西门子6ES7241-1AA22-0XA0一级代理

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继电保护的发展经历了机电型、整流型、晶体管型和集成电路型几个阶段后，现在发展到了微机保护阶段。与前几个阶段的继电保护不同，微机保护集成了保护功能，测量功能，监控功能和通讯功能，所以又称之为微机综合继电保护装置。现在微机综合继电保护装置已被广泛应用于电力系统、工业、基础设施、商业及民用的供配电系统中，并且依托微机综合继电保护装置构成了能够实现四遥功能(遥控、遥测、遥信和遥调)的变电站综合自动化系统，从而极大的提高了变电站运行的可靠性、维护的方便性和管理效率。但在工业及基础设施的供配电系统中，用户在考虑变电站综合自动化系统时，除了要求实现四遥的功能外，经常需要变电站开关设备可根据生产工艺及控制的要求实现自动控制的功能，例如双路或多路电源的自动切换、电动机的起动顺序控制、工艺连锁及各种运行工况的自动转换等，所以系统中除了使用微机综合继电保护装置外，还需要使用能够实现自动化逻辑控制功能的可编程控制器(programmablelogic controller，简称plc)。

目前在国内所使用的微机综合继电保护装置中，多数不能实现逻辑编程功能，故使用的灵活性尚有欠缺。而许多进口的微机综合继电保护中含有plc的功能，可根据用户要求进行编程，从而完成多种灵活的自动化控制功能。下文以施耐德sepam综合保护装置为例，说明微机保护中的plc功能的应用。

sepam40或80系列内包含强大灵活的逻辑编程功能，在保护装置整定软件sft2841内包含有逻辑等式编辑器，可以实现基于iec61131-3标准开发的语言编程；使用可视化图形编程工具sft2885(仅适用于sepam80系列产品)，可以实现基于iec61131-3标准开发的梯形图方式编程。iec61131-3是iec61131的第三部分，是个为工业自动化控制系统的软件设计提供标准化编程语言的，它得到了世界范围的众多厂商的支持。iec61131-3的编程语言包括图形化编程语言和文本化编程语言，不仅对系统集成商和系统工程师的编程带来很大的方便，而且对终用户同样带来很大的方便。施耐德电气公司将iec61131-3标准移植到微机综合保护装置中，开发出具有强大功能的文本化编程语言和梯形图编程语言。其逻辑等式编辑器使用逻辑运算符与(and)、或(or)、非(not)、异或(xor)、定时器、闭锁继电器、可编程定时脉冲和=、，、（）等逻辑运算符将逻辑输入和保护继电器以方程式的方式进行逻辑运算，将保护功能、开关量输入/输出、控制功能、面板显示信息和面板指示灯进行逻辑编程，从而实现各种自动化功能。梯形图基于图形表示的继电器逻辑，是plc编程中被广泛使用一种图形化语言。梯形图程序的左、右两侧有两垂直的电力轨线，左侧的电力轨线名义上为功率流从左向右沿着水平梯级通过各个触点、功能、功能块、线圈等提供能量，功率流的终点是右侧的电力轨线。每一个触点代表了一个布尔变量的状态，每一个线圈代表了一个实际设备的状态，功能或功能块与iec61131-3中的标准库或用户创建的功能或功能块相对应。sepam梯形图的主要图形符号包括：1．触点类：常开触点、常闭触点、上升延与下降延检测触点。2.线圈类：一般线圈、取反线圈、置位（锁存）线圈、复位去锁线圈、保持线圈、置位保持线圈、复位保持线圈、定时器功能线圈和计数器功能线圈。在完成编制逻辑等式或梯形图后，可通过软件可与前面版的rs232接口直接连接，将编辑的逻辑程序下载到sepam中，从而通过sepam实现逻辑控制功能。

以下通过实例说明在sepam中plc功能的实现。

例：如下图所示，某一变电站采用双回路进线，单母分段的接线结构：

其中：1dl为i段进线开关，2dl为ii段进线开关，fdl为母线分段开关。
     备自投运行及充电条件:

1dl及2dl均为合闸位置，fdl为分闸位置；

i(ii)段母线电压正常；

i(ii)段自切投入；

无闭锁条件输入；

当满足于上述条件时，备自投功能启动投入运行。

备自投动作条件为：

i(ii)段母线失压;

1dl及2dl均为合闸位置;

i(ii)段自切投入;

ii(i)段母线有压;

1dl(2dl)无保护动作跳闸;

1dl(2dl)无手动或遥控分闸；

i(ii)段母线pt无断线故障(有流闭锁)；

1dl(2dl)断路器机械故障跳闸；

当满足于上述条件时，装置将延时td（自投动作延时定值）后动作跳1dl（2dl）开关，确认跳开后再闭合fdl开关。动作逻辑框如图1所示

其中pt断线(有流闭锁)逻辑已在sepam s40内部逻辑中含有，其实现原理如下：

sepam s40检测由pt断线所引起失压误判断，从而引起在主回路电压正常的情况下进行错误备自投。

此功能处理以下故障:

相电压部分缺失, 用以下方法检测：

存在负序电压

不存在负序电流

断路器处于闭合位置

所有相电压的缺失, 用以下方法检测：

三相中至少存在一相电流

所有测量电压都不存在

断路器处于闭合位置

此功能的逻辑框图为：（图2）

由于在有流检测中检测的电流小为10%in(in为相ct的一次额定值)，在ct二次为5a时，可将sepam中的设定中ct一次额定电流缩小至1/5，同时将ct二次额定电流改为1a，即可使有流检测的小值变为2%in而不会影响相应的测量值和保护定值.例如，ct变比为300/5，在sepam中可将ct设定为60/1。

继电保护装置配置说明

i进线：schneider sepam 40 系列进出线保护s40

ii进线：schneider sepam 40 系列进出线保护s40

母联：schneider sepam 40 系列可出线保护s40。

在编制程序之前，需预先分配定义sepam内部开关量输入/输出口的功能，使其能够接受或给出所要求的闭锁、信号及跳闸功能。

sepam s40用于1dl：

项目		功能描述
输入	i13	手动、遥控或保护分闸
	i21	允许备自投
	i22	对侧无压闭锁自投
输出	o1	i # 跳闸
	o12	母联自投合闸输出
	o13	i # 进线过压且合闸状态输出

sepam s40用于2dl：

项目		功能描述
输入	i13	手动、遥控或保护分闸
	i21	允许备自投
	i22	对侧无压闭锁自投
输出	o1	ii# 跳闸
	o12	母联自投合闸输出
	o13	ii # 进线过压且合闸状态输出

sepam s40用于fdl：

项目		功能描述描述
输入	i13	备投合闸输入
	i23	允许备自投
输出	o1	母联分闸
	o12	允许备自投  à至i # i21
	o13	备自投合闸
	o14	允许备自投  à至ii # i21

定义好开关量输入/输出口功能后，可在sepam调试整定软件sft2841中使用逻辑等式编辑器进行逻辑编程。使用逻辑运算符(“与”、“或”、“异或”、“非”)和延时，可将新的处理运算和指示加到现有的运行过程中。逻辑功能产生的输出可用于：

矩阵，以控制继电器输出，点亮信号灯或显示新的报文。

保护功能，以便产生新的禁止或复位条件。

故障记录，以记录特殊的逻辑数据。

功能的实现如下图所示:

逻辑运算符说明如下：

not：逻辑“反”

or：逻辑“或”

and：逻辑“与”

xor：逻辑“异或”

＝：结果的赋值

//：注释开始，即程序不理会“//”右边的文字

(,)：括号之间的运算可以成组

逻辑功能说明如下：

x = sr(y,z)：设定双稳态

当y等于1时，x设定为1

当z等于1且y等于0时，x设定为0

其他情况x不变

 x = ton(y,t)：接通延时继电器

x变量在y变量延时t(ms)后设定为1

输入变量来自于输入逻辑输入或保护功能，它们只能用于赋值符号“＝”右边：

i11至i14，i21至i26：逻辑输入

保护功能：使用“p保护功能代码_继电器号_顺序号”表示，例如p50/51_1_1表示过流保护，继电器1，延时输出。

输出变量可指向控制矩阵、保护功能或逻辑功能，它们只能用于赋值符号“＝”左边：

指向控制矩阵的输出：v1至v10，可在控制矩阵中控制信号灯、继电器输出或报文。

到保护功能的输出：使用“p保护功能代码_继电器号_顺序号”表示，例如p50/51_1_13表示过流保护，继电器1，保护禁止。

到程序逻辑的输出：

v_tripcb:使断路器跳闸

v_closecb：使断路器合闸

v_inhibitclose:禁止断路器合闸

局部变量用来表示中间计算的变量，即不能在逻辑方程式外利用这些变量，它们只能用于赋值符号“＝”左边或右边。局部变量共有31个：vl1至vl31。

进线1和进线2程序及程序说明如下：

vl1  =  i11 

         //i11：本侧开关分闸位置

vl2  =  i12 

         //i12：本侧开关合闸位置

vl3  =  i13

         //i13：手动、遥控或保护分闸

vl4  =  sr (vl2, vl3)

         //非正常分闸闭锁备自投

vl5  =  i21

         // i21：允许备自投输入

vl6  =  i22

         // i22：对侧有压且闭合位置输入

vl7  =  p27/27s_1_3   and  vl4

         //本侧欠压并且合闸位置

vl8  =  ton (vl7, 1000)

         // 延时1秒

vl9  =  p59_1_3    and  vl2

         //本侧母线有压且进线闭合位置

v1    =  ton (vl9,  500)

         //本侧母线有压且进线闭合位置延时0.5秒输出至o13

vl10  =  ton (vl6,  1000)

         //对侧母线有压且进线闭合位置延时1秒

vl11  =  vl5  and  vl8  and vl10and  (not  p50/51_1_1)  and  (not p50/51_2_1)  and  (not  p50n/51n_1_1) and  (not  p50n/51n_2_1) and  (not pvts_1_3  )

// 备投动作条件(允许备投；本侧欠压且合闸位置；对侧过压且合闸位置；无过流、速断和接地保护动作；无pt断线)

vl12  =  ton (vl11, 2000)

         //启动备投延时2秒

v_tripcb  =  vl12

         //跳本侧进线开关

vl13  = ton (vl1, 2000)

         // 分闸后延时2秒

vl14  = sr (vl11, vl13)

        //分闸后解除备自投输出

v2  =  vl14  and  vl1

        //本侧进线开关跳闸后备投输出至o12

母线联络程序及程序说明

v1  =  i11  and  i13  and  i23

       //联络开关分闸状态，允许备投并且接受备投输入时输出至o13进行合闸

编制好程序后，还需将逻辑编程的结果反映到输出口上，从而实现终动作输出。此项功能也需要在sft2841软件中通过控制矩阵的设置来实现。
1dl(2dl)sepam s40控制矩阵图设置如下图所示:

当母联保护选用sepam s40时矩阵图逻辑设置为:

至此，通过sepam保护装置内的逻辑编程功能简单方便的实现了备自投功能。当逻辑条件改变时，只需在软件中直接进行程序改动即可实现新的功能。当要求主电源恢复实现自动恢复的功能时，也可在此程序基础上增加程序语句而实现。所有改动均不需改变sepam保护装置硬件配置，使得当运行条件改变时无需更换或增加其他设备即可实现。

通过上述介绍我们可以看出，使用基于iec61131-3标准开发的语言编程工具可使微机保护装置更加智能化和简单化，使其具有的plc功能，扩展了微机保护的功能和用途。

一、简介
　　zr200型旋挖钻机是湖南省长沙市长沙中联重工科技发展股份有限公司（简称中联重科）自主研制开发的一种建筑基础工程中成孔作业的施工机械。中联重科是我国工程机械制造业的企业，主要从事建筑工程、能源工程、交通工程等国家重点基础设施建设工程所需重大高新技术装备的研发制造。
　　中联重科zr200型旋挖钻机是一种大口径桩基工程的高效成孔设备，采用卡特彼勒专用可拓展履带底盘、自行起落折叠桅杆、可伸缩钻杆和液压先导控制。具有自动检测孔深、垂直度自动调整、回转自动定位、彩色液晶触摸屏直接监控显示工作状态参数和防误操作的逻辑功能控制，是大口径桩基础工程的理想的成孔设备。据统计，在相同的地层中，旋挖钻机的成孔速度是传统转盘钻机的5～10 倍。在国外发达国家旋挖钻机早已作为灌注桩的主要施工机种。近几年旋挖钻机在国内已广泛应用于铁路、公路桥梁、市政建设、高层建筑等地基础钻孔灌注桩工程。右图为中联重科zr200型旋挖钻机照片。
　　zr200型旋挖钻机的控制系统采用西门子s7-200系列plc的cpu224主模块、em223扩展模块及em222扩展模块各一个，实现对旋挖钻机液压系统电磁阀的自动控制、外部传感信号检测及与液晶触摸屏通讯实现人机界面等功能。
二、控制系统方案设计
　　旋挖钻机结构复杂、外部传感装置分布较多、各机构动作逻辑性强，且作业时工况恶劣、机身振动强烈，需要设计采用质量可靠、功能丰富的控制部件以完成其控制功能。同时操作人员也需要通过清晰、直观的人机界面对设备进行全面的掌握与控制。
　　通过选型对比，设计方案上采用西门子s7-200系列plc作为控制系统的核心实现对旋挖钻机的全面控制、日本proface 品牌gp系列液晶触摸屏作为人机界面对话设备，与外部传感装置、液压执行机构组成机电液一体化系统。下图为控制系统结构框图：

　　 
　　触摸屏作为人机界面对话设备，主要进行钻进深度、回转角度的显示、深度设置、时间校对、及实现有关功能切换、按钮、指示、系统调试等功能。共设有：主作业画面、参数设置画面、报警记录画面、系统调试画面。其

三、控制系统主要功能
　　西门子s7-200系列plc是西门子公司为用户解决中小型自动化控制的主力产品。它具有运算速度快、功能齐全、性能可靠、可灵活组合等特点，在全球的中小型自动化控制领域应用非常广泛。以下重点介绍s7-200系列plc在旋挖钻机上的应用。
　　1、双向高速计数信号检测
　　s7-214cpu模块具有多路高速计数输入检测端口，可灵活设计实现多路单向、双向计数信号的检测。在旋挖钻机上应用其双向高速计数功能实现了上车回转角度检测、钻头钻孔深度检测。
　　旋挖钻机上车部分为液压驱动的独立旋转机构。在设计中采用旋转编码器检测其转动角度，通过对编码器a、b两路脉冲信号的检测，plc的双向高速计数输入端可准确计算出旋挖钻机上车的相对角度（0-360o）变化值。
　　同时plc的复位信号输入端检测编码器的c相信号，在上车每次回转至编码器的一固定位置时将高速计数器内变量清零，可消除各种原因造成的计数误差，保证计数的准确性。
　　钻头钻孔深度检测的原理与上车回转角度检测基本相同，但复位信号采用按钮输入，由操作人员根据情况校准钻头深度零位值。在检测运算中计数值为钻头深度变化值。
　　2、左右控制手柄多路按钮信号的检测
　　旋挖钻机的控制主要通过驾驶座椅左右两个控制手柄的多个按钮控制实现，通过对plc的指令编程，可转换实现按钮信号的上升沿、下降沿、延时控制等多种逻辑功能。
　　3、外部传感信号的检测
　　西门子s7-200系列plc输入信号检测采用光耦隔离电流信号检测，可隔离输入信号线上因各种原因引起的非正常电气信号，电流信号检测方式可有效防止外部强干扰对正常信号的检测。同时各输入端输入信号的滤波时间可根据需要分别设置。
　　旋挖钻机各机构动作频繁、控制复杂，在使用中容易因误操作造成设备损坏。在设计中对各机构关键部位均安装了外部传感装置检测其状态，当出现紧急情况时plc将通过外部传感装置信号控制相应机构立即保护动作，保护人身和设备安全。
　　4、实现对液压执行机构的控制
　　西门子s7-200系列plc的继电输出模块可直接控制液压系统的直流电磁线圈，只需在电磁线圈两端并接外部抑制二极管，可较好的保护并延长内部继电器触点的使用寿命。
　　5、与proface 的gp系列液晶触摸屏通讯实现方便、直观的人机界面对话显示。
　　利用214cpu模块上的485通讯接口与proface 的gp系列液晶触摸屏通讯，将plc检测计算的旋挖钻机各参数直观的显示在触摸屏上，同时可直接通过触摸屏实现对液压系统的控制和调试。
   中联重科zr200型旋挖钻机于2005年初试制成功并通过工业考核，目前该产品已批量生产并销至全国各地，得到了用户的全面认可和xinlai，成为我国自主创新的新一代重要桩基设备。