0，开启外中断1，借助于外中断1服务程序接收数据。如果在前一次或前两次中断服务程序中已检测同步脉冲而本次未检测到同步脉冲，则视为无效同步信号。外中断0服务程序的主要代码如下：
　　void Int0_Srvice(void) interrupt 0
　　{ p33=1;
　　if(p33==0) SysClock++; //有效，同步脉冲加1
　　else SysClock=0; //无效，同步脉冲清零
　　if(SysClock==3)
　　{ //检测到3个同步脉冲
　　RecEnable=1; //置允许接收标志
　　EX0=0; //关闭外中断0
　　EX1=1; //开放外中断1
　　}}
　　3.2 外中断1服务程序
　　外中断1由时钟信号线的下降沿触发，在其中断服务程序中，如果查询到已建立允许接收标志，则接收16位显示数据的BCD码和2位小数点位置信息，并将其转换为18位并行数据，存于DispData变量中供T0中断服务程序进行显示。由于显示数据和小数点位置信息都是低位在前，高位在后，所以在程序中使用右移操作实现串行数据到并行数据的转换。小数点位置信息为0～3时，表示小数点分别位于数码管的千位、百位、十位和个位之后。如果小数点在个位之后，则不显示小数点。当接收到18位信息后，则关闭外中断1，重新开放外中断0进行下一周期的数据传输。外中断1服务程序的主要代码如下：
　　void Int1_Srvice(void) interrupt 2
　　{ if(RecEnable==1) //允许接收
　　{ p32=1; //检测数据线电平
　　if(p32==1) RecData=RecData|0x40000;
　　RecData=RecData>>1; //实现串/并转换
　　DataClock++;
　　if(DataClock==19) //已接收到18位数据
　　{ //显示数据存于DispData中
　　DispData=RecData;RecData=0;
　　SysClock=0;DataClock=0;
　　RecDone=1;RecEnable=0;
　　EX0=1; //开外中断0
　　EX1=0; //关外中断1
　　}}}
　　4 应用实例
　　利用PLC系统的(n+1)个输出点可以连接n台数显仪表，其中1点用作公共时钟线，n点用作n台数显仪表的数据线。使用数显仪表显示PLC系统的数据或参数时，还必须给PLC系统编写满足时序要求的驱动程序。
　　4.1 PLC驱动程序设计
　　此处以三菱FX2N PLC系统为例，介绍PLC系统驱动程序的编写方法。假设使用Y0作为数据线，Y1作为时钟线，则PLC驱动程序的梯形图如图5所示。程序中使用D0单元存放显示数据，其取值范围为0～9999，D1单元存放小数点位置信息，其取值范围为0～3。占用的资源包括计数器C0～C1和中间继电器M100～M131，可以结合用户程序进行相应的调整。
　　

　　4.2 多台数显仪表与PLC系统的连接
　　多台数显仪表与PLC系统的连接如图6所示，图中的1台FX2N PLC连接了8台数显仪表，PLC的Y10用作公共时钟线，Y0～Y7分别用作8台数显仪表的数据线。PLC系统的驱动程序和图5类似。由于多台仪表的时钟线是公共的，数据线是并行输出的，因此多台数显仪表的数据刷新时间和其连接的数量无关，可以确保PLC系统数据显示的实时性。
　　该数显仪表无需知晓任何PLC系统的协议，仅使用PLC系统的n+1个输出点即可实现在n台数显仪表上显示其数据或参数。占用较少的PLC资源，既可扩充PLC系统的外围显示设备，又间接地解决了HMI无法适应恶劣工作环境等实际工程问题