基于PLC的直流电源监控系统设计.docx
《基于PLC的直流电源监控系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的直流电源监控系统设计.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于PLC的直流电源监控系统设计
基于PLC的直流电源监控系统设计
前言
直流电源监控系统主要用于电力系统中的发电厂、水电站和各类变电站等重要场合，它的正常与否直接影响电力系统的安全可靠运行。
直流电源监控系统主要包括降压装置、交流配电、整流器、蓄电池组、直流配电、监控装置等部分。
其所要实现功能是：
蓄电池电压电流监控、充电机充电方式自动控制、蓄电池-充电机系统的智能化管理、控制回路和动力回路的状态监控、绝缘监控、三相交流电源监测等。
1总体设计方案
1.1方案的选择
蓄电池直流电源通常使用于发电站、变电站等供电配电部门，作为不间断供电电源应用于控制、信号、保护、事故照明、直流油泵、分合闸等装置。
直流电源装置是否可靠，将直接影响供电配电系统能否安全运行，而系统能否良性运行和蓄电池的使用寿命则是由直流电源装置的功能强弱决定的。
目前，直流电源监控系统在我国主要有两种基本形式：
第一种是PLC+触摸屏+采样电路的形式，但这种监控系统的不足之处在于PLC编程语言有局限性，与上位机通信协议适应性较差，采样显示的精度也较低；第二种是由单片机及其外围电路组成的形式，但这种监控系统的不足之处在于当前利用单片机开发的直流电源监控系统因大多采用分散结构，即将监控系统分成不同单元分别组件安装，再与主CPU通讯，使得这种监控方式需要CPU的数目较多，而且通讯程序和组屏复杂、电磁兼容性较差、误报率也较高。
基于PLC的直流电源监控系统设计采用的是罗克韦尔公司的网络体系，主要采用的是工业现场总线DeviceNet和控制网络ControlNet，并通过RI/O将PowerMonitor3000与可编程序处理器PLC-5相连接，所有的数据通过ControlNet送入PLC-5，再由PLC-5处理转换成控制信息以后发送到各个控制单元。
1.2工业现场总线概述
随着计算机网络技术的迅速发展，由全数字现场控制系统代替数字与模拟分散型控制系统已成为工业自动化控制系统结构发展的必然趋势。
以现场总线为基础的全数字化自动控制系统是当今世界各国在工业自动化领域关注的热点课题。
根据国际电工委员会IEC61158标准定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线。
目前市场上正在应用的各种现场总线有数十种，主要归类在两个标准族。
一个为IEC/SC65C的IEC61158标准，另一个为IEC17B的有关低压开关设备与控制设备、控制器与电气设备接口的IEC62026标准。
IEC61158制订时间超过12年，先后经过9次投票表决，两次提交IEC执委会审议，直到2000年1月4日该标准才获通过。
该标准容纳了八种互不兼容的协议，由美国罗克韦尔公司支持的控制网（ControlNet）成为IEC61158标准类型。
2000年6月15日各国IEC委员会投票通过IEC62026。
由美国罗克韦尔公司支持的DeviceNet是IEC62026标准之一[1]。
2系统涉及的网络硬件
2.1罗克韦尔网络体系概述
罗克韦尔自动化是一家工业自动化跨国公司，为制造业提供一流的动力、控制和信息技术解决方案。
罗克韦尔自动化公司整合了工业自动化领域的知名品牌，致力于打造全方位自动化解决方案，帮助客户提高生产力。
2.2罗克韦尔三层网络体系
NetLinx是由罗克韦尔公司推出的一种先进的网络体系，是目前世界上最先进的开放式自动控制网络体系。
它将网络服务、通用协议和开放式软件接口有机结合，保证了信息和控制数据高效率和无缝流动。
在同一个网络上实现了控制、配置和采集数据三个功能。
NetLinx体系是ControlNet、DeviceNet和Ethernet/IP三个开放式网络的基础。
其中，ControlNet的通信速率是5Mbs，可以提供介质冗余和本安选择，可以建立热备系统。
NetLinx已经安装了二百万个节点，得到了广泛应用。
罗克韦尔工业网络结构图如图2.2-1所示：
图2.2-1罗克韦尔工业网络结构图
★设备层（DeviceNet）：
是面向现场设备的一层,也是整个自动化网络的最低层,它可以将操作信息送到现场设备,也可以将现场设备的情况反馈到操作者。
★控制层（ControlNet）：
这是操作所在的一层,它将处理器与处理器之间的信息交流、将处理器与输入/输出接口之间的信息交流集成在这一层。
★以太网（Ethernet）：
这是整个自动化网络的最高层,也是对现场采集到的数
据和信息进行处理和管理的一层。
A-B公司还提供其他的网络，可以更加丰富网络的结构体系，方便连接和通信。
★DH+工业局域网。
控制层，除了强大的控制网以外，还有DH+（DataHighPlus）网络。
DH+网是一种工业域网，其基本传输速率为57.6kb/s，最大的距离是3050m，如果缩短为762.5m，传输速率可达230.4kb/s。
★通用远程I/O链路。
通用远程I/O链路（UniversalRemoteI/O）将SLC和PLC处理器与远程I/O机架和一批智能设备连接。
I/O机架和其他设备则安装到远离SLC和PLC处理器3048m的地方。
SLC和PLC处理器对远程I/O链路的存取，是通过处理器内置的扫描端口或通过独立的扫描器模块进行的，I/O产品在链路上与这些扫描器的通信，是通过独立的适配器模块或通过内置的适配器进行。
★DH-485工业局域网。
DH-485是一个工业局域网（LAN），主要用于工厂极的应用。
DH-485能够连接的网络设备达32个，包括SLC500MicroLogix1000可编程序控制器、彩色视图系统和个人计算机。
DH-485链路的辅助RS-232-C（DF1协议）链路连接起来形成DH-485网络[2]。
2.3PLC-5可编程逻辑控制器
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicalController）的简称是PLC，是一种专为工业控制环境应用而设计的数字运行的电子系统，它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入输出，完成确定的逻辑、顺序、定时、计数、运算的一些确切的功能，来控制各种类型的机械和生产过程。
二十世纪六十年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群的发展，为了适应生产工艺不断更新的需要对控制系统也提出了更新更高的要求。
美国数字设备公司率先开发出了第一台可编程逻辑控制器，其后日本和德国等国家也相继引入，可编程逻辑控制器迅速发展了起来。
七十年代后期，由于微电子和计算机技术的迅速发展，可编程逻辑控制器具有了计算机的某些功能，同时也增加了一些如运算、数据传输和处理等功能，而且做到了小型化，从而真正的成为了一种电子计算机工业控制装置。
PLC作为一种控制器，其优点是显而易见的：
★PLC简单容易学习。
★使用和维护方便。
★运行稳定可靠。
★设计施工周期短。
PLC采用的扫描方式是循环扫描。
程序按先后顺序存放在PLC中，CPU执行程序是从第一条指令开始的，直到遇到最后结束符后又返回第一条指令。
这样周而复始地不断循环下去。
全部过程可以分为五个部分：
自诊断、与编程器等的通信、输入采样、程序执行、输出刷新。
PLC工作原理图如图2.3-1所示:
图2.3-1PLC工作原理图
PLC经过自诊断、与编程器等的通信、输入采样、程序执行、输出刷新这五个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始的进行。
PLC-5是罗克韦尔公司早期的产品，PLC-5技术成熟，在大型和中型应用领域是一种比较好的选择。
最近几年，PLC-5又增加了DeviceNet、ConntrolNet和Ethernet/IP等功能，这大大的丰富了PLC-5的应用范围，在控制要求比较高的情况下，可以采用ConntrolNetPLC-5热备系统。
罗克韦尔公司的PLC-5可编程序控制器，除了具有一般PLC所共有的特点以外，还具有以下特性：
★支持多种编程语言；
★强有力的程序控制特性；
★通用指令系列；
★内置的通讯能力；
★程序执行速度达到0.5ms/k位逻辑最大2ms/k。
口令和权限对系统进行保护。
本设计采用的是PLC-5/40C处理器，支持ConntrolNet通信。
PLC-5的面板示意图如图2.3-2所示：
图2.3-2PLC-5的面板示意图
2.4操作员终端PanalView1400e
PanalView1400e的高端CRT图表终端是PanalView1200系列产品的新型产品，提供VGA彩色点阵图象。
另外，有一个单独的接口提供可与A-B公司的PLC和SLC控制器的DH+和增强型远程I/O通信，也可以利用ControlNet进行通信。
终端有触摸屏和键盘两种选择，使操作员在输入是更加简便灵活。
其特性如下：
★VGA彩色像素图表，使屏幕上的目标尺寸和位置变化更灵活，也允许输入位图文件和AUTOCAD文件。
DH+接口允许一台PanalView1400e与多个PLC处理器或多个PanalView终端访问一个PLC处理器。
★基于标记的DH+界面，支持非请求的信息和8个扫描等级。
扩展远程I/O接口也是基于标记的，并具有“只收听”选项。
最大可达到64个逻辑机架和64个块传送，每个块传送包括至多64个字。
★ControlNet接口综合了远程I/O的高速性DH+网络多PanalView/PLC的高性能开放系统网络结构的特性。
★丰富的操作员工具可供选择，包括：
按钮、选择器、指示器、数字显示、数字键盘、棒状图、ASCII码输入及显示、在线趋势图以及常用图表。
★项目叠层功能。
允许控制设备直接安放在其他项目上面，从而使操作员控制更直观。
★扩展的报警控制功能[3]。
2.5I/O模块1794柔性FLEXI/O
在PLC系统中，I/O模块分直接I/O模块和智能I/O模块两种。
直接I/O模块是在模块上拥有独立的输入或输出通路，对应于可编程序控制器数据映象区上的位或字，这些位或字对应于相应的I/O回路上信号的值，以使用户程序可以直接存取I/O的值。
直接I/O模块根据与传感器或执行机构的传输方式的不同，可以进一步分为数字量模块和模拟量模块。
智能I/O模块可在模板上通过处理输入量来控制输出量，而不必由用户通过数据表来控制。
使用FLEXI/O可以独立的选择I/O种类以适应应用的需要。
一个FLEXI/O适配器可以接8个接线基座。
在需要较多的I/O或组合使用不同种类的I/O时，可以无须购买附加电源和通讯适配器即可适应系统要求。
FLEXI/O是I/O接口与端子排的组合，使用接线基座上的端子排就可以直接进行现场接线。
这样节省了安装和调试的时间和空间以及扩展端子的费用。
采用基座接线端子，可以在底板带电的情况下拔插模块，因而无须重新接线或断开系统。
只要配上合适的适配器FLEXI/O系统就可以在远程I/O，DeviceNet和ControlNet网上进行通讯，可以根据需要增减元件。
FLEXI/O是适用于分布式应用场合的小型模块式I/O系统，系统由以下元件构成：
★适配器/电源：
为多个八个I/O模块提供电源以及内部逻辑操作。
★段子基座：
包括一个端子排作为两线或三线设备的接线终端。
★I/O模块：
包括总线接口与电路，以完成应用所需的特殊功能。
FLEXI/O模块示意图如图2.5-1所示：
图2.5-1FLEXI/O模块示意图
3系统的结构图
3.1本设计中的监控对象
本设计中监控的对象是蓄电池组和硅堆。
控制的目标是保证控制母线的电压保持恒压，这主要通过对硅堆的控制来实现。
具体的控制是通过整流控制器和PLC共同实现。
本设计依托于罗克韦尔强大的工业现场网络，实现了完善的控制算法和方便的现场、远程监控。
3.2直流电源监控系统结构图
直流电源监控系统在实际应用中有重要意义，主要包括降压装置、交流配电、整流器、蓄电池组、直流配电等部分。
直流电源监控系统结构图如图3.2-1所示：
图3.2-1直流电源监控系统结构图
3.3系统的网络结构图
本设计采用的是罗克韦尔公司的网络体系，主要采用的是工业现场总线DeviceNet和控制网络ControlNet，并通过RI/O将PowerMonitor3000与可编程序处理器PLC-5相连接，所有的数据通过ControlNet送入PLC-5，再由PLC-5处理转换成控制信息以后发送到个控制单元。
PanalView处于ControlNet层，在工厂级对系统进行监控。
RSView32则位于上位机，通过ControlNet采集数据，监控控制单元，远程监控则是通过RSView32ActiveDisplaySystem将RSView32延伸成服务器/客户模式。
用户可以在远程的客户端通过客户端服务程序或通过IE浏览器来实现远程监控。
系统网络结构图如图3.3-1所示：
图3.3-1系统网络结构图
4DeviceNet和ControlNet及其应用
4.1DeviceNet及其应用
4.1.1DeviceNet简介
设备网是一种开放的、柔性的网络，基于生产者/客户的网络模式，生产者/客户模式使控制数据同时到达操作的每一个单元，这样更有效的利用了网络的频带宽度。
同时，生产者/客户的还可以显著的减少网络的通信量，提高响应速度和准确性。
一个集成控制网络功能费用是由简单、有效的组装系统元部件来决定的，设备网网络正是迎合这些要求而设计的，它为用户控制系统增加了灵活性，提高了效率，具体表现在：
★设备的相互可操作性；
★设备的可互换性；
★一种公用的网络；
★以一个公认的标准为基础；
★改善生产率；
★有助于减少维修费用[4]。
DeviceNet协议分层结构沿用的是CAN协议标准，不同的报文格式、总线访问仲裁规则、故障检测和故障隔离的方法都分别定义了。
应用层规范对应于ISO网络协议七层模型的第一、二、七层，并且是由厂商自主开发的。
基于CAN的DeviceNet协议分层结构如图4.1.1-1所示：
图4.1.1-1基于CAN的DeviceNet协议分层结构
☆网络结构。
设备网的电缆系统采用的是一种主干/支线设计，它的部件始于设备与设备网的连接点，通常将设备（或节点）连接到支线或多端分接器，然后通过一个密封式或多端的分接器与主干线相连。
☆数据通讯方式。
DeviceNet支持多种数据通讯方式，如循环（Cyclic）、状态改变（ChangeOfState）、选通（Strobe）、查询（Polled）等。
☆对象模型与设备描述。
应用层的协议由DeviceNet使用的对象的概念来描述。
模型为每个属性提供了由4个数字组成的寻址方案。
它们分别是节点地址（MACID），对象类标识符，实例编号和属性编号。
各个对象组件的范围如表4.1.1-1所示：
表4.1.1-1各个对象组件的范围
地址
最低
最高
节点（MACID）
0
63
类
1
65535
实例
0
65535
属性
1
255
☆数据传输技术。
DeviceNet信息传送的方法主要有两种:
I/O通讯和直接通讯。
用于实时面向控制的通讯是I/O通讯。
I/O信息包括了无协议的8位字节数据，但只有一个例外：
分段的I/O信息，它有一字节用作协议用。
I/O通讯和直接通讯的格式如表4.1.1-2和表4.1.1-3分别所示：
表4.1.1-2I/O通讯的格式
CAN头
I/O数据（0～8位字节）
CAN尾
表4.1.1-3直接通讯的格式
CAN头
协议和数据域（0～8位字节）
CAN尾
直接数据通讯提供了在两个设备之间点对点的多用途通讯，它提供了典型的请求/应答式通讯，主要用于节点组态和故障诊断。
它主要用于低优先级的数据。
分段数据用于长于8个字节的数据传送，每次信息需要一个字节的协议[5]。
4.1.2DeviceNet的硬件连接和网络组态
A-B公司为设备网网络的连接和通信需要，提供了完整的物理介质产品，包括主干线、支线、终端、快速拆卸的插件和分接器，用于设备网网络的连接和通信。
主要的物理介质有：
★DeviceBox分接器；
★DevicePort分接器；
★PowerTag电源分接器；
★T型分接器；
★粗缆；
★细缆；
★密封式端接器。
RSNetWorxforDeviceNet是由罗克韦尔公司提供的一个基于Windows平台的软件产品，它提供一种项目树结构来管理设备网网络，可以用来组织数据，执行在线或下线配置，存储网络信息，将数据以方便用户的方式存储，以逻辑的方式管理组群仪器，添加网络和仪器的名称和认证标签等功能。
RSNetWorxforDeviceNet需要RSlinx的支持，以实现对设备网通讯的要求。
用户可以利用设备网管理软件来识别所有的网络装置的销售商、网络设备类型、软件版本修改和系列号，也可以在设备网网络上和A-B公司的WinDNet扫描器数据表进行设备组态，设备网管理软件还可以对用户设备网网络和设备进行网络故障诊断。
4.1.3DeviceNet在本设计中的应用
本设计采用的方式为：
每一个蓄电池直接连接到1794-IF2XDF21模块，冲放电电流，变换成电压信号之后，也通过该模块输入。
对于控制母线电压的控制，是通过降压硅堆来实现的。
硅堆接在1794－OWB继电器输出模块，通过PLC来进行控制。
所有的FLEXI/O通过1794－AND适配器，接入DeviceNet。
将网络连接好之后，还要进行网络组态，使蓄电池电压电流信号、动母电压，控母电压能够和FLEXI/O进行数据的的交换，并将需要的数据通过设备网传输给PLC。
利用RSNetWorxforDeviceNet组态DeviceNet的过程如下：
首先，新建立一个工程项目,利用在线检测按钮就可以找到DeviceNet中所有被激活的仪器，可以在在线或者下线的状态下对网络和仪器进行配置。
本设计采用的DeviceNet网络结构图如图4.1.3-1所示：
图4.1.3-1DeviceNet网络结构图
在本设计中，对DeviceNet的配置主要是对扫描模块和FLEXI/O模块的配置。
扫描模块的配置工作包括两个方面：
对扫描器的配置和对扫描列表的配置。
其次，对FLEXI/O的配置工作体现在对其输入输出数据格式的配置。
最后，对所有的设备的配置完成之后，很方便的完成了对DeviceNet的组态工作，进而就可以利用DeviceNet进行数据的传输和通讯了[5]。
4.2ControlNet及其应用
4.2.1ControlNet简介
控制网是一种高速确定性网络，作为控制器，控制网和I/O设备之间的一条高速通信线路，综合体现了各种网络的能力。
ControlNet的技术特点如下：
★强大的网络能力
★简化了编程和组态
★结构灵活
控制网基于开放网络技术，采用生产者/客户（Producer/ConsumerModel）模式。
控制网的通信方式包括主从通信、多主通信、对等通信和这些通信的任意混合形式，并且可以组态选择。
要传送的控制信息即使时间上有苛刻要求，其它的信息也能同时传输，这是控制网链路最重要的功能。
控制网是通过时间限制存取算法来控制对网络的介质存取，即用“并行时域多路存取”方法，来控制各个节点在网络刷新时间内传送信息的机会。
用户通常选择ms级别的刷新时间，最小可达2ms。
目前，现场总线可以从DCS的PID调节次数由每秒2～5次增加到每秒10～20次，控制网可以将PID调节次数提高很多。
网络刷新时间划分成三个部分，即预定信息传送时间、非预定信息传送时间和网络维护时间。
控制网传送的是连续的预定数据，异步于与逻辑程序的扫描，以一个用户在编程软件ControlNetI/O映像屏幕中所设定的通信速率传送。
处理器输入映像文件中存放的输入映像，它由专门的内存的缓冲区传送，以供下次逻辑扫描时使用；专用的内存缓冲区存放输出映像文件，以在下次预定信息时传送出去。
4.2.2ControlNet的组态
ControlNet网络的主要物理介质是同轴电缆。
一个ControlNet物理网络是由这种电缆和连接器、接收器和端子设备组成的，每一网段可达1000m，还可通过中继器延长。
第二种介质是光纤，具有本征安全特性，与电缆组合使用可构成长达25km的系统。
ControlNet支持总线型、树型、星型等拓扑结构。
ControlNet网络提供在节点间安装第二条电缆的选择，通过介质冗余，节点可在两条独立的总线段上传输数据。
ControlNet的网络介质组成图如图4.2.2-1所示：
图4.2.2-1ControlNet的网络介质组成图
.
在连接好ControlNet的硬件设备之后，还不能马上就实现对ControlNet的通信，必须经过软件组态，使设备之间的通信建立起来之后，才可以实现正常的网络设备之间的信息传递。
RSNetWorxforControlNet提供一个图形化的网络视图，改善带宽利用率的调度，并具有在线和离线组态功能。
其提供的主要功能有：
★组态网络各种参数，例如网络刷新时间（NUT）和最大预定节点地址。
★预定I/O数据传送和对等通信的报文发送。
★提供与PLC-5控制网通道无缝接口，由Rslinx5和RslinxFramework完成组态。
★提供一个带宽利用的反馈信息。
4.2.3ControlNet在本设计中的应用
本设计采用的ControlNet网络结构中，处理器采用的是PLC-5/40C,它本身提供ControlNet接口；人机界面采用PanalView1400e触摸屏,实现现场控制；同时将ControlNet与个人计算机相连，实现数据的上位监控。
ControlNet网络结构图如图4.2.3-1所示：
图4.2.3-1ControlNet网络结构图
按照网络结构连接好硬件设备之后，需要用RSNetWorxforControlNet实现网络的软件组态，RSNetWorxforControlNet的主画面如图4.2.3-2所示：
图4.2.3-2RSNetWorxforControlNet的主画面
可以通过启动在线检测来检测到在线的设备型号和类型，接下来，需要设置PLC的扫描列表属性，这也可以通过RSNetWorxforControlNet提供的扫描列表控制界面来控制。
接下来可以看看监视器（Keeper）和扫描器（Scanner）的状态，是否处在正常的工作状态，如果正常，则组态工作就算完成了。
5上位机监控和远程监控
5.1监控组件概述
5.1.1上位机简介
上位机是一种理想的人机接口。
上位机能自动监视生产过程的运行情况，自动采集现场的各种运行参数，如过程变量、设定值、控制参数、工作运行方式、报警状态及系统信息等，用数字、符号及图形方式实时显示出来，特别是以流程图、趋势图、模拟仪表盘的形式将各种运行参数直观、清楚地表示出来，实现自动记录、统计、报警等，提高监视的可靠性和准确性，使操作人员能够迅速而全面地掌握整个系统的运行状况。
上位机能实现的功能如下所示：
★能够采集多点参数；
★数据处理迅速；
★记录显示方式多样；
★报警时能够实时记录和追忆；
★修改参数能够在线进行；
★能够定时或随机打印报表。
5.1.2监控软件RSView32简介
本设计采用的监控软件是美国罗克韦尔自动化公司的工控组态软件RSView32。
RSView32是一种基于MicrosoftWindowsNT和Windows95设计的MMI系统，它易用，可集成
升级会员 