基于大PLC大型电力变压器冷却控制的研究毕业论文

1、毕业论文基于PLC大型电力变压器冷却控制的研究第一章 引言电力变压器是发电厂和变电所的最重要设备之一。随着电力系统规模的不断扩大和电压等级的提高，在电能输送过程中，电压转换层次有增多的趋势，要求系统中的变压器总量己由过去的57倍发电总容量，增加到910倍发电总容量。因此，变压器能否正常运行对于电力系统的安全稳定运行起着至关重要的作用。变压器的效率虽然很高，但系统中每年变压器总的电能耗仍然是一个相当大的数目。变压器的损耗主要是铜耗和铁耗，而这些损耗最终均转化为热量，从而使变压器的油温和铁心温度升高。变压器的铜耗和铁耗产生的热量主要以传导和对流的方式向外扩散，变压器运行时，各部分的温度分布极不均匀

2、。分析与测试均表明，变压器产生的热量80%以上集中于绕组和铁心，它直接影响着变压器的出力。通过计算以与运行实践证明，变压器最热点温度维持在98以下时，变压器能获得正常使用年限(2030年)。根据研究，变压器绕组每升高6，使用年限将缩短一半，此即所谓的绝缘老化6规则 1 。可见，温度对变压器的使用寿命有着至关重要的影响。分析与计算表明，变压器损耗的增加与其额定容量的3/4次方成比例，而冷却表面的增加只与额定容量的1/2次方成比例。可见，变压器的容量越大，其散热问题就越突出。因此，如何使变压器最大限度地散热，是变压器生产厂家的重要课题，也是电力部门在生产运行中需要特别关注的问题。因此要对变压器进行

3、冷却控制3。1.1 论文的背景和意义在输变电系统中，变压器是实现电能转换的最基本、最重要的设备，对供电可靠性有着重大的影响。变压器在运行中是有损耗的，一种是空载损耗，它与负荷大小无关;另一种是负载损耗，与负载电流的平方成正比。变压器运行中产生的损耗将转换为热量散发出来，使变压器绕组、铁芯和变压器油温上升。变压器的温升影响它的带负荷能力，同时会加速变压器绕组和铁芯所采用绝缘材料的老化，影响它的使用寿命。变压器运行中所带负荷随时都在发生变化，这将使变压器的损耗也随之发生变化，从而造成变压器油温的变化；同时不管是一年四季环境气温的变化，还是每天昼夜气温的变化，也都造成了变压器油温的变化。为了保证变压

4、器安全，稳定，经济的运行，要随时检测变压器的油温并由冷却控制装置控制冷却器组运行来控制变压器油温的变化，使其油温维持在一个固定的围。但目前大型电力变压器的冷却控制仍然主要采用传统的继电式控制方式，这种控制方式存在许多弊端：控制回路接线复杂、可靠性差、故障率较高、维护工作量大，造成冷却器运行不均衡，影响冷却器组使用寿命，同时不利于节能；变压器负荷波动较大造成变压器油温变化时，因采用温度硬触点控制，造成冷却器组频繁启停，降低了冷却器组的使用寿命,同时加重了油流带电现象；不能对冷却器风扇、油泵电动机提供完善的保护。继电式控制装置因控制系统故障而使变压器冷却系统带病运行，严重地影响了变压器的可靠运行，

5、已不适应于现如今电网的发展。本课题针对存在的问题提出并研制了基于PLC的大型变压器冷却控制装置4。PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、功能强大、智能化等优点，采用PLC实现变压器冷却装置的控制，可以实现对变压器油温的精确控制；控制功能通过编程实现，极大的简化了系统接线，提高了装置本身的可靠性；完善了对冷却器的保护和控制，提高了它的可靠性和工作寿命；此外还可以通过通信实现远方监视冷却系统运行。随着对电网安全可靠运行要求的不断提高，本文提出的基于PLC的大型变压器冷却控制装置的研制，对变压器与电网安全、可靠运行有重要意义和实用价值26。1.2 冷却控制装置研究现状目前国运行的电力变压器冷却与其控制装

6、置现状的分析和研究。文献分析了我国大型电力变压器冷却装置配置情况、运行特点和对变压器运行的影响，电力负荷变化和环境气温变化造成的变压器运行中温度变化和对变压器运行影响的分析。强迫油循环风冷变压器电源自投切换回路运行的分析，并针对缺陷提出了具体的改造措施，为冷却装置的可靠供电提供了保障。有文献提出了单负载双电源切换控制与缺相保护控制电路和双负载双电源切换控制电路的原理和实现方法，对冷却控制装置电源控制部分的设计提供了借鉴。强迫油循环风冷变压器油流带电问题的研究9。从试验的角度对变压器局部放电现象进行相关试验并测量结果，从试验结果上对油流带电现象进行了分析和探讨，并提出了一些预防与改善油流带电现象

7、的措施。从理论角度分析变压器油流带电产生的原理，并对影响油流带电的因素和产生条件进行了分析，同时也提出了一些预防与改善油流带电现象的措施。针对继电式控制装置存在的问题和设计上存在的缺陷很多文献针对具体故障分析故障原因，提出了具体的改造措施和方案，在运行中取得了一定的效果。由于继电设备自身的局限问题，改造不能大幅度提高控制装置的安全可靠性和实现先进的功能和控制策略，但文献提出的冷却控制装置的问题和改造思路、方案对设计开发具有指导意义10。第二章 变压器的冷却方式与控制系统运行分析2.1 变压器风冷控制策略变压器的使用寿命主要取决于其绝缘介质的绝缘强度，而绝缘介质的绝缘强度在长期运行过程中受物理和

8、化学作用的影响会出现绝缘老化。这种绝缘老化受温度、湿度、氧气和油中劣化物的影响，其中温度是促成绝缘老化的直接和主要原因，变压器运行温度越高，则绝缘老化速度就越快8。研究表明，对于采用A级绝缘的变压器，当最热点温度为98时，变压器能获得正常预期寿命2030年，而温度每升高6，则变压器寿命缩短一半，此即所谓的绝缘老化6规则。根据绝缘老化6规则，如维持变压器绕组热点温度在98，可以获得正常预期寿命。实际上绕组温度受气温和负荷波动的影响，变化围很大，如果将绕组最高允许温度规定为98，则大部分时间，绕组温度达不到此值，亦即变压器的负荷能力未得到充分利用。反之，如果不规定变压器的最高容许温度，或者将该值规

9、定过高，则变压器又可能达不到正常的预期寿命。工程上是利用等值老化原则来解决这一问题的，即在一部分运行时间，根据运行要求，允许绕组温度大于98，而在另一部分时间使绕组温度小于98。只要使变压器在温度较高的时间所多损失的寿命，与变压器在温度较低时间所少损失的寿命相互补偿，则变压器的预期寿命可以和恒温98运行时的寿命等值。变压器运行时，其发热部分为绕组和铁芯，因而在变压器各部分中，绕组和铁芯温度是最高的。铁芯温度高于绕组温度，而在高度方向的50%以上，绕组温度高于铁芯温度，且绕组最热点温度高于铁芯最热点温度，因此，变压器运行规程上规定绕组最热点温度不得越限。国标GB1094-71中规定A级绝缘的变压

10、器其绕组对空气的温升是65，而最高环境温度为40，则绕组最热点的温度限值为65+40=105。如果绕组温度保持在105，则根据6规则其使用寿命将降低一倍还多。但这是变压器的极限温度，由于环境温度一般小于40，所以变压器工作在105的时间是很少的，根据等值老化原则，这时不应当限负荷。通过上述分析可知，变压器的散热问题直接影响到变压器的负荷能力和使用寿命，如何有效地对变压器实施风冷控制，以保证绕组热点温度不超过规定值是一个非常重要的问题。对于自然油循环风冷变压器而言，绕组散热是借助于变压器油的循环而实现的，从温度测量方面看，绕组温度不易测量，工程上都是采用测量油温的方法，因此，根据油温进行风冷控制

11、是一个很自然的思路，即当油温较高时，控制冷却风扇开启，而当油温较低时，控制冷却风扇退出7。2.2 变压器的冷却方式主要有自然油循环自冷、自然油循环风冷、强迫油循环风冷和强迫油循环水冷四种散热方式8。第一种冷却方式主要是小型配电变压器采用，不涉与风冷控制问题。第四种冷却方式只在个别大型变压器上采用，目前供电局尚无此种冷却方式的变压器。第二、三种冷却方式是变电站广泛采用的散热方式。自然油循环风冷散热方式是利用变压器绕组与铁心发热后，本体的油形成对流，油流经散热器后，由冷却风扇吹出的风将热量带走，从而达到散热的目的，这种冷却方式主要用于中小型变压器。强迫油循环风冷散热方式通过油泵的作用，使变压器的油

12、被迫快速循环，在油流经散热器时，由冷却风扇吹出的风将热量带走，这种冷却方式主要用于大中型变压器，它是在油浸自冷式的基础上，在油箱壁或散热管上加装风扇，利用吹风机帮助冷却。加装风冷后可使变压器的容量增加30%35%。强迫油循环冷却方式，它是把变压器中的油，利用油泵打入油冷却器后再复回油箱。油冷却器做成容易散热的特殊形状，利用风扇吹风或循环水作冷却介质，把热量带走。这种方式若把油的循环速度比自然对流时提高3倍，则变压器可增加容量30%,因此采用强迫油循环冷却方式对大型电力变压器进行冷却控制。2.2.1强油循环风冷主变压器提出了一种以AT89C51单片机和固态继电器SSR为主要控制器件的强油循环风冷

13、变压器冷却系统自动控制装置的原理和实现方法8。装置以变压器负荷、油面温度结合的控制策略，进行冷却器的投切控制，以冷却器组累积运行时间基本均衡为原则进行循环投切。介绍了自动投切功能模块的软件设计和通讯模块软件设计。装置还具有保护、故障定位、信息显示、通讯等功。能试验运行表明，该装置运行可靠，控制准确，具有显著节能、延长设备寿命效果40。2.2.2 强油循环风冷却器与控制器的结构和工作原理9冷却系统是变压器的重要组成部分，它的工作保证了变压器各部分的温度保持在规定值以。强迫油循环风冷却系统由风冷却器和风冷控制控制装置两部分组成，下面就对冷却系统这两部分的工作原理与我国运行大型变压器冷却装置的配置和

14、特点进行分析和介绍。2.3 现行大型变压器冷却装置的配置和缺陷目前我国大型电力变压器冷却装置的配置情况是：根据变压器容量的大小，配置数组强油风冷却器，每组风冷却器由1台油泵和34台风扇组成。运行中为满足变压器的各种运行工况，一般要求冷却器1台备用（运行冷却器故障时可自动投入运行）、1台辅助（变压器负荷电流大于70额定电流或变压器顶层油温高于某一定值时自动投入运行）、其余所有冷却器全部投入运行10。上述的冷却装置配置有其不尽人意的地方，在夏季高温天气时，变压器满负荷运行，变压器冷却装置全部投入，但其上层油温仍高达70左右。但在夜间尤其是在暴雨过后的夜间，因负荷和气温骤降，虽然已将变压器辅助冷却器

15、停运，但变压器油温仍降至30以下，也就是油温的变化幅度超过了环境温度的变化。在冬季负荷较低或特别寒冷的季节，因油温过低，不得不对其进行加油，这对变压器的安全运行和寿命将十分不利，这些都对变压器的运行和寿命产生不利影响，反映出现行配置的变压器冷却装置存在的设计和使用上的缺陷10。2.4 风冷却器控制线路存在的问题现在运行的继电式控制系统由于受所采用器件的约束、在设计和控制策略方面不够完善，因此主变压器经常因风冷控制系统故障而带病运行，严重地影响电网可靠运行。通过分析主要存在以下不足9：a.控制装置的控制功能通过接线连接各种继电器、接触器和其他器件实现，控制装置的线路复杂、接点接线较多，导致控制装

16、置可靠性低、故障率高，维护工作量大。b.控制装置的机电逻辑电路是由各种继电器来完成的，而继电器常会出现线圈烧毁或接点烧死等故障，可靠性差，造成控制系统的可靠性不高。c.变压器负荷波动引起辅助冷却器频繁启动。当主变负荷在某一围波动时，测量主变负荷的电流继电器或测量变压器油温的温度继电器会频繁动作，将导致辅助冷却器频繁地启停。如果辅助冷却器的油泵、风扇电机启动过于频繁,还会进一步导致热继电器动作，从而使辅助冷却器退出运行，这样会缩短冷却器电气设备的使用寿命。同时，冷却器组的频繁启停还会加重变压器油流带电现象。d.冷却器组设定的运行、辅助、备用和停止4种固定状态不能在线调整。不能在线调整冷却器组的状

17、态，将导致某些冷却器组长期处于工作状态，使冷却器组尤其是油泵和风扇电机过疲劳运行，这对于冷却器组的使用寿命和安全运行十分不利14。e.冷却器在投入时不能分时分批投入，一方面造成启动电流过大，另一方面多个潜油泵突然启动会加重变压器油流带电现象。f.装置的电动机缺相和过载保护由热继电器完成，保护功能不可靠，运行中因电动机过载和缺相而使电动机烧毁的情况经常发生。g.冷却器控制回路存在设计缺陷。有些文献提到的冷却控制装置运行中存在的设计缺陷：工作冷却器的空气开关跳开后不能启动备用冷却器；工作电源交流接触器失磁造成主变开关跳闸；更换接触器和空气开关时易造成短路等9。2.5 大型油冷变压器发热和散热计算引

18、起变压器运行中整体温度变化的原因主要有变压器的损耗和环境气温的影响。变压器投入运行后会产生损耗:一种是空载损耗、另一种是负载损耗，变压器的损耗转换为热量以对流、辐射的形式散发出来。本节对变压器损耗、散热进行计算、分析6。2.5.1 变压器损耗计算变压器损耗包括变压器的空载损耗和负载损耗。变压器空载损耗在变压器投运后就一直存在，不随变压器所带负载的大小变化；负载损耗则随变压器所带负荷的大小而改变，与负荷电流的平方成正比，变压器总损耗在不同负载时的计算公式为 （2-1）设变压器的额定负载电流为，则在额定负载电流下的变压器额定负载损耗的计算公式为： （2-2）空载损耗和额定负载损耗在变压器铭牌中给出

19、由公式（2-1）、（2-2）可得负载电流为时变压器损耗的计算公式为： （2-3）变压器损耗将转变为热量向外发散，从而引起变压器发热和变压器油温升高。随着变压器温度的升高，它们对周围介质就有一定的温度差，从而将一部分热量传结局围介质5。第三章 冷却控制装置的功能和控制方法3.1 电力变压器运行规程中关于冷却控制的规定在变压器冷却控制装置的设计中参考了电力变压器运行规程（DL/T 572-95）中关于强迫油循环电力变压器冷却装置与运行条件的规定，规定如下：3.1.1 对变压器的冷却装置的要求13a.要求油浸式变压器本体的冷却装置、温度测量装置等应符合GB6451的要求。b.按制造厂的规定安装全部冷

20、却装置。c.强油循环的冷却系统必须有两个独立的工作电源并能自动切换。当工作电源发生故障时，应自动投入备用电源并发出音响或灯光信号。d.强油循环变压器，当切除故障冷却器时应发出音响或灯光信号，并自动(水冷的可手动)投入备用冷却器。e.风扇、水泵与油泵的附属电动机应有过负荷、短路与断相保护；应有监视油泵电机旋转方向的装置7。f.强油循环冷却的变压器，应按温度和(或)负载控制冷却器的投切。3.1.2 变压器温度限值强迫油循环变压器顶层油温一般不应超过表3.1的规定(制造厂有规定的按制造厂规定)。当冷却介质温度较低时，顶层油温也相应降低30。表3.1油浸式变压器顶层油温一般限值Table 3.1 Th

21、e oil bath type transformer top layer tours the warm general limiting value冷却方式冷却介质最高温度最高顶层油温强迫油循环风40853.2 变压器冷却控制装置的功能设计通过对大型变压器强迫油循环风冷却控制系统的分析，结合电力变压器运行规程的要求和电力系统自动化设备的发展趋势，本论文设计完成的变压器冷却控制装置可完成的功能如下13：1冷却控制装置能控制两路独立电源为冷却装置供电，可由开关选择一路电源为“主”电源，一路为“辅”电源。“主”电源故障后冷却控制装置能发出“电源故障”信号并投入“辅”电源，保证了冷却装置供电的可靠性

22、；两路电源都发生故障，能发出“装置失电”信号，并能够将全部风冷却器切除。2变压器高、中、低三侧开关全部断开，经过一段时间的延时使变压器完全冷却后所有风冷却器自动停运；变压器三侧开关任一侧开关闭合时，冷却控制装置按需要自动投运风冷却器。3冷却控制装置能控制8组风冷却器，取消了固定运行方式的工作模式，装置能按变压器油温自动、依次投入相应台数的冷却器，变压器负荷和环境温度变化，油温能始终维持在一个稳定的温度围；冷却器按温度依次投入,防止了冲击电流的产生，同时可以预防或改善油流带电现象。4冷却控制装置在产生投、切决策时采用有差值裕度投、切阀值的控制策略，可以有效的避免冷却器组频繁投切的问题。5冷却控制

23、装置投入后，计时冷却器投入工作后的持续运行时间并能自动累积冷却器的工作时间（持续工作时间的和）即累积运行时间，在需要投入时投入累积运行时间最短的冷却器，在需要切除时切除持续运行时间最长的冷却器，使冷却器组均衡工作，提高了冷却器组的工作可靠性和使用寿命。6湿热季节，由凝露温度监控器监视环境温度、湿度，并能根据湿度情况和湿度持续时间情况将全部风冷却器投入，避免冷却器机械部分受潮腐蚀，以保证需要时能正常投运。7冷却控制装置能检测冷却器的风扇和潜油泵电动机发生的缺相、堵转、短路、过载故障并提供保护。8冷却控制装置能检测每组冷却器的风扇和潜油泵电动机故障、油路故障与控制冷却器投切的接触器故障，如有故障发

24、生控制装置自动将该组冷却器切除，发出故障与报警信号；故障消除，可以手动复位故障信号。9风冷却器全停时，能发出报警信号，并允许带额定负载运行20分钟，如20分钟后顶层油温尚未达到75，则允许上升到75，但这种状态下运行时间超过1小时后，将变压器高、中、低三侧开关跳闸，变压器停运。10冷却控制装置可以通过串行口与上位计算机通信，将变压器的部分运行信息、冷却与控制装置的运行信息、故障信息传送到上位机，实现远方监视功能。11冷却控制装置能在显示控制面板显示冷却与控制装置运行中的各种信息，包括电源运行、故障，风冷却器运行、故障，接触器故障信号；同时可以选择手动操作，以手动方式投、切冷却器组。12当温度达

25、到一定数值时，自动接通控制箱的风扇散热装置，保证设备部温度满足要求；湿度达到一定值时，启动控制箱的加热装置，防止装置箱体凝露的产生21。3.3 冷却控制装置功能模块设计20本文设计的变压器冷却控制装置的核心是PLC，装置的大多数功能通过可编程序控制器来实现，根据冷却控制装置的功能设计，以PLC为核心，整个控制装置主要设计4个功能模块组成，如图3.2所示图3.2 冷却控制装置功能块框图Fig.3.2 Cooling control device function block diagram block diagram变压器冷却控制装置的控制功能通过电源监视控制、冷却器投切保护、凝露温度监控、就地

26、控制与显示、通讯、上位计算机监视六个功能模块实现，功能模块的实现方法和作用简要介绍如下22：1电源监视控制模块。模块通过小型电压继电器监视两路独立电源的状态（两路独立电源为冷却装置供电），判断电源是否缺相，由两个断路器控制电源的投切；将两路电源的故障信号和断路器辅助节点所反映的电源工作状态信号送入可编程序控制器，经可编程序控制器综合判断产生控制电源投切的控制命令，由断路器执行电源投切动作。2冷却器投切保护模块。模块采用交流接触器控制冷却器的投入和切除，自动空气开关和电动机保护器配合实现对风扇和潜油泵电动机的短路、过载、堵转和缺相保护。可编程序控制器采集变压器温度信号、运行状态信号、油流继电器反

27、映的冷却器油流状态信号、反映电动机故障状态的空气开关状态信号和交流接触器状态信号，由可编程序控制器根据送入的这些信号进行电动机、油流和接触器故障的判断和定位并产生投切冷却器的控制命令，由交流接触器执行投切动作。3凝露温度监控模块。模块采用凝露温度监控器对环境的温度、湿度进行实时监控，当湿度达到设定值后其凝露负载输出接通，信号送到可编程序控制器，由控制器决策定时投运全部风冷却器；同时湿度达到设定值时控制装置能启动冷却控制装置箱体的加热装置，为控制装置箱体除湿；温度达到设定值时启动装置箱体风扇，给控制装置散热。4通讯模块。通讯模块通过PLC上的RS485口经串口长线延长器与远方的上位计算机通信，定

28、期的将变压器、冷却器和冷却控制装置的运行信息、故障信息通过串口传送到上位计算机。第四章 冷却控制装置的硬件设计变压器冷却器控制装置要用到诸如可编程序控制器、凝露温度监控器、接触器等电气元件，本章我们介绍冷却控制装置设计中用到的主要电气元件与其在控制装置中的应用，装置的电气连接。4.1 电气元件与在装置中的应用4.1.1 电动机保护器变压器冷却控制装置采用GDH系列电动机保护器与自动空气开关组合实现对电动机的缺相、过负荷、堵转和短路保护。GDH系列电动机保护器集缺相、过流、堵转保护为一体，具有工作灵敏可靠、安装方便、故障率低等优点，是替代热继电器实现电动机保护的理想换代产品28。4.1.2 凝露

29、温度监控器凝露温度监控器是监视工作环境湿度、温度，当湿度、温度达到设定值能启动用户连接的凝露负载和控温负载的一种自动化工业仪器10。我们设计的冷却控制装置采用LWKD2（TH）型凝露温度监控器，它具有两个相对独立的工作单元：凝露控制单元一个，温度控制单元一个。可对环境的温度湿度进行实时控制，自动起动负载，保证温度指标符合工作标准，同时具有体积小、安全性高、外形美观、加热效率高、加热效果好、防潮、防凝露和低温加热性能优越的特点。电气连接如图4.1所示：图4.1 凝露温度监控器电气图Fig.4.1 Congeals the dew temperature monitor electricity c

30、hart安装方式：(1)基座式：将8芯继电器座固定在35mm导轨或通过安装螺孔直接固定在安装板上。(2)嵌入式：在安装面板上开具450.5×450.5mm2孔，通过安装支架将控制器固定在面板上凝露温度监控器的端子1、2连接温度传感器，5、6连接凝露传感器，3、4连接控温负载，7、8连接凝露负载，11、12连接交流220V电源。LWKD2（TH）型凝露温度监控器的工作原理是：监控器通过凝露传感器和温度传感器对工作环境的湿度、温度等指标长期自动检测、采样；当工作环境有凝露产生的可能时，能自动判断并瞬间启动凝露负载；工作环境温度高于设定温度值时，相应的控温负载也将开启；环境温湿度低于设定要

31、求时才停止工作，重新进入监控状态，如此自动循环。在冷却控制装置中凝露温度监控器监视环境的温度、湿度，有凝露产生的可能时，启动装置箱体的加热装置，同时将“凝露”信号送到PLC用于判断启动冷却器；当温度超过设定值，将装置箱风扇启动，为控制装置散热。4.2 可编程序控制器在以可编程序控制器为核心的变压器冷却控制装置中，输入、输出通过可编程序控制器连接起来，构成完整的控制系统。输入为可编程序控制器提供完成控制功能所必须的数字量、模拟量；可编程序控制器采样输入，执行编制的程序，根据程序设计对所采集信息进行综合分析、判断并作出决策，产生数字量、模拟量输出，驱动执行器件，完成控制功能。4.2.1 可编程序控

32、制器的输入输出根据变压器冷却控制装置的功能设计和结构设计，同时结合冷却控制装置的设备选型，可以确定可编程序控制器输入/输出的来源或者去向与输入/输出的性质和数量，如表4.1所示。表4.1可编程序控制器的输入输出Table 4.1 Programmable controller's input output表4.1中给出了可编程序控制器的输入/输出名称，输入来源和输出去向以与输入/输出的性质与数量，从表可知可编程序控制器共有36路数字量输入和23路数字量输出。输入/输出性质与点数的确定非常重要，成为可编程序控制器选型的一项重要指标，可编程序控制器连同其输入/输出模块必须满足输入/输出点数

33、的要求34。4.2.2 可编程序控制器的选择35根据变压器冷却控制装置对可编程序控制器控制功能、输入/输出性质与点数，存储容量的要求，综合考虑性能、可靠性、价格等方面的因素，我们选用西门子S7200型PLC作为冷却控制装置的控制器。可编程序控制器的选型，主要从以下几个方面考虑:(1)控制功能。所选择PLC能最大限度的满足控制系统的控制功能是选择PLC时首先考虑的问题。S7-200型PLC代替了很多定时器、计数器、继电器所实现的功能，该PLC具有位逻辑、计数、定时、移位循环、比较、数字运算等指令，同时支持子程序和中断，能通过串口完成通讯，在控制功能方面，S7-200型PLC能满足冷却控制装置的功

34、能需求37。(2)输入/输出性质与点数要求。我们选用CPU224（14数字输入/10继电器输出），CPU有部电源可以为CPU自身，扩展模块和其他用电设备提供5V和24V直流电源。同时采用如下扩展模块，EM221（16路数字输入），EM222（8继电器输出），EM223（8数字输入/8继电器输出），共38路数字量输入和26路输出。扩展模块通过与CPU连接的总线连接电缆取得5V直流电源。不同规格的CPU提供的电源容量不同，需要根据实际应用就电源容量进行规划计算，如表4.2所示：表4.2 PLC电源计算Table 4.2 Power source computation从表中电源计算可以看出，装置需

35、要额外提供24V直流电源，需加装直流电源后系统才能正常工作。在输入/输出性质与点数要求方面，采用上面提到的CPU和扩展模块能满足装置的要求。(3)存储容量。CPU224具有8192字节的程序存储器和5120字节的数据存储区，能满足程序编写对存储容量的要求。(4)从电源和带负载能力方面考虑。S7200型PLC适合运行于额定电压为120220V交流电源的场合，在变电站能提供220V交流电源；输出为继电器输出，继电器触点的电位对电源和输入是隔离的，可以将各种不同的负载连接到继电器输出。S7200型PLC满足了电源和带负载能力的要求。(5)安全可靠性方面。变压器冷却控制装置安装地点电磁环境复杂，对设备

36、的安全可靠性提出了更高的要求。所选择的PLC在满足前文所述指标的前提下，安全可靠性问题是我们最关注的，因为冷却控制装置能否可靠运行将直接影响变压器的可靠运行。西门子S7-200型PLC具有较强的抗振性，与很强的电磁兼容性（EMC），并完全符合各项工业标准，能够应用于各种气候条件。使用简单方便，并且模块不需要太多的附件和放置空间，使得控制柜的体积变得更小；不易于磨损，节省维护费用；编程十分简单，此外S7200型PLC价格相对较低，降低了控制装置的成本。我们综合考虑控制功能、存储容量和输入/输出点数、电源和带负载能力、安全可靠性方面与安装使用等各个方面，选用S7200型PLC作为控制装置的控制器，

37、能从各个方面满足我们的控制要求。4.3 装置电气连接4.3.1 电源监控和凝露温度监控部分电气接线40冷却系统由两路电源供电，可以通过开关选择一路为“主”电源，一路为“辅”电源，电源监视控制部分的作用是，监视两路电源的状态，并将电源状态信号送入可编程序控制器；同时接受可编程序控制器的控制命令，通过断路器动作选择一路电源为装置供电。凝露温度监控器可以实时监视环境的温度、湿度，条件达到时可以启动凝露负载、温度负载，对可能产生的凝露、超温情况采取应对措施14。电源监控和凝露温度监控部分电气接线原理如图4.2所示：在图4.2所示线路中，小型电压继电器1YJ、2YJ、3YJ的线圈分别连接电源1的三相X1

38、、X2和X3负责监视电源1的状态，三个电压继电器的常开触点串联后连接中间继电器1ZJ的励磁线圈。电源各相均正常时小型继电器1YJ、2YJ和3YJ的常开触点都闭合，中间继电器1ZJ的线圈励磁，1ZJ常开触点闭合；1ZJ的常开触点连接可编程序控制的输入端，送入电源状态信号。小型电压继电器4YJ、5YJ、6YJ和中间继电器2ZJ的配合实现对电源2的监视，接线和工作原理与电源1的监视电路类似。图4.2 电源监视控制接线图Fig.4.2 Power source supervisory control wiring diagram中间继电器1ZJ的触点负责为断路器和凝露温度监控器提供电源，当电源1正常时

39、，1ZJ的常开触点闭合，常闭触点打开，由电源1为断路器和凝露温度监控器的工作提供电源；当电源1非正常时，1ZJ的常开触点打开，常闭触点闭合，由电源2为断路器和凝露温度监控器供电。断路器可执行可编程序控制器输出的电源选择控制指令，为冷却器组与控制装置选择一路电源。接触器的A4为“分闸”输入，A2为“合闸”输入，“分闸”输入具有更高的优先级，即两输入端都为有效状态时，断路器优先执行“分闸”动作。接触器的主触头分别连接两电源和变压器冷却装置的电源进线，输入端连接可编程序控制器的输出和断路器常闭辅助触点的组合。图中Q3.4为控制1JC的“合闸”信号，Q3.5为控制1JC的“合闸”信号，Q3.6为控制1

40、JC和2JC的“分闸”信号。2JC的常闭辅助触点和Q3.4串联接入1JC的“合”输入端可以防止两电源同时投入，因为2JC处于“合闸”状态时，电源2供电，其常闭辅助触点打开，1JC的“合闸”输入端处于无信号的状态，电源2不能投入。同理1JC的常闭辅助触点和Q3.5串联接入2JC的“合闸”输入端可以防止电源同时投入的情况发生。凝露温监控器的工作原理已经介绍过。图中ch11为温度传感器，ch12为湿度传感器；WCG为冷却控制装置箱体的加热装置。3ZJ为中间继电器的励磁线圈，WCG和3ZJ连接到凝露温度监控器的“凝露负载”输出；D为风冷控制装置箱体的风扇电动机，连接到凝露温度监控器的“温度负载”输出；

41、id为冷却控制装置箱体的照明装置，一端连冷却控制装置的电源，N连接控制装置电源的中线41。中间继电器3ZJ的励磁线圈连接到凝露监控器的“凝露负载”输出，当环境湿度达到设定值时，“凝露负载”输出接通，中间继电器3ZJ励磁，其常开触点连接到可编程序控制器的输入，为可编程序控制器提供凝露信号。冷却控制装置箱体的加热装置WCG连接凝露监控器的“凝露负载”输出，当环境湿度达到设定值时，凝露负载接通，加热装置启动为控制装置除湿，保证冷却控制装置的可靠工作。冷却控制装置箱体的风扇连接到凝露控制器的“温度负载”输出，为了保证冷却控制装置的可靠工作，当环境温度达到设定值时，温度负载将被接通，风扇投入运转为冷却控

42、制装置散热。冷却控制箱体的照明装置id通过开关K连接到电源，装置箱体开启开关K闭合，照明装置点亮；箱体关闭照明装置熄灭。4.3.2 冷却器电动机保护控制电气接线文设计的冷却控制装置可以控制8组冷却器，每组冷却器由3个风扇和1个潜油泵组成。冷却器保护控制部分可以为冷却器风扇电动机和潜油泵电动机提供过载、堵转和缺相保护，并接受可编程序控制器的输出指令，投/切冷却器组。每组冷却器保护控制的接线是一样的，这里我们只绘出了一组冷却器保护控制的电气接线原理图，如图4.3所示：图4.3 冷却器保护控制接线图Fig.4.3 Chiller protection control wiring图4.3所示线路中，

43、1FS2、1FS4为一组冷却器中风扇电动机的电动机保护器（一个风扇1FS3未画出），1FS1为潜油泵电动机保护器，1FS1、1FS2、1FS3、1FS4分别串接在冷却装置电源和冷却器风扇电动机和潜油泵电动机之间。当电动机发生过载、短路和缺相故障时，与之连接的电机保护器的辅助触点闭合；1ZK为自动空气开关，风扇电动机保护器1FS1、1FS2、1FS3和潜油泵电动机保护器1FS4的辅助触点并联后连接到空气开关1ZK的励磁线圈，当任一电机出现故障时与之相连的电机保护器的输出触点闭合，将使空气开关1ZK的线圈励磁，使空气开关动作。1BC为控制风冷却器投/切的接触器，它的励磁线圈连接可编程序控制器的输出

44、，可以接受可编程序控制器的控制指令，控制冷却器投切40。转换开关用于选择是“手动”、“自动”投入冷却器或处于“停止”状态。端子连接以第一组端子为例，处于“自动”状态端子1、2接通，处于“手动”操作状态端子3、4接通。端子25、26、27、28连接在控制电源投切线路中。其余左侧端子分别连接交流和直流电源如图所示；右侧端子2、6、10连接PLC控制接触器输出电源侧，端子3、7、11连接手动控制冷却器按钮；30连接PLC的“自动”输入，31连接PLC的“手动”输入；剩余的右侧端子连接PLC的故障输出电源侧。4.3.3.1 可编程序控制器的输入输出连接变压器冷却控制装置的核心PLC由一个CPU模块CP

45、U224（14数字输入/10继电输出），三个输入输出扩展模块，EM221（16路数字输入），EM222（8继电器输出），EM223（8数字输入/8继电器输出）组成，PLC从输入端子采集信号，从输出端子输出控制信号，模块的输入输出连接如下。4.3.3.2 CPU224的输入输出连接可编程序控制器的CPU模块CPU224是整个装置的核心，所有的程序和数据都在CPU模块存储，控制功能和控制决策由CPU模块运行做出，CPU224有14个24V数字直流输入和10个继电器输出，CPU224输入输出连接如图44所示：220V交流电源通过电源输入（L1，N）送入该模块，模块还可以向外提供24V直流电源，从电源

46、输出（L，M）引出。输入I0.0和I0.1连接转换开关，分别表示“自动”、“手动”操作，转换开关在“手动”位置时I0.0将有效，转换开关在“手动”位置时I0.1将有效。输入I0.2I0.6分别连接电源“主”、“辅”选择开关、中间继电器1ZJ和2ZJ的常开触点、断路器1JC和2JC的辅助触点。开关1KG闭合，表示选择1电源作为“主”电源；中间继电器1ZJ、2ZJ闭合时，I0.3、I0.4将分别有效，表示1路、2路电源处于正常状态；1JC、2JC接通，其辅助触点闭合，分别表示1路、2路电源投入。图4.4 CPU224输入输出连接Fig.4.4 CPU224 input outgoing junct

47、ion变压器三侧开关DL1、DL2、DL3的辅助触点串联作为I0.7输入。变压器三侧开关全部打开，辅助触点DL1、DL2、DL3全部闭合，该输入为有信号状态，表示三侧开关全部打开。输入I1.0、I1.1、I1.2分别连接3个温度继电器1WJ、2WJ、3WJ的常开触点，指示变压器的顶层油温，其中温度继电器1WJ整定为切除冷却器温度阈值，温度继电器2WJ整定为投入冷却器温度阈值，温度继电器3WJ整定为“告警”温度。输入I1.3连接中间继电器3ZJ的一个触点，中间继电器3ZJ的励磁线圈连接凝露监控器的凝露负载，当凝露温度监控器判断发生凝露时，线圈励磁，将凝露信号通过该输入端送到PLC。1L、2L、3

48、L分别连接到转换开关的1X31、2X31和3X31，处于“自动”操作模式时分别为输出Q0.0Q0.3、Q0.4Q0.6、Q0.7Q1.1提供电源。Q0.0Q0.7这8路输出分别连接控制8路控制冷却器投切接触器的励磁线圈的一端，励磁线圈的另一端连接到中线。接触器励磁线圈的电源端通过开关还连接转换开关的1X41、2X41和3X41，处于“手动”操作模式下，为励磁线圈提供电源，可以通过按钮开关手动的投切冷却器。Q0.0Q0.7还连接信号指示灯，当输出有信号时，将接触器线圈励磁，接触器动作其常开触点闭合，将一组风冷却器投入运行同时点亮风冷却器投入指示灯28。4.3.3.3 EM223的输入输出连接扩展

49、模块EM223的主要作用是扩展CPU模块的输入输出，它有8个24V直流数字输入，8个继电器输出，输入输出连接如图4.5所示：图4.5 EM223输入输出连接Fig.4.5 EM223 input outgoing junction模块的1M和2M端接地，L连接CPU224模块的24V直流电源输出，一方面为输入I2.0I2.7提供电源，另一方面为继电器输出Q2.0Q2.7的继电器线圈供电。1L和2L分别连接转换开关的4X31和5X31在“手动”和“自动”工作模式下分别为输出Q2.0Q2.3和Q2.4Q2.7的输出负载提供电源。冷却控制装置能控制8组冷却器，8组冷却器的油流继电器1LJ8LJ的常开

50、触点连接24V直流电源和EM223的输入I2.0I2.7。一组冷却器投入运行，这组冷却器中变压器油流速正常，油流继电器常开触点闭合，对应的输入变为有信号状态，变压器油流不正常，对应的输入变为无信号状态。输出Q2.0Q2.7连接冷却器故障信号指示灯，指示灯的另一端连接中线。变压器冷却控制装置具有故障定位功能，如果一组冷却器的电动机故障、油流或接触器出现故障，对应的信号灯被点亮。同时该组信号灯与EM222的输出配合可以确定是哪一组冷却器出现何种故障7。4.3.3.4 EM221和EM222的输入输出连接扩展模块EM221和EM222的作用是扩展CPU模块的输入输出，EM221有16个24V直流数字

51、输入，EM222有8个继电器输出，输入输出连接如图4.6所示：图4.6 EM221和EM222输入输出连接Fig.4.6 EM221 and EM222 input outgoing junction模块EM221的1M4M端和EM222的M端接地，EM222的L连接24V直流电源，为继电器输出的继电器线圈供电，由于受CPU24V直流电源供电容量的限制，需要额外提供24V直流电源，可以通过加装24V开关电源解决。EM222的1L端连接6X31，在“手动”和“自动”工作模式下分别为输出Q3.0Q3.3的输出负载提供电源。2L连接7X31，7X31和输出Q3.4、Q3.5、Q3.6连入电源控制电路

52、。输入I3.0I3.7分别连接8组自动空气开关1ZK8ZK常开辅助触点的一端，空气开关辅助触点的另一端连接24V直流电源。自动空气开关与电动机保护器配合实现对风扇和潜油泵电动机的保护，正常情况下自动空气开关的辅助触点打开，当冷却器电动机出现故障时，辅助触点闭合，将各组冷却器的电动机故障信号送入可编程序控制器。输入I4.0I4.7分别连接控制冷却器投切的8个交流接触器1BC8BC的常开辅助触点，交流接触器辅助触点的另一端连接24V直流电源。当一只交流接触器闭合，接触器控制的冷却器投入工作，辅助触点闭合，信号送入可编程序控制器，表示对应冷却器投入工作。4.4 通讯连接冷却控制装置采用自由口通讯，自

53、由口通讯是建立在可编程序控制器RS485硬件基础上的一种通讯方式。自由口通讯方式通讯功能完全由用户程序控制，所有通讯任务由用户编程完成。一般冷却控制设备到上位计算机距离较远，受到通讯距离的限制我们还采用了长线驱动器Model232D/3延长通讯距离，保证数据的可靠。驱动器无需外接电源供电，光电隔离3KV适合在恶劣环境下使用。采用4线通信，传输距离在9600bps时为1000米、性能稳定。冷却器控制装置的通讯由PLC、PPI电缆（一端为PLC的RS485一端为RS232，可用于自由口通讯和对PLC进行编程）、长线驱动器、通讯线和上位计算是组成，如图4.7所示：图4.7 冷却控制装置通讯组成Fig

54、.4.7 Cooling control device communication composition可编程序控制器CPU224模块的RS485口连接PPI电缆，PPI电缆的RS232口连接长线驱动器1的RS232侧，长线驱动器1的线路侧连接通信线路，通信线路的另一侧连接另一个长线驱动器2，长线驱动器2的RS232侧连接上位计算机20。第五章软件设计可编程序控制器编程本节首先分析介绍可编程序控制器程序流程，然后重点介绍可编程序控制器程序中几个关键点的程序编制。第五章 变压器冷却控制的软件设计5.1 软件总体设计可编程序控制器程序流程图如图5.1所示：图5.1 可编程序控制器流程Fig.5.

55、1 Programmable controller flow程序流程介绍如下，首先进行初始化，在PLC由停止到运行的第一个运行周期进行初始化操作一次，初始化操作完成可编程序控制器通讯设置；清零程序中用到的计数器、定时器、故障标志位、持续运行时间和累积运行时间存储区，置位或复位程序中用到辅助标志位等26。电源处理，根据“主”“辅”电源选择标志输入，电源状态和电源投入状态输入进行综合判断，置位相应的输出位，为冷却装置选择一路电源为装置供电，如果没有电源投入，则跳转到停止处理。有电源投入，接下来进行三侧开关处理。PLC判断三侧开关状态输入，三侧开关输入信号由无效变为有效，程序延时一段时间然后复位“允

56、许投切”标志位，延时的目的是让变压器停止工作后使冷却器继续工作一段时间，使变压器充分冷却；“允许投切”标志位无效时跳转到停止处理；三侧开关输入信号无效，表示变压器工作，置位“允许投切”标志位如果允许投切，接下来进行“手动”、“自动”或“停止”操作判断，如果处于“停止”状态，跳转到停止处理；如果处于“手动”，跳转到计时超时处理；如果处于“自动”状态，则进行“首次投入”判断，这里的“首次投入”是说冷却器由“手动”或“停止”转换到“自动”；如果是首次投入则需要进行初始化投切处理，以一定的时间间隔，依次投入5组冷却器；否则直接进行投入计时处理。投入计时处理，切除计时处理。PLC程序采用定时器结合计数器

57、计时的方式，冷却器投入时就对投入冷却器开始计时；冷却器切除时，需要将此次运行的的持续时间累加到累积运行时间存储区。投切判断。PLC按有差值裕度的投、切温度阀值的控制策略进行投切判断；冷却器持续运行时间计时到设定值，需要进行一次切操作，将计时时间达到的冷却器切除；凝露温度监控器凝露负载接通并且持续超过设定时间，此时将进行投操作，并且禁止切操作，将无故障冷却器全部投入运行25。投处理，切处理。投处理操作从停止运行的冷却器中选取累积运行时间最短的并置位投冷却器输出；切处理操作从运行的冷却器中选取持续运行时间最长的冷却器复位投冷却器输出；在进行投切处理后要延时投切一段时间使冷却器动作后变压器油温维持稳定，避免重复投