主机6ES7214-2BD23-0XB8 主机6ES7214-2BD23-0XB8

发电机故障录波装置所记录的数据为工作人员正确分析发电机故障原因，研究事故对策，及时处理事故提供了可靠的依据，同时，根据故障录波数据还可以分析系统的故障参数、各电气量的变化规律，进行故障定位等，这些对于保证电力系统的安全可靠运行起着十分重要的作用。可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）作为工业控制专用的计算机，由于其结构简单、性能优良，抗干扰性能好，可靠性高，在机械、化工、橡胶、电力等行业工业控制现场已日趋广泛地得到应用，成为工控现场进行实时控制的最主要的控制装置。本文介绍一种利用可编程控制器和扩展模拟量模块实现发电机故障录波的方法。2. 系统的组成和工作原理　

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20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

　　20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

　　基带传输是按照数字信号原有的波形（以脉冲形式）在信道上直接传输，它要求信道具有较宽的通频带。基带传输不需要调制解调，设备花费少，适用于较小范围的数据传输。基带传输时，通常对数字信号进行一定的编码，常用数据编码方法有非归零码NRZ、曼彻斯特编码和差动曼彻斯特编码等。后两种编码不含直流分量、包含时钟脉冲、便于双方自同步，所以应用广泛。

　　频带传输是一种采用调制解调技术的传输形式。发送端采用调制手段，对数字信号进行某种变换，将代表数据的二进制“1”和“0”，变换成具有一定频带范围的模拟信号，以适应在模拟信道上传输；接收端通过解调手段进行相反变换，把模拟的调制信号复原为“1”或“0”。常用的调制方法有频率调制、振幅调制和相位调制。具有调制、解调功能的装置称为调制解调器，即Modem。频带传输较复杂，传送距离较远，若通过市话系统配备Modem，则传送距离可不受限制。

　　PLC通信中，基带传输和频带传输两种传输形式都有采用，但多采用基带传输。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

　　20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。

　　我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。

PLC

　　从PLC收到一个输入信号到PLC向输出端输出一个控制信号所需的时间，就是PLC的响应时间，使用循环刷新时，在一个扫描周期的刷新阶段开始前瞬间收到一个信号，则在本周期内该信号就起作用了，这时响应时间最短，等于输入延时时间、一个扫描周期时间、输出延迟时间三者之和。

　　如果在一个扫描周期的I/O更新阶段刚过就收到一个信号，则该信号在本周期内不能起作用，必须等到下一个扫描周期才能起作用，这时响应时间最长，它等于输入延迟时间、两个扫描周期时间与输出延迟时间三者之和；在使用直接输出刷新时，最长响应时间等于输入延迟时间、一个扫描周期时间、输出延迟时间三者之和。

　　从PLC收到一个输入信号到PLC向输出端输出一个控制信号所需的时间，就是PLC的响应时间，使用循环刷新时，在一个扫描周期的刷新阶段开始前瞬间收到一个信号，则在本周期内该信号就起作用了，这时响应时间最短，等于输入延时时间、一个扫描周期时间、输出延迟时间三者之和。

　　如果在一个扫描周期的I/O更新阶段刚过就收到一个信号，则该信号在本周期内不能起作用，必须等到下一个扫描周期才能起作用，这时响应时间最长，它等于输入延迟时间、两个扫描周期时间与输出延迟时间三者之和；在使用直接输出刷新时，最长响应时间等于输入延迟时间、一个扫描周期时间、输出延迟时间三者之和。

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

　　PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

　　国际电工委员会（IEC）在其标准中将PLC定义为：可程式逻辑控制器是一种数位运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等 面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可程式逻辑控制器及 其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

　PLC的可靠性

　　用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。事实上，如果PLC工作不可靠，就无法在工业环境下运用，也就不成其为PLC了。

　　（1） 在硬件方面：

　　PLC的输入输出电路与内部CPU是电隔离。其信息靠光耦器件或电磁器件传递。而且，CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁干扰，能正常地工作。

　　PLC使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太多，也为其可靠工作提供了物质基础。

　　在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可确保PLC耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达摄氏50多度，有的PLC可高达80--90度。

　　有的PLC的模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但不参与控制，仅作备份。一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其工作。

　　还有更进一步冗余的，采用三取一的设计，CPU、I/O模块、电源模块都冗余或其中的部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者中的多数决定的结果。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。

　　（2）软件方面：

　　PLC的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的“冒险竞争”，其控制结果总是确定的；而且又能应急处理急于处理的控制，保证了PLC对应急情况的及时响应，使PLC能可靠地工作。

　　为监控PLC运行程序是否正常，PLC系统都设置了“看门狗”（Watchingdog）监控程序。运行用户程序开始时，先清“看门狗”定时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时（一般不超过100ms），则报警。严重超时，还可使PLC停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器的计时值若不超时，则重复起始的过程，PLC将正常工作。显然，有了这个“看门狗”监控程序，可保证PLC用户程序的正常运行，可避免出现“死循环”而影响其工作的可靠性。

　　PLC还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对PLC的工作状况，以及PLC所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。

　　PLC每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是系统程序配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。

　　正是PLC在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了PLC具有可靠工作的特点。它的平均无故障时间可达几万小时以上；出了故障平均修复时间也很短，几小时以至于几分钟即可。

　　曾有人做过为什么要使用PLC的问卷调查。在回答中，多数用户把PLC工作可靠作为选用它的主要原因，即把PLC能可靠工作，作为它的首选指标。

系统的组成框图如图1所示,由上位计算机和1套PLC测控系统组成。PLC通过外部变送器、互感器与发电机组相连，发电机机端电压U、定子电流I为三相交流电，分别经电压互感器（PT）和电流互感器（CT）转换成三相100V、5A的二次信号，发电机转子励磁电流经过分流器RS转换成75mV信号，再经过三相功率（含有功、无功）变送器、三相电压变送器、直流电流变送器转换成与其成比例的0～10V电压信号后输入到PLC的模拟量模块。模拟量经过A/D转换，然后根据互感器、变送器的变换比例计算出机端电压U、转子电流If、有功功率P和无功功率Q的等机组运行量。PLC每隔20毫秒采样一次，每40毫秒将采样的数据保存到故障数据区中。当发生故障后，PLC记录下故障发生以后的13秒数据，故障数据记录过程结束。当PLC接收到上位机发送来的传送命令时，PLC将记录的故障数据通过串口通讯传送给上位机。上位机将数据完整的接收下来，经过数据处理显示出机组运行量U、If、P、Q、Ug（电压给定）在故障前7秒、后13秒的波形曲线，这样就可以对发电机故障进行分析了。在本系统中，PLC选用SIMATIC S7-226;模拟量模块选用与S7-226配套的产品EM235;PLC与计算机之间通过PC/PPI电缆连接以串行方式进行通讯。图1 发电机故障录波系统框图3. 下位机程序设计　　

　　PLC属于下位机，其程序共分为3个模块，它们是初始化子程序、录波子程序和通信子程序。以下将分别说明各模块的设计思想。　　3.1 初始化子程序　　

　　初始化子程序包括初始化自由口通信参数，设置接收命令RCV启动和结束条件，数据指针赋初值，连接20ms采样、接收和发送中断。　　3.2 录波子程序　　

　　录波子程序在20ms采样中断中调用，负责记录机组运行量U、If、P、Q、Ug在故障前7秒、后13秒的数据。　　

　　在PLC中定义一个连续的数据区VW4000～VW8998，用来保存故障数据。每个运行量的数据占用1000字节的数据块，地址分配如下，U：VW4000～VW4998 If：VW5000～VW5998 P：VW6000～VW6998 Q：VW7000～VW7998 Ug：VW8000～VW8998。　　

　　录波子程序每隔40毫秒将采样的数据送到各自的数据块中。为每个数据块定义一个数据指针，其初始值分别指向各数据块的首地址。每传送一次数据，各指针向下移动2字节。故障前7秒数据（350字节）是循环记录的，即如果在故障到来之前数据已存满，各数据指针将重新指向数据块的首地址。定义指针index用来记录20秒故障数据开始的位置。当故障到来时，数据指针指向故障后13秒数据（后650字节），此时指针index将前7秒数据分为前后两部分，正确的顺序是将前后两部分交换过来。当后13秒数据记录完后，录波子程序结束。程序流程图如图2所示。

　　3.3 通信子程序　　

　　通信子程序负责与上位机通信，将存储在数据区的故障数据通过串口分批传送给上位机。上位机每发送一次传送命令（用整数255表示），PLC在接收中断程序中判断收到的字符是否为传送命令，如果是则将传送命令标志M6.0置位并且在主程序中调用通信子程序。　　

　　定义指针tran_pointer用来指向待传送数据的首地址，其初值为&VW4000，即指向数据区首地址。定义变量count用来记录传送的次数。在通信子程序中，首先停止自由口的接收，然后将以指针tran_pointer为首地址，大小200字节的数据传送到发送缓冲区中，接着用发送命令通过串口发送出去。每发送一次数据，将指针tran_pointer向下移动200字节，变量count值加1， M6.0复位。当上位机发送完第26次传送命令时，PLC中数据区VW4000～VW8998的5000个字节已发送完毕，再将额定电压、额定电流、额定有功功率、额定无功功率和指针index发送出去， count值清零，指针tran_pointer重新初始化，M6.0复位。至此，一次完整的故障数据传送过程结束。图2. 录波子程序流程图4. 上位机程序设计　　

　　上位机程序设计是以Visual Basic 6.0 为平台，利用MS Comm控件，以事件驱动方式实现计算机与PLC之间串行通讯，完成数据间的交换。上位机程序包括用户界面设计、通讯和数据处理程序、显示程序等。

　　4.1 用户界面设计　　

　　本系统中，设计了两个窗体（Form1和Form2）。其中Form1为主界面，Form2为波形显示界面。在Form1中设计了一个MSComm控件、一个定时器控件（Timer1）和两个按钮控件（Command1和Command2）。其中Command1是开始按钮，即按下时开始和PLC通讯，读取其中的数据。

Command2是显示按钮，即按下时调用窗体Form2，显示每个运行量的波形曲线。在Form2中设计了一个图片框控件（Picture1），用来显示图形。

　　4.2 通讯和数据处理程序设计　　

　　设置Timer1 的Interval属性等于500，MSComm的InputMode属性为二进制方式，RThreshold属性等于5010。定时器每隔500毫秒发送一次传送命令，当发送到第26次时，关闭定时器，这时接收缓冲区将收到5010个字节的数据并触发MSComm的OnComm事件。在OnComm事件子程序中，将接收缓冲区中的数据依次分配到全局数组U_data、If_data、P_data、Q_data和Ug_data中，再根据各运行量的额定值计算出百分比值。各个数组的前350字节需要根据指针Index进行调整，具体方法是将数组下标范围Index～349的数据移到前面，下标范围1～Index-1的数据移到后面。

　　4.3 显示程序设计　

　　在窗体Form2的装载事件Form_Load中编写图形显示程序。首先在图片框控件Picture1中设置自定义坐标系。设置ScaleMode属性值等于3，即以象素为度量单位。然后在该坐标系下画出坐标轴。X轴以秒为单位，曲线上两点间的时间间隔是40毫秒，换算成象素等于1.47。Y轴以百分比为单位，每个单位刻度换算成象素等于2.1。最后根据数组U_data、If_data、P_data、Q_data和Ug_data分别画出相应运行量的波形图。以机端电压波形为例，给出编写的程序如下：Picture1.DrawWidth=1 ‘线宽为1Picture1.CurrentX=0 ‘指定当前坐标的位置Picture1.CurrentY=U_data（0） ＊ 2.1For i=1 To 499 ‘画出曲线Picture1.Line -（1.47 ＊ i, U_data（i） ＊ 2.1）, vbBlueNext i5. 系统的运行与实验结果　

　　在系统运行前，要对PLC的通讯参数进行设置，包括波特率、校验方式、数据位位数和停止位位数等，此设置要和上位机一致。在S7-226中使用自由口模式和上位机进行串口通信时，可以通过特殊寄存器SMB30（端口0）或SMB130（端口1）来设定。下面以发电机空载停机实验为例说明系统的运行过程。　　

　　当发电机在正常空载下停机时，PLC检测到停机信号，将故障标志置位，然后记录下停机后13秒的数据。运行上位机程序，在主界面上按下“传送”按钮后，上位机开始读取PLC中数据。等到程序提示“数据传送完毕”后，按下“显示”按钮，将弹出“波形显示”窗口如图3所示。从图中可以看出，该曲线较好的反映了发电机停机前后机端电压、励磁电流的变化。图3 波形显示窗口6. 结束语　　

　　此系统已经成功应用于中、小型同步发电机励磁系统中，通过发电机的动态模拟实验和实际中的应用来看，该系统性能可靠、操作方便、界面友好，能够较好地满足电力系统对于故障记录、故障分析的需要。　　

　　一般情况下，采用微机控制或以微处理器为内核的工业嵌入式发电机励磁调节器较容易实现发电机运行参量的故障录波，采用PLC作为发电机励磁调节器的硬件平台，具有应用成本低、运行可靠性高但程序设计难度大的特点，其内部成功地嵌入发电机重要运行参量的故障录波具有较大的实用价值，尤其适用于目前大量开发的中小型水力发电站的水轮发电机组，对于保证发电机组的安全、稳定、可靠运行具有重要的意义。