西门子模块6ES7231-0HF22-0XA0介绍说明
本文简要介绍了电气化铁路串联补偿装置的工作原理及晶闸管交流电子开关的作用。重点介绍了1600A1000V晶闸管交流电子开关中可编程控制器(PLC)系统的硬件和软件及其在该装置中所发挥的作用。后就该装置的技术性能做了简要的
1 概述
电气化铁路( 以下简称电铁)的谐波问题是一个关系到公用电网电能质量和电铁顺利建设的重大问题, 我国从80年代处就开始致力研究、解决这一问题。串联补偿装置可以在一定程度上解决这一问题, 由于其技术难度低、投资小、易于实现,在单线电铁的复线改造工程中显示出了极大的优越性。
串联补偿装置的工作原理是在电铁供电线路负荷较重、线路感抗损耗严重时通过投入事先串联在回路中的电容器, 改变电路负载类型,从而达到提升网压和改善功率因数的作用。如图1 所示。由于电铁负荷是一个运动负荷, 负荷的大小不仅与机车的数量有关,还与机车的载重、机车的运行状态、线路的坡度等因素密切相关。电容器的投切操作也相当频繁。如果使用机械( 有触点) 开关,由于其投切时刻相对于网压相位的随即性, 触头在非过零点吸合时会因短路电力电容器而受到很大的电流冲击,其电气寿命通常只有几十次。在串联补偿装置中必须采用晶闸管交流电子开关来实现对电力电容器的过零投切。
2晶闸管交流电子开关对控制系统的要求及PLC的选用
晶闸管交流电子开关的主电路由两个反并联晶闸管支路构成,每个支路分别由两只晶闸管并联组成, 共使用四只晶闸管( 联接方式如图2 所示)。按照电气化工程设计的要求, 晶闸管交流电子开关安装于牵引变压器附近的移动房屋内,结合应用工况该装置对控制系统有如下要求:
(1) 应具有高度的可靠性, 以适应电铁供电网长期处于运行状态的客观要求;
(2) 应具有完善的事故报警系统, 发生故障后应该指示出故障类型, 无故障运行时应指示出电力电容器的投切状态;
(3) 应具有完善的逻辑控制和自动保护功能;
(4) 应确保晶闸管在电压过零点触发;
(5) 应具有良好的电磁兼容性能, 能够适应牵引变电站现场复杂的电磁环境。
完成电子开关的控制功能可以通过三种途径: ①使用集成电路开发专用控制电路板; ②使用单片机和外围电路开发专用控制电路板;③使用PLC 和扩展模块开发专用控制系统。由于PLC具有控制可靠、组态灵活、体积小、功能强、速度快、扩展性好、维修方便等特点,不仅减少了系统的硬件接线, 提高了可靠性,通过修改程序可适应新的要求, 1600A1000V 晶闸管交流电子开关中选用了西门子公司的小型机S7—200 系列的PLC作为其控制系统的核心部件。
3 PLC 控制系统的构成及其在交流电子开关中的作用
(1) 硬件构成及其作用
在本装置的PLC 控制系统中,选用了西门子小型机S7—200 系列的CPU222、模拟量扩展模块EM231和文本显示器TD200。可用硬件系统资源分配图如下表所示:
CPU222 是PLC 控制系统中的CPU 单元, 负责接收所有的开关量和经过A/D转换后的模拟量输入,并根据控制逻辑输出控制信号;EM231 负责对主电路的电压、电流信号进行A/D 转换, 并将转换结果输送给CPU单元; 文本显示器TD200 负责监视CPU 单元的输出状态,根据各个输出量的组合情况指示出晶闸管电子开关的运行状态和故障类型。
(2) 软件构成及其功能
在本装置的PLC 控制系统中,软件有两部分: 文本显示软件和逻辑控制软件。文本显示软件中存储着文本显示器所要显示的全部文本内容和CPU单元输出量组合情况的对应关系。
逻辑控制软件包含了晶闸管电子开关的所有控制逻辑, 在软件结构上由1 个主程序、2 个子程序、2 个定时中断程序构成。它的主要功能是:根据控制要求, 实现对电压、电流的检测,适时的发出触发信号, 以及对过压、过流、风机、电源等诸类故障的检测,并及时发出报警信号, 实现保护功能。该软件实现的流程图如图4 所示。
4 晶闸管的控制策略
晶闸管交流电子开关是串连补偿装置的核心部件,晶闸管的控制策略则是晶闸管交流电子开关的关键技术。要实现对晶闸管的过零触发必须依赖于对主电路电压相位的同步,而在该装置中一旦晶闸管导通, 同步信号就会消失, 这是设计晶闸管触发电路时必须注意的问题之一。晶闸管未导通时,其承受的电压与电力电容器承受的电压同相, 而导通后由于电路结构的变化, 电路会发生一个过渡过程,这也是设计晶闸管触发电路时必须注意的问题之一。
在工程实际中，应用为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到**的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P）控制 比例控制是一种简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（Systemwith Steady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差减小，直到等于零。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
本文介绍可编程序控制器（PLC)内部映像寄存器状态的变化规律和特点，通过映像寄存器状态的临时掩藏这样一种数据处理方法，构成监控系统中执行机构的重复动作。并介绍了在工程中的应用实例。
一、概述
PLC在工业生产中得到了广泛的应用。在用PLC构成的监控系统中，如果巧妙地利用PLC内部映像寄存器状态变化的规律和特点，就更能发挥出PLC在监控系统中的独到优势，使系统更加完善。PLC应用于煤矿大型主排水泵、主通风机以及变电所二次接线监控系统中，均采用PLC映像寄存器工作循环过程中所形成的状态掩藏，实现中央复归重复动作，收到了很好的效果。现以日本三菱F1系列PLC为例，介绍PLC映像寄存器状态掩藏及其在工程中的应用。
二、PLC信息处理规则及映像寄存器状态的掩藏
1、PLC工作方式及信息处理规则
可编程序控制器工作方式一般为扫描工作方式，如图1所示。它分为3步进行，即输入处理、程序处理、输出处理，这种工作方式有其显著的特点：
图1 PLC扫描工作过程
（1）在程序处理前，PLC将所有输入端子的状态读入输入映像寄存器，此后在整个程序处理中与外界隔开，输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不变化，直到下一扫描周期的输入处理阶段才读入这一变化。
（2）程序处理阶段程序是从头开始顺序执行的，在指令中涉及到输入输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读取的是上一阶段采样输入端子的状态；从输出映像寄存器读取的是映像寄存器的当前状态。每次执行结果都写入有关的映像寄存器，除输入元件外各元件的映像寄存器的内容随着程序的执行在不断地变化。
PLC对信息处理遵守了以下规则：
（1）输入映像寄存器的内容在整个工作周期是不变的，保存值决定于刷新阶段输入端子的状态。
（2）输出锁存器的内容由上一次输出刷新期间输出映像寄存器的内容决定，输出映像寄存器的内容是随程序的执行而变化的。
2、映像寄存器状态的掩藏
F1系列可编程序控制器在内部有许多存储单元，按其功能分为输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等，各自都对应着映像寄存器。按照PLC信息处理规则，可编程序控制器在程序运行的每一个周期内，输入映像寄存器的状态与其在程序中的位置无关，在整个工作周期是不变的。而输出映像寄存器及辅助继电器的状态则是与其所处的位置不同而变化的。如果借助一些辅助继电器，把输入映像寄存器的状态暂时记忆下来，待新的循环周期中使用，则有利于鉴别输入映像寄存器状态的变化，这就是映像寄存器状态的掩藏。
如图2所示，图中000～002及400为输入继电器，35为输出继电器，100～102为辅助继电器，000～002通过100～102实现了状态掩藏。在一个新的运行周期中，所有的输入映像寄存器均为新的扫描周期采样所得到的新的结果，而辅助继电器100～102之中，是掩藏的相应的输入映像寄存器上一循环周期的采样结果。程序从第0步开始顺序执行，即便是输入映像寄存器的状态发生了变化，在程序运行到第11步之前，辅助继电器100～102的状态不会变化，只有执行到第11步指令以后，辅助继电器100～102才随000～002的状态而变化。100～102变化以后，又把000～002新的状态掩藏起来，一直保持到下一个周期。
图2 映像寄存器状态掩藏
三、映像寄存器状态掩藏在工程中应用一例
在发电厂、变电所和一些大型生产设备中，一般都装设中央复归重复动作的事故信号和预告信号装置，即被监控的各路工作状态其灯光信号对应到每一路，而音响报警信号则是共用一个，当某一路发生故障时，希望音响信号能够人为地解除，以免干扰技术人员进行事故处理。当个故障报警信号被复归后，如又有另一路发生故障，音响信号能启动报警。
在以往的继电器-接触器监控系统中，这种重复动作是采用不对应回路和冲击继电器实现的，仅仅这一功能，就要增加许多的继电器接点和接线，增加了系统的复杂性。而在PLC构成的监控系统中，利用映像寄存器状态掩藏技巧，就可很容易地实现音响报警复归重复动作功能。
如图3所示程序梯形图中，第0～22步为8个保护支路，在被监控的系统运行正常时，保护信号的输入均为“0”，其对应的映像寄存器000～007的内容也均为“0”。当有一路(比如第1路)出现故障时，程序在刷新阶段把映像寄存器000刷新为“1”，其余均同系统正常时的情况。在程序执行阶段，程序将按顺序逐条执行，当执行到第0步时，因为映像寄存器000为新的状态“1”，辅助继电器100为原来的掩藏状态“0”，音响报警输出端子对应的映像寄存器35被置为“1”，为报警做好了准备；执行到第26步以后时，辅助继电器100被置为“1”，为解除音响创造条件。程序顺序执行完以后集中进行输出刷新，报警信号通过输出端子启动音响设备报警。
图3 能复归重复动作梯形图
在新的扫描周期，由于故障的存在和前一个扫描周期的结果，000和100均为“1”，但在这里采用的是一条置位指令，只要没有新的操作，报警一直进行到解除为止。
当需解除音响时，按下音响解除按钮，输入刷新阶段映像寄存器400被置为“1”，程序执行到第23～25步时，映像寄存器35被清零，待到输出刷新时音响停止。至此，故障没被排除，其映像寄存器000仍为“1”，但映像寄存器35已被清零，从而达到音响复归的目的。
在上一个故障报警被解除以后，如果又出现一个新的故障，仍然可以按照上述的过程报警和复归，从而实现了音响重复动作