大电流通断试验测量系统的研究
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摘要：本章通过对大电流通断试验系统的分析，综合参考相关技术，设计了基于上位机和下位机技术的监控测量系统。以工控机作为上位机，以PLC为下位机，以上述原理为基础建立监控系统，可控制对象数目多，运行可靠，逻辑流程清晰，占用空间很小，而且界面友好直观，易于试验人员正确操作和迅速判断。
关键词：工控机、PLC、监控测量系统
中图分类号： X84 文献标识码： A
研究现状
近年来，我国低压电器检测技术快速发展，现在的大电流通断系统要求可同步完成多项实验，要求测点多，自动化程度要高。而传统的测量监控系统，主要依赖继电器节点控制甚至人工控制，反应时间、控制精度都非常低，安全性也差，这种系统也愈来愈不能适应新形势的需要。而随着工业计算机技术的发展，特别是工控机、PLC等技术的成熟和推广，为我们研究新型的大电流通断实验测量控制系统提供了新的思路。
本文首先对工控机技术和PLC程序特点进行了分析研究，从而提出了以工控机为上位机，以PLC程序系统为下位机的监控系统的设计方案。
1 工控机界面设计
我们选用西门子工控机作为人机交流平台，并借助西门子工业软件WinCC开发工控机控制程序。此软件具有较强的灵活性，便于试验者的运用。试验启动前，控制系统会对试验回路的各个环节状态进行细致的巡检，然后会逐步指引试验者进行选择操作；接着进行试验空跑，即在不带电状态下模拟整个试验过程。上述步骤无误后，进行正式的试验。试验后对数据进行计算和判定。
在试验中，试验回路各环节状态、准备和开始状态以及试验回路有无电压状态都将通过颜色差别鲜明的符号显示出来，故障信号以对话框形式弹出，整个试验过程都可以被试验者直观明显地观察到，有利于试验的可靠控制。
2PLC程序控制系统的研发
本监控系统的重点环节就是基于PLC技术的控制系统。通断试验过程中，需要通信的信息量比较繁杂，而且还有很多的闭锁和逻辑关系存在于各数据间。所以就要求我们对PLC程序的逻辑设计思路和后续开发都必须做到精细精准。这套系统选择西门子S7-300PLC作为核心， CPU选用了CPU314，组态软件STEP7为系统的开发平台。
S7-300PLC优势明显，他的运行速度和运行功能都是很高的，模块化的结构也很紧凑、没有槽位的局限，各独立模块可广泛组合，便于扩展[1]。
S7-300PLC基本单元由CPU、电源、存储器及MPI接口组成。S7-300PLC电源由电源模块供给，120/230V交流电通过电源模块转变为DC24V工作电压[2] 。
CPU314运行100条二进制指令只需要0.03ms的时间[3]。CPU、RAM、ROM、电源、通讯及扩展接口共同组成了CPU314模块。模块面板设有选择开关、状态灯和EEPROM卡。CPU工作模式、故障信息以及电源信息都是通过状态灯来反映出来；CPU提供了编程模式、运行模式、停机模式和存储清零几种选择，试验者可通过选择开关来选用恰当档位；CPU程序储存，或者几个CPU之间的程序传送都是借用EEPROM卡来完成[4]。
CPU314作为PLC硬件结构的核心，主要任务就是收集开关量信息，按程序处理数据并发送命令至继电器，从而控制断路器动作，并实现和工控机之间的通信。
对系统硬件组态是PLC程序编写前的重要一步。通过STEP7软件平台来设定诸如端口设置、MPI地址设置等相关参数。我们分别列出通断试验所需的数字输入和输出信号，然后对每一个信号进行地址分配[5]。
我们以WinCC为平台编制了工控机监控程序，工控机和S7-300PLC之间可以采用串行连接或MPI网络连接来实现通信。在此系统中，我们运用MPI接口来实现通信。
3 上位机控制程序的设计
我们利用WinCC软件系统开发了工控机控制软件，Windows标准接口是WinCC的另一特点，这就使得使用者用编程语言设计的程序与WinCC在同一环境下工作，并且可以调用WinCC自己的函数和数据库。
借助于WinCC平台，我们设计出了通断试验监控系统。按照流程，试验者必须按预设顺序进行逐步操作。操作流程由试验形式、参数设定、类型设定、选择试位、显示电路、选择开关、设置时间项等内容构成，我们将每一个选项都用一个WinCC内部标签进行定义，针对不同设置，会有不同的标签相对应。
监控系统主界面模拟图中的每一个开关符号均能实时反映试验回路中对应开关器件的状态。操作界面中的试验选择按钮均和外部标签一一对应，这些按钮用于开始和终止试验、开关的合分闸、试验前的声光警告等，这些为数字量输出信号，可以人为操作。我们借用WinCC图形编辑器制作了这些界面，并对每一条回路和每一个元器件都做了编号，在试验所必需的参数和选择都设置成功后，一条完整的试验回路就形成了。界面上的元素都对应于PLC输入量，当开关闭合、相应电路接通后，主电路模拟图上的相应电路和元器件状态转变为“接通”并变为红色，没有接通的回路部分仍然保持为最初的绿色。这样，实际电路中各开关的状态就可以及时在通断试验主电路模拟图上显示出来。
另外在试验中，我们需要调用PLC中不同的试验程序来控制适当的合分闸及保护分的顺序，这就要求在编制PLC程序时，必须对所有的试验项目进行分类，并理顺试验过程中的各开关配合情况，从而实现对整个试验回路的科学有序的控制。试验启动后，试验回路中所有开关的动作都是按照预先写入PLC的程序执行的，所以界面中需要输入的各种数据也同样要与WinCC外部标签对应，以实现PLC的数据通信。
S7-300与WinCC之间的通信包括以下两步：
第一，创建WinCC项目。打开标签管理，在其中加载PLC程序，并且此驱动程序应与S7-300通信协议兼容，然后选择MPI，创建PLC连接。同时MPI地址参数应和PLC中输入的一致，由此实现S7-300PLC与WinCC的通信。
第二，在组态完的S7-300PLC连接下创立标签，一个标签包括标签名、地址和数据类型三项内容。其中标签和S7-300PLC中所设地址的对应关系正是由地址来确立的。安装PLC后，每个模块具有唯一地址，同时模块必须按照地址进行安装，只有这样地址才能有效[39]。WinCC通过这种方法这样就实现了与S7-300PLC的通讯[6]。
4 PLC程序的设计
本系统在研发中使用了西门子公司的STEP7，在STEP7平台上主要运用梯形图（LAD）语言和指令表（STL）语言功能图语言[7] [8]。
按照如下步骤来进行PLC程序编制：
(1) 创建项目文件和用户程序块，选择组织块及功能块，同时选择编程语言，设置MPI地址，建立CPU与编程设备之间的通信。进行硬件选型并组态 [9] 。
(2) 编辑程序：在组织块中编写控制系统的主程序，在功能块中编写系统子程序，编写时按照由下往上的顺序首先建立被调用的功能块或数据块，然后依次向上创建逻辑块，直到创建完成所有的块。
（3）程序编写完成保存后，单击下载选项加载程序至CPU,等待进一步的调试。
EEPROM用于存储PLC程序，系统运行时，程序转至CPU内存然后实现对试验过程的控制[10]。PLC首先接收工控机的指令信息，由组织块判断具体的试验回路和各参与试验开关动作配合流程，进而调用相关功能块进行试验启动前的回路测试，测试完成后调用接通和分断函数来实现对开关的控制。
5总结
本文设计了基于上位机和下位机技术的监控系统。我们以工控机作为上位机，监控界面以WinCC工控软件为平台创建，实时反馈试验现场信息，模拟试验，分析处理下位机传送的数据，并发出指令至下位机，从而对试验过程进行合理的操作和控制。系统以PLC为下位机，用于收集、分析试验数据，参与试验控制，并将相关信息上传至上位机。以上述原理为基础建立的监控系统，可控制对象数目多，运行可靠，逻辑流程清晰，占用空间很小，而且界面友好直观，易于试验人员正确操作和迅速判断，这些优势大大提高了整个大电流通断试验系统的试验能力和工作效率，且有效保证了试验回路和试验设备的运行安全。
【参考文献】
[1] 郑晟,巩建平. 现代可编程序控制器原理与应用[M]. 科学出版社，2000
[2] H.A.Davis, E.O.Ballard, G.Dorr. The Atlas Load Protection Switch[J]. IEEE（1999）：941-944
[3] 西门子公司. S7-300/400 可编程序控制器硬件安装手册[M]. 2000
[4] 蔡志远,马少华,历伟等 . 低压电器试验和测试的集散控制系统[J]. 机床电器,1995(6):18-20
[5] SIEMENS. SIMATIC HMI COMMINICATION[M]. 1998
[6] 陈壁光. 低压电器试验基础[M]. 北京：水利电力出版社,1988
[7] SIEMENS. Programming with STEP 7 V5.1 Manual[M]. 2000
[8] 卢建华. 使用 WinCC 实现过程监控[J]. 武汉科技大学学报，2000（3）：76-79
[9] Siemens AG. SIMATIC S7-300 Programmable Controller Hardware and
Installation[M].2002