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1、 本科生毕业设计 毕业设计题目 基于labview的10kv箱变的plc监控系统研究 学 生 姓 名 所 在 学 院 专业及班级 指 导 教 师 完 成 日 期 2012年5月30日 基于labview的10kV箱变的PLC监控系统研究摘要电力能源是我们日常生活离不开的重要资源，在我们这样一个人口众多的国家，合理分配电力资源及提高电能质量显得尤为重要，。中国电力工业从1882年有电以来，至今已走过了122年的光辉历史。而在电力领域，电力设备的监控已经成为了或可缺少的一项技术。传统的电能质量参数监测系统多以硬件为核心，功能单一，已经无法满足日益复杂的多参数、实时性的测试要求。近年来，计算机技术、
2、通信技术以及测试测量技术的不断发展推动了虚拟仪器（Virtual Instrument）技术的不断发展。虚拟仪器具有软件功能丰富、硬件结构简单、高度智能化等特点，主要应用于测量、控制和仿真等领域。本论文针对10KV变电柜的三相电流、三相电压、谐波、温度及湿度，利用NI公司的采集卡和labview虚拟仪器技术针对这些量进行了在线监测，并且通过西门子公司的S7-200PLC模块与lavbiew软件的通讯实现了对断路器的远程状态监控。本论文描述中所组建的监控系统具有抗干扰性强及实时性强等优点，在监控领域具有很好的应用前景。关键词：labview PLC 箱式变电站 监控AbstractElectri
3、cal energy is an important resource for our daily life, and in our such a country with a large population, how to rationally allocate electricity resource as well as enhance the quality of power, which is becoming particularly important. Since from 1882, Chinas power industry has operated, it has co
4、me through a glorious history for 122 years. And in the field of electric power, the electric power equipment monitoring has become a indispensable technology. Most traditional power quality parameter monitoring system take hardware as core and only have single function, and thus have been unable to
5、 meet the increasingly complex multi-parameter, real-time testing requirements. Nowadays, with the development of computer technology, communication technology and test measures, virtual instrument technology have been promoted. Virtual instrument has rich software functions, simple hardware structu
6、re as well as high intelligence, and is mainly used in measurement, control and simulation field. This paper is aimed at the 10 KV substation of ark of three-phase, three-phase voltages, three harmonic, temperature and humidity, using the NI companys acquisition card and labview virtual instrument t
7、echnology and online monitoring of these quantities , in addition through the Siemens S7-200 PLC labview module and the software of communication to achieve remote condition monitoring of circuit breakers. In the system this paper describes has the advantage of strong anti-interference and good real
8、-time performance, which with good prospect of application in the monitoring field.Keywords: Labview PLC Box-type substation Monitor目录第一章 绪论1（一）能单一性问题1（二）生产调试率低下问题1（三）开发周期和开发费用问题2第二章 研究课题的概述4（一）箱式变电站的简介4（二）箱变种类及结构4（三）箱变的发展方向5（一） 虚拟仪器技术概述6（二） 虚拟仪器的特点7（三）虚拟仪器的构成7（一）PLC的基本概念8（二）PLC的基本结构8第三章 监控系统的概述10（一
9、）系统总体结构设计10（二）系统硬件结构设计11（三）系统运行流程设计11第四章 硬件系统的配置13（一）S7-200系列PLC的结构特点13（二）PLC的I/O资源配置14（三）PLC系统与断路器端口的连接15（一）电流传感器的选型17（二）电压传感器的选型18（三）温度传感器的选型19（四）湿度传感器的选型20第五章 系统调试及数据显示21（一）PLC的接线方案21（二）传感器的接线方式21（三）采集卡的接线方案22（一）PLC与labview通讯设置23第六章 总结31致谢32第七章 参考文献33第一章 绪论一、 课题的研究背景及其意义在现代社会中，电能作为人们广泛使用的能源，其应用程度
10、是一个国家发展水平和综合国力的主要标志之一。在满足工业生产、社会和人民生活对电能需求量的同时，提高对电能质量的要求是一个国家工业生产发科技水平提高、社会文明程度进步的表现，是信息时代和信息社会发展的必然结果，总之，电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。 从20 世纪80 年代末以来，随着电力供应的紧张局面逐步缓解以及电力电子技术的蓬勃发展给电力系统自动化带来了很大的变革，但同时给电能质量也带来了重大的改变。首先，非线性、冲击性以及不平衡负荷的大量存在对电能质量造成严重污染。诸如半导体整流器、晶闸管调压器、变频调整装置以及家用电器等负荷的迅速发展，致使电网的电压波形发生畸变或引起电压波动、
11、闪变以及三相不平衡，对电网的安全运行带来直接的或潜在的危害。其次，新型设备的应用对电能质量提出了较为苛刻的要求。这类设备的基本特征是带有基于微处理单元的控制器和电力电子器件，他们对各种电磁干扰都极为敏感。配电网的任何干扰都会导致此类负荷工作异常、丢失数据、产品报废。因此深入了解和认识电能质量，高度重视电能质量下降对供用电系统运行的危害与影响，实现全面电能质量管理具有极其重要的社会意义和经济意义。那么如何提高电能质量的新技术就成为近年来电力系统研究领域中新的研究热点，也是信息时代提出的新挑战。而只有对电能质量的各种参数进行实时准确地监测，对监测的结果进行统计分析处理，才能够正确评估电能质量的好坏
12、，及时地找出引起电能质量恶化的原因，从而提出电能质量问题整改的方案，为有关部门采取有效措施隔离或降低电能质量恶化的危害提供决策。因此，利用先进的技术手段，采用精确合理的计算算法，研制功能齐全、性能优良、安装简单、使用方便的电能质量监测系统是很有必要的。目前电能参数监测设备种类繁多，然而常规的电能质量监测设备通常有以下几个方面的缺陷。（一）能单一性问题常规的电能参数监测设备由于受到硬件条件的限制，每一个设备只能实现一个或者少数几个电能质量参数的监测。（二）生产调试率低下问题常规的电力参数监测设备在生产调试过程中，由于不同功能的设备在硬件。材料等方面差别很大，因此调试的工作量大，对调试人员的要求较
13、高，需要掌握不同的硬件原理、器件特性等，因此调试率低下。（三）开发周期和开发费用问题常规的单功能监测设备在开发的过程中，要经过一个硬件设计调试的过程，不同仪器的资源不能互相利用，造成研发成本高，开发周期长。鉴于以上原因，很有必要引入新技术开发出一种全新的电能质量监测装置，能够对电力系统电能质量进行实时准确的监测与分析，基于这种想法，把当前测控领域中最先进的技术虚拟仪器技术引入到电力系统中来。虚拟仪器技术是诞生于上世纪九十年代的新一代测控技术，该技术具有强大的用户自定义功能、开发周期短、实用范围广以及维护升级方便等众多优点，被迅速推广应用到众多行业中，电力行业当然也不例外。传统仪器由信号采集、信
14、号处理和结果表达与仪器控制三部分组成。在传统仪器里，这三部分都是用电子线路来实现的，也就是说都是采用硬件来实现的。随着计算机技术的发展，尤其是数字信号处理技术的进步，实现各种信号处理功能的软件算法精度越来越高，速度越来越快，在仪器的信号处理部分，用软件代替硬件成为可，即用算法代替电子线路，能够实现传统仪器的信号处理功能。同时，结果表达与仪器控制原本就是计算机的“长项”， 这样把传统仪器的后两部分信号处理结果表达与仪器控制用计算机软件来实现，而不再采用硬件电子线路来实现，基于这种思想形成的仪器就叫虚拟仪器。二、 国内外研究概况为了能系统地了解、熟悉和研究电能质量的问题，并能在工作中对电能质量反映
15、的问题或测量结果进行分析和判断，找出引起电能质量问题的根本原因以便采取针对性的解决办法，将电能质量现象进行科学的合理的分类是非常重要的。国际上，IEEE 第22 界标准协调委员会和其它国际委员会最新采用十一种指标来衡量电能质量，大致可以分为两大类：电压幅值（断电、电压下跌、电压上冲、瞬时脉冲、电压波动和闪变、电压切痕、过电压、欠电压）和电压波形（谐波、间谐波、频率偏差）在我国，参考国际电工委会（IEC） EMC 61000 系列标准和国际电气与电子工程师协会（IEEE） Std标准并结合本国的实际情况，自1990 年，以来相继发布了六项电能质量国家标准，分别为：GB12325-1990 电能质
16、量供点电压允许偏差GB/T 14549-1993 电能质量公用电网谐波GB/T15543-1995 电能质量三相电压允许不平衡度GB/T15945-1995 电能质量电力系统频率允许偏差GB12326-2000 电能质量电压波动和闪变GB/T 18481-2001 电能质量暂时过电压和瞬态过电压，其中前五项属于稳态电能质量标准而最后一项是暂态电能质量标准，这些电能质量标准分别从发电、供电和用电端对电能质量提出了要求。三、 本文主要研究工作本论文首先对电能质量问题的定义和分类作了论述，将电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变电力谐波及三相电压电流不平衡度作为主要的研究指标，对其测试算法进行了深入分析
17、学习。然后以NI 公司M 系列数据采集DAQ 卡PCI-6221 为核心，结合相应传感器，完成系统硬件设计；由于“软件就是仪器”是虚拟仪器的主要特点，所以论文重点讨论了基于Labview 平台开发的可对上述电能质量指标进行监测的功能模块。同时本论文讲设计实现通过labview构建的虚拟平台监控断路器的动作及当前状态。实现安全的实时的监控。1. 简要介绍对电能质量进行研究的目的与意义回顾电能质量问题研究的发展概况说明对电能质量进行监测的必要性指出电能质量监测装置的研究现状与所存在的问题并提出了研制基于虚拟仪器的电能质量监测系统的优势与可行性2.通过对基于虚拟仪器监测系统的简要分析提出了本课题所要
18、研究系统的总体方案与结构进行监测系统的硬件设计包括对传感装置数据采集设备等元件的选型与配置等3.进行测试系统的软件设计。主要介绍了箱变的结构组成以及基LabVIEW的测试系统的软件结构和实现方法。通过硬件与软件的配合，研制基于虚拟仪器的电能质量监测系统。4. 通过实验测试与结果分析验证和总结系统的总体性能特点。第二章 研究课题的概述一、 10kv箱变的介绍（一）箱式变电站的简介箱式变电站简称箱变，又称组合变电站，是一种集高低压开关设备、变压器于一体的户外变配电成套设备。此种产品有两种典型的形态，一种为“欧式”，一种为“美式”。“欧式箱变”在我国较为普遍。因这种产品技术我国早在20 世纪70 年
19、代末就已从西欧引进，故称“欧式箱变“，并于1989 年针对此类产品国家颁布了专业标准，即ZBK40001 - 89组合式变电站。原电力部于1993 年正式提出“箱式变电站”的术语，并颁布了行业标准DL / T537 - 93箱式变电站定货技术条件。“欧式箱变”的最大特点是“组合”，即将变压器、高低压开关柜、分高压室、变压器室、低压室组合在一个外壳之中，主回路采用电缆和母排联接，一个箱变内可放置一台或多台变压器，产品尺寸变化较大，用户可对高低压元件、柜型、变压器型号作自由选择。“美式箱变”是最近几年才进入我国的，是美国大量应用的产品（已占配电变压器的90 %）。在美国叫“自保护变压器”（也叫带底
20、座和间隔的变压器）。因产品技术发源于美国，故称为“美式箱变”。“美式箱变”最大特点为一体化，高压元件、变压器均置于变压器油箱之中，低压配置也极为简单，由于这种产品体积小、价格低，比较适合我国市场，故在我国推广较快，已有取代“欧式箱变”的趋势。ITC 委员会对箱变类产品，于1995 年才正式出版了针对性的标准，即IEC1330 - 95高压/ 低压预装式变电站。我国于1998 年由西高所等效采用了此标准，并颁布了国家标准GB / T17467 - 1999高压/ 低压预装式变电站egv IEC1330 - 95。箱变产品多用于电缆工程，在城市住宅小区内最为常用，一些办公楼宇、厂矿均可采用。（二）
21、箱变种类及结构箱变有多种分类方法。按产品结构可分为组合式变电站（欧式箱变）、预装式变电站（美式箱变）；按安装场所可分为户内、户外式箱变；按高压主接线方式可分为终端接线、双电源接线和环网线式箱变；按箱体结构可分为整体、分体式箱变。1 .组合式变电站组合式变电站是将高压开关设备、配电变压器和低压配电装置3 个不同的隔室通过电缆或母线来实现的电气连接，所用高低压配电装置及变压器均为常规的定型产品。1.布局。组合式变电站的高压室、变压器室和低压室可按目字型或品字型布局。目字型布局与品字型布局相比，目字型接线较为方便，故大都采用目字型布局。2.高压接线方式。组合式变电站有许多种高压接线方式，常用的有终端
22、、双电源、环网等接线方式，如图2 所示。在高压回路中，通常采用负荷开关与限流熔断器组合的保护方式，负荷开关通常采用真空断路器或SF6 断路器，额定电流为630 A，动、热稳定电流分别为50 kA 和20 kA。3.变压器连结方式。通常采用常规的、连接组为Y，yn 0 ( y / y 0 ) 的三相三柱式油浸式或干式变压器。近年来，根据市场的需求，亦有采用D，yn11 连接组的产品，但铁芯结构仍为三相三柱式。4.低压接线方式。低压接线方式非常繁多，出线保护多采用空气开关或刀熔开关，回路最多可达20 路，具有无功补偿和多路计量功能。目前根据市场需求，亦有安装低压电源自动转换开关的产品，可确保重要用
23、户的供电可靠性。2.预装式变电站预装式变电站（美式箱变）是将变压器器身、高压负荷开关、熔断器及高低压连线置于一个共同的封闭油箱内的电气连接，用变压器油作为带电部分相间及对地的绝缘介质是一种结构紧凑、体积小、经济实用的新型配电设备。由于采用了全绝缘的高压进出线端子和电缆附件，使高压间隔内没有任何裸露的带电部分，具有安全可靠的运行特点，同时，预装式箱变具有齐全的运行检视仪器仪表，如压力计、压力释放阀、油位计、油温表等。由于采用普通油和难燃油作为绝缘介质，使之既可用于户外，又可用于户内，适用于住宅小区，工矿企业及各种公共场所，如机场、车站、码头、港口、高速公路、地铁等，有着非常好的发展前景。（三）箱
24、变的发展方向在美国，箱变的使用量已达配电变压器的90 % ，西欧地区也达到了70 % 80 %，我国目前这一比例在15 % 左右，差距是相当大的，同时也反映了箱变产品存在着差距较大的市场空间，故箱变的发展，必然呈多元化形式。1农网专用配电箱变的开发目前, 箱变主要应用于城市配电网, 农网应用极少。大概因为经济因素及供电要求的差距,“美式箱变”在美国得到普及, 与其经济发达有本质的联系。但是，如开发出一种农网专用配电箱变，功能较现行台变有所提高，造价相当，一定会有大量市场的。因为箱变产品安全性、维护量、外形等均比台变有明显优势。随着箱变产业的不断发展，各厂家一定会在此方面积极开发和探索，这种系列
25、的产品也会相应而出。目前，35 kV / 10kV 农村无人值守变电所，已有相应的箱变产品可取代，且这种高压箱变用量呈上升趋势，就充分说明了这一点。尤其需要指出的是，这种箱变更适合专用生产线来生产，随着产销量的增加，成本也一定会达到合理程度，这也为此种产品的普及提供了保证。这种产品因市场面大，而会成为箱变产品中用量较火的一个体系。2.城网普通型箱变系列这类产品主要用于城网中一般的供电情况，箱变本身要求小型、节能、免维护、供电方案也比较简单。现行的“美式箱变”是比较适合这种供电要求的。纵观全国各城网的形势，这类产品需求可达到整体城网用箱变的70 % 80 % ，是城网箱变中的主要类型。今后的几年
26、内，国内一定会形成几家年产量5 000 台以上的大规模专业生产企业，并能够使产品价格下降50 % 左右。这类产品今后技术方面攻关的重点在产品的标准化设计，模数化组装，以及免维护方面的研究和高压装置整体性能的提高，也需要在电网各设备的配合上作深入研究。3.特殊型箱变由于各地配网发展状况不一，必然产生一些特殊的供电要求，但这些要求并不可能短期内在全国大范围普及，如智能型箱变，具有较高环网功能的箱变，取代大型变电所的综合大型箱变等。这些产品目前市场上也有相应的产品与之配套，但均未形成格局，市场之中也无专业品牌。在今后的几年中，必然会产生一些以生产特殊型箱变为主的在行业中品牌较高的企业，虽然这类产品市
27、场占有率不高，但由于科技含量及产品特殊性，单位价格相对其他产品要高，附加值也较大。这类产品会从现在“美式箱变”、“欧式箱变”，衍生而来，并结合两种产品的优势，也就是讲，谁结合得好，谁就能够适应市场的要求。二、 虚拟仪器及labview概述（一） 虚拟仪器技术概述现代科学技术的进步以计算机技术的进步为代表，不断更新的计算机技术从各个层面上影响、引导着各行各业的技术更新。基于计算机技术的虚拟仪器以不可逆转的力量推动着测控技术的革命。虚拟仪器系统的概念不仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造，同时也推动了以数据采集为主的测试系统构造方法的进化。过去独立分、散互不相干的许多领域。在虚拟仪器概念影响下，正
28、在逐渐靠拢、相互影响，并形成新的技术方法和技术规范。虚拟仪器技术能充分利用计算机独具的运存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，将传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机融为一体。构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用计算机智能资源的全新仪器系。统应用虑拟仪器技术，可以用较少的资金、较少的系统开发和维护费用，用比过去更少的时间开发出功能更强，质量更可靠的产品和系统。（二） 虚拟仪器的特点虚拟仪器以计算机硬件支撑，充分利用计算机的运算、存储、调用、显示及管理等功能，同时，又充分享用了计算机网络互联等资源，具有以下几个特点：1 功能强大。虚拟仪器技术是在PC
29、技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了PC技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O ，在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析等功能。2性价比高。虚拟仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，性能的改进和功能的扩展也只需要进行相关的软件设计更新，不需要购买新的仪器，因此大大降低了成本，缩短了开发周期，同时又可以实现多样化的测量功能。3扩展方便。虚拟仪器软件平台为所有的I/O 设备提供了接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。4 具有开放互联的能力。可以轻松将虚拟仪器和其他仪器互联，也可以接入网络，借助OLE， DDE 技术与企业内部网Intranet
30、 联接，与外界进行通信，将虚拟仪器实时测量的数据输送到Internet ，实现对现场生产的监控和管理。（三）虚拟仪器的构成所谓虚拟仪器就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由软件实现的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标点击虚拟面板，就可以操作这台计算机系统硬件平台，如同使用一台专用测量仪器。虚拟仪器由计算机，硬件接口模块和虚拟仪器软件构成。虚拟仪器的硬件平台由通用计算机和I/O 接口设备两部分组成。计算机是硬件接口模块和虚拟仪器软件相结合的核心。硬件接口模块包括插入式数据采集卡DAQ、 IEEE488 接口GPIBP 卡、VXI 控制器以及PXI 控制器。虚
31、拟仪器通过配置这些具有数字接口的测试仪器，来完成被测输入信号的采集、放大、模数转换以及输出信号的数模转换等功能。因此根据需要选择正确的硬件能使系统性能发挥最优。硬件接口模块解决的是信号的输入输出问题，虚拟仪器软件才是整个系统的关键。虚拟仪器应用软件集成了仪器的采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件可被计算机软件所代替，因此有“软件就是仪器”之说。I/O 接口设备主要完成信号的采放模/数转换等、根据I/O 接口设备总线类型的不同。虚拟仪器可分为五类：PCI 总线虚拟仪器、GPIB IEEE488.2 总线虚拟仪器、VXI总线虚拟仪器、PXI 总线虚拟仪器、串口总线虚
32、拟仪器。三、可编程序控制器（PLC）概述（一）PLC的基本概念可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC。它是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。（二）PLC的基本结构可编程序控制器（PLC）结构主要由重要处理器（CPU）、存储器（RAM和ROM）、输入/输出模块、电源及附属端口电路组成。输入端口连接一些指令原件（按钮或者开关）和现场检测元件（各种传感器），输出端口连
33、接一些执行器件（接触器、电磁、指示灯），控制和驱动负载工作。系统编译，以前还需要手持编程器，现在的PLC系统结构基本不采用了，程序编写采用安装编程软件的计算机来取代。手持编程器只能通过指令表编程，不能输入和编辑梯形图，编程方式比较麻烦，加之很多PLC生产厂家都推出了编程简单、使用方便的软件，所以目前PLC系统程序在编辑时，都采用计算机编程。下图2-1是PLC控制系统示意图。图 2-1 PLC控制系统示意图第三章 监控系统的概述一、 系统的总体设计本文中，基于虚拟仪器的电能质量监测系统具备传统监测系统中的数据采集模块和结果显示分析模块。数据采集模块还是由传统的采集硬件来完成，不同的是数据显示及分
34、析处理模块完全由计算机软件实现，这部分功能不受硬件限制，可以根据用户的需求随时增加修改模块，这一优势是传统仪器所无法比拟的。（一）系统总体结构设计对于基于虚拟仪器的电能质量监测系统来说，软件部分是核心，只要硬件部分将监测点的电压和电流信号经传感器和数据采集卡以最小失真度转换成数字信号，其余的任务如滤波，数据处理和统计分析等功能完全交给软件来处理。总体来说，基于虚拟仪器思想所建立的电能质量监测系统由两大部分组成：硬件部分和软件部分将硬件部分和软件部分综合起来，基于虚拟仪器的电能质量监测装置总体硬件结构如图3-1图 3-1 系统结构框图（二）系统硬件结构设计本系统采用了虚拟仪器技术，该技术的核心是
35、使用软件代替传统监测系统中关于数据分析、处理的硬件模块。这并不代表系统不需要硬件的支持，软件毕竟是要建立在硬件基础之上的。本系统的硬件部分的基本任务就是采集、隔离和变换，由DAQ 板把变换后的模拟信号转换成数字信号，形成计算机能够处理的数据。根据硬件测量的基本任务硬件结构如图3-2 所示图3-2 系统硬件结构图（三）系统运行流程设计根据以上的系统框图和硬件结构图，可以分析出系统在运行过程中，主要涉及到两块，一块是通过采集卡进行数据采集，另一块是检测断路器的状态。而采集数据只需要设定好合适的采样频率，对需要的数据进行适当的采样即可。因此我们设计出系统运行流程图如下图3-3所示。图 3-3 系统运
36、行流程图二、 本监控系统的优点本监控系统采用的是虚拟仪器labview，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，它把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。它的功能十分强大，实现远程控制及实验，同时具有对数据的全面分析功能。更重要的是，图形化的编程模式，为我们在进行系统设计的时候节省了大量的仪器调试时间，同时使得使用者能够更加轻松地使用和掌握，并且为构建系统节约了成本。本系统采用了西门子公司的S7-200型的PLC系统，它是该公司极具性价比的一款PLC，它适用于各行各业，各种场合中的
37、检测、监测及控制的自动化。在本系统中，由于检测对象是高压变电柜，其中存在很强的干扰信号，使用该型号的PLC系统可以大大增强监测的可靠性、稳定性和抗干扰性。第四章 硬件系统的配置一、编程控制器（PLC）型号的选择在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。在PLC品牌选择方面，主要根据电气控制系统的功能要求，考虑系统的市场认可度、工作稳定性、可靠性以及出色的性价比，本课题选择西门子S7系列PLC作为供水电气控制系统的主机。虽然Rockwell和ABB等系列PLC软硬件都很出色，控制功能都很强大，但是其高昂的
38、价格不适合作为本控制系统的主机，日本三菱、松下、欧姆龙系列PLC虽然价格比较便宜，不过稳定性要比西门子S7系列超差。另外由于系统电气控制电路的输入/输入端口数量较少，本控制系统选择小型PLC端口数量即能满足要求。因此采用CPU224的作为该控制系统的主机。在该控制系统中，还需要采集传感器的模拟信号，因此需要再扩展一个模拟量输入/输出扩展模块。西门子公司专门为S7-200系列PLC配置了模拟量输入/输出模块EM235，该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力，可满足控制系统的功能要求。（一）S7-200系列PLC的结构特点1.S7-200系列PLC机械结构特点：（1）它的塑料外壳既紧凑又坚固。
39、（2）易于接线和操作方便，在接线端前有面罩保护。（3）PLC上设计有专用的DIN导轨安装机构和安装孔，可以垂直方向或者水平方向安装在标准的DIN导轨上或者直接安装在控制柜底板上。（4）备有专门的接线端子排可供用户选择。2. S7-200系列PLC在电气结构特点：（1）在电气上符合VDE、CSA和ISO9001中有关安全方面的标准。（2）在CPU中配有EEPROM，可永久性地存储用户程序和其他重要的系统参数。（3）内置可直接与负载相连的直流24V驱动电源，输出电流可达180mA或更高，可作为负载电源使用。（4）为适合不同的应用场合，每种CPU都用不同的电源。（5）机上带有输入输出点。CPU221
40、具有6个输入点和4个输出点，CPU212和CPU222具有8个输入点和6个输出点，CPU214和CPU215及CPU224具有14个输入点和10个输出点，CPU216和CPU226CN具有24个输入点和16个输出点。（6）可以快速地响应中断请求信号。S7-200的CPU可以极快的速度响应中断请求信号的上升沿或下降沿。（7）机内配有高速计数器，以适应机外高速信号的计数要求。其中CPU212配有一个计数频率最高可达2kHZ的高速计数器，CPU214、CPU215和CPU216分别配有2个独立的计数频率最高可达7kHZ的高速计数器，CPU221和CPU222分别配有4个独立的计数频率最高可达30kH
41、Z的高速计数器，CPU224和CPU226CN分别配有6个独立的技术频率可高达30kHZ的高速计数器。（8）为系统备有专门的数字拓展模块（EM），可以方便地对系统的输入和输出点进行拓展。备有专门的仿真器，以便用户在现场输入，调试，仿真程序。（9）EEPROM子模块，可做为修改和拷贝程序的快速工具（无需编程器）；电池卡用于长时间数据后背，用户数据（如标志位状态、数据块、定时器、计数器）可通过内部的超级电容存储大约五天，选用电池卡能延长存储时间到200天。（10）大多数CPU具有脉冲输出，实时时钟及通信功能。（二）PLC的I/O资源配置通过以上型号分析，并根据对断路器的控制功能要求，对PLC的I/
42、O进行配置，此系统的控制信号，所需的输入量基本上都属于数字量，包括各种功能的按钮，在此系统中，输出控制设备主要是信号灯。故，系统的数字量I/O具体分配如下表4-1所示。输入信号地址输入设备输出信号地址输出设备I0.0手动分闸信号Q0.0手动分闸指示灯I0.1自动分闸信号Q0.1自动分闸指示灯I0.2手动合闸信号Q0.2手动合闸指示灯I0.3自动合闸信号Q0.3自动合闸指示灯I0.4报警复位信号Q0.4自动分和闸报警表 4-1 PLCI/O分配表（三）PLC系统与断路器端口的连接根据控制系统的功能要求，结合表4-1所示的I/O分配情况，设计出PLC控制系统与端口元件的连线图，如下图4-3所示。图
43、 4-1 PLC端口连接图二、 数据采集卡的选型本系统是基于虚拟仪器技术的，因此硬件设备主要是由计算机和数据采集卡组成，在国内仪器精度和速度还不够高的情况下，我们选择了NI 公司的高精度M 系列多功能DAQPCI-6221 作为数据采集设备。PCI 总线的英文全称为Peripheral Component Interconnect Special Interest Group ，简称PCISIG， 即外部设备互连。PCI 总线是一种即插即用（PnP Plug-and-Play） 的总线标准，支持全面的自动配置，PCI 总线支持8 位、16 位、32 位、64 位数据宽度，采用地址/数据总线复用
44、方式，总线工作频率最高可达66MHz， 因此PCI 总线最大峰值传输率为668=528MB/s 。其主要特点：1.突发传输；2.同步总线操作；3.多总线主控方式；4.不受处理器限制；5.适合多种机型；6.兼容性强；7.预留了发展空间；8.自动配置功能；9.编码总线命令；10.地址/数据总线复用；11.总线错误监视；12.高性能价格比；由于PCI 总线具有高性能和低成本的特点，并且在大部分的新型PC 主板上已不再提供EISA/ISA 接口，所以基于PCI 总线的测控产品已成为一种必然趋势。基于PCI 总线的数据采集和处理系统一方面可以充分利用PCI 总线的高速和即插即用的特性，另一方面也是技术发
45、展的要求。PCI 总线由于具有以上优点而得到了广泛的应用，已成为PC 工业的事实基准。由于A/D转换技术、仪器放大器、抗混叠滤波器以及信号调理技术的进一步发展，插入式DAQ， 已成为最具吸引力的VI 选件之一。本系统利用美国国家仪器公司NI 生产的M 系列PCI-6221 高精度数据采集卡实现外部数据的采集，NI 公司的M 系列DAQ 设备有26 个DMA 通道，它可以采集模拟信号、数字信号，拥有定时器的功能，同时还具有模拟输出的功能，该数据采集卡具有高性能的数据采集与控制功能。下面具体介绍一下PCI-6221 设备的性能指标：1 总线类型：PCI；2 实时性能：强健性临界测试，确定性单端控制
46、；3 触发：数字；4 16个模拟输入道，16个单端输入通道，8个差分输入通道。每通道每秒最高采样率；为250kS/s ，分辨率16bit ，最大量程-10V10V；5 2个模拟输出通道，分辨率为16bit 更新率为833kS/s， 最大量程-10V10V；6 24个数字I/0 通道，定时硬件10MHz 逻辑电平TTL， 最大输入范围0V5V，最大输出范围0V5V ，输入电流为源电流、漏电流，输出电流为源电流、漏电流、可编程输入滤波器，输出电流24mA/448mA；7 2个32bit 计数器，最大信号源频率为80MHz； 最大量程0V5V；8 2个DMA通道，过载保护电压25V， 过载电流20m
47、A。三、传感器的选型（一）电流传感器的选型电流传感器我们选择柏艾斯公司型号为HZID-C31-500P15O5的传感器，其中低压侧额定测量电流为500A，额定输出为5V，供电电源为15V。高压侧的电流传感器额定测量电流为1000A，额定输出为4V，供电电源为15V。这个系列电流传感器是一种利用霍尔效应、开环测量原理将被测电流转换成跟随输出的电压信号的测量模块，原副边之间高度绝缘。具有高精确度、高线性度、高集成度、体积小结构简单、长期工作稳定且适应各种工作环境的特点。广泛地应用在电力、石油、煤矿、化工、铁路、通信、楼宇自控等行业的电气设备的系统控制及检测。它具有以下优点：1. 直流、交流、混合电流均可测量；2. 过载能力强；3. 反应速度快；4. 高线性度；5. 盘式安装；6. 袁福边高度绝缘；7. 穿孔开口式，维护方便。它的电参数如下表4-2所示:参数参数值（高压侧传
