6ES7231-7PF22-0XA0详细资料
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一、引言
在复杂的电网供电系统中，传统的故障报警一般采用报警烽鸣器、故障指示灯等硬件方式报警。这种方式存在很多缺点，例如如果电网分布分散，则故障报警点也分散，需要安排一定人力巡逻检查，造成人力资源浪费，且报警、维修不及时;故障报警点太多则需要大量报警器，且造成线路复杂化;硬件报警得到的故障信息太少等等。随着计算机和自动化技术在工厂中的大量应用，可以将故障信息通过PLC进行初步监控，然后再由PLC上传到计算机中，由计算机处理故障信息，进行报警、记录、显示故障信息。具有可进行集中监控，节省人力，故障信息直观、丰富，便于分析等优点。
二、系统介绍
系统由PLC检测48个故障继电器的状态变化，上位机PC定时查询并读取PLC内部4个通道61位的状态信息（包括48个输入点和13个归类输出点），进行分析并用数据库加以管理和记录。程序采用VisualBasic6.0开发，数据库采用Microsoft的Access2003。
每个故障点按照对应的位置标识于车间电路分布图上，如图1所示。程序运行进入监控状态以后，PC将检测与PLC的通信连接。如果通讯连接正常，程序将检测现场信号变化。如果信号由正常变为报警，对应指示灯及总状态指示灯将闪烁并声音报警，右上方显示故障信息，运行状态信息及故障信息将存入数据库。单击闪烁指示灯，将停止闪烁，并显示当前状态，报警为红色，正常为浅黄色;如果信号由报警变正常，对应指示灯停止闪烁，运行状态信息及故障修复信息将存入数据库。当前状态由红色变为浅黄色。如果要查看各个节点信息，则单击指示灯，右上方图框会显示该节点的位号，对应PLC位以及该报警点名称和触点状态。右上方文本框显示当前系统总运行状态，有相应的指示灯标示，分为“正常” 和“报警”两种状态，红色为报警绿色为正常。
图1 报警监控画面（正常状态）
报警时画面如图2所示。
图2 报警监控画面（报警状态）
三、监控系统构成
1.系统的结构
系统配置如图3所示。本系统主要由上位机PC和下位机PLC组成，监控48个故障点并将其分为13大类，然后将故障信息显示在计算机屏幕上。PLC使用的是欧姆龙的C200H，采用3个输入模块，一个输出模块，一个通讯模块。将故障继电器两端引出作为PLC的干接点，通过输入模块将故障信息转化为开关量输入PLC，并由PLC对故障进行分类，然后PLC通过RS232-422转换器和RS232C串口与上位机通信，由上位机读取并处理故障信息进行监控报警。
图 3 系统结构
2.软件设计
本系统PLC的编程使用CX-ProgrammerV3.1编写，实现PLC对故障继电器的初步监控;上位机监控使用VisualBasic6.0编写主监控程序，实现故障实时监控报警、显示、记录、故障点信息查询修改以及运行状态查询等功能。
（1）PLC程序：该程序包括三个输入模块和一个输出模块，用于对48个故障信息的采集和分类，并对PLC后备电池状态监控。
将故障信息转存到20通道：
将故障分类：
PLC后备电池状态转存至23通道：
（2）上位机程序：主要负责与PLC进行串口通信，读取PLC内部通道状态加以分析，在主界面上实现故障报警、显示、故障点信息查询、故障信息记录查询以及节点信息修改查询等功能。
上位机PC与PLC通讯时，按应答方式进行，由上位计算机发给PLC一组ASCⅡ码字符数据，这一数据称为命令块。PLC收到命令块后经分析认为命令正常，则按照命令进行操作，将操作结果返回给上位计算机，PLC返回给上位计算机的这一组数据称为响应块。若PLC收到命令后经分析确认命令不正常，则返回给上位计算机错误命令响应块。上位计算机和PLC通讯时，PLC是被动的，必须由上位计算机给PLC发出命令块，PLC作出响应发还给上位计算机响应块。
本程序采用多重通讯方式，多重通讯时首帧以单元号（即HOST bbbb的机号）开始，然后为报头、报文、校验码、结束符（只有一帧时）或分隔符（多帧时）。中间帧以报文开始，然后为校验码、分隔符，中间帧报文每帧多125个字符。尾帧以报文开始，然后为校验码、结束符，尾帧报文多124个字符。
校验码FCS（Frame Check Sequence）是8位（bit）二进制数转换成的2位字符。这8位二进制数是一帧中校验码前的所有字符的ASCⅡ码按位异或的结果。转换成字符时按照2位十六进制数字转换成对应的数字字符。
PLC收到上位计算机发出的命令块后，经分析操作返回给上位计算机响应块，在响应块中含有响应码。如果PLC正常完成上位计算机的命令，则响应码为00，否则，响应码中含有出错信息。
上位机PC与PLC的串口通信部分：
Timer2的值设为2000，即每隔2s上位机PC向PLC发送一次读取命令，读取信息。
Private Sub Timer2_Timer（）
Dim a（10） As bbbbbb
a（0） = "@00RR00200004" ’单元号和报头报文
a（1） = FCS（a（0）） ’命令格式中的校验位
a（2） = a（0） + a（1） + "＊" + Chr$（13） ’命令码
MSComm1.Output = a（2） ’向PLC发送命令
a（3） = MSComm1.bbbbb
a（4） = Mid$（a（3）, 6, 2） ’响应码
Call Message（a（4）） ’调用响应码的错误信息
If errortime > 3 Then
Timer2.Enabled = False
intr = MsgBox（“通讯错误，是否退出检查连接?”, vbYesNoCancel + vbExclamation, “通讯连接中”）
If intr = vbYes Then
。。。。。。。。。
Else
。。。。。。。。。
End If
End If
’如果通讯连接正常则读取数据：
a（6） = Mid$（a（3）, 24, 2） ’响应块中的校验码
a（7） = Mid$（a（3）, 1, 23）
a（8） = FCS（a（7）） ’计算校验码
If a（8） = a（6） Then ’比较校验码是否相同
a（9） = Mid$（a（3）, 8, 16）
a（10） = Hex2Bin$（a（9））
z = a（10） ’得到PLC内部通道数据
Else
MsgBox （“校验码不正确”）
。。。。。。。
End If
校验码计算函数：
Function FCS（ByVal bbbbbstr As bbbbbb） As bbbbbb
Dim slen, n, xorresult As Integer
Dim tempfcs As bbbbbb
slen = Len（bbbbbstr）
xorresult = 0
For n = 1 To slen
xorresult = xorresult Xor Asc（Mid$（bbbbbstr, n, 1））
Next n
tempfcs = Hex$（xorresult）
If Len（tempfcs） = 1 Then
tempfcs = "0" + tempfcs
End If
FCS = tempfcs
End Function
将响应码中的数据转换为二进制数据：
Function Hex2Bin$（HexValue$）
Const BinTbl = "0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111"
Dim X, Work$
Work$ = ""
For X = 1 To Len（HexValue$）
Work$ = Work$ + Mid$（BinTbl, Val（"&h" + Mid$（HexValue$, X, 1）） ＊ 4 + 1, 4）
Next
Hex2Bin$ = Work$
End Function
监控程序功能：故障信息及节点查询如图4;PLC电池故障显示如图5;数据库将记录系统运行状态，记录故障发生的时间及相关信息，故障修复的时间及相关信息并提供查询功能如图7;可以查看主界面上位号所对应的PLC位、名称、触点状态等信息以便于故障分析，如图8;系统运行总状态指示如图6所示。
图 6 系统运行状态指示
图 7 数据库查询
图 8 位号对应信息查询
四、监控程序完成的功能
1.故障指示：有报警时，对应指示灯及总状态指示灯将闪烁并声音报警，右上方显示故障信息，单击闪烁指示灯，将停止闪烁，并显示当前状态，报警为红色，正常为浅黄色;如果故障修复，则对应指示灯停止闪烁，当前状态由红色变为浅黄色。单击指示灯，则可以查看各个节点信息，右上方图框会显示该节点的位号，对应PLC位以及该报警点名称和触点状态。右上方文本框有相应的指示灯显示当前系统总运行状态，红色为报警绿色为正常。
2.历史记录：数据库记录系统运行状态，记录报警的位号、名称、PLC位、触点状态、以及报警时间等内容，当故障解除后同样记录解除的位号、名称、PLC位、触点状态、以及故障解除时间。数据库中有位号名称对应表，以方便查询每个点的对应关系。
3.通讯连接：用于重新连接上位机和下位机间的通讯，当单击工具栏中连接按钮时，程序检测通信连接。
4.声音测试：用于测试声音报警是否正常。若正常，点击此按钮时系统发出报警声音。
5.消音：用于消除系统报警时的声音，不影响指示灯闪烁报警。
五、结束语
本系统是为齐鲁石化氯碱厂生产车间设计的电路故障报警系统，现已投入运行。在实际应用中提供了真实可靠的生产实时数据，运行情况良好。为企业减少了人力资源浪费，化工厂生产车间环境较差，改善了工人的工作环境降低了工作强度，并实现了集中监控。本系统的可扩展性也很好的适应了车间改良的需求，可根据用户的要求增加监控点并将本车间故障分类输出到上一级监控站，受到了用户的好评。
1. 引言
发电机是电力系统的重要组成部分，它的可靠运行对于保证电力系统的稳定具有重要意义。发电机故障录波装置所记录的数据为工作人员正确分析发电机故障原因，研究事故对策，及时处理事故提供了可靠的依据，同时，根据故障录波数据还可以分析系统的故障参数、各电气量的变化规律，进行故障定位等，这些对于保证电力系统的安全可靠运行起着十分重要的作用。可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）作为工业控制专用的计算机，由于其结构简单、性能优良，抗干扰性能好，可靠性高，在机械、化工、橡胶、电力等行业工业控制现场已日趋广泛地得到应用，成为工控现场进行实时控制的主要的控制装置。本文介绍一种利用可编程控制器和扩展模拟量模块实现发电机故障录波的方法。
2. 系统的组成和工作原理
系统的组成框图如图1所示,由上位计算机和1套PLC测控系统组成。PLC通过外部变送器、互感器与发电机组相连，发电机机端电压U、定子电流I为三相交流电，分别经电压互感器（PT）和电流互感器（CT）转换成三相100V、5A的二次信号，发电机转子励磁电流经过分流器RS转换成75mV信号，再经过三相功率（含有功、无功）变送器、三相电压变送器、直流电流变送器转换成与其成比例的0～10V电压信号后输入到PLC的模拟量模块。模拟量经过 A/D转换，然后根据互感器、变送器的变换比例计算出机端电压U、转子电流If、有功功率P和无功功率Q的等机组运行量。PLC每隔20毫秒采样一次，每 40毫秒将采样的数据保存到故障数据区中。当发生故障后，PLC记录下故障发生以后的13秒数据，故障数据记录过程结束。当PLC接收到上位机发送来的传送命令时，PLC将记录的故障数据通过串口通讯传送给上位机。上位机将数据完整的接收下来，经过数据处理显示出机组运行量U、If、P、Q、Ug（电压给定）在故障前7秒、后13秒的波形曲线，这样就可以对发电机故障进行分析了。在本系统中，PLC选用SIMATIC S7-226;模拟量模块选用与 S7-226配套的产品EM235;PLC与计算机之间通过PC/PPI电缆连接以串行方式进行通讯。
图1 发电机故障录波系统框图
3. 下位机程序设计
PLC属于下位机，其程序共分为3个模块，它们是初始化子程序、录波子程序和通信子程序。以下将分别说明各模块的设计思想。
3.1 初始化子程序
初始化子程序包括初始化自由口通信参数，设置接收命令RCV启动和结束条件，数据指针赋初值，连接20ms采样、接收和发送中断。
3.2 录波子程序
录波子程序在20ms采样中断中调用，负责记录机组运行量U、If、P、Q、Ug在故障前7秒、后13秒的数据。
在PLC中定义一个连续的数据区VW4000～VW8998，用来保存故障数据。每个运行量的数据占用1000字节的数据块，地址分配如下，U：VW4000～VW4998 If：VW5000～VW5998 P：VW6000～VW6998 Q：VW7000～VW7998 Ug：VW8000～VW8998。
录波子程序每隔40毫秒将采样的数据送到各自的数据块中。为每个数据块定义一个数据指针，其初始值分别指向各数据块的首地址。每传送一次数据，各指针向下移动2字节。故障前7秒数据（350字节）是循环记录的，即如果在故障到来之前数据已存满，各数据指针将重新指向数据块的首地址。定义指针index 用来记录20秒故障数据开始的位置。当故障到来时，数据指针指向故障后13秒数据（后650字节），此时指针index将前7秒数据分为前后两部分，正确的顺序是将前后两部分交换过来。当后13秒数据记录完后，录波子程序结束。程序流程图如图2所示。
3.3 通信子程序
通信子程序负责与上位机通信，将存储在数据区的故障数据通过串口分批传送给上位机。上位机每发送一次传送命令（用整数255表示），PLC在接收中断程序中判断收到的字符是否为传送命令，如果是则将传送命令标志M6.0置位并且在主程序中调用通信子程序。
定义指针tran_pointer用来指向待传送数据的首地址，其初值为&VW4000，即指向数据区首地址。定义变量count用来记录传送的次数。在通信子程序中，首先停止自由口的接收，然后将以指针tran_pointer为首地址，大小200字节的数据传送到发送缓冲区中，接着用发送命令通过串口发送出去。每发送一次数据，将指针tran_pointer向下移动200字节，变量count值加1， M6.0复位。当上位机发送完第 26次传送命令时，PLC中数据区VW4000～VW8998的5000个字节已发送完毕，再将额定电压、额定电流、额定有功功率、额定无功功率和指针 index发送出去， count值清零，指针tran_pointer重新初始化，M6.0复位。至此，一次完整的故障数据传送过程结束。
图2. 录波子程序流程图
4. 上位机程序设计
上位机程序设计是以Visual Basic 6.0 为平台，利用MS Comm控件，以事件驱动方式实现计算机与PLC之间串行通讯，完成数据间的交换。上位机程序包括用户界面设计、通讯和数据处理程序、显示程序等。
4.1 用户界面设计
本系统中，设计了两个窗体（bbbb1和bbbb2）。其中bbbb1为主界面，bbbb2为波形显示界面。在bbbb1中设计了一个MSComm控件、一个定时器控件（Timer1）和两个按钮控件（Command1和Command2）。其中Command1是开始按钮，即按下时开始和PLC通讯，读取其中的数据。Command2是显示按钮，即按下时调用窗体bbbb2，显示每个运行量的波形曲线。在bbbb2中设计了一个图片框控件（Picture1），用来显示图形。
4.2 通讯和数据处理程序设计
设置Timer1 的Interval属性等于500，MSComm的bbbbbMode属性为二进制方式，RThreshold属性等于5010。定时器每隔500毫秒发送一次传送命令，当发送到第26次时，关闭定时器，这时接收缓冲区将收到5010个字节的数据并触发MSComm的OnComm事件。在OnComm事件子程序中，将接收缓冲区中的数据依次分配到全局数组U_data、If_data、P_data、Q_data和Ug_data 中，再根据各运行量的额定值计算出百分比值。各个数组的前350字节需要根据指针Index进行调整，具体方法是将数组下标范围Index～349的数据移到前面，下标范围1～Index-1的数据移到后面。
4.3 显示程序设计
在窗体bbbb2的装载事件bbbb_Load中编写图形显示程序。首先在图片框控件Picture1中设置自定义坐标系。设置ScaleMode属性值等于3，即以象素为度量单位。然后在该坐标系下画出坐标轴。X轴以秒为单位，曲线上两点间的时间间隔是40毫秒，换算成象素等于1.47。Y轴以百分比为单位，每个单位刻度换算成象素等于2.1。后根据数组U_data、If_data、P_data、Q_data和Ug_data分别画出相应运行量的波形图。以机端电压波形为例，给出编写的程序如下：
Picture1.DrawWidth = 1 ‘线宽为1
Picture1.CurrentX = 0 ‘指定当前坐标的位置
Picture1.CurrentY = U_data（0） ＊ 2.1
For i= 1 To 499 ‘画出曲线
Picture1.Line -（1.47 ＊ i, U_data（i） ＊ 2.1）, vbBlue
Next i
5. 系统的运行与实验结果
在系统运行前，要对PLC的通讯参数进行设置，包括波特率、校验方式、数据位位数和停止位位数等，此设置要和上位机一致。在S7-226中使用自由口模式和上位机进行串口通信时，可以通过特殊寄存器SMB30（端口0）或SMB130（端口1）来设定。下面以发电机空载停机实验为例说明系统的运行过程。
当发电机在正常空载下停机时，PLC检测到停机信号，将故障标志置位，然后记录下停机后13秒的数据。运行上位机程序，在主界面上按下“传送”按钮后，上位机开始读取PLC中数据。等到程序提示“数据传送完毕”后，按下“显示”按钮，将弹出“波形显示”窗口如图3所示。从图中可以看出，该曲线较好的反映了发电机停机前后机端电压、励磁电流的变化。
图3 波形显示窗口
6. 结束语
此系统已经成功应用于中、小型同步发电机励磁系统中，通过发电机的动态模拟实验和实际中的应用来看，该系统性能可靠、操作方便、界面友好，能够较好地满足电力系统对于故障记录、故障分析的需要。
一般情况下，采用微机控制或以微处理器为内核的工业嵌入式发电机励磁调节器较容易实现发电机运行参量的故障录波，采用PLC作为发电机励磁调节器的硬件平台，具有应用成本低、运行可靠性高但程序设计难度大的特点，其内部成功地嵌入发电机重要运行参量的故障录波具有较大的实用价值，尤其适用于目前大量开发的中小型水力发电站的水轮发电机组，对于保证发电机组的安全、稳定、可靠运行具有重要的意义。
