基于PLC的变压器风冷控制系统设计

摘要第1章概述大且具有智能化能优点。本设计采用力控组态软件对风冷系统的工作状态进行远程的监1.2变压器的概述穿，所以发电机的端电压不能过高，因而发电厂所送出电压也不会过高(一般为6.3至1.2.2变压器的基本工作原理图1-1变压器原理图1.2.3变压器的基本结构器储细离图1-2变压器结构图1.2.4变压器的损耗变压器在正常工作时会产生两种损耗，分别为绕组铜损耗和铁心损耗。1.2.5变压器的冷却方式变压器的冷却方式主要有油浸自冷、油浸风冷、强迫油循环风冷、强迫油循环水冷、强迫导向油循环水冷、强迫导向油循环风冷几种方式组成。一般情况下会根据变压器的额定电流电压或者容量来选择冷却方式，如330KV级或50用强迫导向油循环风冷/水冷。1.3西门子PLC的概述PLC是一张可编程的控制体系，取代了过去传统的继电器和接触器线圈，因为传统继能耗高等。而PLC的主要功能可以概括为顺序控制、运动控制、过程控制、网络通信和数据处理这五个方面。本设计主要采用西门子S7-200的PLC,后文中将会对该PLC进行详细图1-3西门子s7-200系列PLC节功能来自于PID指令和PID模块，在过程控制中如果变量出现错误，PID控制算法将重1.5PLC的特性A用户程序系统程序单元图1-4PLC结构图1.6.2存储单元1.6.3输入/输出单元(1/0单元)1.6.4电源单元1.6.5扩展接口单元1.6.6通信接口单元1.6.7编程器第2章变压器的发热及冷却原理2.1变压器的发热过程2.2变压器的散热形式和冷却方式图2-1变压器散热过程示意图2.2.2变压器的散热计算式(2-1)中：ti、t2—物体两表面温度(℃)Rr—导热热阻(℃/W)。式(2-2)中：tf、tw一分别为流体和壁面温度(℃)。式(2-3)中：A₁—表面1的面积(m²);T₁、T₂一两表面的温度(K)2.2.3变压器的冷却方式第3章变压器风冷控制系统的设计3.1控制要求3.1.1自动方式(1)当变压器开始投入运行时，立即启用两台主用风机(风机一、风机二);(2)当变压器变压器绕组的温度达到65℃或顶层的油温达到50℃时，第三台风机投(3)当变压器绕组温度达到110℃或顶层油温达到80℃时，所有风机发出高温警报并3.1.2手动方式3.1.3备用电源自动投入源出现故障而无法对风冷系统进行供电时，备用电源自动代替原工作电源对系统进行供3.2PLC和扩展模块的选型的PLC,由于该类型PLC的开关量输入点只有10个，输出点只有14个，所以需要添加扩展模块。因为考虑到需要为系统预留一定量的I/0点数，以防止当个别I/0点出现故障时 (8点DC输出)。此时系统总共有输入点26个，输出点22个，多于系统需使用I/0口，3.2.2西门子S7-200的特点S7-200系列PLC的电源电压有交流(85-264V)和直流(20.4-28.8V)两种，另外主(1)开关量I/0扩展模块(2)模拟量扩展模块3.3硬件设备的选型表3-1设备表切换开关1控制按钮4绿、4红、4黑可编程控制器1开关量输入扩展模块2开关量输出扩展模块1继电器4行程开关1电压继电器6断路器6断路器1接触器6热继电器4中间继电器4熔断器7指示灯信号继电器43.4设备布置3.4.1控制面板设备布置系统的控制手动控制面板的平面布置图如下图(图3-1)所示，该控制面板主要作用是让操作人员手动操作变压器风冷系统以及观察风冷系统状态。控制面板中包括四台风机的启动、停止、退出按钮以及自动/手动/切除开关和风冷系统中的各类状态信号指示灯。器高温报警图3-2控制面板布置图3.4.2启动屏内器件布置(1)控制屏的屏内布置图3-3控制屏屏内器件布置(2)启动屏屏内器件布置变压器特却系统启动屏变压器特却系统启动屏断路器晰路器图3-4启动屏屏内器件布置3.5电源设计L1L2L3接负载备用电路自动投入原理图图3-5备用电源备自投原理图来白主回路N24-图3-6控制系统电源原理图3.6控制回路原理图的设计dd F保3XRNM53M3~2~p3M43M3风机主回路图3-7风机主回路3.6.2自动/手动控制回路设计下图所示(图3.7),当系统的工作方式为自动运行方式时，系统会首先对变压器状态以山X点×1R味K妖ske“XK0图3-8手动/自动控制回路原理图3.7I/0分配及输入输出回路图3.7.1I/0分配本次设计中，系统共需要23个开关量输入点和15个开关量输出点，因为采用西门子S7-200系列CPU224CNDC/DC/DC的PLC和2个开关量输入扩展模块EM221以及1个开关量输出扩展模块EM222,所以系统I/0分配如下表所示：表3-9I/0分配表输入信号功能名称地址功能名称地址变压器投入信号风机2过载变压器故障信号I0.1风机3过载自动运行方式风机4过载变压器绕组温度达65℃风机1电源故障I2.1变压器油温达50℃风机2电源故障变压器绕组温度达110℃风机3电源故障变压器油温达80℃风机4电源故障风机1故障风机1退出风机2故障风机2退出风机3故障I1.1风机3退出风机4故障风机4退出风机1过载输出信号功能名称地址功能名称地址风机1Q0.0风机1故障指示灯Q1.0风机2Q0.1风机2故障指示灯Q1.1风机3Q0.2风机3故障指示灯Q2.0风机4Q0.3风机4故障指示灯Q2.1风机1正常运行指示灯变压器绕组温度过高报警Q2.2风机2正常运行指示灯Q0.5变压器油温过高报警Q2.3风机3正常运行指示灯Q0.6变压器故障风机4正常运行指示灯Q0.73.7.2PLC接线图·6十。安poφ9999:。接线图(图3-9),第二部分为扩展模块接线图(图3-10)。上示指OK输出r 番古"言 番古"言风计数唇X受压解o222-19图3-12扩展模块接线图3.8系统工作流程图NYYNN温度升高奚段定值YYNYN温度升高至停机值YN器傅业Y退回N图3-13PLC输入输出回路原理图2(Q0.1),另一种为风机3(Q0.2)和风机4(Q0.3)。根据系统控制要求，通过跳转指令 的脉冲。此脉冲信号送入加计数器(CTU)C20和C21,C20和C21设定值分别为480和960,也就是说8小时后，C20得电，且一直保持到16小时，16小时后C21得电，使M0.1线圈得电，从而导致C20和C21被复位，然后重新开始，直到第二个16个小时。此处程序是一个16个小时的循环。N) R R )图3-14变压器启动(2)当风机无法正常运行时，即出现风机故障、风机电源故障、风机过载和按下风机退出按钮这四种情况任意一种时，需要立即控制四台风机的停止。此程序中采用M1.0、况中有一种情况发生，就使这四个通用继电器得电，继而使对应的风机的故障指示灯点亮))(3)如果变压器的油温升高至80℃(I0.6)或则变压器绕组温度升高到110℃(I0.5),图3-16变压器温度升高及故障(4)当系统开始运行前8个小时时，由风机1(Q0.0)和风机2(Q0.1)作为主风机组或变压器绕组温度达到65℃(I0.3)时，第三台风机(Q0.1)开始投入运行。如果变压器油温继续升高至80℃(I0.6)或变压器绕组温度升高至110℃(I0.5),第四台风机(Q0.2)四台风机都有各自退出辅助继电器(如M1.0),当该退出辅助继电器得电后，发出风机故障报警信号(如Q1.0),并启用备用风机(如Q0.2)。风机发生故障时的情况可以归纳为以1.当风机1和风机2中其中一台发生故障时，故障机发出报警信号并退出运行，同时备用风机投入运行(若风机4也发生故障，则启用风机3,且发送风机4故障报警信号)。当变压器油温到50℃或绕组温度达到65℃,则投入使用风机三(Q0.2)。此时启用两台备用风机(风机3和风机4),此时所有可以投入的风机都已投入运行。)))))(5)当系统工作达8小时时，风机1(Q0.0)和风机2(Q0.1)已经正常运行8小时且应在此时退出运行，而此时风机3(Q0.2)和风机4(Q0.3)应转为主风机组投入运行。由Network1-Network5的程序可知此时C20开始保持高电平至第16小时，C20常开接点闭合，程序跳转至LBL1,开始由风机3和风机4作为主风机运行。当发生风机出现故障的情况时，程序运行方式与系统运行前八个小时运行时类似，此1))))图3-18系统工作达8小时时发生风机出现故障的情况开始新一轮的0-8h和8-16小时的循环，即达到16小时后，风机1和风机2再次投入运2Network33图3-19系统运行至16小时第4章组态监控系统(1)点击打开力控Forcecontrol7.0图4-1开始创建新工程(2)点击新建，然后在项目名称被填入Transformercoolingsystem,最后点击确图4-2新建项目(3)在工程管理器中选中Transformercoolingsystem,然后点击开发，进入组态图4-3组态设计画面失输入焦点时自动关闭确定取消左上角坐标0图4-4创建空白页面4.2主页面为三个板块，风冷系统总体状态监控区(画面蓝色部分)、风冷系统风机状态监控区(画面浅灰色部分)以及风冷系统报警监控区(画面浅绿色部分)。其中风冷系统总体状态监控区主要包括四台风机和其接通开关，当风机运作时，图中开关由红色(断开)变为绿色 (闭合),且风机开始旋转。当出现报警信号或故障信号时，图中各类指示灯由红色变为绿色(或由绿色变为红色),从而实现对风冷系统的监控。主页面设计如下：图4-5主页面1G茹体后中j2000cP确4 图4-6I/0设备组态又成4内口，004wTCo图4-7串口选择COM1(3)点击完成。hMefransfarmermalingstemlHDXiYIVX@和时中C图4-8设备配置完成(4)点击数据库组态，双击选择数字I/0点。0些画心地nm0a一BnetL学4mu(At年Aahhn工B排酬,什muT(审o]荒言事慎]荒言事慎c f风冷系统总体状态监控区风冷系统总体状态监控区取消地地图4-12开始运行系统4.4.1PLC程序的检测和调试测试过程中，为了节省时间和方便验证，将(1)接通I0.0(变压器投入信号)和I0.2(自动运行方式)后，风机一和风机二自000北业t就北业)nnt[0B2图4-130-30sPLC状态t旧27183082图4-1430-60sPLC状态(2)接通I0.3(变压器绕组温度达到65℃)或则I0.4(变压器油温达到50℃)时，12五业t量ttti08就就0图4-150-30sPLC状态12更TT图4-1630-60sPLC状态(3)接通I0.5(变压器绕组温度达110℃)或I0.6(变压器油温达80℃),风机四图4-17接通I0.5或I0.6图4-18接通I0.1(5)若两台风机都发生故障(过载、电源故障和风机退出按钮情况一致),则风机三和风机四投入运行。(当风机三和风机四作为主风机组时，若发生故障，与前述类似，此处不做概述)0122et北北t北t查32012thtt北北tt图4-19两台风机都发生故障(6)当风机一和风机二作为主风机组且发生风机故障时，若绕组温度达到65℃或油温达到50℃,剩余可投入风机投入运行。若绕组温度达到80℃或油温达到110℃,则发出相应的温度过高报警。(当风机三和风机四作为主风机组此处不做概述)Ln图4-20风机一和风机二作为主风机组且发生风机故障4.4.2力控组态的检测和调试(1)当变压器投入运行，且选用自动控制方式时，0-30s,风机1和风机2开始旋转，对应的开关和运行指示灯由红色变为绿色；30s-60s,风机3和风机4开始旋转，对应的开族族