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西门子S7-200 PLC在直流电源监控器中的应用

1 引言

　　直流电源设备是电力系统不可缺少的辅机设备。供给断路器分合闸用电，后备电池充电以及二次回路的仪器仪表等低压设备用电都采用直流电源。目前国内发电厂及变电站使用的直流电源设备已广泛采用高频整流模块为功率单元，为了对整个直流系统进行合理的实时监控、管理，本文设计了一种基于西门子s7-200plc［1］的高频直流监控器。其功能主要是实时采集直流系统的电压、电流及供电支路的开关状态等运行参数，并对数据进行分析处理，判断直流系统的运行工况，并根据pid控制理论进行实时运行控制和故障处理，并对蓄电池进行在线监测，为电力综合自动化控制系统提供安全、稳定、可靠的直流电源。

2 系统硬件组成及工作原理

　　系统硬件组成原理框图如图1所示。系统主要由高频直流监控器（以下简称监控器）、模拟量采样板、高频整流模块等组成。其中监控器是整个系统的核心部分，主要由西门子s7-216cpu配以em-235模拟量模块、中国台湾人机电子mt-510t触摸屏等组成。

　　系统交流供电采用两路三相三线制方式实现主备用供电电源的自动切换，经过交流配电输入单元供电给智能高频整流模块，智能高频整流模块按监控器控制方式输出所需的直流电压供合闸母线、控制母线、蓄电池充电用。监控器通过plc各开关量输入通道采集各模块报警量输入、各馈线开关量输入、各熔断器信号输入等开入量；通过模拟量采样板将模块采集交流输入电压、直流输出电压、合母电压、蓄电池电压、输出电流、控母电流、合母电流、充电电流等模拟转化为0-5vdc电压量或4-20ma电流量由em-235模块12位a/d通道采样；通过程序内部数据处理，按照程序设定的控制曲线，利用比例微分积分pid（proportionalintegraldifferential）控制算法［2］，产生调节量，由em-235模拟量输出口产生0-10vdc电压量，控制高频整流模块的输出电流、电压，实现闭环控制。

　　监控器采集现场各种运行参数，系统故障时发报警信息；系统事故时保护动作，保护充电设备和电池安全。触摸屏是整个监控器的人机接口部分，通过rs485与plc通讯，显示直流系统的各种信息，如系统直流电压、电流参数，系统状态信息、故障信息、系统设置参数等，并可设置系统各参数，控制监控器的运行状态。可通过rs485通信接口与上位计算机及智能通讯设备通讯，以实现“四遥”功能［3］。

3 程序设计

　　3.1 程序流程图设计

　　plc终端软件采用stl语言编写，程序设计采用模块化，功能化结构，便于维护、扩展。为提高终端的抗干扰能力，软件控制中采用了数字滤波、故障自检、控制口令等措施，保证控制操作的正确性和可靠性。装置plc主要程序流程如图2所示，主要由初始化程序、数据采集处理子程序、时钟处理子程序、充电转换子程序、故障报警及保护子程序、交流中断子程序、pid调节计算子程序、硅链投切控制子程序等组成。

　　主程序始终处于循环运行状态，其中初始化程序主要完成系统的初始化，设定各寄存器、计数器、plc工作模式、定时器中断、通讯方式等参数初始值等。然后不断调用模拟量采集及处理子程序对系统数据进行实时采集；调用充电程序运行方式子程序决定监控器的运行方式；调用故障报警及保护子程序判断故障报警及保护继电器输出；调用时钟处理子程序对蓄电池充电程序各种运行时间累计；调用交流电中断子程序保证系统在交流中断后自动恢复；调用硅链投切子程序根据系统设置的控母电压定值对硅链进行自动投切控制；调用通讯子程序（中断方式）实现与上位机监控系统及其它智能设备通讯。

西门子S7-200PLC的RS-485通信接口简介及故障解析

4 解决方法

　　4.1 从plc内部考虑

　　（1）采用隔离的dc/dc将24v电源和5v电源隔离，我们分析了三菱、欧姆龙、施耐德plc以及西门子的profibus接口均是如此

　　（2）选用带静电保护、过热保护、输入失效保护等保护措施完善的高挡次rs-485芯片，如：sn65hvd1176d、max3468esa等，这些芯片价格一般在十几元至几十元，而sn75176的价格仅为1.5元。

　　（3）采用响应速度更快、承受瞬态功率更大的新型保护器件tvs或bl浪涌吸收器，如p6ke6.8ca的钳制电压为6.8v，承受瞬态功率为500w，bl器件则可抗击4000a以上大电流冲击。若使用不带故障保护的芯片，如sn75176，可在软件上作一些处理，从而避免通信异常。即在进入正常的数据通信之前，由主机预先将总线驱动为大于+200mv，并保持一段时间，使所有节点的接收器产生高电平输出。这样，在发出有效数据时，所有接收器能够正确地接收到起始位，进而接收到完整的数据。

　　（4）r1和r2采用正温度系数的自恢复保险ptc，如jk60-010，正常情况下的电阻值为5欧，并不影响正常通信，当受到浪涌冲击时，大电流流过ptc和保护器件tvs（或bl），ptc的电阻值将骤然增大，使浪涌电流迅速减小。

　　4.2 从plc外部考虑

　　（1）使用隔离的pc/ppi电缆，尽量不用廉价的非隔离电缆（特别是在工业现场）。西门子公司早期出产的pc/ppi电缆（6es7901-3bf00-0xa0）是不隔离的，现在也改成隔离的电缆了。

　　（2）plc的rs-485口联网时采用隔离的总线连接器，如pfb-g，速率为0～1.5mbps自动适应，外形和使用方法与西门子非隔离的总线连接相同。

　　（3）与plc联网的第三方设备，如变频器、触摸屏等的rs-485口均使用rs-485隔离器bh-485g进行隔离，这样各rs-485节点之间就无“电”的联系，也无地线环流产生，即使某个节点损坏也不会连带其它节点损坏。

　　（4）良好的接地是工控系统安全可靠运行的重要条件，对于工业通信网络更是如此。在工业通信网络中，至少有三种分开的地线，通过一点接地。第一条是低电平电路地线（即信号地线），包括数字地、模拟地、信号地和直流地等；第二条是噪声地线，即继电器、电动机、高功率电路的地线；第三条是机壳接地点，机械外壳、机身、机架、地盘使用，此地线应该和交流电源的地线相接。交流电源地线应和保护地线相连，以达到避免因公告地线各点点位不均所产生的干扰。rs-485通信线采用profibus总线专用屏蔽电缆，保证屏蔽层接到每台设备的外壳并Zui后接大地。

　　（5）对于有架空线的系统，总线上设置专门的防雷击设施。

5 结束语

　　rs-485通信是工业网络通信的重要组成部分，其网络、接口故障是广大工程技术人员经常遇到的问题，也是影响工控系统稳定运行的主要问题之一。处理好这一问题，保证通信系统的稳定、可靠运行，将打打提高工厂自动化的效率。本文的粗浅讨论希望能给工程技术人员在处理实际问题以一定的帮助。