电气工程及其自动化毕业论文PLC电路在备用自动投入中.docx
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电气工程及其自动化毕业论文PLC电路在备用自动投入中
毕业设计（论文）
题目：
PLC电路在备用自动投入中
的研究
年级专业：
0409级电气工程及自动化
学生姓名：
1111学号：
0451480346
指导教师：
韩亚军职称：
讲师
毕业设计（论文）任务书
1．设计（论文）题目：
PLC电路在备用自动投入中的研究
2．学生完成设计（论文）期限：
年月日至年月日
3．设计（论文）课题要求：
论文要求：
主题要明确，内容要丰富，文字要通俗流畅，细节问题要重点脱出，围绕题目提纲述写，遇到实际问题内容要理论联系实际，涉及他人观点，要找出参考文献。
在自己设计的电路独特优势的地方。
要重点的脱出，格式严格按照学校规定排序。
4．实验（上机、调研）部分要求内容：
在学院规定的时间内，利用所学的软件（FAXWIN）,去设计图形。
用Microsoftword2003排版论文版面和图象处理软件加工文中图表。
5．文献查阅要求：
利用课余时间到图书馆查阅相关资料，上网查寻与本论题相关的一些资料,自己要认真的相象和发挥自己的创新思想，有计划的完成，确保题材符合当今的发展趋势；不可直接把别人的论文中引用到自己的论文中。
6．发出日期：
年月日
7．学员完成日期：
年月日
指导教师签名：
学生签名：
1111
摘要
近年来随着计算机在社会领域的渗透,PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。
在实时检测和自动控制的PLC应用系统中，PLC往往是作为一个核心部件来使用，仅PLC方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
本文介绍了以S7-200PLC为核心，对某供电局110KV电网“一线两站”的备用电源自动投入装置（简称备自投）进行了控制的应用，简述了S7-200PLC的性能特点，详细阐述了备用电源自动投入装置的实现
讲述备用电源自动投入装置的软件和硬件设计。
首先介绍了此系统的开发意义及使用的开发环境，MPLABIDE系统和开发使用的PIC单片机芯片以及仿真器PICMATE2002。
在硬件设计中论述了硬件总体设计过程，确定了技术指标及器件的选择，着重描述了系统硬件电路设计、硬件设计框图及所使用的各种芯片功能与特性,在软件设计中重点剖析了软件设计的过程，调试部分主要介绍使用调试软件picamate2002和调试过程中出现的问题，以及最后解决问题的一些方法。
关键词：
PLC一线两站备用电源自动投入
第1章前言
在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。
目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。
为了使各位初学者更方便地了解PLC，本文对PLC的发展、基本结构、配置、应用等基本知识作一简介。
1.1PLC简介
PLC作为一种专门从事逻辑控制的微型计算机系统，由于性能稳定﹑干扰性能强﹑设计配置灵活等特点，已是工业控制方面得到了广泛的应用。
自80年代后期，PLC已逐步渗透到了电力系统的中低压供配电自动控制中，并在传统的继电器控制系统改造工程中据了主导地位。
可编程序控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC,可编程控制器（ProgrammableController）简写成PLC，其中L为逻辑（Logic）的意思，第一台可编程控制器是1969年在美国面世的。
经过30多年的发展，现在可编程控制器已经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计；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、记数和算术操作等面向用户的指令；并通过数字式或模拟式输入／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。
本文以西门子S7-200PLC为核心，对某供电局110KV电网中“一线两站”的备自投装置进行了控制，实现了两变电站的相互备用，保证了对用户的连续供电。
1.1.1可编程控制器简介
传统的继电器—接触器控制系统由于其结构简单，容易掌握，价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中曾占主导地位。
在供电系统中更是得到了广泛的应用。
传统的备用电源自动投入装置（APR）就是通过继电器控制来实现母联断路器的自动投入。
但继电器—接触器控制系统又有着明显的缺点:
设备体积大，寿命短，可靠性差，动作速度慢，功能少，程序不可变等，完成一种基本的保护或控制任务往往都必须由多个继电器共同承担，比如一条10kV馈线的过流保护和自动重合闸控制就要用到数以十计的各种继电器，又由于继电器的触点要经常分合动作，容易损坏，降低了供电的可靠性，并增加了设备维护的工作量;同时，各继电器之间大量的连接导线不仅使调试检修困难极大，还致使变电站的各部分几乎不可能被连接成一个完整的自动化系统。
因此，传统的机械触点继电器显然已不能满足变电站自动化对继电保护装置的要求。
提高城市供用电系统的自动化程度是电网改造的一项重要内容，而变电站保护控制的技术水平又是其中的关键环节。
后来，出现了结合单片机技术的备用电源自动投入装置，使该装置的可靠性等性能有了一定程度的提高，在保证供电连续性方面取得了较好的成绩。
但这种改进后的装置的抗干扰能力差，限制了其使用范围，也促进了备用电源自动投入装置的进一步发展。
随着经济和技术的发展、连续性和可靠性的要求越来越高，近年来，推出的可编程序控制器（PLC）以其完善的功能，很强的通用性，体积小及高可靠性等特点在各厂矿企业得到了较广泛的应用，是继电器控制柜的理想替代物。
1.1.2PLC的发展历程
PLC的发展历程:
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。
PLC的定义有许多种。
国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
自从1969年美国研制出世界上第一台PLC以后，日本、德国、法国等国相继研制了各自的PLC，受到工业界的重视。
20世纪70年代中期，可编程控制器进入了实用化阶段。
在PLC中全面引入微计算机技术，使PLC产生了飞跃，功能日趋完善。
在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算、PID调节等功能，提高了运算速度。
PLC的小型化、价格低、高可靠性，确定了它在现代工业中的位置。
20世纪70年代末和80年代初，可编程控制器进入了成熟阶段，向大规模、高速度、高性能方向发展，形成了多种系列化产品，编程语言也发展成熟。
我国在20世纪70年代末和80年代初开始引进PLC，到80年代中期，PLC已广泛应用于冶金、化工、机械等工业部门。
我国早期独立研制并有地定影响的单位有北京机械工业自动化研究所、上海工业自动化仪表研究所、大连组合机床研究所、成都要，机械机床电器研究所、中科院北京计算所及自动化所、长春一汽、上海起重电器厂、上海香机电公司上海自力电子设备厂等单位，但是以上诸单位都没有形成规模化生产。
随着改革环节放，涌现出的生产PLC的厂家有；辽宁无线电二厂引进德国西门子技术生产S5-101U、S5-115系列PLC;中美合资的厦门A-B公司生产的PLC-2、PLC-5等系列PLC。
据有关资料统计，1996年，国内销售9万台（套）PLC，其中进口8万台（套），各大厂家所占的份额如下：
西门子：
20.83%
莫迪康（施耐德）、A-B（罗克韦尔）、欧姆龙：
各14.58%
三菱：
8.33%
通用电气：
6.25%
富士电机：
4.17%
其他品牌：
4.16%
1.1.3可编程控制器的优点
可编程控制器（PLC）是一种性能较好的控制器。
其主要特点是用内部已定义的各种辅助继电器（每个PLC可有多达上千个内部继电器）代替传统的机械触点继电器，又通过软件编程方式用内部逻辑关系代替实际的硬件连接线。
正因为这一特点，如果将PLC引入继电器保护装置中，一方面可以克服使用传统继电器所带来的种种弊端;另一方面，又可兼容基于传统继电器的设计思想和技术方案，尤其是对于逻辑关系较为复杂的触点信号处理及操作出口控制，采用PLC编程能使方案设计工作变得更加简单方便。
可编程控制器具有诸多优点：
（1）PLC的生产厂家都着力于提高可靠性的指标。
（2）PLC还具有编程方便、易于使用的优点。
（3）PLC控制功能极强，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能。
为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远方设备。
是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控制机，其本质是一台工业控制专用计算机。
它的软、硬件配置与计算机极为类似，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。
硬件主要由中央处理单元CPU、存贮器、输入/输出单元以及编程器、电源和智能输入/输出单元等构成。
PLC是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。
1.2基于微处理器的工业控制系统
目前广泛应用的工业控制系统主要有:
·常规集散控制系统（distributedcontrolsystem,DCS）。
·可编程控制器PLC构成的控制系统。
·工控计算机（industrialpersonalcomputer,IPC）。
1.3集散控制系统
DCS是由回路仪表控制系统发展而来，在模量处理、回路调节方面具有一定优势。
自1975年HENEWELL公司推出第一台DCS后，目前有近百家厂商生产DCS，约有一万套DCS在运行。
DCS已成为大型电厂自动控制的重要手段，但是DCS作为生产过程的控制手段也在发生变化。
（1）DCS将变处更有较，不受功能或范围的限制，与自动化信息系统紧密结合，成为整个信息系统的一部分。
（2）为使多种计算机系统互联和通信，实现机间通信协议标准化、数据信息和资源共享，DCS彩开放式工业计算机系统，构成网络系统，实现分级控制功能。
（3）为满足市场竞争和用户需求，DCS吸收了PLC的特长，增加了逻辑运算、布数和PLD调节等功能，可完成模逻辑、须序控制等操作。
（4）DCS硬件努力向小型化、多功能封闭型模块化方向发展，并进一步分散化，同时努力提高性能价格比。
第2章可编程控制器控制系统
PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来，它在数字处理、程序控制方面具有优势，PLC是为间歇生产和机械加工而一种专用计算机。
PLC可采用BSDLC语言、C语言、符合逻辑流程和梯形图编程，具有复杂的数学运算、数据处理、统计报表、PLD控制及处理模量等功能，其是其性能价格比很好因此PLC已成为工业控制的主要组成部分。
（1）PLC吸收DCS的优点，在算法上增加了模量运算、PLC运算、累积加法运算和电机算法运算，同时还增加了各种模量模块及相应的补尝、滤波、校正、报警等功能。
（2）PLC的结构向网络化方向发展，PLC的站间形成了网络，加增强了通信，可由主站协调各子站进行操作管理和CRT集中监视。
（3）PLC主站上可连接上位计算机，能用高级语言编程，完成图形显示、趋势分析、数据管理、故障诊断和控制报警等功能。
（4）远程智能I/O网络是PLC的另一个发展重点。
（5）PLC和IPC构成功能强大的开放式集散控制系统。
2.1继电器控制
PLC的梯形图与继电器控制线路图十分相似，主要原因是PLC梯形图的标注大致上沿用了继电器控制的电器元件符号，仅个别处有些不同。
同时，信号的输入/输出形式及控制功能也是相同的，但PLC的控制与继电器的控制又有不同之处，主要表现在以下几个方面。
控制逻辑：
继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联与并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。
另外，继电器触点数目有限灵活性和扩展性很差。
（1）工作方式：
当电源接通时，继电器控制线路中各继电器都处于受约状态，既该吸合的都应吸合，不该吸合的都应受某种条件限制不能吸合。
而在PLC的控制逻辑中，各继电器都处于周期性循环扫描接通之中，从宏观上看，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。
（2）控制速度：
继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低。
角点的开闭动作一般在几十毫米数量级，另外，机械触点还会出现抖动问题。
而PLC是由程序指令控制半导体电阻来实现控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级。
PLC内部还有严格的同步，不会出现抖动问题
（3）可靠性和可维护性：
继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多，触点开闭合时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。
而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，它体积小、寿命长、可靠性高。
PLC还配有自检和监督功能，能、检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态的监视控制程序情况，为现场调试和维护提供了方便。
2.2工控计算机控制系统
工控机IPC的范围很广，本文专指以商用IBMPC个人计算机为基础的工业控制计算机。
IPC与商用个人计算机的区别在于；
（1）需满足工业控制实时性的要求，能实时采集数据和处理工业过程中各种参数并把各种操作分成优先等级，能响应实时中断；
（2）高可靠性，能粉尘、高温、振动和电磁干扰严重等恶劣环境下长期可靠地运行，能抗工业电网的浪涌、闪变、跌落和尖峰干扰。
（3）具有直接连接现场输入信号和控制到现场的输出现场的能力；
（4）可维护性好，便于维修，对硬、软件故障能力强。
IPC适应工业环境应用，虽然起步晚，但发展迅速，具有下列一系列优点：
（1）运算速度快，运算能力强，能进行复杂的数学运算。
（2）与微处理器同步发展，更新换代快，容易升级，通用性强。
（3）硬盘和内存容量大，内存可扩展到64MB。
（4）支持很多硬件设备，如CD-ROM驱动器……
（5）有广泛硬件供应厂商，硬件大多是通用的、标准的。
（6）软件资源丰富，品种齐全，软、硬件开发环境有有关工具丰富，有友好的用户界面和图形显示工具。
2.3冗余系统与热备用系统
在石油、化工、冶金等行业的某些系统中，要求控制装置有极高的可靠性。
如果控制系统发生故障，将会造成停产、原料大量浪费或设备损坏，给企业造成极大的经济损失。
但是仅靠提高控制系统硬件的可靠性来满足上述要求是远远不够的，因为PLC本身可靠性的提高是有一定的限度。
使用冗余系统或热备用系统就能够比较有效地解决上述问题。
2.3.1冗余控制系统
在冗余控制系统中，整个PLC控制系统（或系统中最重要的部分，如CPU模块）由两套完全相同的系统组成如图2所示。
两块CPU模块使用相同的用户程序并行工作，其中一块是主CPU，另一块是备用CPU；主CPU工作，而备用CPU的输出是被禁止的，当主CPU发生故障时，备用CPU自动投入运行。
这一切换过程是由冗余处理单元RPU控制的，切换时间在1~3个扫描周期，I/O系统的切换也是由RPU完成的。
2.3.2热备用系统
在热备用系统中，两台CPU用通讯接口连接在一起，均处于通电状态如图3所示。
当系统出现故障时，由主CPU通知备用CPU，使备用CPU投入运行。
这一切换过程一般不太快，但它的结构有比冗余系统简单。
2.4PLC的接地
良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。
PLC的接地线与机器的接地端相接，接地线的截面积应不小于2mm2 ，接地电阻小于100Ω；如果要用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点接在一起。
为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰，应给PLC接上专用地线，接地点应与动力设备（如电机）的接地点分开；若达不到这种要求，也必须做到与其它设备公共接地，禁止与其它设备串连接地。
接地点应尽可能靠近PLC。
第3章PLC自动控制系统可靠性研究
3.1PLC控制系统可靠性简介
可编程控制器由于抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性能价格比高，在工业控制领域得到越来越广泛应用。
工业控制机作为中央控制单元，配有组态软件，选用大屏幕实时监视界面，实现各控制点的动态显示、数据修改、故障诊断、自动报警，还可显示查询历史事件记录，系统各主要部件累计运行时间，各装置工艺流程图，各装置结构图等。
中央控制单元和下位机PLC之间采用串行通讯方式进行数据交换，通常距离在1000m以内选用485双绞线通讯方式，较常距离可选用光纤通讯，更长距离也可选用无线通讯方式。
下位机选用PLC控制，根据控制对象的多少，控制对象的范围，可选用一台或多台PLC进行控制，PLC之间数据交换是利用内部链接寄存器，实现数据交换和共享。
由于PLC对现场进实时监控具有很高的可靠性，且编程简单、灵活，因此越来越受到人们重视。
3.1.1控制系统可靠性降低的主要原因
虽然工业控制机和可编程控制器本身都具有很高的可靠性，但如果输入给PLC的开关量信号出现错误，模拟量信号出现较大偏差，PLC输出口控制的执行机构没有按要求动作，这些都可能使控制过程出错，造成无法挽回的经济损失。
影响现场输入给PLC信号出错的主要原因有：
（1）造成传输信号线短路或断路（由于机械拉扯，线路自身老化，特别是鼠害），当传输信号线出故障时，现场信号无法传送给PLC，造成控制出错。
（2）机械触点抖动，现场触点虽然只闭合一次，PLC却认为闭合了多次，虽然硬件加了滤波电路，软件增加微分指令，但由于PLC扫描周期太短，仍可能在计数、累加、移位等指令中出错，出现错误控制结果。
（3）现场变送器，机械开关自身出故障，如触点接触不良，变送器反映现场非电量偏差较大或不能正常工作等，这些故障同样会使控制系统不能正常工作。
影响执行机构出错的主要原因有：
（1）控制负载的接触不能可靠动作，虽然PLC发出了动作指令，但执行机构并没按要求动作。
（2）控制变频器起动，由于变频器自身故障，变频器所带电机并没按要求工作。
（3）各种电动阀、电磁阀该开的没能打开，该关的没能关到位，由于执行机构没能按PLC的控制要求动作，使系统无法正常工作，降低了系统可靠性。
要提高整个控制系统的可靠性，必须提高输入信号的可靠性和执行机构动作的准确性，否则PLC应能及时发现问题，用声光等报警办法提示给操作人员，尽快排除故障，让系统安全、可靠、正确地工作。
3.1.2设计完善的故障报警系统
在自动控制系统的设计中我们设计了3级故障显示报警系统，1级设置在控制现场各控制柜面板，用指示灯指示设备正常运行和故障情况，当设备正常运行时对应指示灯亮，当该设备运行有故障时指示灯以1Hz的频率闪烁。
为防止指示灯灯泡损坏不能正确反映设备工作情况，专门设置了故障复位/灯测试按钮，系统运行任何时间持续按该按钮3s，所有指示灯应全部点亮，如果这时有指示等不亮说明该指示灯已坏，应立即更换，改按钮复位后指示灯仍按原工作状态显示设备工作状态。
2级故障显示设置在中心控制室大屏幕监视器上，当设备出现故障时，有文字显示故障类型，工艺流程图上对应的设备闪烁，历史事件表中将记录该故障。
3级故障显示设置在中心控制室信号箱内，当设备出现故障时，信号箱将用声、光报警方式提示工作人员，及时处理故障。
在处理故障时，又将故障进行分类，有些故障是要求系统停止运行的，但有些故障对系统工作影响不大，系统可带故障运行，故障可在运行中排除，这样就大大减少整个系统停止运行时间，提高系统可靠性运行水平。
3.1.3输入信号可靠性研究
要提高现场输入给PLC信号的可靠性，首先要选择可靠性较高的变送器和各种开关，防止各种原因引起传送信号线短路、断路或接触不良。
其次在程序设计时增加数字滤波程序，增加输入信号的可信性。
在现场输入触点后加一定时器，定时时间根据触点抖动情况和系统要的响应速度确定，一般在几十ms，这样可保证触点确实稳定闭合后，才有其它响应。
模拟信号滤波可采用图2b程序设计方法，对现场模拟信号连续采样3次，采样间隔由A/D转换速度和该模拟信号变化速率决定。
3次采样数据分别存放在数据寄存器DT10、DT11、DT12中，当最后1次采样结束后利用数据比较、数据交换指令、数据段比较指令去掉最大和最小值，保留中间值作为本次采样结果存放在数据寄存器DT0中。
提高读入PLC现场信号的可靠性还可利用控制系统自身特点，利用信号之间关系来判断信号的可信程度。
如进行液位控制，由于储罐的尺寸是已知的，进液或出液的阀门开度和压力是已知的，在一定时间里罐内液体变化高度大约在什么范围是知道的，如果这时液位计送给PLC的数据和估算液位高度相差较大，判断可能是液位计故障，通过故障报警系统通知操作人员检查该液位计。
又如各储罐有上下液位极限保护，当开关动作时发出信号给PLC，这个信号是否真实可靠，在程序设计时我们将这信号和该罐液位计信号对比，如果液位计读数也在极限位置，说明该信号是真实的；如果液位计读数不在极限位置，判断可能是液位极限开关故障或传送信号线路故障，同样通过报警系统通知操作人员处理该故障。
由于在程序设计时采用了上述方法，大大提高了输入信号的可靠。
3.1.4执行机构可靠性研究
当现场的信号准确地输入给PLC后，PLC执行程序，将结果通过执行机构对现场装置进行调节、控制。
怎样保证执行机构按控制要求工作，当执行机构没有按要求工作，怎样发现故障？
我们采取以下措施：
当负载由接触器控制时，启动或停止这类负载转为对接触器线圈控制，启动时接触器是否可靠吸合，停止时接触器是否可靠释放，这是我们关心的。
X0为接触器动作条件，Y0为控制线圈输出，X1为引回到PLC输入端的接触器辅助常开触点，定时器定时时间大于接触器动作时间。
R0为设定的故障位，R0为ON表示有故障，做报警处理；R0为OFF表示无故障。
故障具有记忆功能，由故障复位按钮清除。
当开启或关闭电动阀门时，根据阀门开启、关闭时间不同，设置延时时间，经过延时检测开到位或关到位信号，如果这些信号不能按时准确返回给PLC，说明阀可能有故障，做阀故障报警处理。
程序设计如图3b所示。
X2为阀门开启条件，Y1为控制阀动作输出，定时器定时时间大于阀开启到位时间，X3为阀到位返回信号，R1为阀故障位。
3.2PLC控制系统抗干扰分析
随着科学技术的发展，PLC在工业控制中的应用越来越广泛。
PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。
自动化系统中所使用的各种类型PL
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