变电站中央事故和预告信号的PLC控制

3 硬件设计

3.1 PLC在中央信号系统的要求

3.1.1 PLC与继电器的区别

（1）继电器控制的缺点

继电器是我们生活中常用的一种控制设备，通俗的意义上来说就是开关，在条件满足的情况下关闭或者开启。继电器的开关特性在很多的控制系统尤其是离散的控制系统中得到广泛的应用。从另一个角度来说，由于为某一个用途设计使用的电子电路，最终或多或少都需要和某一些机械设备相交互，所以继电器也起到电子设备和机械设备的接口作用。

在可编程控制器出现以前，继电器硬件接线电路是逻辑控制、顺序控制的唯一执行者，它结构简单，价格低廉，一直被广泛应用。但它与PLC相比有许多缺点，见表2所示。

表2 继电器逻辑与可编程控制器比较

比较项目 控制逻辑 继电器逻辑 接线逻辑，体积大，接线复杂，修改困难 通过触点的开闭实现控制作用，动作速度为几十毫秒，易出现触电抖动 可编程控制器 存储逻辑，体积小，接线少，控制灵活，易于扩展 由半导体电路实现控制作用，每条指令执行时间在微秒级，不会出现触点抖动 用半导体集成电路实现，精度高，时间设置方便，不受环境、温度影响 任意多个，永不磨损 串行循环扫描 在系统设计后，现场施工与程序设计可同时进行，周期短，调试、修改方便 寿命长，可靠性高，有自诊断功能，易于维护 控制速度 限时控制 由时间继电器实现，精度差，易受环境、温度影响 4~8对，易磨损 并行工作 设计、施工、调试必须顺序进行，周期长，修改困难 触点控制 工作方式 设计与施工 可靠性与可维护性 寿命短，可靠性与可维护性差 （2）PLC的优点

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①前后向通道简单。前向通道除脉冲形成回路稍许复杂外，其他都是简单的光耦电路;后向通道更加简单，直接由PLC输出。

②抗干扰性能好。除PLC的I/O本身进行隔离外，对前向通道又进行隔离，有效地抑制了共模干扰。同时系统的功能全部由PLC按照预定的程序完成，避免了由于某个继电器损坏造成的误动或拒动。

③灵敏度高，过载能力强。PLC控制中央信号系统的脉冲形成和响应在物理上是独立的，能够做到具有很高的灵敏度和承受较大的过负荷能力。

④系统完整，容易与二次信号回路连接。只需将几根信号小母线接入PLC控制中央信号系统即可实现与二次信号回路的连接。同时不会对二次回路生产任何影响，这对技术改造十分有利。

⑤维护简单。PLC程序采用继电保护人员熟悉的梯形图编制，直观明了。可直接利用PLC编程器对自动复归时间等定值进行修改。同时由于PLC的高可靠性，基本上可做到免维护[8]。

3.1.2 用PLC进行中央信号系统改造时遵循原则

(1) 完备性:包括了常规的中央信号系统的全部功能，同时还考虑了变电站综合自动化改造后对中央信号系统信息量、信息格式的要求。

(2) 可靠性:在满足完备性的前提下，尽量简化附加的前后向通道。

(3) 适应性:系统脉冲起动电流可调，以适应老式的白炽灯和新型的发光二极管脉冲电流的不同特点[9]。

3.2 PLC选型

在PLC日益成为工厂自动化基本技术平台的时代，如何选用一部适用的PLC以达到真正需要，而又能符合经济效益，是一个重要问题。PLC本身的特点是：体积小、功能高、性能强、操作简便、程序设计简易、模块扩充有弹性、联机容易等。针对上述说明，选择符合功能需求与经济效益的PLC是十分必要的。

一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。机型的选择可以从以下几个方面来考虑：

①对输入/输出点数的选择

要先弄清楚控制系统的I/O总点数，再按实际所需总点数的15~20%留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需PLC的点数。

②对存储容量的选择

PLC存储器容量的估算方法：对于仅有开关量输入/输出信号的电气控制系统，将所需的输入与输出点数之和乘以8，就是所需PLC存储器的存储容量（单位为bit）。

③对I/O响应时间的选择

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PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在2~3个扫描周期）等。对开关量控制的系统，PLC的I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑I/O响应问题。但对模拟量控制的系统，特别是闭环控制系统就要考虑这个问题。

④根据是否联网通信选型

若PLC控制的系统需要联入工厂自动化网络，则PLC需要有通信联网功能，即要求PLC应具有连接其他PLC、上位计算机及CRT等的接口。大、中型机都有通信功能，目前大部分小型机也具有通信功能。

⑤对PLC结构形式的选择

在相同功能和相同I/O点数的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择PLC的结构形式。

目前，PLC产品大致可分为美国、欧洲国家、日本三大主流。经过反复比较及对系统控制规模和控制要求的分析，选用了目前较流行的、有较高性价比的西门子S7-200系列小型PLC。该型号的PLC指令丰富、功能强大，其占有率在国内市场正处于上升趋势。而且该机型的指令及编程运作与计算机通用编程语言更加接近，易学易懂。

3.3 S7-200系列PLC

S7-200系列PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC。其许多功能能够达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样，因此，它一经推出，即受到了广泛关注。它可以单机运行，也可以进行输入/输出和功能模块的扩展。其价格低廉、结构小巧、可靠性高、运行速度快，继承和发展了它在大、中型PLC领域的技术优势，有极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，其性价比非常高，所以它在各行各业中的应用得到迅速推广，在规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备。

S7-200有五种CPU，其性能差异很大。这些性能直接影响到PLC的控制规模和PLC系统的配置。目前S7-200系列PLC主要有CPU221，CPU222，CPU224，CPU224XP和CPU226五种CPU。本课题设计使用CPU226，本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

S7-200的STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC

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编程、调试、监控，使得PLC的编程更加方便、快捷。可以说，S7-200可以满足各种小规模控制系统的要求。

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3.4 I/O地址分配

本设计对象为某变电所中央信号系统，首先对变电站内所有设备预告信号和事故信号进行分类统计，事故信号分为6类，有进线、转出线、变压器、一次、二次母线、配出线等共计信号个数24个；预告信号分为6类：有电压互感器二次回路断线、交流回路绝缘监视、直流回路绝缘监视、操作回路断线、变压器轻、重瓦斯等共计信号个数12个。根据对事故信号和预告信号分类统计，估计PLC输入开关量个数，由此可知信号总个数为36个。

本设计以两路事故信号和预告信号为例，在工程实际或产品设计生产中，可根据实际需求进行扩展，其梯形图程序的修改非常方便。 I/O地址输入/输出分配如表3、表4所示。

表3 I/O地址输入分配表

分类 名称 事故信号音响试验按钮 事故信号时钟解除按钮 闪光试验按钮 事故音响启动回路1 事故音响启动回路2 预告信号音响试验按钮 预告信号输入回路1 预告信号输入回路2 手动事故音响解除按钮 手动预告音响解除按钮 QF灯光信号输入回路1 QF灯光信号输入回路2 监视PLC电池 元件代号 SB1 SB2 SB3 K1 K2 SB4 K3 K4 SB5 SB6 SB7 SB8 SB9 地 址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 输入信号 12