基于S7-300 PLC的中压直流负载控制系统设计.pdf

动控制系统与装置 皇 竺 竺 兰 兰竺 Au to ma t ic Co n t r o I S y s t e ms＆ Eq u i p me n 基 于 S 7 3 0 0 P L C的中压 直流负载控制 系统设计 俞希学 ，关磊 ，吴帆 ，朱茜 1 ． 中船重工第 7 0 3所无锡分部 。 江苏 无锡2 1 4 1 5 1 ； 2 ． 天津 电力设计院 。 天津3 0 0 4 0 0 摘要为了更加高效、 安全对中压直流负载进行控制， 设计了基于 s 7 3 0 0 P L C的中压直流负载控制系统。介绍 了系统的工作原理 ， 给出了控制系统方案及软硬件结构的设计思路。通过 s 7 3 0 0 P L C的程序设计， 实现了对中压直流负载的功率控制。并利用 P c控制台上基于L a b V I E W的人机界面， 完成了对负载功率的操作， 并实现了相关参数的显示、 计算及存储。代替了传统的电 气控制系统， 具有系统稳定、 操作简单、 显示准确的特点， 使其具有很好的应用价值。 关键词中压直流负载； 控制系统； s 7 3 0 0 P L C； L a b V I E w； s 7通信； 功率控制 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j i s s n ． 1 0 0 0 3 8 8 6 ． 2 0 1 3 ． 0 6 ． 0 2 9 [ 中图分类号]T P 2 7 2 [ 文献标志码]A[ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 3 0 6 0 0 7 9 0 3 De s ig n o f a Me d i u m Vo lt a g e DC L o a d Co n t r o l Sy s t e m Ba s e d o n S 7 - 3 0 0 PL C Y U X i ． x u e ， G U A N L e i ， WU F a n ， Z h u O i a n 1 ． D i v i s i o n o f N o ． 7 0 3 R e s e a r c h I n s t i t u t e of C S I C， Wu x i J i a n g s u 2 1 4 1 5 1 ， C h i n a ； 2 ． T i a n j i n E l e c t r i c P o w e r D e s i g n I nst i t u t e ， T i a n fi n 3 0 0 4 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T o a c h i e v e mo r e e f f e c t i v e a n d s a f e c o n t r o l o f me d i u m v o l t a g e DC l o a d， a c o n t r o l s y s t e m o f me d i u m v o l t a g e DC l o a d i s d e s i g n e d b a s e d o n 7 - 3 0 0 P L C． T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f t h e s y s t e m a n d d i s c l o s e s t h e s c h e me o f t h e c o n t r o l s y s t e m a n d t h e d e s i g n t h o u g h t o f s o f t wa r e a n d h a r d w a r e s t r u c t u r e s ．T h e s 7 3 0 0 P L C p r o g r a mmi n g a c c o mp l i s h e s t h e p o we r c o n t r o l o f me d i u m v o l t a g e DC l o a d s ． T hr o u g h t h e L ab VI EW b a s e d ma n- ma c h i n e i nt e r f a c e o n t he P C c o n t r o l p a n e l ， t he o pe r a t i o n o f t h e l o a d po we r i s c o mp l e t e d，a n d d i s p l a y ，c o mp u t a t i o n a n d s t o r a g e o f r e l a t e d p a r a me t e r s a r e r e a l i z e d ．Re p l a c i n g t r a d i t i o n a l e l e c t r i c a l c o n t r o l s y s t e m， t h i s c o n t r o l s y s t e m i s c h a r a c t e r i z e d b y s t a b i l i t y，s i mp l e o p e r a t i o n a n d a c c u r a t e d i s p l a y a n d t h e r e f o r e h a s a h i【g h v alu e o f a p p l i c a t i o n ． Ke ywo r ds me di u m v ol t a g e DC l o a d；c o n t r o l s y s t e m；S 7 3 00 PLC；La b VI EW ；S7 c o mmu n i c a t i o n；p o we r c o n t r o l O 引 言 近年来 ， 随着高压电、 大功率变流器等技术的发展， 直流电被 广泛的应用在长距离输电中， 大功率的中压直流发电技术也得到 很快的推广。为了对大功率 中压直流电源进行质量和安全方面 的检测 ， 需要利用配套的中压直流负载。本文所设计的基于 S 7 3 0 0 P L C的中压直流负载控制系统取代传统 的继电器控制技 术 ， 实现对负载的远程控制。该控制系统不仅可以对负载的功率 进行控制 ， 还可以对各种电参数进行检测和数据存储， 同时还提 供了故障点的报警信号， 保证中压直流负载在运行过程中的稳定 及安全 。 1 系统的结构和工作原理 中压直流负载控制系 统的结 构 示 意 图 如 图 1 所示 o P C控制 台 的 P C机 通 过工业以太网， 与 s 7 3 0 0 P L C进行通信。利用 P L C 强大的输入 、 输出功能 ， 运 图1 中压直流负载的系统结构图 用由 L a b V I E w编制的上位 P c机人机界面， 实现对负载箱 的远 程控制和负载箱相关参数的显示 、 存储⋯。 收稿 日期 2 0 1 30 5 2 0 同时， P C控制台上有两个应急按钮开关， 通过控制电缆线直 接连接到 P L C的输入端， 作为上位 P c机人机界面的后备。确保 人机界面在突然失灵的情况下， P c控制台依然可以对负载回路 进行远程的功率控制。 1 ． 1 中压直流负载的基本组成 中压直流负载主要由集装箱、 干式电阻器、 直流接触器、 熔断 器等组成 ， 所有这些设备均安装在一个集装箱 内。在本系统中， 直流负载的容量为2 8 0 0 k W， 额定电压 D C 4 0 0 0 V， 额定电流7 0 0 A。在负载箱中设有 1 3 个负载回路 负载回路 由干式电阻器、 直 流接触器、 熔断器构成 ， 分别为 3 0 0 k W 负载回路 7路， 1 5 0 k W 负载回路 4路， 7 5 k W、 3 8 k W 负载回路各 1 路。在负载箱中， 1 3 个负载回路分别通过对应直流接触器的分闸、 合闸， 选择性的投 入到中压直流电源的回路中， 实现中压直流负载箱负载功率的控 制 ， 从而满足中压直流电源对负载的功率要求。 在负载集装箱中， 每一个负载回路都对应一组风机， 利用风 机的风量将干式电阻器上产生的焦耳热散发出去 ， 从而保证电阻 器能够在额定的温度之下进行正常的工作。负载箱 内的 P L C控 制系统采集了风机的运行状态量、 风道的风压指示量和风道的温 度以及负载的电流、 电压等参数， 从而实现对每组回路的实时监 测， 保证负载箱安全、 稳定地运行。 1 ． 2 控制系统的基本原理 中压直流负载控制系统结构如图2 所示。P L C控制器的输出控 制负载回路中直流接触器的合闸、 分闸。同时， P L C控制器的输入连 电气 自动化 2 0 1 3年第 3 5卷 第 6期 自动控制系统与装置一 Au t o ma t ic CE n t r E f S y s t e ms＆ E q u ip me n t s 接开关量 如开关、 触点等 及模拟 量 如传感器等 。 在 正 常 状 态 下 ， P c控 制 台 的 P C机借 助 于 L a b V I E W 的 人 机 界 面 ， 通 过 工业 以太 网， 向 P L C发出接 图2 控制系统的结构图 触器的合闸、 分闸命令。P L C接收到 P c机发出的合闸、 分闸命令 后 ， 完成接触器的合闸、 分闸， 从而实现 P c控制台对负载功率的 控制。同时 L a b V I E W的人机界面接收 P L C返回的数据， 完成系 统运行过程中相关数据的显示 、 计算和存储。 在应急状态 如上位机突然掉电、 死机， 工业以太网通信的干 扰、 中断等情况 下， 使用 P c控制台上的两个应急按钮， 实现接 触器的依次合闸或分闸。 2 控制系统的硬件设计 中压直流负载的控制系统主要⋯P C控制台和 s 73 0 0 P L C 组成 。 P c控制台主要由P C机和应急按钮组成 ， 实现对负载功率的 控制， 同时实现相关数据的显示、 计算及存储。 S 7 3 0 0 P L C的硬件系统主要包括电源模块 P S 3 0 7 ． 中央处 理单元 C P U 3 1 5 2 D P ， 通信处理器 C P 3 4 3 ， 信 弓 ‘ 模块 S M 3 2 1 、 S M 3 3 1 、 S M 3 2 2 。中央处理 元完成控制的功能， 通信处理器完成与 上位 P C机的数据通信功能， 信号模块完成数据的输入及控制敛 的输出功能 3 控制系统的软件设计 3 ． 1 P L C的程序设计 P L C的程序没计在居于 5 7 3 0 0的 S M 3 2 1和 S M 3 3 l的基 础上， 完成负载箱开关馈及模拟量的输入采集。并通过 S M 3 2 2 输出模块， 完成接触器的合闸、 分闸。 3 ． 1 ． 1 信号的采集 P L C采集负载箱的开关量， 发送至上位 P C机的人机界面进 行实时的显示。P L C采集所得的模拟量信号， 经过上位 P c机人 机界面的滤波之后， 再进,／ 7 4 1 I 应的显示、 存储。 3 ． 1 ． 2 上位 P C机操作 在正常状态下， 将 l ， c控制台上的转换开关置于止常位置， 则 P L C接收 } 位 P c机的介闸、 分闸命令 ， 实现接触器的合闸、 91- i 。 程序框图如图3所示 ， 以1 接触器的合闸为例， 在 P L C接收到 l 接触器的合闸命令 时， 在确认接触器处于分闸状态且无故障信号后， P L C的主控继电器 指令输出合闸信号， 反之， 不输出合闸信号。在确认接触器合闸后， P L C将接触器的合闸命令复位， 至此， 完成 1 接触器的合『『 『 lJ 。 3 ． 1 ． 3 操作台应急操作 在应急状态 ， 将P c控制台上的转换开关j 薹 『 于应急位置， 则 P L C接收两个应急按钮的合、 分闸操作指令， 实现接触器的合闸、 分闸。一个应急按钮埘应接触器的合闸操作， 男一个应急按 刈 ‘ 应接触器的分闸操作。 8 0 E le c t r i c a I A u t o ma t io n 图 3 上位 P C机控制的程序框 图 运用 P L C的信号边沿检测指令， 检测两个应急按钮对应电 平的 【 升沿， 一个电平 升沿对应一个合闸或分闸指令。通过对 两个应急按钮的操作， 实现应急状态下接触器的合闸或分闸， 应 急控制的程序框图如图4所示。 3 ． 1 ． 4 负载箱的自我保护功能 在负载箱的运行过程中， 上位 P C机人机界面实时的监测 、 显 尔风机的运行状态址、 风通的风压指示量、 风道的温度信号、 接触 器的合、 分闸状态等。当风机的运行状态毽、 风道的风压指示量 、 风道的温度信号等出现异常时， 人机界面提示报警 ， 等待操作员 的F一步指令。当紧急情况出现时， 即负载箱运行当中， 风机停 止运行， 则 P L C为该风机对应的负载叫路提供延时保护功能。 P L C通过接通延时定时器实现负载 回路的延时保护功能。 延时保护功能中的延时功能排除 r 信号的干扰， 防止 P L C对负 载回路的误操作； 同时 ， 允许操作者在延时过程中对接通延时定 时 进行复位， 防止 动作。延时保护功能中的保护功能是在延 时结束之后， P L C对该负载回路的接触器进行分闸操作， 将该故 障负载回路从中压直流系统中切除， 实现负载箱对负载回路的自 我保护功能 。 3 ． 2 上位 P C机的程序设计 3 ． 2 ． 1 上位 P C机与P L C的通信设计 上位 P c机选朋研华 控机 纰皱 子公司的 网卡 C P 1 6 1 3 ， s 7 3 0 0 P L C的通信模块选用 C P 3 4 31通信处理器， 通过 l 业以穴网完成 C P 1 6 1 3 C P 3 4 31 之间的的连接。 采用 S I MA T I C N E |r 软件的 s 7服务， 实现上位 P c机与 P L C 的 s 7通信。在』 二 位 I ， c机 卜， 需要通过 O P C来实现 S 7通信。使 用 S I M A T I C N E T 软件、 s T E P 7 软件 ， 分别完成上位 P C机、 P L C对 0 l ， C S e r v e r的配倪、 组态， 实现 位 P c机 j P L C的 s 7连接。 O P C S e r v e r 软件附带有 O P C监测程序0 P c S c o u t ， 通 过在 O P C S c o u t I f J 添加一 个 O P C连接组 ， 组t } l 添加 P L C特定地址的 数据变垃， 实现 O P E与 P L C的数据连接 。 L a b V I E W作为 f 化 机 与 P L C通信的应用程序 ， 其 自 身带有的 D S C 数据监控 L ．j 录模块 ， 允许刚厂 { 通过 L a b V I E W 动控制系统与装置 皇 皇 兰 竺 兰兰 竺 Au t o ma t ic Co n t r o I S y s t e ms＆ E q u i p me 图 4 应急控制的程序框 图 对 O P C服务器进行读写。在 L a b V I E W 中添加与 O P C连接组中 变量绑定的共享变量， 将这些共享变量在 L a b V I E W 中当成普通 的变量使用， 实现 O P C与 L a b V I E W 的数据连接。通过 O P C， 上 位 P c机上的 L a b V I E W 可实现对 P L C特定地址 中对应数据的 读／ 写。从而， 上位 P c机的 L a b V I E W 与 P L C实现数据通信 J 。 3 ． 2 ． 2 上位 P C机人机界面的设计 为了满足控制系统的需求， 采用 L a b V I E W 编制 了 P c机的 上位机人机界面。在 L a b V I E W 编制的人机界面中， 可以很直接 的掌握系统的各个运行状态， 并完成对负载箱的功率控制功能。 在人机界面中设计了还设置了多个页面， 如运行监控、 故障报警、 参数的存储和调用、 操作员对负载箱的功率控制等。操作员可以 上接第 7 8页 4 算法设计 控制器最核心的部分是算法的设计， 即能够根据用户输入的 取车时间， 自动安排起始充电时间， 保证同时满足尽量充满且费 用最小。 图2 是分时充电控制算法流程图。 在用户输入取车时间后， 首先进行计算， 在存车到取车时间 范围内， 是否可以充满， 如果不能充满， 则立即开始充电， 不进行 费用最小化计算。如果时间充足， 则从负荷最低点 也是费用最 低点 开始向左右逐渐搜索选择， 使得选定区域内， 费用最低。当 选择区域的时间 ⋯， 满足 ⋯h △ 尸C d 6 则停止搜索， 从选中区域起始点开始充电， 算法结束。否则将继 续搜索， 直到满足式 6 ， 即将电动汽车充满电。 5 结束语 本文在阅读大量文献的的基础上， 提出了一种改进的有序充 电控制策略。可以从用户的角度将充电费用最小化， 从电力供应 商的角度使负荷波动最小， 提高电力设备的利用率。此外， 为了满 足客户的要求， 还会根据存车和取车时间， 以给电动汽车充满电为 目标。为实现此控制策略， 本文还设计 了分时充电控制器的硬件 实现功能框图， 并对各功能模块给以了解释， 最后， 提出了实现分 通过 P C机的人机界面随时掌握整个控制系统的工作状态以及 其他设备的运行情况， 使系统的控制更加简单 、 方便‘ 。 。 4 结束语 本文设计的基于 s 7 3 0 0 P L C的中压直流负载控制系统， 具 有结构简单、 易于实现等优点。经实际工作验证 ， 系统稳定、 操作 简单 ； 对系统参数的实时显示和记录， 大大的提高了劳动效率 ； 增 加了后备的应急操作功能， 使系统的运行更加可靠。采用基 于 S 7 3 0 0 P L C的控制系统， 在直流负载箱的控制领域有着广泛的 应用前景。 参考文献 [ I ]向晓汉． 西门子 P L C工业通信网络应用案例精讲[ M] ．北京 化学工 业出版社 ， 2 0 1 I 2 6 02 7 0 ． [ 2 ]廖常初．s 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术[ M] ．北京 机械工业 出版 社 ． 2 0 0 6 ． [ 3 ]西门子 中国 有限公司自动化与驱动集团．深入浅出西门子 s 7 3 0 0 P L C [ M] ．北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 1 1 ． [ 4 ]乔毅， 栾美艳． 基于 L a b V I E W和 O P C的数据通信的实现[ J ] ．控制 工程 ， 2 0 0 5 ， 1 2 2 1 5 31 5 4 ． [ 5 ]陈怀宇， 林卫中． 基于 s 7工业以太网O P C通讯的实现[ J ] ． 有色金 属力 口 二 I ， 2 0 0 5 ， 3 4 4 5 6 5 8 ． [ 6 ]石灵丹 ， 华斌． 基于 O P C技术的 P c与西门子 P L C的实时通讯[ J ] ． 船电技术， 2 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C h in e s e ． I EEE， 2 01 2 2 5 3 72 5 4 2． [ 7]孙晓明， 王玮， 苏栗， 等． 基于分时电价的电动汽车有序充电控制策 略设计[ J ] ． 电力系统自动化． 2 0 1 3 ， 3 7 1 1 9 1 1 9 5 ． [ 8]刘丽华， 赵庆民。 侯志平． 电力负荷的灰色预测[ J ] ． 山东冶金， 2 0 1 2 ， 3 4 2 4 3 4 5 ． [ 9]刘猛洪， 汪爱丽． 基于模糊时间序列的短期电力负荷预测[ J ] ． 电子 世界 ， 2 0 1 3 ， 4 7 8 08 1 ． [ 1 0 ]陈耀武， 汪乐宇， 龙洪玉． 基于组合式神经网络的短期电力负荷预测 模型[ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 0 1 ， 2 1 4 7 9 8 2 ． 【 作者简介】郎燕娟 1 9 7 4 一 ， 女， 河北清苑人， 江苏庙电力公司苏州供电 公司营销部． 从事电力营销及电费管理。 朱海峰 1 9 7 4 一 ， 男， 江苏启 东人。 江苏省电力公司电力经济研究院， 从事电网规划及建设管理。 E l o o t r l o a l Au t o ma t io n 8 1