組態王及PLC在二次回路仿真裝置中的應用研究

劉陽　李冬梅　劉翔

摘要：運行中的電力系統嚴格禁止用于學生實驗，而高校電氣類專業學生在學習二次回路相關知識時相應的實驗裝置十分匱乏，針對這一問題，本文擬設計一套基于組態王及PLC控制的斷路器二次回路仿真裝置，該裝置以西門子S7200 PLC 為核心控制器，利用組態王軟件編寫上位機監控界面，既可實現斷路器二次回路的現場控制，又可通過上位機界面實現遠程控制，并能實時監控二次回路工作狀態。系統采用36V安全電壓供電，既貼近電力系統運行實際，又保證了實驗者的安全，具有實用價值。

關鍵詞：組態王；S7200 PLC；二次回路；仿真裝置

隨著智能化的迅速發展，發電廠及變電站中對二次設備的控制、監視也都實現了綜合自動化，與此同時，針對高校學生學習用的變電站二次回路實驗裝置卻十分匱乏；運行中的電力系統又嚴格禁止用于教學實驗。針對這一問題，本文擬設計一套基于組態王軟件及PLC（可編程序控制器）控制的二次回路仿真裝置，利用組態王軟件開發良好的上位機監控界面，模擬現場運行實際，為學生提供一個現場感強、形象直觀的實驗環境，有效地將教學實際和現場實際融合[14]。

1 仿真裝置總體設計方案

仿真裝置首先應能完成常規二次回路中斷路器控制，其次，為了貼近發電廠及變電站運行實際，還應具備斷路器的遠程控制功能，即上位機控制。因此仿真裝置主要由三部分組成：一是斷路器二次回路部分，二是上位機部分，三是聯系以上二者的橋梁——PLC部分。二次回路部分主要由繼電器、接觸器、轉換開關、按鈕、指示燈等常規元件構成，該電路完全采用常規元器件構成有以下好處：一是方便學生認識書本中學的各種元器件，二是加深理解二次回路中學到的理論知識[1]。上位機部分位于裝置的頂層，用于實現對斷路器二次回路的遠程監視與控制功能，是整個仿真裝置的核心部件。上位機與下位機PLC配合使用，接收PLC傳來的數據，通過PLC將控制指令下達到二次回路控制環節，同時，上位機還能完成一些輔助功能，如實時形象地顯示線路的具體運行情況，電源電壓情況等。PLC部分在仿真裝置中起到上傳下達的作用，該部分主要由西門子S7200 PLC CPU226 主機模塊、EM235 AD轉換模塊、DC24V 開關電源及一些按鈕、繼電器構成，采集二次回路中觸點的狀態、電壓等信號，處理后上傳給上位機監控界面；上位機下達的指令，通過PLC控制相應繼電器輸出，實現對二次回路的控制。

2 斷路器二次回路設計

二次回路即斷路器控制、保護和信號回路，本文采用原理相對簡單的電磁操作機構的斷路器控制、保護和信號回路[2]，其中的斷路器部分采用仿真斷路器實現，主要由中間繼電器構成，斷路器的合閘線圈和跳閘線圈功能由兩組中間繼電器代替完成功能，分別稱其為合閘繼電器和跳閘繼電器[1]。轉換開關采用LW2型萬能轉換開關。整個回路包含8個部分，分別是合閘回路（自動合、手動合）、跳閘回路（自動跳、手動跳）、手動跳閘燈光信號回路，手動合閘燈光信號回路、自動跳閘燈光信號回路、自動合閘燈光信號回路、合閘線圈回路、事故跳閘音響發信回路。當需要合閘（或跳閘）時，首先通過合閘（或跳閘）回路使中間繼電器得電并自鎖，從而使合閘（或跳閘）繼電器得電，同時，燈光信號回路相關指示燈亮，完成仿真斷路器的合閘（或跳閘）模擬。對二次回路控制的基本要求如下： （1） 斷路器正常工作時，應是紅燈亮，綠燈滅，并分別起到監視跳閘和合閘回路的完好性；（2） 當過電流保護裝置檢測到過電流信號時，應立即啟動跳閘裝置跳閘[5，6]。

3 上位機監控界面設計

上位機監控界面即提供人機交互的操作界面，采用組態王軟件編寫。組態王

軟件為開發者提供了可視化監控畫面，有利于實現實時現場監控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構成監控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表[7]。設計的上位機監控界面內容包括：二次回路原理圖，操作按鈕（測試、合閘、分閘、故障設置等），斷路器狀態顯示、通信窗口，歷史數據等。上位機監控界面的主要功能：首先是下達指令，通過點擊界面上的操作按鈕，將信號通過PPI通信傳遞給PLC模塊，再由PLC發出信號給繼電器，通過繼電器觸點的動作接通或者斷開斷路器；其次，上位機還能接收現場傳來的信號，如斷路器的狀態、電源電壓的大小等，都可以經PLC部分相應模塊采集信號，傳遞給上位機界面顯示。

裝置可完成的實驗包括：（1）斷路器手動分、合閘實驗；（2）斷路器自動分、

合閘實驗；（3）預告信號實驗；（4）事故信號實驗。

實驗時，學生可先查看二次回路原理圖，讀懂圖以后，可先點擊測試按鈕，查看上位機與下位機之間通信是否正常，合閘線圈、分閘線圈是否有異常。無誤后，通過操作按鈕對二次回路進行操作，同時觀察電路是否有相應動作。操作過程在通信窗口留有記錄，方便學生對操作過程回顧分析。

4 結語

本文在充分調研了發電廠及變電站發展現狀的基礎上，結合應用技術型高校

教學實際，探究將組態軟件及PLC應用于斷路器二次回路仿真裝置中，實現斷路器控制的智能化，貼近現場實際，專業針對性強，豐富了教學手段，推進了實驗教學的步伐，非常有實用價值。

參考文獻：

[1]王銘，尹東，任婷會.上位機控制的二次回路仿真試驗裝置的設計與實現[J].電器與能效管理技術，2017（5）：8488.

[2]何永華.發電廠及變電站的二次回路[M].北京：中國電力出版社，2010.

[3]韓江虹，林昌年，李峰云，等.基于Visio的變電站二次回路仿真培訓系統[J].電網技術，2012，36（8）：265270.

[4]李梅蘭.變電站仿真實訓設計思想和運行效果[J].中國電力教育，2009（7）.

[5]宋人杰HYPERLINK"http：//www.cnki.com.cn/Article/%09%09%09%09%09%09%09%09%09%09http：/search.cnki.com.cn/Search.aspx？q=author：%E5%AE%8B%E4%BA%BA%E6%9D%B0"＼t"_blank".通用型繼電保護及二次回路多媒體仿真培訓系統平臺[J].繼電器，2001.

[6]顧子明，包東飛.斷路器二次回路中PLC的應用[J].PLC&FA，2006（5）.

[7]穆亞輝.組態王軟件實用技術[P].鄭州：黃河水利出版社，2012.

基金項目：中國石油大學勝利學院大學生創新訓練項目，項目編號：2017025