PLC在变电站自动化的实现硬件毕业设计.docx
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PLC在变电站自动化的实现硬件毕业设计
XXXXXXXXX
毕业设计（论文）
论文题目：
PLC在变电站自动化的实现硬件
所属系部：
指导教师：
职 称：
讲师
学生姓名：
学 号:
专 业：
楼宇智能化工程技术
XXXXXXX
XXXXX学院
毕业设计（论文）任务书
题目：
PLC在变电站自动化的实现硬件
任务与要求：
时间：
年 月 日至 年 月日共 周
所属系部：
电子工程系
学生姓名：
学号：
专业：
楼宇智能化工程技术
指导单位或教研室：
指导教师：
职称：
XXXXXXXX
变电站自动化，也称变电站综合自动化，是伴随着计算机及大规模集成电路技术的发展而出现的，国际上在20世纪70年代末就研制出了实验系统。
到了90年代，计算机的性能也十分强大、稳定，价格持续下降，并随着计算机通信技术和网络技术的发展，变电站自动化系统的性能也是满足电力系统运行的要求。
建设和运行经验表明，变电站自动化系统可带来节省电缆、缩小控制室面积、提高监控水平、积累运行数据和节省人力等方面的显著效益，现已成为新建变电站首选的监控模式。
本文通过对变电站自动化的描述，？
提出了可编程控制器PLC在变压器自动化及变电站综合控制的实现和应用。
在第二章中讲述了PLC可编程变压器自动化屏的组成及实现，并讲述了可编程变压器自动化的选择和实施控制的原理。
第三章提出了PLC分级递阶控制在变电站综合控制中的结构及应用，还讲述了对通信口的设计。
第四章通过对数字化变电站自动化系统的特点和结构的讲述，提出了变电站自动化的新发展。
通过PLC在变电站变压器自动化中的实现，让我们更精确的对它实施控制，减少了人工操作的麻烦和避免了一些不必要的损失。
关键词:
变压器自动化；PLC自动化屏；PLC阶梯控制
Abstract
Transformersubstationautomation,alsosaidthatthetransformersubstationsynthesisautomation,isfollowingthecomputerandthelargescaleintegratedcircuittechnologydevelopmentappears,internationallydevelopedtheexperimentsysteminthelate-1970s.Tothe90s,computer'sperformancehasbeenveryalsoformidable·stably,thepricedropscontinually,andalongwiththecomputercommunicationandnetworking'sdevelopment,thetransformersubstationautomatedsystem'sperformanceisalsosatisfiestheelectricalpowersystemmovementtherequest.Theconstructionandtheserviceexperienceindicatedthatthetransformersubstationautomatedsystemmaybringsavestheelectriccable,toreducethecontrolroomarea,theenhancementmonitoringlevel,theaccumulationperformancedataandsavesaspectandsoonmanpowerremarkablebenefits,alreadybecamethenewlybuilttransformersubstationfirstchoicethemonitoringpattern.
Thisarticlethroughtothetransformersubstationautomation'sdescription,proposedprogrammablecontrollerPLCandappliesinthetransformerautomationandtransformersubstationintegratedcontrol'srealization.NarratedinthesecondchapterthePLCprogrammabletransformerautomationscreen'scompositionandrealizes,andnarratedtheprogrammabletransformerautomationchoiceandtheimplementationcontrolprinciple.ThethirdchapterproposedPLCgradesthehierarchicalcontrolinthetransformersubstationintegratedcontrolstructureandtheapplication,butalsonarratedtopassesthedesignunguardedly.Thefourthchapterthroughtothedigitizedtransformersubstationautomatedsystem'scharacteristicandthestructurenarration,proposedthetransformersubstationautomationrecentdevelopment.
ThroughPLCintransformersubstationtransformerautomation'srealization,letsusmorepreciseimplementthecontroltoit,reducedthemanualcontroltroubleandhasavoidedsomenonessentialloss.
Keywords:
Transformerautomation；PLCautomatedscreen；PLCladdercontrol
1前言
目前，已经实际运行的综合自动控制系统有：
LAS系统、基于CAN/LON网的分散分布式变电站控制系统等，它们在实际应用中取得了较好的成效，但也存在着技术和经济上的各种缺点。
本文在研制智能型有载调压变压器监控系统的基础上，从变电站综合自动化发展的大方向（即从集中控制型向分散（层）网络型发展；从专用设备向平台发展，中小变电站综合自动化中的自动化设备有：
可编程自动化监控装置、可编程变压器自动化屏、可编程微机计量屏、可编程微机线路保护屏、可编程微机同期系统、可编程中央信号屏、可编程电容屏、可编程微机直流电源系统等均应用了PLC为其智能化单元，并且都能够挂网运行，方便地实现遥信、遥测、遥控功能，取代了传统的RTU。
众所周知变电站是电力系统中不可缺少的重要环节，由于它担负着电能转换和电能重新分配的繁重任务，对电网的安全和经济运行起着重要的作用。
但是，现存的许多老式变电站由于存在安全性、可靠性不能适应电力系统实时控制等一系列缺点而无法满足电力系统现代化的各项要求。
已经实际运行的综合自动控制系统有：
LAS系统、基于CAN/LON网的分散分布式变电站控制系统等，它们在实际应用中取得了较好的成效，但也存在着技术和经济上的各种缺点。
变电站综合自动化包括的内容很多，它是将变电站的二次设备（控制信号、测量保护、自动装置及远动装置等）利用计算机技术、现代通信技术经过功能组合和优化设计，对变电站执行自动监视、控制和协调的一种综合性的自动化系统。
以下仅以变压器有载调压监控系统为例，说明PLC分级递阶控制这种结构体系在变电站综合自动控制中是有效、可行的。
由PLC构成的变压器自动化部分在自动化变电站中的实现。
适用于老式变电站的自动化改造及新式变电站的建设。
2可编程控制器的综述
2.1可编程控制器的发展与定义
1PLC的发展
PLC问世以来随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通信技术的不断进步，PLC也迅速发展。
其发展过程大致可分以下3个阶段。
（1）早期的PLC（20世纪60年代末至70年代中期）
其主要功能是指向原先由继电器完成的顺序控制、定时等功能。
（2）中期的PLC（20世纪70年代中期至80年代中、后期）
微处理器由于其体积小、功能强、价格便宜，很快被用于PLC，使PLC功能增强、工作速度加快、体积减小、可靠性提高、成本下降。
（3）近期的PLC（20世纪80年代中、后期至今）
由于大规模集成电路技术的迅速发展，使各种类型的PLC所采用的微处理器档次普遍提高。
使得PLC在软件、硬件功能上都发生了巨大变化。
现代PLC不仅能够完全胜任对大量开关量信号的逻辑控制能力，还具有了很强的数学运算、数据处理、运动控制、PID控制等模拟量信号处理能力。
同时PLC的联网通信能力大大增强，可以构成功能完善的分布式控制系统，实现工厂自动化管理。
2PLC的定义
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统。
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.可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
总之，可编程控制器是一台专用计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机，它具有多个输入\输出接口，并且具有较强的驱动能力。
在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
2.2可编程控制器系统的基本结构
可编程控制器是微机技术和继电器常规控制概念想结合的产物，它按照用户程序存储器中预先编制的控制程序，通过输入接口采入现场信息，执行逻辑或数值运算，进而通过输出接口控制各种执行机构动作。
它的硬件配置主要由中央处理单元（CPU模块）、信号输入\输出模块、电源和编程器等部分组成，如图1.1所示。
图1.1PLC系统的基本结构
1CPU模块
CPU模块是PLC的主要组成部分，是系统的控制核心。
它以循环扫描的方式采集现场各输入装置的状态信号，执行用户控制程序，并将运行结果传送到相应的输出装置，驱动外部负载工作。
CUP模块中通常还插装有存储器，PLC的系统程序、用户控制程序和工作数据就绪存储在存储器中。
2输入\输出模块
通常，将PLC的信号输入模块和信号输出模块简称为输入\输出模块（I\O模块）。
输入\输出模块是PLC的CPU模块与外部控制现场相联系的桥梁。
PLC的输入\输出模块通常可分为开关量输入模块、开关量输出模块和模拟量输出模块等，分别用于联系不同类型的外部信号。
3电源
PLC通常使用交流220V或直流24V工作电源。
它的电源模块为其他各功能模块提供DC5V、DC12V、DC24V等各种内部直流工作电源。
一般情况下，许多PLC可以为输入电路和外部的传感器提供24V的工作电源，但是驱动PLC负载的直流电源或交流电源一般由用户提供。
4编程器及其他选件
编程器是编制、编辑、调试、监控PLC的用户程序的必备设备。
它通过通信接口与PLC的CPU模块相联系，完成人机对话。
小型PLC的程序编制可直接使用简易的手持式编程器来完成，较为复杂的编程一般使用专门的编程软件。
编程软件可以安装在普通计算机上，程序编制好后通过通信电缆下载到PLC中。
PLC还可以选配其他设备，如盒式磁带机、打印机、EPROM写入器、人机接口单元、网络连接设备等，可以根据实际需要进行配置。
2.3可编程控制器的特点
1高可靠性和强干扰能力
PLC具有很高的可靠性和很强的抗干扰能力，平均无故障工作时间可达数万小时，可以直接用于有很强烈干扰的工业生产现场并持续工作。
2丰富的I\O接口模块
PLC除具有普通计算机的基本部分（如CPU、存储器等）外，还有丰富的I\O接口模块。
对不同的工业现场信号（交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱点等），设计有相应的I\O模块与工业现场的器件或设备（按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等）直接连接。
3灵活性好
PLC的各个部件，包括CPU、电源、I\O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
相对于传统的电气控制线路，PLC为改进和修改原设备提供了极其方便的手段，通过修改或重新编写应用软件，就可以用一台PLC实现不同的控制功能。
4编程简单易学
PLC大多采用梯形图作为主要的编程语言。
梯形图是一种面向用户的编程语言，它的表达方式类似于继电器控制系统电路图，具有形象直观、易学易懂的特点。
对于熟悉继电器控制电路图的电气技术人员来讲，很快就可以学会梯形图语言，并用来编制用户所需程序。
5系统安装简单，维修方便
PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只须将现场的各种设备与PLC相应的I\O端相连接，即可投入运行。
PLC的各种模块上大多都有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
2.4可编程控制器的应用领域
1逻辑控制
逻辑控制是PLC最基本的应用，它可以取代传统的继电器控制装置，如机床电气控制、各种电机控制等，可实现组合逻辑控制、定时控制和顺序逻辑控制等功能。
PLC的逻辑控制功能相当完善，可用于单机控制，也可用于多机群控制及自动生产线控制，其应用领域已普及各行各业。
2运动控制
PLC使用专用的运动控制模块，可对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，实现单轴、双轴和多轴位置控制，并使运动控制和顺序控制功能有机结合在一起。
PLC的运动控制功能可用于各种机械，如金属切削机床、金属成形机械、机器人、电梯等场合，可方便地实现机械设备的自动化控制。
3闭环过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。
PLC通过其模拟量I\O模块，及数据处理和数据运算等功能，实现对模拟量的闭环控制。
现代的大中型PLC一般都有PID闭环控制功能，这一功能可以用PID子程序或专用的PID模块来实现，可用于热处理炉、锅炉、塑料挤压成形机等设备的控制。
4数据处理
现代PLC具有数学云端、数据传送、转换、排序和查表功能，可以完成数据的采集、分析和处理等操作。
这些数据可以与储存在存储器中的参考值进行比较，也可以用通信功能传送到其他智能装置，或将它们打印制表。
数据处理功能一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品加工中的一些大型控制系统。
5通信联网
PLC的通信包括主机与远程I\O之间通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能设备（如计算机、视频器、数控装置等）之间的通信。
PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散管理”式的分布式控制系统。
当然，并不是所有的PLC都具有上述全部功能，一些小型PLC只具有上述的部分功能，但价格较低，而大型PLC具备的功能较为完善。
2.5可编程控制器的发展趋势
（1）向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展
（2）过程控制功能不断增强
（3）大力开发智能型I\O模块
（4）与个人计算机日益紧密结合
（5）编程语言趋向标准化
（6）通信与联网能力不断增强
3．可编程控制器的硬件结构
3.1可编程控制器的硬件结构
3.1.1可编程控制器的组成
PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是一种微处理器为核心的用作数字控制的特殊计算机。
他/它的硬件配置与一般微机装置类似，主要由中央处理单元（CPU）、输入单元、输出单元、编程器、电源和特殊输入输出单元组成，如图3.1所示。
图3.1PLC系统配置结构图
图3.1可编程控制器的组成框图
3.1.2可编程控制器的工作原理
PLC控制任务的完成是建立在其硬件的支持下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，这一点是和计算机的工作原理一致的。
因此，可编程控制器的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的。
由于早期的PLC是从继电器控制系统发展而来的名主要完成的任务是开关量的顺序控制，对被控制对象的实现是有关逻辑关系的实现。
因此，PLC并不是单纯像普通计算机那样工作，而是发展了一种叫做巡回扫描的工作机制。
PLC的巡回扫描，既是对整个程序巡回执行的工作方式，就是说用户程序执行不是从头到尾只执行一次，而是执行一次后，又返回去执行第二次、第三次······直到停机。
因此，PLC可以被看成是在系统软件规定好的任务。
定义从扫描过程中的一点开始，经过顺序扫描又回到该点的过程为一个扫描周期。
如图3.2所示是PLC的CPU工作流程图。
3.2PLC控制系统设计的一般步骤
如图3.3所示，PLC控制系统一般步骤分为：
熟悉控制对象，PLC选型及确定硬件配置、设计PLC的外部接线、设计控制程序、程序调试和编制技术文件。
图3.3PLC设计流程图
4PLC变压器自动化
可编程逻辑控制器（PLC）突出的优点是：
使用方便，具有杰出的实时功能和强大的通讯能力，包含了强大的功能，使之能够独立地或通过网络分布式系统轻而易举地完成复杂的控制任务，很小的投入即能获得最有效的自动化系统。
PLC的体积小，结构紧凑，编程方便，梯形图编程方式面向一般电气技术人员，操作简单，维修方便，易于实现机电一体化。
中小变电站综合自动化中的自动化设备有：
可编程自动化监控装置、可编程变压器自动化屏、可编程微机计量屏、可编程微机线路保护屏、可编程微机同期系统、可编程中央信号屏、可编程电容屏、可编程微机直流电源系统等均应用了PLC为其智能化单元，并且都能够挂网运行，方便地实现遥信、遥测、遥控功能，取代了传统的RTU。
本文主要介绍由PLC构成的变压器自动化部分在自动化变电站中的实现。
在中小型变电站中，一台变压器及其配套设备一般包括：
断路器及操作单元、变压器、变压器控制屏、避雷器、差动保护屏、变压器接地系统等。
下面以两种情况分别讲述变压器的自动化构成方案。
4.1变压器及配套设备为常规设备
变电站中控室内的变压器控制屏及其配套设备分别与可编程变压器自动化屏通过电缆直接连接，进行信息交换。
中控室或远方的主计算机监控系统通过对可编程变压器自动化屏的监控来实现对变压器的监控，其中的信息交换由主计算机监控系统中的工控机（IPC）与可编程变压器自动化屏中的PLC通过工业现场通讯网络来实现。
这种变压器自动化系统一般适用于改造旧站或建设资金规模不大的自动化新站，其系统框图如图4.1所示。
图4.1变压器及配套常规设备系统框图
4.2变压器及配套设备为智能化设备
如果断路器及操作单元、变压器、差动保护屏、变压器防雷接地系统等均已含有智能单元及计算机接口，那么变压器控制屏部份选用可编程（PLC）变压器自动化屏，就可以非常方便地构成功能强大的变压器自动化系统。
其系统框图如图2所示，变电站中控室内的变压器控制屏及其配套设备分别与可编程变压器自动化屏通过工业现场通讯网络与中控室或远方的主计算机监控系统进行信息交换。
可编程变压器自动化屏与变压器及配套设备之问仅有极少量的电缆连接，整个系统显得非常简单。
图4.2变压器及配套设备为智能化设备的系统框图
4.3可编程变压器自动化屏的组成及实现
可编程变压器自动化屏的硬件设备包括：
PLC，PLC输入/输出信号隔离继电器，近地操作按钮及故障事故指示灯、报警器、智能变压器油温度巡检仪，智能信号测试议，小直流电源，通讯适配器等。
软件主要由PLC自动化监控程序和与监控主计算机（上位机）的通讯程序组成。
其系统框图如图4.3。
图4.3可编程变压器自动化屏的组成及实现系统框图
4.3.1PLC的选型
从上述的被控对象（变压器）的电气特性看出，这个系统几乎是对开关量进行监控。
温度模拟量及信号模拟量均有智能仪表对其监控,智能仪表的输出触点开关量进入PLC，因此PLC只需选用基本模块及通讯模块，而不需特殊模块。
接下来应确定PLC输入∕输出点数，统计可编程变压器自动化屏对变压器及配套设备的监控点数，一般输入不超过64点数，输出不超过40点。
在实际中我们选用了北京安控科技发展有限公司研制的Rock系列PLC产品：
RockE20系列PLC产品。
此产品采用先进的16位CPU，配置嵌入式实时多任务操作系统，可实现采集、运算、逻辑、定时、控制、通讯等功能，其单CPU＋扩展模块，可承载32模块，测控500个I∕O点。
以RS485或Intranet进行本地扩展，以拨号Modem或GPRS等方式进行远程扩展。
该产品采用插拨方式扩展、模块尺寸小巧，安装使用方便、维护简单，具有应用灵活、安全、可靠等特点。
4.3.2可编程变压器自动化屏的硬件
组成可编程变压器自动化屏的各部件应严格照按电气规范设计、连接。
此外，与PLC相连的部份应严格按照PLC厂家技术要求进行设计、连接。
4.3.3PLC的自动化监控程序
变电站的变压器组成方式不同决定了可编程变压器自动化屏PLC的监控程序的不同。
4.3.4PLC与监控主计算机串行通讯的实现
计算机与PLC之间的通讯是通过传送命令块和数据块来实现的，其命令块格式如下：
STX
CMD
DATA
ETX
SUM（H）
SUM（L）
开始符
命令号
起始地址及字节数
结束符
检验（高位）
检验（低位）
数据块格式如下：
STX
DATA
ETX
SUM（H）
SUM（L）
开始符
起始地址及字节数
结束符
检验（高位）
检验（低位）
所有的块均由ASCII码组成，其格式如下：
0
b0
b1
b2
b3
b4
b5
b6
p
1
开始位
7位数据
偶校验
停止位
低4位
高3位
4.4可编程变压器自动化屏的运行
可编程变压器自动化屏在变压器的自动化运行中处于实时监控的重要位置，它通过输入∕输出信号隔离继电器按变电站变电设备（隔离刀闸、断路器、电压互感器、电流互感器、变压器防雷接地系统等设备）的状态∕控制信号，可编程逻辑控制器（PLC）将上述信号按具体的自动化流程进行实时控制，并与监控主计算机通过网络传递数据。
完成变压器的开、停，运行维护与继电保护（过电流保护、电流速断保护、差动保护、瓦斯保护和过负荷保护等）。
它不仅使变压器处于闭环自动控制之中，而且使变压器自动化与
升级会员 