电气电子毕业设计30直流电源监控系统.docx
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电气电子毕业设计30直流电源监控系统
第1章绪论
1.1直流电源监控系统简介
电力直流电源系统主要用于电力系统中的发电厂、水电站和各类变电站，用于断路器分合闸及二次回路中的仪器、仪表、继电保护、事故照明和不可断电装置等负载提供工作直流电源。
它的正常与否直接影响电力系统的安全可靠运行。
电力直流电源系统主要包括降压装置、交流配电、整流器、蓄电池组、直流配电等部分。
其所要实现的功能是：
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。
由于电力直流电源系统常常用于重要的场合，要求不能断电，所以直流电源系统可靠与否直接影响到供电配电系统的安全运行,而功能强弱则影响系统的良性运行和蓄电池的使用寿命。
随着电力系统自动化、计算机控制和电力电子技术的发展及实际现场运行和维护的需要,对直流电源系统的要求也相应提高,因此在这方面进行研究和开发很有必要。
1.2发展现状及研究意义
20世纪90年代初期，由于我国直流电源系统设备陈旧，引发了不少事故，引起了各方面的高度重视。
为此电力部组织研制了先进的、系列化的直流电源成套装置来装备电网，以确保电网的完全可靠运行。
之后，电力部又组织了微机控制电力直流电源系统的研制，用监控装置代替了人对电源系统进行维护和管理，以适应无人值守变电站的需要。
这两项研制任务的完成，促进了我国电力工程直流电源系统的更新换代和直流电源制造行业的技术进步，提高了电网直流电源系统的自动化程度。
进入20世纪90年代末期，电力直流电源系统又掀起了新一轮的技术改造，改造的重点集中在两个方面：
一是研制高频开关电源模块替代相控电源；二是研制功能更强的新一代监控装置。
对于电力直流电源系统监控的研究，有两方面的意义：
1）阀控密封铅酸蓄电池智能维护的需要
铅酸蓄电池自1859年法国人普兰特发明至今已有一百多年的历史,一百多年来铅酸蓄电池有了极大的发展。
20世纪70年代初,产生了阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA:
valveregulatedlead-acid），它有密封、免维护、自放电小、性能稳定、经济实用等优点，自出现以来就以优良的性能价格比,安全可靠的使用性能而迅速占领市场,被广泛应用于电力工业和邮电通信。
然而由于电池本身的设计、生产工艺及使用维护等原因,电池早期失效现象常有发生,尤其是国产免维护电池,有的只能用2～3年,远远短于预期寿命,严重影响了系统的安全运行。
因此，对于蓄电池的智能管理成了研究的热点。
然而蓄电池性能受诸多因素影响,其测量也较为困难，阀控密封铅酸蓄电池容量的在线检测一直是个难题，至今没有一个方便的解决方案。
完善的解决方案往往需要专家系统的支持，因此，为了保证作为不间断供电的关键设备的安全运行，有必要对此进行研究。
2）变电站综合自动化技术的发展趋势
变电站综合自动化技术取代或更新传统的变电站已成为电力系统的发展趋势。
目前,电力系统推广无人值班变电站,虽然调度中心可以通过远动通道获取变电站运行情况的实时信息,但是对于直流部分只能得到少量的重要信息。
它不能反映直流系统运行的详细信息,特别是它不能发现系统刚刚开始出现异常运行的情况,直到长期的异常运行发展为故障时才上发调度,此时,事故已经扩大。
所以需要设备维护人员对其进行定期检查。
此外,对直流设备运行的控制也是由维护人员进行现场操作的。
变电站多,维护人员少,显然无法保证按期按量完成。
在这种情况下,直流监控系统应运而生。
它的主要作用就是把各变电站的直流设备信息上送到监控中心,供其查询,同时监控中心也可以向各站发送控制命令。
这样,维护人员不但可以在监控中心对直流设备进行远方监控,还可以及时发现设备运行的不正常状态,及时处理,而不等其发展演变成事故。
所以,直流监控系统的建立,可以节省人力物力,提高工作效率，而且，还可以利用专家系统对蓄电池组进行智能管理。
基于此，本人参与建立了电力直流电源系统的模拟装置，成功地将现场总线技术应用于该监控系统。
本文将着重介绍该系统的网络和监控部分的内容。
1.3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。
现场总线技术是过程工业最关注的深刻变革之一。
由于现场设备和仪表的智能化程度在不断提高，作为嵌入式应用的微控制器功能也在不断加强，因此现在智能化设备和仪表的功能己不仅仅限于数据采集，还越来越多地加入了远程控制的功能。
使得这类智能化设备和仪表的应用范围越来越广，这种趋势也极大地改变着传统控制系统的结构。
现场总线网、智能化设备仪表的发展影响着DCS的体系结构，现在可以看到的一个明显的趋势是DCS的进一步分散化。
在现场总线这一级，除了智能I/O模块以外，还可以接入各种智能化电子设备和各种智能化仪表，最大限度地利用最新的、最先进的开发成果，而且由于分散度的提高，每个智能单元所涉及的面很少，这与在传统结构中变送器出现故障的情况是一样的，但由于智能单元可以实现全面有效的自诊断功能，出现故障可以及时报警、报告故障类型及故障点，因此给维护带来了极大的方便。
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。
而IEC61158是制订时间最长、投票次数最多、意见分歧最大的国际标准之一。
它的制订时间超过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IEC中央办公室公布1999年底最新一轮投票结果才表明该标准已获通过。
并且该标准容纳了八种互不兼容的协议，其中由美国罗克韦尔公司支持的控制网（ControlNet）成为IEC61158标准的类型2。
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。
1.4本文的主要工作
本文利用工业现场总线DeviceNet和ControlNet组建了监控网络，成功地将现场总线技术应用于该监控系统，实现了以PLC为核心的实时监控。
所作主要工作有：
a）分析、连接DeviceNet网络，并进行组态；
b）分析、连接ControlNet网络，并进行组态；
c）利用触摸屏人机界面，实现了现场监控；
d）利用RSView32及其扩展功能，实现了动态显示和远程监控。
第2章系统概括介绍
2.1系统涉及的网络硬件
2.1.1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。
1.罗克韦尔的三层网络体系
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。
NetLinx的系统结构图如下：
图2-1罗克韦尔工业网络结构图
（1）设备层（DeviceNet）：
这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。
（2）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。
（3）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。
这三种网络均为开放技术，而且都是国际标准，因而使用NetLinx平台的用户可以从多家供货商挑选性能价格最合适的设备，不必拘泥与某一家或几家的产品，从而大大增加了用户选择产品的灵活性。
除此之外，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，方便的连接和通信。
1.DH+工业局域网。
在控制层，除了强大的控制网以外，还有DH+（DataHighPlus）网络，它是一种工业局域网，用于支持工厂应用工程的远程编程，也可以通过DH+在可编程序控制器、计算机、人机界面产品等之间的数据传送。
DH+网络的每个链路可以连接64个设备，用户可以组态一个具有99个链路的网络。
一个多链路的网络可以具有更多的节点。
借助于将节点布置在一个适当的含几个节点并与其他节点隔离的链路中，可以提高信息的传输效率。
DH+网的基本传输速率为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。
2.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，如操作员界面和交、直流拖动装置连接，I/O机架和其他设备则可以安装到远离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。
3.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多达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.各种网络特性的比较
表2-1罗克韦尔网络特性比较
DeviceNet网络
ControlNet网络
Erhernet/IP
网络
通用远程
I/O链路
DH-485
网络
DH+网络
功能
不通过I/O模块，直接把底层设备连接到工厂级的处理器上
支持PLC和I/O设备直接的实时数据传输
集成了工厂管理系统（物资管理）；网络配置；数据采集；控制另一个独立的高速网络；和未预定的实时应用
提供PLC和I/O适配器之间的连接
提供SLC处理器、人机界面和编程设备之间的连接
允许工厂级和车间级的数据共享和远程编程
典型的网络设备
传感器、马达启动器、变频器、按钮、低端人机界面、条形码阅读器、PLC、气动阀
PLC处理器、I/O机架，人机界面，个人计算机，变频器、机器人
大型计算机，PLC控制器，机器人，人机界面，I/O接口和I/O适配器
PLC处理器，I/O机架、变频器、操作员介面,远程开关、操作模块
SLC处理器，个人计算机，低端人机界面
PLC处理器，个人计算机，高端人机界面
数据的再现
小的数据报；需要的时候才发送数据
中度大小的数据报；数据的传递是确定的、可以重复的
大数据报，周期发送
中度大小的数据报周期传送
小的数据报，通过周期传送或指定传送
中度大小的数据报周期传送
最大
节点数
64个逻辑结点（2048个设备）
99个
无限
1扫描器和32适配器
32个
每条链路64个（网络可以有99个链路）
数据传输速率
500,250,或者125kbit/s
5Mbit/s
10Mbit/s
100Mbit/s
230.4,115.2,或者57.6kbit/s
19.2kbit/s
57.6kbit/s
设备供应商
完全开放
完全开放
完全开放
罗克韦尔自动化公司及其合作者
应用
举例
控制、配置、采集数据；传感器和执行机构联网到PLC控制器或个人计算机以减少导线并提供更多的故障诊断信息.
控制、配置、采集数据；PLC处理器控制远程I/O机架；和其它处理器进行点对点通讯，并对实时数据采用冗余介质连接
使用一台单独的个人计算机对多个PLC处理器控制、配置和采集数据，或者用一台单独的个人计算机在多个PLC控制器之间上载下载非实时数据
一个PLC-5处理器控制I/O机架、PanelView操作员介面、1336拖动装置和第三方生产的焊接装置阀门
在一个小工厂使用一个编程用的个人计算机连接到一个或者多个SLC处理器上
使用一个个人计算机在网络的一端对全工厂的多个PLC处理器编程
2.2.2PLC-5可编程序控制器
1.可编程序控制器概述
可编程序控制器（ProgrammableLogicalController）简称PLC，是近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。
它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。
本世纪六十年代，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的要求，主要是：
a.它的继电器设计周期短，更改容易，接线简单，成本低；b.它能把计算机的功能和继电器结合起来，而编程又比计算机简单易学，操作方便；c.系统通用性强。
这样美国数字设备公司根据上述要求，开发出了第一台可编程序控制器，其后日本和德国等国家也相继引入，可编程序控制器迅速发展了起来。
七十年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程序控制器更多的具有计算机的功能，不仅用逻辑编程取代了硬连接，还增加了运算、数据传输和处理等功能，真正的成为一种电子计算机工业控制装置，而且做到了小型化。
PLC作为一种控制器，其优点是显而易见的：
（1）PLC的软件简单易学。
PLC的最大特点之一，就是采用易学易懂的梯形图语言，它是以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型，形成一套独具风格的以继电器梯形图为基础的形象编程语言。
（2）使用和维护方便。
a.硬件配置方便。
PLC的硬件是由专门的厂家按照一定的标准和规格生产的，硬件可按实际需要配置。
b.安装方便。
内部不需要接线和焊接，只要编写程序就可以了。
c.使用方便。
节点的使用不受次数的限制，内部器件可多到是用户不感到由什么限制。
只需考虑输入输出点个数，这可由各种类型的PLC来提供。
d.维护方便。
PLC配置有许多的监控提示信号，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员并能动态的监视程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便，而且接线少，维修时只需更换插入式模块，维护方便。
（3）运行稳定可靠。
PLC式专为工业控制设计的，在设计和制造过程中采取了多层的抗干扰和精选元件，可在恶劣的环境下与强电设备一起工作运行的可靠性和稳定性都很高
（4）设计施工周期短。
使用PLC完成一项工程，在系统设计完成后，现场施工和PLC程序设计可以同时进行，而且程序的调试和修改都很方便。
2.PLC的基本工作原理
PLC虽然具有微机的许多特点，但是它的工作方式却和微机大有不同。
PLC采用的是循环扫描的方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到最后结束符后又返回第一条。
如此周而复始不断循环。
整个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、用户程序执行、输出刷新，其工作过程如下：
图2-2PLC工作原理图
（1）每次扫描用户程序之前，都先执行自诊断程序。
自诊断程序内容为：
I/O部分、存储器、CPU等，发现异常则停机显示出错。
若自诊断正常，则继续向下执行。
（2）PLC检查是否有与编程器、计算机等的通信请求，若有，则进行相应的处理，如接收由编程器送来的程序、命令和各种数据并把要显示的数据发送给编程器进行显示。
如果有与计算机等的通信要求，也在这段时间完成数据的发送和接受任务。
（3）PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输入端的状态送到输入寄存器中，这就是采样阶段。
（4）中央处理器CPU将指令逐条调出并执行，以对输入和原输出状态进行处理，即按照程序对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器中，这就是程序的执行阶段。
（5）当所有的程序执行完了之后，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接受到的电压和电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新阶段。
PLC经过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。
3.罗克韦尔公司PLC-5系列可编程序控制器简介
PLC-5是罗克韦尔公司早期的产品，它在包括冶金，矿山，水处理等很多的领域都得有广泛的应用。
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。
本次毕业设计采用的是PLC-5/40C处理器，支持ConntrolNet通信，其面板如图：
图2-3PLC-5的面板示意图
2.1.3操作员终端PanalView1400e
图2-4PanalView1400e
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：
ØVGA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。
ØDH+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。
Ø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。
ØControlNet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。
Ø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。
Ø项目叠层功能。
允许控制设备直接安放在其他项目上面，从而是操作员控制更加直观。
Ø扩展的报警控制功能。
2.1.4I/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。
FLEXI/O是一个应用于分布式场合灵活、价格低廉的模块式系统，它提供强大的框架式I/O所具有的功能而无需那样的安装空间。
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：
1）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。
2）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。
3）
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。
图2-5FLEXI/O模块示意图
２.２系统的结构图
2.1.1电力直流电源系统结构
直流电源系统在实际的应用中有重要的意义，本系统是对真实系统的模拟。
控制的对象是蓄电池组和硅堆，如图2-5所示，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。
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。
本文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。
图2-6模拟直流电源监控系统结构图
2.2.1系统的网络结构
本次毕业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.
图2-7系统网络结构图
第3章 DeviceNet及其应用
3.1DeviceNet概述
3.1.1DeviceNet简介
设备网是通过一个开放的网络，将低层的设备直接和车间级控制器相连，而无需通过硬线将它们与I/O模块相连。
设备网是一种柔性的、开放的网络，可以运行许多销售商行生产的设备。
设备网是基于生产者/客户的网络模式，这是最现代化的网络技术，生产者/客户模式使控制数据同时到达操作的每一单元，可以更有效的利用网络的频带宽度，同时，生产者/客户的还可以显著的减少网络的通信量，提高响应的速度和准确性。
设备网的网络结构如下所示：
图3-1设备网网络结构图
3.1.2DeviceNet的网络特性
一个集成控制网络功能费用是如何由简单、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：
1）设备的相互可操作性。
设备网网络提供不止一种协议技术条件，它
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