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基于PLC的直流电源监控系统设计.doc
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基于PLC的直流电源监控系统设计.doc
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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
2
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
3
★ 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+(Data High Plus)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(Universal Remote I/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 SLC 500MicroLogix 1000 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]
。
2.3 PLC-5 可编程逻辑控制器
可编程逻辑控制器(Programmable Logical Controller)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:
4
★ PLC 简单容易学习。
★ 使用和维护方便。
★ 运行稳定可靠。
图 2.3-1 PLC 工作原理图
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
ConntrolNet PLC-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:
自
诊
断
与编程器、计算
机的通信
读 入
现 场
信号
执 行
用 户
程序
输出
结束
5
图 2.3-2 PLC-5 的面板示意图
2.4 操作员终端 PanalView1400e
PanalView 1400e 的高端 CRT 图表终端是 PanalView 1200 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 PanalView 1400e 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]
。
2.5 I/O 模块 1794 柔性 FLEX I/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 FLEX I/O 可以独立的选择 I/O 种类以适应应用的需要。一个 FLEX I/O 适配器
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