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基于PLC实现的电网电流保护

作者:zlx009     文章来源:本站原创    更新时间:2010年05月11日     
内容预览

第一章   电网电流保护与PLC概述  

1.1电网的流保护相关资料  

 1.1.1  电流保护的概述  

输电线路发生短路时,电流突然增大,电压减低。利用电流突然增大使保护动作而构成的保护,称为电流保护。而当电流流过某一预定值时,反应于电流升高而动作的保护装置叫过电流保护。过电流保护一般分为定时限与反时限过流保护,电流速断保护,中性点不接地系统的单相接地保护。  

瞬时电流速断保护(又称第段电流保护)它是反映电流升高,不带时限动作的一种电流保护。  

由于瞬时电流速断保护不能保护线路的全长,因此可增加一段带时限的电流速段保护又称第段电流保护)。如果瞬时电流速断保护拒保,由时限的电流速段保护动作切除故障。  

定时限过电流保护(又称第段电流保护)是指保护装置的动作时间不随短路电流的大小而变化的保护。  

由瞬时电流速断保护时限的电流速段保护定时限过电流保护都是反应电流增大而动作的保护,它们相互配合构成一整套保护,称做三段式电流保护。三段的区别主要在于起动电流的选择原则不同。其中速断和限时速断保护是按照躲开某一点的最大短路电流来整定的,而过电流保护是按照躲开最大负荷电流来整定的。  

 1.1.2  电流保护的原理  

    三段式电流保护一般由瞬时电流速断保护、带时限电流速断保护和定时限过电流保护相互配合构成整套保护是利用不同过电流值下,设置不同的延时动作时间来规避工作尖峰电流和使发生短路故障时,只有事故点最近的断路器动作以减少断电的影响范围。其中段联合作为线路的主保护段作为本线路的近后备和相邻线路的远后备保护。在有些情况下,可以只装两段甚至一段。  

输电线路三段式电流保护的构成及动作过程
     线路三段式电流保护的原理接线图及展开图如图1所示。其中KA1KA2KS1构成第Ⅰ段瞬时电流速断;KA3KA4KT1KS2构成第Ⅱ段限时电流速断;KA5KA6KT2KS3构成第Ⅲ段定时限过电流。三段保护均作用于一个公共的出口中间继电器KOM,任何一段保护动作均启动KOM,使断路器跳闸,同时相应段的信号继电器动作掉牌,值班人员便可从其掉牌指示判断是哪套保护动作,进而对故障的大概范围作出判断。 

基于PLC实现的电网电流保护                                                        a  

基于PLC实现的电网电流保护 

b  

a)原理图(b)展开图  

1   三段式电流保护接线图  

 1.1.3  电流保护的配合  

    各级过电流保护装置中的时间继电器的延时时限是按阶梯原则整定的。根据保护动作选择性要求,一般应该由距离故障点最近的保护装置动作使断路器跳闸,所以保护装置故障点的时间继电器的整定值应比上一级的保护装置的时间继电器的整定值小,同理就能推出上一级保护装置中的时间继电器的整定值又比更上一级的整定值小。  

1.2 PLC的概况  

  1.2.1  P LC的技术背景  

PLC即可编程控制器,PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PLC作为新一化的工业控制装置,结构简单、性能全面、可靠性高。其突出的优点是:使用方便,具有杰出的实时功能和强大的通讯能力。在其小小的单元中,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,在工业现场领域深受欢迎,特别是经过特殊模块配置后,可以在保持简单易用的特点的同时大大扩展其应用领域。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,因而在变电站综合自动化中得到了广泛的应用。  

多年来,可编程控制器从其产生到现在,实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃;其功能从弱到强,实现了逻辑控制到数字控制的进步;其应用领域从小到大,实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高,成为工业控制领域的主流控制设备,在各行各业发挥着越来越大的作用。  

 1.2.2 P LC的结构  

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同。  

1.中央处理单元  

中央处理单元是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。  

2.电源   

PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的,因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内,可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。  

3.存储器  

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。  

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。  

 1.2.3 P LC的工作原理  

  

基于PLC实现的电网电流保护 

2  plc工作原理  

1.扫描阶段  

PLC投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间,PLCCPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。  

2. 输入采样阶段  

在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。  

3. 用户程序执行阶段  

在用户程序执行阶段,PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。  

在用户程序执行过程中,只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化,而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化,而且排在上面的梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用;相反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。  

4. 输出刷新阶段  

当扫描用户程序结束后,PLC就进入输出刷新阶段。在此期间,CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。这时,才是PLC的真正输出。  

 1.2.4  I/O模块  

  I/Oinput输入和output输出的第一个字母。 PLC与电气回路的接口,是通过输入输出部分I/O完成的。I/O模块集成了PLCI/O电路,其输入暂存器反映输入信号状态,输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统,输出模块相反。I/O分为开关量输入DI,开关量输出DO,模拟量输入AI,模拟量输出AO等模块。除了上述通用IO外,还有特殊IO模块,如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量,I/O模块可多可少,但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力,即受最大的底板或机架槽数限制。  

 1.2.5 P LC的特点  

1.从开关量控制发展到顺序控制、运送处理,是从下往上的。
2.
连续PID控制等多功能,PID在中断站中。
3.
可用一台PC机为主站,多台同型PLC为从站。
4.
也可一台PLC为主站,多台同型PLC为从站,构成PLC网络。这比用PC机作主站方便之处是:有用户编程时,不必知道通信协议,只要按说明书格式写就行。
5.PLC
网格既可作为独立DCS/TDCS,也可作为DCS/TDCS的子系统。
6.
大系统同DCS/TDCS,如TDC3000CENTUMCSWDPFIMOD300
7.PLC
网络如Siemens公司的SINEC—L1SINEC—H1S4S5S6S7等,GE公司的GENET、三菱公司的MELSEC—NETMELSEC—NET/MINI
8.
主要用于工业过程中的顺序控制,新型PLC也兼有闭环控制功能。  

9.体积小,重量轻,能耗低  

 1.2.6 P LC作用  

PLC以其优良的可靠性和易于控制的特点在工业控制领域内取得广泛应用。在电力系统中,为保护系统不致因短路、断线等鼓掌引起系统停电,在低压(35kV10kV)系统中通常装有电流电压保护等。对一般保护系统,它包含测量、整形、放大、比较、执行等几个环节。其中,系统逻辑控制部分构成元件可以是:电磁感应型、晶体管型、微机计算机等。本文提出也可以由PLC构成。用PLC构成时,在硬件方面做了大幅度的调整,大大简化了原有保护系统的硬件接线。而实现逻辑控制的任务则由PLC梯形图编程完成。这样处理的特点是:PLC本身可靠性很高,可以直接应用于工业现场。另一方面,电流保护中采用了类似PLC“软继电器”的逻辑或物理元件  

 1.2.7 P LC的应用领域  

目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前,可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前,我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKKD系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外,无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期,随着我国现代化进程的深入,PLC在我国将有更广阔的应用天地。  

      

第二章   如何用PLC实现电流保护的技术方案  

2.1 控制方案的设计   

 2.1.1  开关量方式实现方案   

要用 PLC 实现电网的电流保护,须把电网的电流信号用 PLC 输入节点状态来表征。  

如何把表征电网电流大小的信号与 PLC 相连成为解决问题的关键所在。图3 (a) PLC 开关量 输入方式接口电路,当开关 K 闭合时,CPU 读取的结果为“1”,反之为“ 0 ” 。图(b)可以看作是图3 (a)的等效电路,在图 3b)中输入端可以为逻辑电平信号,当有电平信号输入时,CPU 读取的数据为“1”, 反之为“0”,这样就实现了开关量到电平量的转换,即只要能把电网的电流信号转换为电平信号便可用PLC 实现电网的过流保护。  

 基于PLC实现的电网电流保护   

a)接口电路                  b)等效电路  

3   开关量、电平量转换电路  

   

连续变化的电流信号通过整流、转换为连续变化的电压信号,再通过电压比较器把连续变化的电压信号转化为逻辑电平信号,如图4 所示。在该电路中,R1为过流对应的基准电压值,电网电流小于过流的整定值时,Vi1 Vr1 时比较器输出为“0”之当电网电流大于过流的整定值时比较器输出为“1”,同理Vr2 为加在第二路电压比较器上的表征限时速断对应的基准电压值,Vr3为加在第三路电压比较器上的表征速断对应的基准电压值。那么PLC的输入X00 X01 X02 三个节点状态表征电网电流的分段大小。

 基于PLC实现的电网电流保护  

4  开关式继电保护硬件原理图  

根据三段式过流保护的约束条件,可用如图5所示的 PLC 软件实现电网过流保护。

 基于PLC实现的电网电流保护  

  

5   开关式软件流程  

 2.1.2  模拟式系统实现方案   

    由于小型PLCI/ O接口只能接收的是开关量。要用 PLC 控制系统实现过流保护也能像微机保护一样,需要像前述电路,先把描述电网的电流信号经过整流转化为与电流成线性关系的电压信号。再把该电压信号接到ADC 电路,经过A/ D 转换为数字量,并与PLC 相连,如图5 所示。通过软件处理将输入节点的位信号组合得到一个数字量。经 PLC的数据处理后送往 PLC 所指定的 HR0 - HRn 单元中,再把这些数字量转化为BCD 码与基准电压的数字量单元 CH15 CH16 CH17 进行比较这三个数据存储单元分别存放着速断、限时速断、过流的整定值所对应的数字量BCD 码,便可得到当前线路状态。不同的状态按照三段保护的原理分别驱动不同的输出,当输入量大于CH15 值时,输出跳闸信号到断路器的跳闸装置,并指示,当输入量大于CHl6 而小于CHl5 时,启动延时,延时到输出跳闸信号并显示,当输入量大于 CHl17 小于 CH16 时,启动过流延时,当延时到输出跳闸命令并显示。  

                  基于PLC实现的电网电流保护                                                            

6 模拟量与PLC连接原理图  

   

2.2 控制方案的比较  

按照上述方案 2.1.1 实现过流保护时存在着比较器的基准电压VR难调准一般采用分压电路实现,致使整定很不方便,不便于现场人员操作,不易实现在线整定,易受环境等影响。  

2.3 输出处理  

由于PLC 输出节点驱动能力有限,于阻性负载为2A,不可能直接驱动跳闸线圈,故用 PLC 输出的BF,因而可靠性很高。节点控制接触器线圈,并通过接触器的主触头控制跳闸线圈。                                   

2.4 控制方案的确定  

综合比较以上两种方案可以确定方案 2.1.2 为最佳方案。  

其模拟式软件流程图如图7所示  

  基于PLC实现的电网电流保护                                  

7 模拟式软件流程  

   

      

第三章   系统设计方案  

系统设计方案如图7所示。硬件系统中前向通道的信号由电流互感器、电压互感器而来。交流采样,信号变换回路是把由系统而来的100V5A交流信号进一步变换至15V2A左右。滤波器采用典型的0型滤波。在比较回路中输入整定值,与系统而来的电压值进行比较。比较回路是具有典型继电器特性的比较器构成,并且可使系统返回系数、灵敏系数均可调。采用的元件是集成运放比较器。为了使PLC能可靠正确地识别比较器后的阶跃信号,还必须通过一接口电路来实现。这就是采用PLC时前向通道的特点。而完成整个保护功能的任务则由PLC来完成。况且PLC采用继电器输出时其较大容量的节点可直接应用于跳闸回路等。在此系统中,再设计一些由单片机构成的微机测量、输出环节,并且使PLC与单片机建立起通讯,则可以实现整套保护测量的任务。

 基于PLC实现的电网电流保护  

  

                          8系统整体设计图  

   

同时,在跳闸信号输出部分由于继电器输出模块的触点工作电压范围宽,导通压降小,与晶体管型和双向可控硅型模块相比,承受瞬时过电压和过电流的能力较强,但是动作速度较慢。系统输出量变化不是很频繁时,一般选用继电器型输出模块。PLC输出模块内的小型继电器的触点很小,断弧能力很差,不能直接用于发电站的DC220v电路中,必须用PLC驱动外部继电器,用外部继电器的触点驱动DC220v的负载。  

断开直流电路要求较大的继电器触点,接通同一直流电路可用较小的触点。选择外接的继电器时,应仔细分析是用PLC来控制接通还是断开外部回路。  

   

   

第四章   硬件设计部分  

4.1 RTU的基础知识  

RTU(远程终端设备)是一种远端测控单元装置,负责对现场信号、工业设备的监测和控制。RTU是安装在远程现场的电子设备,用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。RTU将测得的状态或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式。它还将从中央计算机发送来得数据转换成命令,实现对设备的功能控制。因此选择RTU作为数据采样的硬件部分。  

 4.1.1 直流的采样  

RTU在采集模拟量之前先利用变送器将交流转化成直流,然后在使用RTUA/D转换元件将直流量表示成数字量。其装置构成以模拟电路为主,以少量的数字电路为辅。  

 4.1.2  交流的采样  

RTU装置直接使用A/D转换元件对交流电量进行采集无需传送器转换,但需要快速的数字处理单元进行配合以对采集到的数据进行分析、综合。不仅可以反映电量的瞬时变化,而且可以进行谐波分析计算频率,简单的实现点能量的总功能。  

4.2 数据处理  

  4.2.1  A /D转换器  

数模转换器是将数字信号转换为模拟信号的系统,一般用低通滤波即可以实现。数字信号先进行解码,即把数字码转换成与之对应的电平,形成阶梯状信号,然后进行低通滤波。  

通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号,于数字信号本身不具有实际意义,仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准,比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。  

模数转换器最重要的参数是转换的精度,通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多,表示转换器能够分辨输入信号的能力越强,转换器的性能也就越好。  

 4.2.2  比较器  

    比较器是将两个相差不是很小的电压进行比较的系统。最简单的比较器就是运算放大器,其中运算放大器在连有深度负反馈的条件下,会在线性区工作,有着增益很大的放大特性,在计算时往往认为它放大的倍数是无穷大。而在没有反馈的条件下,运算放大器在线性区的输入动态范围很小,即两个输入电压有一定差距就会使运算放大器达到饱和。如果同相端电压较大,则输出最大电压,一般是+12V;如果反相端电压较大,则输出最小电压,一般是-12V。这样,就实现了电压比较功能。真正的电压比较器还会增加一些外围辅助电路,加强性能。

  

4.3  A/D转换器的选择  

A/D转换器选择型号是:ADC0809  

ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。  

 4.3.1  主要特性  

a. 88A/D转换器,即分辨率8位。  

b. 具有转换起停控制端。  

c. 转换时间为100μs  

d. 单个+5V电源供电。  

  e. 模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。   

   f. .工作温度范围为-40~+85摄氏度。  

g. 低功耗,约15mW  

   

 4.3.2  内部结构  

  ADC0809CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器 ,它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近   

 4.3.3  外部特性(引脚功能)   

  ADC0809芯片有28条引脚,采用双列直插式封装。下面说明各引脚功能。   

  IN0IN78路模拟量输入端。  

  2-12-88位数字量输出端。  

  ADDAADDBADDC3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路  

  ALE:地址锁存允许信号,输入,高电平有效。   

  STARTA/D转换启动信号,输入,高电平有效。   

  EOC A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。   

  OE:数据输出允许信号,输入,高电平有效。当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。  

  CLK:时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ   

  REF+)、REF-):基准电压。   

  Vcc:电源,单一+5V   

  GND:地。   

  ADC0809的工作过程是:首先输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换,之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。直到A/D转换完成,EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时,输出三态门打开,转换结果的数字量输出到数据总线上。  

   

4.4 PLC的选定  

   根据设计需要,可初步确定PLC的输入/输出点数。因此,可以确定PLC的型号为FX2N 8MRFX2N是三菱FX系列PLC2N型,FX系列PLC包括:FX2SFX1NFX2N等,8MR是指8点继电器输出型PLC8表示输入与输出加一起共8点,MR表示是继电器输出型。FX2N 8MR可以完成方案 2.1.2 的所有程序完成需要,其功能强大,使用灵活方便,其可靠性也很高。并且投资少、简单、便于工程技术人员操作,更为经济,所以选择PLC的型号为FX2N 8MR  

4.5 开关量的逻辑控制  

这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等;模拟量控制:在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量和数字量之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/DD/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制;运动控制:PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合;过程控制:过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用;数据处理:现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统;通信及联网:PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。  

把经过与标准量(或参考量)比较处理后的模拟量转换成以二进制数值表示的离散信号的转换器,简称ADC A/D转换器。转换器的输入量一般为直流电流或电压,输出量为二进制数码的逻辑电平(+5伏和0伏)。例如,将生产过程变量(温度、压力、流量、力等)或声音信号经过传感器变为模拟量电信号,然后由模数转换器变换为适于数字处理的形式(二进制数码),送入计算机、数字存储设备、数据传输设备处理或存储,或以数字或图形方式显示。
   
模数转换过程包括量化和编码。量化是将模拟信号量程分成许多离散量级,并确定输入信号所属的量级。编码是对每一量级分配唯一的数字码,并确定与输入信号相对应的代码。最普通的码制是二进制,它有2n个量级(n为位数),可依次逐个编号。模数转换的方法很多,从转换原理来分可分为直接法和间接法两大类。
   
直接法是直接将电压转换成数字量。它用数模网络输出的一套基准电压,从高位起逐位与被测电压反复比较,直到二者达到或接近平衡。控制逻辑能实现对分搜索的控制,其比较方法如同天平称重。先使二进位制数的最高位Dn-11,经数模转换后得到一个整个量程一半的模拟电压VS,与输入电压Vin相比较,若Vin>V
S,则保留这一位;若Vin<Vs,则Dn-10。然后使下一位Dn-21,与上一次的结果一起经数模转换后与Vin相比较,重复这一过程,直到使D01,再与Vin相比较,Vin>VS还是Vin<Vs来决定是否保留这一位。经过n次比较后,n位寄存器的状态即为转换后的数据。这种直接逐位比较型(又称反馈比较型)转换器是一种高速的数模转换电路,转换精度很高,但对干扰的抑制能力较差,常用提高数据放大器性能的方法来弥补。它在计算机接口电路中用得最普遍。
   
间接法不将电压直接转换成数字,而是首先转换成某一中间量,再由中间量转换成数字。常用的有电压-时间间隔(V/T)型和电压-频率(V/F)型两种,其中电压-时间间隔型中的双斜率法(又称双积分法)用得较为普遍。
模数转换器的选用具体取决于输入电平、输出形式、控制性质以及需要的速度、分辨率和精度。
   
用半导体分立元件制成的模数转换器常常采用单元结构,随着大规模集成电路技术的发展,模数转换器体积逐渐缩小为一块模板、一块集成电路。  

PLC中无非就是三大量:开关量、模拟量、脉冲量。只在搞清楚三者之间的关系,你就能熟练的掌握PLC了。
    a.
也称逻辑量,指仅有两个取值,01ONOFF。它是最常用的控制,对它进行控制是PLC的优势,也是PLC最基本的应用。
关量控制的目的是,根据开关量的当前输入组合与历史的输入顺序,使PLC产生相应的开关量输出,以使系统能按一定的顺序工作。所以,有时也称其为顺序控制。
   
而顺序控制又分为手动、半自动或自动。而采用的控制原则有分散、集中与混合控制三种。
    b.
拟量是指一些连续变化的物理量,如电压、电流、压力、速度、流量等。
    PLC
是由继电控制引入微处理技术后发展而来的,可方便及可靠地用于开关量控制。由于模拟量可转换成数字量,数字量只是多位的开关量,故经转换后的模拟量,PLC也完全可以可靠的进行处理控制。
   
由于连续的生产过程常有模拟量,所以模拟量控制有时也称过程控制。
   
模拟量多是非电量,而PLC只能处理数字量、电量。所有要实现它们之间的转换要有传感器,把模拟量转换成数电量。如果这一电量不是标准的,还要经过变送器,把非标准的电量变成标准的电信号,如4-20mA1-5V0-10V等等。
同时还要有模拟量输入单元(A/D),把这些标准的电信号变换成数字信号;模拟量输出单元(D/A),以把PLC处理后的数字量变换成模拟量--标准的电信号。所以标准电信号、数字量之间的转换就要用到各种运算。这就需要搞清楚模拟量单元的分辨率以及标准的电信号。
   
例如:PLC模拟单元的分辨率是1/32767,对应的标准电量是0-10V,所要检测的是温度值0 -100 。那么0-32767对应0 -100 的温度值。然后计算出 1 所对应的数字量是327.67。如果想把温度值精确到 0.1℃ ,把327.67/10即可。模拟量控制包括:反馈控制、前馈控制、比例控制、模糊控制等。这些都是PLC内部数字量的计算过程。
   c.
冲量是其取值总是不断的在0(低电平)和1(高电平)之间交替变化的数字量。每秒钟脉冲交替变化的次数称为频率。
    PLC
脉冲量的控制目的主要是位置控制、运动控制、轨迹控制等。例如:脉冲数在角度控制中的应用。步进电机驱动器的细分是每圈10000,要求步进电机旋转90度。那么所要动作的脉冲数值=10000/360/90=2500  

一种将二进制数字量形式的离散信号转换成以标准量(或参考量)为基准的模拟量的转换器,简称 DACD/A 转换器。最常见的数模转换器是将并行二进制的数字量转换为直流电压或直流电流,它常用作过程控制计算机系统的输出通道,与执行器相连,实现对生产过程的自动控制。数模转换器电路还用在利用反馈技术的模数转换器设计中。
   
数模转换有两种转换方式:并行数模转换和串行数模转换。装置通过一个模拟量参考电压和一个电阻梯形网络产生以参考量为基准的分数值的权电流或权电压;而用由数码输入量控制的一组开关决定哪一些电流或电压相加起来形成输出量。所谓“权”,就是二进制数的每一位所代表的值。例如三位二进制数“111,右边第1位的“权”是 20/23=1/8;第2位是21/23=1/4;第3位是22/23=1/2。位数多的依次类推。图2为这种三位数模转换器的基本电路,参考电压VREFR1R2R3中产生二进制权电流,电流通过开关。当该位的值是“0”时,与地接通;当该位的值是“1”时,与输出相加母线接通。几路电流之和经过反馈电阻Rf产生输出电压。电压极性与参考量相反。输入端的数字量每变化1,仅引起输出相对量变化1/23=1/8,此值称为数模转换器的分辨率。位数越多分辨率就越高,转换的精度也越高。工业自动控制系统采用的数模转换器大多是10位、12位,转换精度达0.50.1%。
   
串行数模转换是将数字量转换成脉冲序列的数目,一个脉冲相当于数字量的一个单位,然后将每个脉冲变为单位模拟量,并将所有的单位模拟量相加,就得到与数字量成正比的模拟量输出,从而实现数字量与模拟量的转换。
   
随着数字技术,特别是计算机技术的飞速发展与普及,在现代控制、通信及检测等领域,为了提高系统的性能指标,对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像等),要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号,必须首先将这些模拟信号转换成数字信号;而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样,就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路--模数和数模转换器。
   
   
为确保系统处理结果的精确度,A/D转换器和D/A转换器必须具有足够的转换精度;如果要实现快速变化信号的实时控制与检测,A/DD/A转换器还要求具有较高的转换速度。转换精度与转换速度是衡量A/DD/A转换器的重要技术指标。 随着集成技术的发展,现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的A/DD/A转换器,它们具有愈来愈先进的技术指标。
  

4.6 输出控制  

 4.6.1  抗干扰的隔离措施
  PLC内部用光电锅台器、输出模块中的小型继电器和光电可控硅等器件来实现对外部开关量信号的隔离,PLC的模拟量I/0模块一般也采取了光电锅台的隔离措施。这些器件除了能减少或消除外部干扰对系统的影响外,还可以保护CPU模块,使之免受从外部窜入PLC的高电压的危害,因此一般没有必要在PLC外部再设置干扰隔离器件。
  如果PLC输入端的光电耦合器不能有效地抵抗干扰,可以用小型继电器来隔离发电站中用长线引入PLC输入端的开关量信号。光电耦合器中发光二极管的工作电流仅数毫安,而小型继电器的线圈吸合电压为数十毫安,强电干扰信号通过电磁感应产生的能量一般不可能使隔离用的继电器吸合。有的系统需要使用外部信号的多对触点,例如一对触点用来给PLC
             提供输入信号,一对触点用来给上位计算机提供开关量信号,一对触点用于指示灯,使用继电器转接输入信号既能提供多对触点,又实现了对强电干扰信号的隔离。PLC来自开关柜内的输入信号和距开关柜不远的输入信号一般没有必要用继电器来隔离。
  为了提高抗干扰能力,PLC的外部信号、PLC和计算机之间的串行通信线路也可以用光纤或带光电耦合器的通信接口来隔离,在要求防火、防爆的环境更适于采用这种方法。  

 4.6.2  电源的处理方法  

电源是干扰进PLC的主要途径之一,电源干扰主要是通过供电线路的阻抗耦合产生的,各种大功率用电、发电设备是主要的干扰源。如果PLC使用交流电源,在干扰较强或对可靠性要求很高的场合,可以在PLC的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器,隔离变压器可以抑制窜入的外来干扰,提高抗高频共模干扰能力,屏蔽层应可靠地接地。

 基于PLC实现的电网电流保护  

  

9 电源的抗干扰措施确  

低通滤波器可以吸收掉电源中的大部分毛刺,图中的Ll12用来抑制高频差模电压,L3L4是用等长的导线反向绕在同一磁环上的,50Hz的工频电流在磁环中产生的磁通互相抵消,磁环不会饱和。两根线中的共模干扰电流在磁环中产生的磁通是迭加的,共模干扰被L3L4阻挡。图中的ClC2用来滤除共模干扰电压,c3用来滤除差模干扰电压。R是压敏电阻,其击穿电压略高于电源正常工作时的最高电压,平常相当于开路。遇尖峰干扰脉冲时被击穿,干扰电压被压敏电阻钳位,后者的端电压等于其击穿电压。
  高频干扰信号不是通过变压器的绕组耦合,而是通过初级、次级绕组之间的分布电容传递的。在初级、次级绕组之间加绕屏蔽层,并将它和铁芯一起接地,可以减少绕组间的分布电容,提高抗高频干扰的能力。
  同时也可以直接选用电源滤波器产品,如北京中石公司的电源滤波器具有良好的共模滤波、差模滤波性能和高频干扰抑制性能,能有效抑制线与线之间和线与地之间的干扰,其产品可用于交流单相,三相电源和直流电源。
  在电力系统中,如果使用220v的直流电源(蓄电池)PLC供电,可以显著地减少来自交流电源的干扰,在交流电源消失时,也能保证FLC的正常工作。某些PLC(如三菱公司的FX系列PLC)的电源输入端内有一个直接对220v交流电源整流的二极管整流桥,整流滤波后的直流电压送给PLC内的开关电源。开关电源的输入电压范围很宽,这种PLC也可以使用220v直流电源。使用交流电源时,整流桥的每只二极管只承受一半的负载电流,使用直流电源时,有2只二极管承受全部负载电流。考虑到PLC的电源输入电流很小,在设计时整流二极管一般留有较大的裕量,这种PLC如使用直流220v电源电压不会有什么问题。经过长期的工业运行,证明上述方案是可行的。  

 4.6.3  安装与布线的注意事项
  开关量信号(如按钮、限位开关、接近开关等提供的信号)一般对信号电缆无严格的要求,可选用一般的电缆,信号传输距离较远时,可选用屏蔽电缆。模拟信号和高速信号线(如脉冲传感器、计数码盘等提供的信号)应选择屏蔽电缆。通信电缆要求可靠性高,有的通信电缆的信号频率很高(如上兆赫),一般应选用PLC生产厂家提供的专用电缆,在要求不高或信号频率较低时,也可以选用带屏蔽的双绞线电缆。
  PLC应远离强干扰源。如大功率可控硅装置、高频焊机和大型动力设备等。PLC不能与高压电器安装在同一个开关柜内,在柜内PLC应远离动力线(二者之间的距离应大于200mm)。与PLC装在同一个开关柜内的电感性元件,如继电器、接触器的线圈,应并联Rc消弧电路。
  PLCI/O线与大功率线应分开走线,如必须要在同一线槽中布线,信号线应使用屏蔽电缆。交流线与直流线应分别使用不同的电缆,开关量、模拟量I/0线应分开敷设,后者应采用屏蔽线。不同类型的线应分别装入不同的电缆管或电缆槽中,并使其有尽可能大的空间距离。
  如果模拟量输人、输出信号距离PLC较远,应采用4—20mA0.10mA的电流传输方式,而不是易受干扰的电压传输方式。
  传送模拟信号的屏蔽线,其屏蔽层应一端接地,为了泄放高频干扰,数字信号线的屏蔽层应并联电位均衡线,其电阻应小于屏蔽层电阻的1/10,并将屏蔽层两端接地。如果无法设置电位均衡线,或只考虑抑制低频干扰时,也可以一端接地。不同的信号线最好不用同一个插接件转接,如必须用同一个插接件,要用备用端子或地线端子将它们分隔开,以减少相互干扰。  

   

   

      

第五章   软件部分设计  

5.1 PLC梯形图以及指令表  

 5.1.1  梯形图

 基于PLC实现的电网电流保护  

   

  

10  梯形图  

 5.1.2  指令表  

     LD     X0              OUT     Y1              AND     M141  

OUT    M100                    K1.5            OUT     T452  

     LD      X1             LD       Y0                     K0.5  

     OUT    T450            PLS     M101            END  

            K0.5            LD      M101  

     LD      X2             AND     T452  

     OUT    T451            LD      M102  

            K1.0            ORB   

     LD      X3             ANI     M102  

     OUT     Y3             OUT     M102  

     LD      X1             LD      M102  

     AND    M104            OUT     T452  

     ORB                            K0.5  

     OR     M100            LD       X3  

     OR     T450            AND     T452  

     OR     T451            LD       Y2  

     OUT    T430            ORB  

   

5.2 实验结果  

通过大量实验能达到以下指标:   

1.单条线路保护系统执行时间≤1.7ms  

2.用C60可以实现6条线路的保护,动作快、保护及时。  

3.由于PLCMTBF特别大,因而可靠性很高。  

4.无论与传统继电保护比,还是与微机保护比,该系统投资少、简单、便于工程技术人员操作,由于模块化易于维护,在35kV及以下电网中具有使用价值。  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

        

   

1. 徐建安,连晶晶.继电保护技术,北京:中国水利水电出版社,2004  

2. 赵保经中国集成电路大全第十分册,可编程控制器.北京:国防工业出版社,2003  

3.小型可编程控制器编程手册.2002  

4. 王永华.现代电气控制及PLC应用技术.北京:北京航空航天大学出版社,1999  

5.王国海.可编程控制器及其应用.北京:国劳动社会出版社.2001  

6张万忠.可编程控制器应用技术.北京 化学工业出版社.2001  

7. 刘增良,刘国亭.电气工程CAD.北京  中国水利水电出版社.2002  

8道霖.电气控制与PLC原理及应用).北京电子工业出版社.2004  

9.廖常初.PLC基础及应用.北京:机械工业出版社.2003  

10张凤珊.电气控制及可编程序控制器.北京 中国轻工业出版社2003  

11.孙振强.可编程控制器原理及应用教程.北京:清华大学出版社.2005  

12王兆义.小型可编程控制器实用技术.北京 机械工业出版社.2002  

   

 

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