毕业设计（论文）-电力直流电源监控系统.doc

第1章 绪论1.1电力直流电源系统简介和发展电力直流电源系统是主要用于电力系统中各类电站的一种直流电源系统。它主要用于电力系统中的发电厂，水电站和各类变电站，用于断路器分合闸及二次回路中的仪表、仪器、继电保护、事故照明和交流不停电装置等负载的用电。电力直流电源系统主要包括交流配电、整流器、蓄电池组、降压装置、直流配电等部分，其典型结构如图1-1所示。 图11 电力直流电源系统典型结构图一般交流进线提供两路交流输入。交流配电完成两路交流输入的切换，为各路整流器提供交流输入电源，也可提供单相辅助电源。整流器将三相交流电转换为直流电，供给动力母线，满足动力母线负荷用电，同时给蓄电池组充电。在交流电源故障或整流器故障时，蓄电池组向动力母线提供电源。降压装置将动力母线的电压降低，供给控制母线，并可根据动力母线的电压值来自动调整，使控制母线上的电压在一定范围内保持恒定，满足控制母线负荷用电的要求。在有些系统中，也有配置输出电压不同的两种整流器，一种供给动力母线，另一种供给控制母线。本次的实验装置仅是电力直流电源系统的模拟系统，因此只有一路交流输入，并且去掉了交流配电和直流配电两部分，只由控母电压给负载供电。1 90年代初期，我国发电厂和变电站中的直流电源设备有很多是较为落后的老旧设备，存在较多缺陷，甚至是带病运行，在电力系统中引发了不少事故，造成了重大损失，因而引起了各方面的高度重视。为此电力部组织研制了先进的、系列化的直流电源成套装置来装备电网，以保证电网的安全可靠运行。此项任务完成以后，电力部又组织了微机控制电力直流电源系统的研制，用监控装置来代替人对直流系统进行维护和管理，以适应无人值守变电站的需要。这两项研制任务的完成，促进了我国电力工程直流电源系统的更新换代和直流电源制造行业的技术进步，提高了电网直流电源系统的自动化程度。进入90年代末期，电力直流电源系统又掀起了新一轮的技术改造，改造的重点集中在两处，一是研制高频开关电源模块替代相控电源，二是研制功能更强的新一代监控装置。11.2监控装置的地位及作用发电厂、变电站 (所)等供配电部门 ,通常用蓄电池直流电源作为控制、信号、保护、事故照明、直流油泵、分合闸等装置的不间断电源。直流电源装置可靠与否直接影响到供配电系统的安全运行 ,而功能强弱则影响系统的良性运行和蓄电池的使用寿命 .随着电力系统自动化、计算机控制和电力电子技术的发展及实际现场运行和维护的需要 ,对直流电源装置的要求也在相应提高 ,因此在这方面进行研究和开发很有必要。电力系统中的直流电源部分由蓄电池组、充电设备等设备组成。它的作用是：正常时为变电站内的断路器提供合闸直流电源；故障时，当厂、站用电中断的情况下为继电保护及自动装置、断路器跳闸与合闸、载波通信、发电厂直流电动机拖动的厂用机械提供工作直流电源。它的正常与否直接影响电力系统的安全可靠运行。过去 ,电力系统的各个变电站都有人值守 ,可以对直流设备的运行状态进行定期检查 ,因而可以及时发现并处理其出现的异常现象 ,保证变电站的安全稳定运行。目前 ,电力系统推广无人值班变电站 ,虽然调度中心可以通过远动通道获取变电站运行情况的实时信息 ,但是对于直流部分只能得到少量的重要信息 (包括 :遥信量充电机交流电源故障, 充电机故障, 直流绝缘接地, 直流电源电压异常; 遥测量控母电压 )。它不能反映直流系统运行的详细信息 ,特别是它不能发现系统刚刚开始出现异常运行的情况 ,直到长期的异常运行发展为故障时才上发调度 ,此时 ,事故已经扩大。如果能在异常现象刚出现时就及时发现并及时处理 ,就可以避免异常情况扩大。所以需要设备维护人员对其进行定期检查。此外 ,对直流设备运行的控制也是由维护人员进行现场操作的。变电站多 ,维护人员少 ,显然无法保证按期按量完成。在这种情况下 ,直流监控系统应运而生。它的主要作用就是把各变电站的直流设备信息上送到监控中心 ,供其查询 ,同时监控中心也可以向各站发送控制命令。这样 ,维护人员不但可以在监控中心对直流设备进行远方监控 ,还可以及时发现设备运行的不正常状态 ,及时处理 ,而不等其发展演变成事故。所以 ,直流监控系统的建立 ,可以对电力直流电源系统和其控制系统进行安全和及时有效的保护、控制，可以节省人力物力 ,提高工作效率，它是电厂和电站保护控制系统中的重要环节，是保证电力系统正常工作的基础。2针对电力直流电源系统的现状和特点，本次毕业设计建立了基于工控机，在windows nt环境下的智能监控系统和动态人机界面。该系统具有工业现场级的可靠性，对蓄电池充电装置系统采用智能化管理控制，对整个系统的运行状态进行实时监控，具有报警、趋势画面、数据实时显示等功能，对提高整个控制系统的可靠性和完善性具有重要的现实意义。1.3国内外的研究现状目前，有关蓄电池监控方面的产品，国内只有为数不多的几家公司拥有这方面完整的产品和技术，国际上进行这方面产品研究生产的公司不少，但产品价格较高。本文研制的电力直流电源监控系统功能较强，性能稳定，适用于国内用户的需要，并且能很好的融合到正在大力发展的动力集中监控中去。从这一方面的意义出发，的确有研制该系统的必要。31.4本文所作的工作本文所作的工作主要有：(1) 介绍电力直流电源系统，分析监控电力直流电源系统的目的、作用以及意义，并分析国内外这方面工作的现状。(2) 简要概述电力直流电源模拟监控系统的组成，包括硬件组成、软件作用以及它们的作用、功能。(3) 分析plc的梯形图程序，包括如何组态，每一部分程序的具体功能。(4) 具体说明如何用powermonitor 3000实现对电力直流电源系统的模拟监控。第2章 电力直流电源模拟监控系统的功能及构成2.1电力直流电源模拟监控系统的功能随着电力系统自动化程度的提高，对电力直流电源系统监控装置的要求也提高了。对电力直流电源系统进行监控运行维护是一件技术要求较高，较为繁琐的工作。属于后备电源的蓄电池组的维护技术并未收到足够的重视；而且，蓄电池的动态指标好坏的测量与分析技术多年来未有多大的改进，若运行维护不当，会大大降低电池的使用寿命；另外运行中蓄电池的故障不易被及时发现和排除。这样，就迫切需要一种新装置来完成原来单靠手工操作完成的任务，并且解决手工操作中难以解决的问题。鉴于目前这种状态，本文研制了电力直流电源监控系统，在对电力直流电源系统进行监控的问题上做了一些有益的探索。本文实现的微机监控装置具有如下一些功能：测量并实时显示电力直流电源系统的动力母线电压、控制母线电压、蓄电池组中各个单节电池电压、电流及给定量。检测并显示电力直流电源系统各种实时故障报警量及运行状 态。蓄电池智能化管理。实时自动检测蓄电池的端电压、充电电流、放电电流和环境温度；可根据环境温度自动调节蓄电池组的充电电压；每半年自动进行一次放电，然后再进行均充，以维护蓄电池；当停电时，可自动置位标志位，来电后，可自动进行均充。可计算蓄电池目前的容量及目前可放电的时间，并可根据蓄电池最近5次计算出的容量值求出电池的衰老速率，然后由此预测蓄电池的寿命。具有以上功能的电力直流电源系统模拟监控装置的实现，代替人对直流电源系统进行监视控制，把人所具有的经验移植到监控装置内，时刻监视直流电源系统的运行，这种装置必将大幅度提高电力直流电源系统的自动化水平，延长蓄电池的寿命，减少由于人为因素而引起的故障，保证直流电源系统的可靠运行。2.2 系统的硬件构成该电力直流电源系统由以下几部分组成：三相变压器、整流器、可编程逻辑控制器、工控机、蓄电池组、硅堆降压装置、温度传感器等。可编程逻辑控制器(plc)是该系统的控制核心，工控机作为上位机进行监控。该系统由相电压为220v的三相交流电供电，220v的交流电先经过一个三相变压器，变为线电压为18v的三相交流电，此三相电作为整流电路的输入，整流电路是由6个二极管组成的三相不可控桥式整流电路，整流后的直流电作为动力母线的电源，由三节蓄电池组成的蓄电池组挂在动力母线上，作为后备电源，然后再通过由7个二极管组成的硅堆降压装置给控制母线供电。控制母线上的电压维持在18v左右，当动母电压过高时，系统就会自动多投入几个二极管以降掉一些电压，当动母电压过低时，系统又会少投入几个二极管，这样，控制母线上的电压就会在一定范围内维持在18v。正常状态下，三相交流电给控制母线供电，同时对蓄电池组进行浮充电；当停电时，作为后备电源的蓄电池组给控制母线供电。图2-1 系统硬件结构图一个可编程序控制器包括以下几个部分：1. cpu 模块cpu模块是可编程序控制器的核心模块，它主要由微处理器和存储器两部分组成。微处理器。由大规模或超大规模集成电路微处理器芯片构成，常用的有z80a,8031,8085,80826等专用的cpu芯片。cpu芯片的性能关系到可编程序控制器处理控制信号的能力和速度。（1） 存贮器。可编程序控制器的存贮器包括系统存贮器和用户存贮器两部分2 输入/输出（i/o）模块输入/输出（i/o）模块是可编程序控制器与现场设备连接的接口。输入模块用来接收和采集现场设备的输入信号。输出模块则用来向各执行机构输出控制信号3 编程设备 编程设备是可编程序控制器系统中最重要的外围设备，利用它可以输入、检查、修改、调试用户程序，也可以在线监视可编程序控制器的工作情况。4 电源模块 电源模块将交流电源转换成可编程序控制器所需要的直流电源，使可编程序控制器能够正常工作。plc是整个监控装置的核心，它的性能好坏直接决定了监控装置的好坏。本次毕业设计采用的是美国罗克韦尔自动化公司所属a-b公司的plc系列中的plc5，a-b公司的plc与其他公司的产品相比，除了性能好，可靠性高等特点以外，在通信网络、编程软件等方面还具有独特的优势，列举如下：a-b的世界级自动化系统给用户提供了一个开放性的网络。a-b提供了功能强大的plc系列。a-b提供了品种齐全的i/o模块。（1） 罗克韦尔为a-b的plc提供了功能强大的编程、仿真、通信、监控等软件，这些软件使用方便、功能强大。具体到本次毕业设计中使用的增强型plc5，它的特点如下：（1） 支持多种编程语言。结构文本编程，顺序功能流程图，梯形逻辑图（2） 强有力的程序控制特性。16个主控程序基于时间和事件驱动的处理器中断子程序pid算法（3） 通用指令系列。包括基本的和扩展的asc字符串指令和增强的运算功能 （4） 内置可组态rs-232/422/423串行口，dh网，远程i/o链路通信口。（5） 程序执行速度0. 5ms/k位逻辑最大2ms/k(典型) ( 6 ) 控制性能优越的主控程序由此可见，本次毕业设计所使用的plc功能强大，性能稳于监控系统的需要。2.3 系统的软件功能该系统中软件的作用是监视动母电压、控母电压、蓄电池组中各个电池的电压，控制动母电压和蓄电池组的充电电流，进行蓄电池的智能管理，计算蓄电池组目前的可放电时间及蓄电池的寿命等。该系统中用到的软件主要有罗克韦尔公司的rslogix5。rslogix5提供了为罗克韦尔公司的可编程逻辑控制器plc5进行编程的环境，利用rslogix5时，要先进行处理器配置、i/o配置、通道配置等一系列工作，然后才能用该软件进行编程，编程时可以用最常用的梯形图编程，也可用结构文本及顺序功能图(sfc)进行编程，主要依编程者的习惯而定。rslogix5功能强大，使用方便，关于它的详细说明见本论文的相关章节。本次毕业设计论文还运用了powermonitor 3000来进行对系统的监控，它可与其它的rockwell software产品集成在一起，因此它为监视和运行控制系统提供了极大的灵活性。在本次毕业设计中，主要用powermonitor 3000进行电力直流电源系统的监控。有关powermonitor 3000的详细说明可参看本论文的相关章节。第3章 蓄电池计算的相关理论3.1 蓄电池的工作原理 电池充放电的电化学反应： pbo2+pb+2h2so4 2pbso4+2h2o 在充电后期，正极产生氧气： 2h2o-4e=o2+4h+ 产生的氧气通过透气隔膜到达负极被吸收： 2 pbo2+ o2+2h2so42pbso4+2h2o3.2 蓄电池的分类及作用蓄电池是电力系统和通信电源系统中，直流供电系统的重要组成部分，由于它是一种电压稳定、安全可靠、不受市电中断影响的直流电源，为了保证电力系统和通信系统的可靠运行，蓄电池得到了十分广泛的应用。浮充供电、直流升压、事故照明、信号指示、遥控、油机发电站的启动都离不开蓄电池。今年来，由于交流不间断电源和太阳能供电系统的广泛应用，作为静态储能设备的蓄电池在电力系统和通信系统中的地位日益提高，其重要性也越来越明显。蓄电池的种类很多，以酸性水溶液为电解质的蓄电池称为酸蓄电池，以碱性水溶液为电解质者称为碱电池。因为酸蓄电池电极是以铅及其氧化物为材料，故又称为铅蓄电池。铅蓄电池按其工作环境又可分为移动式和固定式两大类。固定型铅蓄电池按电池槽结构分为半密封式及密封式，半密封式又有防酸式及消氢式。依据电解液数量还可将铅酸电池分为贫液式和富液式，密封式电池均为贫液式，半密封式电池均为富液式。铅酸密封电池依据排气方式，可分为排气式和非排气式两种，1986年后iec（国际电工委员会）的tc21标准规定：非排气式密封电池有密封式和气阀调节式两种，装有密封气阀的密封铅酸电池，称为阀控式铅酸电池（valve regulated lead acid,vrla）。电力直流电源系统对蓄电池的基本要求是：满足正常运行和交流事故停电过程中直流负荷的需要，预期寿命应高于10年，运行维护简单，经济实用。本次毕业设计中用的蓄电池就是阀控式铅酸电池，它具有“免维护”的功能，这里所指的“免维护”是我国依据iec标准制定的gb 2900.11-28蓄电池名词术语中的定义，即：在规定条件下使用期间不需维护的一种蓄电池。所谓蓄电池的维护是相对于传统铅酸电池维护而言，仅指使用期间勿需加水。vrla是目前很多电力部门和通信部门使用的蓄电池，因此在本次毕业设计中采用vrla有其现实意义。43.3 蓄电池的充放电特性3.3.1 充电特性 讲蓄电池的充电特性之前，先介绍蓄电池的两个重要参数：容量和寿命。蓄电池的容量指的是：采用规定的放电速率，充足电的电池能够放出的安时数。蓄电池的额定容量c经常作为电池充放电的单位。蓄电池的寿命通常分为循环寿命和浮充寿命两种。蓄电池的容量减少到规定值以前，蓄电池的充放电循环次数称为循环寿命。在正常维护条件下，蓄电池浮充供电的时间，称为浮充寿命。对蓄电池的充电分为浮充充电和均衡充电两种，正常状态下，整流后的直流电给动了母线供电，同时对蓄电池进行浮充充电以补偿蓄电池的自放电；电池在使用过程中，有时会发生容量、端电压不一致的情况，为防止其发展为故障电池，所以要定期履行均衡充电，除此，凡遇到下列情况也需要进行均衡充电：一是单独向负载供电15分钟以上，二是电池深放电后容量不足。4选择合适的充电方法是获得最长使用寿命的关键之一，根据不同用途的特点，充电方法也有所不同。阀控式铅酸电池的充电方法有“恒压充电”、“恒流充电”或其他综合方法等，应根据使用方式、充电时间和负载系统的类型来决定采用何种充电方法。本次毕业设计使用的蓄电池是上海复华控制系统有限公司的powerson蓄电池，由于用“恒流充电”的方法时须严格控制以避免极有可能发生的过充电现象，因此powerson阀控式铅酸电池推荐的充电方法为“恒压充电”，充电特性曲线如图3.1所示。图中示出充电过程的电流时间，电压时间的关系曲线。在充电过程中，电流在充电前期恒定不变，而电压逐渐上升。之后充电电压恒定不变，而电流则按指数规律迅速衰减，到充电后期电流衰减速率变慢，充电结束前几小时起，电流不再改变，恒定为浮充电流。就本次毕业设计所用的蓄电池而言，为10ma。充电时要进行温度补偿，当环境温度超过25c时，如不调整充电电压，将影响蓄电池的寿命，每升高10c，蓄电池寿命将缩短50。为了部分抵消温度变化产生的影响，充电电压必须使用温度系数进行校正，环境温度升高时，充电电压必须降低。对于powerson蓄电池而言，以环境温度25c为基准，温度系数为-0.009v/(c个)。 图3.1 蓄电池充电特性曲线3.3.2 放电特性描述蓄电池的放电情况时，必须要指出放电率和放电终止电压。放电率是指在一定放电条件下，一般是恒流放电，放电至放电终止电压的时间长短。根据iec标准，放电时间率有20、10、5、3、1、0.5小时率及分钟率，分别表示为20hr、10hr、5hr、3hr、1hr、0.5hr等。放电终止电压是指铅蓄电池以一定的放电率在25c环境温度下放电至能再反复充电使用的最低电压值。一般来说，放电电流越小，放电终止电压越高，而在本次毕业设计中，由于放电电流变化不大，为了方便起见，按照powerson蓄电池的说明，统一将单节电池的放电终止电压定为5.25v，三节电池即为5.25315.75v。powerson蓄电池的恒流放电曲线如图3.2所示，放电初时端电压几乎不变，放电一定时间后，端电压降低速率明显增大，之后端压陡降，端电压的改变是由于电池电动势的变化和极化等因素的影响。 图3.2 蓄电池放电特性曲线3.4 蓄电池放电时间的计算蓄电池是在整流器不能正常输出额定电压和电流的关键时刻，挺身而出给负载供电，平时当整流器正常输出时，它基本上不起什么作用。所以，蓄电池的放电参数非常重要。由有关电池容量和充放电特性知道，电池容量定义成电流和时间的乘积。那么，如果算出蓄电池的容量，再测出放电电流，那蓄电池的放电时间就可以通过经验公式估算出来。蓄电池的容量是指电池在一定放电条件下所能给出的电量，定义为电流和时间的乘积，以符号c表示，常用的单位为安培小时，简称安时（ah）。蓄电池的容量并不是一个固定不变的量，它受到环境温度、放电电流大小、蓄电池衰老系数等多种因素的影响，大多数阀控式铅酸电池以25c的环境温度下，20小时率放电所测的容量为标称容量，比如本次毕业设计用的powerson mf6-1.2型蓄电池标称电压6v,标称容量1.2ah，这表示该电池在25c的环境温度下，以60ma的放电电流放电至5.25v的终止电压时，可连续放电20小时。下面就较为详细地介绍一下它们对蓄电池的影响。温度对蓄电池的容量影响较大，随着温度的降低，蓄电池的容量减小，在一般情况下，容量与温度的关系如式31所示： 式中，ct1温度为t1时的容量（ah）; ct2温度为t2时的容量（ah）; k温度系数； t1,t2分别为电解液的温度。在蓄电池标准中，经常规定一个温度为标准温度，如规定t1是25c,t2为实测温度。当t1与t2不同时，则按上式换算为标准温度下的容量。5对于powerson蓄电池而言，它的温度系数为0.008。在谈到容量时，必须指明放电率，否则容量值是没有意义的。铅蓄电池容量随放电率增大而降低，因为放电率越高，放电电流密度越大，电流在电极板上分布越不均匀，电流优先分布在离主体电解液最近的表面上，从而在电极的最外表面优先生成pbso4。pbso4的体积比pbo2和pb大，于是放电产物pbso4堵塞多孔电极的孔口，电解液则不能充分供应电极内部反应的需要，电极内部物质不能得到充分利用，因而高放电率时容量降低。5对于powerson蓄电池而言，它允许的最大电流为0.3a，并且给出了几个不同放电电流时的可放电时间，若放电电流值为其他值，则可通过查表差值运算的方法求出相应的放电时间，由此可算出不同放电电流时的容量值。计算蓄电池容量时，还要考虑到因老化因素引起的容量下降。该系数几乎不可能通过计算得到，但通过最近一次的充放电，可以从侧面得到该项参数。powerson mf6-1.2型蓄电池的参数如下：标称电压：6v标称容量：1.2ah/20hr(c20)额定容量 0.05c20(0.06a)：1.2ah0. 5c20(0.6a)：0.6ah 1c20(1.2a)：0.54ah 3c20(3.6a)：0.3ah外壳材料：abs内阻：约65m自放电：每周0.8%循环寿命：500次浮充寿命：35年适用温度范围：-20c+45c(-4f+113f)充电电压（循环使用）：7.3v7.5v充电电压（浮充使用）：6.8v6.9v最大电流：0.3a由以上介绍可知，容量计算时有3个系数需要计算，即衰老系数c，放电容量系数q，容量温度系数t。（1）衰老系数c：c 是考虑到老化因素造成容量下降。每次充放电时，都要计算充放电的电量，设充电电量为qc,放电电量为qd,则有： 充放电过程中电流是在变化的，所以qc和qd的计算不能简单用电流乘以时间来算，而应通过电流对时间的积分来计算，但plc中没有简单的积分指令，而且也没有必要计算地那么精确，所以可以采用简单的梯形积分法来实现较为精确的容量计算。实际编程中，每隔1分钟进行一次电流采样，相邻两个采样点之间用直线连起来，这样就可以用梯形面积公式计算这1分钟内充入或放出的电量值，将所有计算出的电量值累加起来，就是整个过程中充入或放出的电量值。（2）放电容量系数q：q在数值上等于电池在某放电率下的使用容量与电池标称容量之比。由蓄电池的放电电流通过查表可以求出对应于该放电电流的容量值，而电池的标称容量是知道的，这样放电容量系数就可以算出来了。 （3）容量温度系数t：温度影响蓄电池的容量值，由上文可知，t和温度t的关系如下：式中25表示25c，0.008为电池的温度系数。温度由温度传感器来测量。由此可得蓄电池目前可放电时间的基本计算公式： 其中 qc为充入的电量值，qd 为放出的电量值，c为衰老系数。 只有在蓄电池放电时，该预测值才有效。33.5 蓄电池寿命的预测在规定条件下，某电池的有效寿命期限称为该电池的使用寿命。蓄电池的使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限是指蓄电池可供使用的时间；使用周期是指蓄电池可供重复使用的次数。若蓄电池是浮充使用即正常状况下由整流器给负载供电，只在停电时才由蓄电池给负载供电的使用方式应用使用期限来衡量蓄电池的寿命；若蓄电池是循环使用即蓄电池是反复进行充放电则应用使用周期来衡量蓄电池的寿命。在电力直流电源系统中，蓄电池多是浮充使用的，因此蓄电池的使用寿命应用时间来衡量。蓄电池寿命终止的主要原因有两点：（1）电池容量逐渐下降；（2）内部短路。5铅蓄电池的寿命是个随机变量，但采用数理统计的方法分析其概率后，就可发现它们还是服从一定分布规律的。铅酸电池的容量是以指数规律衰减的，即： 式中，q0为蓄电池的最高容量值；q为经过时间t工作后的电池容量；t0为电池容量达到最高值所需的时间；常数表示工作到某时刻t后电池容量的衰变速率。铅酸电池在使用初期，随着使用时间的增加，其放电容量也增加，逐渐达到最大值；然后，随着充放电次数的增加，放电容量减少。为了预测寿命，还需介绍一个参数，即蓄电池的可靠度：在规定的条件下，规定的时间t电池输出规定容量的概率。定义式为：r（t） e-t （38）其中，为电池的衰变速率。经过一系列的推算，6可以得到蓄电池的寿命预测公式为： 式中，为衰变速率，r为可靠度。6r为设定值，t0可以测出来，所以寿命的预测就依赖于的计算了。将37式两边取自然对数，可得lnq-t+lnq0 （310）式中，q0和是常数，因此lnq和t呈直线关系，可取若干组lnq和t的值，然后用最小二乘法拟合出一条直线，该直线的斜率即为衰变速率的负值，这样，蓄电池的使用寿命即可通过式39预测出来。最小二乘法是曲线拟合的一种常用方法，在实际问题中，常要从一组数据中预测yf（x）的近似表达式（称为经验公式），其几何意义是由给定的一组数据点（xi , yi）描绘曲线yf（x）的近似图象，拟合使用的函数一般为多项式。最小二乘法的基本思想就是使样本点和拟合的曲线的误差的平方和最小。最简单的情况就是拟合一条直线，根据前人的计算结果，设xi，yi为测出的几组数据，并定义 则直线的斜率a1、截距a0为 第4章 软件编程4.1 plc5编程软件rslogix5介绍根据操作系统的不同，a-b的可编程序控制器编程开发软件也有不同的系列。基于ms-dos操作系统的有a.i.系列编程软件包，用于对plc-2、plc-3、plc-5、plc-5/250和slc500以及micrologix系列处理器实现离线或在线开发；用于开发plc产品的6200系列；用于开发slc产品的aps软件。而基于windows操作系统的有rslogix系列开发软件包。rslogix系列编程/调试软件包括很多种，其中用于plc5编程的是rslogix5编程软件。它是一个32位的对于plc-5处理器的windows梯形图逻辑编程包软件。工作在microsoft win95与winnt环境下的rslogix5与使用wintelligent logic5、plc-5 a.i（高级接口）.系列以及6200系列plc-5编程软件生成的程序兼容。rslogix5的编程界面见图4.1。rslogix5软件的功能包括： * 自由形态的梯形图编辑器使集中于应用逻辑代替了写程序时对语法的严格要求。 * 一个强大的项目校验器可以建立错误信息列表，以利于编程人员修改。 * 拖放编辑功能可以很方便地数据表元素从一个文件移到另一个文件，将一个梯级从一个子程序或项目移到另外一处，或在一个项目文件内将指令从一处移到另一处。 * 搜索和替代可以快速改变一个特定的地址和符号的出现。 * 一个点击的接口即所谓的项目树(project tree)可以使编程人员访问项目包含的所有文件夹和文件。 * 一个定制的数据监视器(custom data monitors)用于将分开的数据放在一起便于查看并且观察他们之间的相互作用。 * 一个重要的功能即监察一个数据列表字节或字无论他是文本的还是图形记时表。* 有着与梯形逻辑编辑器一样简单地进行拖放操作的基于iec 1131-3标准的sfc和结构文本编辑器。 * 梯形逻辑的可存取部分pc5库用于存取访问任意rockwell software的plc-5编程软件。为了更方便的介绍不同的窗口和工具，你应该知道他们包含什么，每一个有什么功能。 * 项目树(project tree)：包含项目中所有的文件夹和文件。用户通常点击树上的图标，然后单击鼠标右键打开该图标的菜单。例如，在程序文件上单击鼠标右键，即可弹出包括诸如重命名程序文件、打开程序文件、隐藏程序文件以及程序文件属性等内容的菜单。 * 梯形图观察窗(ladder view)：在这个应用程序窗口，可以同时观察多个程序文件。梯形图的编辑就在这里进行。 * 结果窗口(results window)：显示find all搜索或检查程序的结果。可以隐藏改窗口或将其从应用程序窗分离出来以便放在屏幕的任何地方。 * 菜单栏(menu bar)：当在菜单栏单击任一选项，从菜单选择的功能就会出现。 * 在线栏(online bar)：迅速让用户知道运行模式及是否处于在线编辑或强制是否有效，甚至还可看到通讯驱动程序以及节点号。 * 标准图标栏(standard icon bar)：标准图标栏包括许多在开发和检查逻辑程序时反复用到的功能图标，当把鼠标移到图标上时，就会出现一个浮动的工具提示窗来告诉用户该图标的作用。 * 指令工具栏(instruction toolbar)：按类型显示一组指令以及类别表。当在指令工具栏内选好指令类别后，在所需的指令上单击鼠标左键，则相应的指令就插入到梯形图程序中。也可以将所需的指令拖放到梯形图的相应位置。 * 状态栏(status bar)：在软件使用过程中，正在进行的状态信息或提示在此显示。74.2 rslogix5的 配置4.2.1 配置系统通信在开始一个新的项目之前做这一步，这样，所建立的设置就会保留在项目中，并且在试图下载任何逻辑程序时起作用。在comms菜单中点击system comms，然后在弹出的system options窗口中点击system communications标签，从该表中选择驱动程序、节点、以及溢出时间等。如果你原来使用过rslogix 5软件并用网络节点来建立通信的话，会有一个简洁的方法。last configured下拉列表框中记载了以前组态过的驱动程序与节点，从其中选择是一个快捷的方法。你还可以登录在rslinx里的who active。这可以来显示通信网络上所有可用的站/节点，当对网络上某些设备的节点号不太确定时，这一功能很有用。4.2.2配置处理器在创建一个新项目时，程序将弹出对话框提示用户输入处理器组态信息，用户在处理器选择对话框内完成处理器组别、型号、系列/版本号、修整，内存容量以及超时等信息。另外还可看到在上一步的组态信息也显示在对话框底部。4.2.3 添加底盘和i/o模块 你可以在系统配置中选择底盘并且 双击项目树上的i/o configuration图标、把模型加到底盘中。在对话框弹出后，在相应的栏目单击鼠标右键，可改变框架、模块类型和模块在框架中的位置。4.2.4 组态通信通道plc-5的处理器有很多型号，不管是哪一种型号的plc-5都有通信通道，这些通道必须经过组态才能使用，在项目树上的controller文件夹上双击channel configuration图标可进入edit channel properties对话框，在对话框中即可进行通信通道的组态。7 4.2.5创建程序和数据这个项目树是点到式方法用来创建新文件或是到达已存在的文件。为了创建一个新文件，右击这个程序和数据文件按钮然后从菜单中选择新的。程序文件包含了控制信息，主梯形图程序，和所有的子程序。数据组文件包含了和外部i/o有关的状态信息并且包含其它在主梯形图和子程序文件中的其它指示信息。另外，这些文件储存控制操作的信息。你也可以用文件来储存必要的文件。4.3 程序中的重要指令指示(1) 块传送指令btr、btw使用块传送指令，可以针对本地或远程i/o框架的一个传送模块(如模拟量模块)一次传出或读回64个字。当阶梯条件为真时，btr指令告知处理器本地或远程i/o框架上的传送模块读出数据，并存储到数据文件中；而btw指令则告知处理器把存储在数据文件中的数据写到指定的本地或远程i/o框架上的传送模块中去。 (2) 计时器指令ton当阶梯条件为真时，ton指令开始累加计时，直至阶梯变假、累加值等于预置值或使用了复位计时器指令。一旦阶梯条件变假，不论计时器是否到时，处理器都复位累加值。 (3) 保持型计时器rto rto指令在阶梯条件为真时开始累加计时，直至累加值达到预置值为止。该指令与ton指令的不同之处在于阶梯变假或处理器断电时不会复位累加值，rto指令会保持上一次的值，直到使用了res指令。(4) 计数器指令ctu每一次阶梯条件由假变真，ctu指令以一个单位增加累加值，当累加值达到预置值时，ctu指令置位完成位dn。计数器内的累加值是保持的，直到被res指令复位为止。(5) 计时器和计数器复位指令res当阶梯条件为真时，执行res指令，使计时器和计数器的累加值复位。(6) 输出锁存指令otl若阶梯条件为真，otl指令使处理器置位某一地址位，然后使该位保持置位。此后即使阶梯条件变假，该位依然保持置位状态，直到使用otu指令。(7) 输出解锁指令otu当阶梯条件为真时，复位由otl指令置位的位。(8) 上升沿一次启动指令osr当阶梯条件由假变真时(上升沿)，执行osr指令，置位输出位，并保持一个扫描周期。(9) 跳转指令jmp和标号指令lbl在含有jmp的阶梯条件为真时，程序跳转到含lbl的阶梯继续执行7 4.4 梯形图程序编程的实现 4.4.1 梯形图程序的结构和程序的执行特点该梯形图程序由几个较为独立的部分组成，这些部分包括：蓄电池的智能管理部分、放电电量的计算部分、均充电量的计算部分、衰老系数的计算部分、温度系数的计算部分、放电容量系数的计算部分、放电时间预测部分、挑选落后电池部分、设置给定电压，电流部分、读取电压，电流值部分、硅堆控制部分以及报警部分等。梯形图程序执行时，不象其它一些程序一样只是从头到尾执行一遍就结束了，而是从头到尾执行一遍后再从头开始执行程序，如此循环执行。了解梯形图程序的执行特点对用梯形图编程有很大好处。 4.4.2 各部分程序的具体编程实现(1) 读数据和写数据程序的开始先使用了一个btr指令和一个btw指令，btr指令用于从远程i/o模块flex i/o中读取动母电压、电池电压、电流以及温度值，btw指令则用于将程序中设定的给定电压、给定电流值写入flex i/o中。这两条指令都是程序每运行一遍就执行一次，因此程序的采样时间就是 程序执行一遍的时间。程序中用一位b3:0/0来控制交流电的通断，这样在蓄电池的定期放电均充时就比较方便。(2) 蓄电池的智能管理程序流程图见图4.2。蓄电池的智能管理部分是这样编程的，蓄电池要每半年放电一次，然后再均充，于是就用一个计时器来计小时，预置值为一小时，然后用两个浮充 是否到半年 放 电 放电是否结束均充均充是否结束否结束是是否是否 图4.2 蓄电池定时充放电的程序流程图计数器，一个计天，一个计半年，计时器和计数器之间是串联的，就是用计时器的完成位去控制计数器，用一个计数器的完成位去控制另一个。当定时时间到后，就切断交流电的控制位b3:0/0来进行放电，并置位相应的位以表示系统正处于这种半年放电的状态。这种状态的优先级最高，无论系统处于均充还是故障放电状态，都要转到半年放电的状态来。当放电至放电终止电压时，不能马上停止放电，因为系统有可能受到干扰而使电压值短时间内低于放电终止电压，应该在电压低于放电终止电压后延时等待一段时间，若电压值仍低于放电终止电压，才认为放电结束。程序中用计时器t4:9延时5秒来实现这一功能。半年放电结束后，复位标志位，并置位半年均充的标志位，开始进行半年均充。首先置位控制位b3:0/0，再将电压值调整到均充电压。当均充至浮充电流时不能立刻停止均充，因为电流有可能受到干扰，应该和放电时一样延时等待一会儿后再停止均充。这里还有一个问题，就是放电时电流为负值，均充时电流为正值，从放电转入均充时电流将从负值逐渐上升到均充电流值，其中必有一段时间电流值低于浮充电流值，若在此时即停止均充，则对蓄电池的均充将不会被实现。因此，在程序中用了一个osr指令，用一个判断，电流值低于浮充电流值来作为osr指令的阶梯条件，电流在上升阶段时低于浮充电流值时不算均充结束，只有在下降阶段时低于浮充电流值才算，也就是判断从真到假时不算，从假到真时才算，而只有当判断由假到真时osr的输出位才置位以表示均充结束，复位半年均充标志位，这样就避免了没有对蓄电池进行均充的现象发生。当电源故障时，置位故障放电位，电源故障时电流为负值，可以用此条件来判断电源故障，为了防止干扰影响判断，同样也要用一个计时器延时等待一段时间后再做判断。当电源恢复正常供电后，要置位均充位，可用电流为正值来进行判断，判断时也要用一个计时器来消除干扰的影响，同时，与半年均充时一样，也要用一个osr指令来判断电流是上升还是下降，只有在电流下降时低于浮充电流值后才停止均充，复位均充标志位。(3) 计算放电电量和均充电量程序流程图见图4.3。无论是半年放电还是故障放电都要计算放电电量，程序中使用梯形积分法来计算放电电量，一分钟进行一次电流采样，然后用本次采样值，即此时的电流值，加上上次的电流值，乘以1分钟，在除以2，即为刚才一分钟内的放电电量，再进行单位变换为ah值，存入变量f8:13中，每算一个f8:13就将其累加到f8:22中，还要将其累加到变量f8:59中，f8:59表示目前蓄电池中存有的电量值，电池刚开始使用时将f8:59的值置为标称容量值，即1.2ah,以后放电时减去放电电量，充电时加上充电电量。再将f8:22移入f8:18中，以备计算衰老系数之用。当放电标志位复位后，停止计算，但只有在系统进入浮充状态时才将f8:22清零以准备下一次的计算，因为放电之后将进行均充，若均充不将电池充满，则放电电量和充电电量没有可比性，若此时即将f8:22清零，则算出的衰老系数将没有意义。无论是半年均充还是故障放电后的均充都要计算充电电量，计算时同样采用梯形积分法，算法与计算放电电量时相似，只是有一点不同，就是将充电电量累加到f8:59时不能直接累加，应将充电电量乘以上一次的衰计时1分钟？否到1分钟读取电流值f8：9(f8:9f8:7)60/2并折算为ah数f8:13将f8:13叠加到f8:22和f8:59中将f8:9移入f8:7中，作为1分钟前的电流值是否 图4.2 计算充放电电量的程序流程图老系数后再累加到f8:59中，因为这样做才能使充电电量与放电电量有可加性。同放电时一样，只有在浮充时才将本次的充电电量值清零。(4) 计算衰老系数只有在浮充开始时才有必要计算衰老系数，计算开始时先将上一次的衰老系数移到f8:58中，以备计算f8:59时使用。再按式3-2用上一次的放电电量值f8:18除以上一次的充电电量值f8:17，即得衰老系数f8:16.(5) 计算温度系数由第3章所述，温度对蓄电池的影响是很大的，按式3-4可计算出蓄电池的温度系数。(6) 计算放电容量系数本次毕业设计所用的powerson蓄电池的使用说明中给出了12个不同电流值所对应的放电时间值，如第3章所述，由这12组数据通过查表插值运算的方法就可以求出在电流允许范围内的任一电流时的放电时间，从而可以求出任一电流值时的容量值，进而可以求出放电容量系数。使用说明中给出的12个电流值中最大的为3.98安，最小的为0.06安，因此，只有在-0.06安到-3.98安(负号代表放电，放电容量系数仅在放电时才需计算)之间的电流值才有效，同时，我们希望在均充和浮充时，这一系数保持上一次放电时的值而不希望它在充电时的值没有一点意义，因此程序中用了一条jmp指令，规定如果超出了这一范围则跳过计算放电容量系数这一段程序，这样不仅使程序对超出范围的电流值不进行计算，而且也可以使充电时的放电容量系数保持原值。这里还有另外一个问题，就是当系统由放电状态转到均充状态时，电流值上升，而我们希望放电容量系数保持原值，而不是随电流值的上升而改变，因为上升阶段的电流值不代表稳定的放电电流。因此，程序中使用了一个计时器t4:6，预置值为1秒，用于存储1秒前的值以和现在的电流值进行比较，当发现现在的电流值比1秒前的值上升了很多时(程序中设定为5ma)，计算式中的电流值就不再改变，这样就可以实现预期的功能。计算放电容量系数时用到的算法是查表插值运算，先将使用说明中给出的12组数据存入两个文件中，电流值存放入f20文件中，对应的时间存放入f21文件中，电流值由小到大排列，而时间则与电流值相对应。查表时，用了一个for循环指令，依次将现在的电流值与表(f20文件)中的各电流值相比，直到发现现在的电流值比表中的一个电流值小而比这个电流值下面的一个电流值大为止，这时跳出循环，并记录查出的电流值在表中的位置。然后用一次插值算法，就是假定查出的这两点之间以直线相连，建立直线方程，再由现在的电流值f8:40计算出相应的放电时间f8:46，再用f8:40乘以f8:46就得到对应于现在的放电电流的容量值f8:47，最后用f8:47除以标称容量f8:48(1.2ah)，就得到了放电容量系数f8:21。(7) 计算目前的放电时间算出了衰老系数、温度系数、放电容量系数和目前蓄电池的电量值后，就可以由第3章的公式3-5来计算目前蓄电池组的可放电时间了。(8) 由最近5次的容量值拟合出一条直线，求出衰变速率程序中用f22文件存放最近5次的容量的ln值，并用f23文件存放对应的时间(天)，每当系统开始浮充时，就表明此时蓄电池组已经充满电，f8:59值就是蓄电池目前的容量