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1、摘要摘要温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中，温度控制占有着极为重要的地位，对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。温度控制系统的工艺过程复杂多变，其有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。可编程控制器(PLC)可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它其有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此 PLC 已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。本设计
2、针对某变压器生产厂商的变压器油在注入、净油、储存等工艺进行研究，选用西门子 S7-300PLC 为核心控制器，运用 Profi-bus-DP总线搭建了分布式 I/O 控制网络，以 MCGS 软件作为上位机开发软件设计了操作界面，对净油工艺进行改进并采用 MCGS 与 PID 并行控制策略对净油温度控制进行优化，提高了净油效率，能耗比原来降低近 40；使油品管理与使用实现自动化，很好地满足了变压器生产企业需求。关键词：变压器油；西门子 PLC ；Profi-bus-工业；CMAC目录目录第 1 章 概述31.1 变压器油在线监测的意义.31.2 变压器油在线监测国内外发展现状 4第 2 章 控制
3、系统总体设计62.1 系统功能.62.2 检测装置与执行机构 .7第 3 章 系统硬件设计93.1 可编程控制器93.2 PLC 的系统组成与工作原理 .103.3 系统模块的选择.163.4 硬件接线图23第 4 章 系统软件设计254.1 流程图设计254.2 控制程序的组成274.3 PID 控制程序设计 .31第 5 章 控制系统组态设计.425.1 MCGS 介绍 .425.2 MCGS 组态设计 .465.3 净油机油温控制设计475.4 仿真实验与分析49第 6 章 总结体会.51参考文献.52致谢.53第第 1 章章 概述概述1.1 变压器油在线监测的意义变压器油在线监测的意义
4、随着电力需求的迅猛增大以及电力系统的高速发展，对电力设备的常规测试、综合分析、及时消除一些设备的绝缘隐患提出了越来越高的要求。变压器作为电力系统中最重要的设备之一，准确监测和诊断其是否有故障发生，对于提高电力系统的安全可靠性至关重要。变压器生产厂家需要储存大量变压器油用于成品变压器出厂时注入以及试验变压器性能时使用，变压器油在储存过程中以及变压器运行性能试验后均需对油品进行检测，一旦检测出油品某项指标不合格就必须经净油机重新净化并检测合格后再储存使用。而高真空净油机在净油过程中的温度控制采用智能仪表进行传统 PID 控制，由于其温度具有大惯性、大延迟的特点，采用传统 PID 控制精度不高，超调
5、严重，参数不易设置等缺点，导致净油效率低。木文设计了以西门子 300PLC为核心控制器的 PLC 控制系统，在改进净油工艺的基础上采用小脑模型神经网络 CMAC (Ccrcbcllar Model Articula-lion Controller)与 PID 并行控制策略对净油机油温控制进行优化，由PC 机实现复杂算法，得到的控制量下传到 PLC 控制系统，通过 PLC完成现场控制功能万。采用先进算法使得净油过程油温控制输出误差小，超调趋于零，提高了净油效率，降低能耗近 40%。电力变压器是电力系统中最重要和最昂贵的设备之一，是保证整个电力系统可靠供电的基础。电力变压器的运行状态直接关系到电力
6、系统的安全与稳定，尤其是当下电力系统向超高压、大电网、大容量、自动化方向决速发展，变压器的工作故障对电力系统安全运行的影响和危害也是与日俱增。 本课题以初步探索变压器等电力设备运行状态监测方便可行的技术，并在设备状态监测的基础上，分析和预测设备运行状态的发展趋势，判断设备异常或者预判设备故障的智能诊断系统为目标。设计并实现对变压器运行状态的实时监测的多种方法，既提高了变电站运行的管理水平，又可以从预防性维修制过渡到预知性维修奠定基础。因此，变压器油中溶解气体在线监测的研究具有重要的现实意义和实用价值。 1.2 变压器油在线监测国内外发展现状变压器油在线监测国内外发展现状 自二十世纪 80 年代
7、以来，我国的变压器在线监测技术也得到了迅速发展。各个单位相继研制了不同类型的监测装置。电力科学研究院和西安交通大学最开始结合油中气体分析开展了用于绝缘诊断的专家系统的研究工作。另外重庆大学也研制了电气设备绝缘在线监测及故障诊断系统和变压器油中色谱在线监测及故障诊断系统，实现了对变压器油中六种溶解气体实现在线监测。中科院研制的油中氢气在线监测装置能实现对变压器油中氢气含量进行实时检测。解放军后勤工程学院和大连理工大学研制的微水在线检测系统能对绝缘材料中的水分含量进行在线检测。宁波理工监测设备有限公司开发MGA20OO-6 系列变压器色谱在线监测系统采用纳米晶半导体检测器实现了对六组分溶解气体、总
8、烃含量和微水含量的在线实时检测。 国外对于变压器油的研究始于二十世纪 60 年代初，美国开始使用可燃气体总量(TCG)检测装置，来测定变压器储油柜油面以上的自由气体，以判断变压器的绝缘状态。其后日本等国研究使用气相色谱仪分析自由气体同时分析油中溶解气体，便于发现早期故障。目前加拿大 SYPROTEC 公司的 HYDRAN 系列监测设备在国内外拥有广泛的市场。日本三菱公司、英国 TROLX 公司、爱尔兰的 PANAMETRIC 公司等采用催化燃烧结型传感器或氢燃料电池型可燃气体传感器开发了各式各样的变压器在线监测诊断装置，到 2000 年加拿大加创集团公司开发的 201-6 型六组分在线检测系统
9、用于变压器的故障监控。变压器油中溶解气体在线监测诊断装置检测六种溶解气体组分(H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO)已经成为了业内标准规格要求，所不同的是各个产品对六种组分气体检测的原理及精度和监测实时性的差别。第第 2 章章 控制系统总体设计控制系统总体设计2.1 系统功能系统功能由于厂家油品储存系统总体相对集中分布在 4 个区域，每个区域相隔较远，故采用控制能力较强的西门子 S7 - 300PLC 搭建PROFIBUS - DP 总线式控制网络，（PROFIBUS-DP 总线电缆就是连接现场总线设备的通信介质。PROFIBUS 主要应用在工业控制中，也用于汽车各传感器之间的通讯
10、。其主要作用是监控与控制。）3 个ET200M 构成分布式 l/O 控制系统。主站 CPU 挂载的扩展模块主要控制变压器静压测试系统、进油系统;1 号从站主要控制 2 台净油机净油操作，并通过温度传感器采集温度信号经 DP 总线传输至上位机，由上位机采用 CMAC 与 PID 并行控制策略输出控制信号经 PLC 对三相调压模块进行控制，驱动电加热元件对进入净油机的变压器油温度进行控制;2 号从站主要控制各油罐存放区中的油泵启停以及试验注油时的定速注油系统;3 号从站主要采集各储油罐中的液位信息，控制电磁阀控制的气动阀、气动调节阀等阀门的动作。控制系统总体结构图如图 2.1 所示。图 2.1 控
11、制系统总体结构图2.2 检测装置与执行机构检测装置与执行机构检测装置主要为油温检测装置、超声波液位检测装置、带脉冲输出的高精度流量计。根据厂家要求净油过程中净油机入口油温需要控制在 55 度左右，传统热电偶的测量范围为一 200 度1300 度，一般测量精度在 1%2%之间，而 pt100 热电阻测量范围为-200 度500 度。测量精度在 0.2%0.3%之间，测量中低温时精度高，稳定性好，故温度变送器采用华泰坤源生产的 pt100 HTWD 型热电阻变送器，输出 4-20mA 标准信号;液位变送器通常分为接触式和非接触式两种，考虑到变压器油的特殊性采用格日仪表 A22 型智能非接触式超声波
12、液位变送器作为检测装置，输出 4-20mA 标准信号;流量计采用宁远环球产的高精度带脉冲输出的涡轮流量计，因试验注油系统需要定速 6 吨/小时注油，并且厂家需要累积流量信息，采用带脉冲输出的流量计，配合 PLC 中的高速计数模块便于计算出瞬时流量与累积流量信息执行机构主要为三相调压模块控制的电加热元件、油泵电机、气动阀、气动调节阀等。三相调压模块采用晶谷电子生产的 JG-TH3P150Y 型固态调压器，该调压器具有输入调节范围宽、输出调节精度高、三相对称性好、抗干扰能力强、输入输出全隔离设计等优点，采用低功率密度管式加热元件，对油薄膜化效果提高明显。由此系统总体设计由控制部分，电源部分，按键部
13、分，温度测量部分，显示部分，测压装置，状态指示灯部分，水泵部分，报警部分等组成。基本组成框图如图 2.2 所示。图 2.2 系统模块框图根据变压器油监控系统功能可知，控制器主要用于对按键信号和温度检测信号的接收和处理，控制显示部分，状态指示灯部分，水泵部分，报警部分等。第第 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计3.1 可编程控制器可编程控制器1.PLC 概述可编程控制器（Programmable Controller，简称 PC）是在传统的顺序控制器的基础上，为满足不断发展的大规模工业生产柔性控制的要求而逐步发展起来的。其功能基本限于开关量逻辑控制，仅执行逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能所以当
14、时称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称 PLC）。由于可编程序控制器仍然处于不断发展之中，因此对它下一个确切的定义是困难的。为了使其生产和发展标准化，美国国际电工委员会(IEC)于 1982 年颁布了可编程序控制器标准草案，1985 年提交了第二版，1987 年的第三版对可编程序控制器作了如下的定义“可编程序控制器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。可编程
15、序控制器及其相关的外围设备都应该按照易于与控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。” 由此可见，可编程控制器是专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。总之，可编程控制器也是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。3.2 PLC 的系统组成与工作原理的系统组成与工作原理1. PLC 的组成结构PLC 本质上是一台用于控制的专用计算机，因此它与一般的控制机在结构上有很大的相似性。PLC 的主
16、要特点是能力，也就是说，它的基本结构主要是围绕着适宜于过程控制的要求来进行设计的。按结构形式的不同，PLC 可分为整体式和组合式两类。整体式 PLC 是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/O 扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU 是 PLC 的核心，I/O 单元是连接 CPU 与现场设备之间的接口电路，通信接口用于 PLC 与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式 PLC 将 CPU 单元、输入单元、输出单元、智能 I/O 单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有 CPU 单元的底板称为 CPU底板，其它称为扩展底板。CPU 底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过 10m。2. PLC 的扫描工作原理与微机等待命令的工作方式不同，PLC 采用循环扫描的工作方式CPU 从第一条指令开始按指令步序号作周期性的循环扫描，如果无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，
