PLC在干式變壓器溫度聯網監測中的應用

1  引言
                
　　干式變壓器以其具有防火阻燃、安裝環境簡潔、日常維護方便和結構簡單等優點，逐漸在電力系統中得到廣泛應用。負載變化繞組超溫是干式變壓器故障的主要原因。為了提高電力系統運行的可靠性和延長干式變壓器的使用壽命，應該對干式變壓器的溫度進行實時監控。變壓器過載運行會使溫度升高，加快變壓器絕緣的老化過程，降低變壓器的使用壽命。據研究統計，絕緣工作時的溫度每升高8度，其壽命會減少一半。

2  系統分析

　　2.1 超溫原因
                
　　變壓器的溫升主要由鐵損和銅損產生。變壓器鐵芯發熱的主要原因是磁滯損耗、渦流損耗和繞組的傳導熱量。當變壓器的初級繞組通電后，線圈所產生的磁通在鐵心流動，因為鐵心本身也是導體，在垂直于磁力線的平面上就會感應電勢，這個電勢在鐵心的斷面上形成閉合回路并產生電流，形成“渦流”。這個“渦流”使變壓器的鐵損耗增加，并且使變壓器的鐵心發熱，變壓器的溫升增加。繞制變壓器需要用銅導線，這些銅導線存在著直流電阻，電流流過時會消耗一定的功率，這部分損耗往往變成熱量而消耗，使繞組發熱。

　　2.2 控制要求

　　為能對變壓器的溫度進行實時監測和控制，要求設計的系統能對多臺變壓器的繞組和鐵心溫度進行測量，實時在hmi上顯示，并能對數據進行分析，一旦溫度超出設定最高溫度時進行聲光報警，達到極限設定溫度時自動切除負荷進行保護。當溫度達到強制散熱設定值時，啟動風扇進行強制散熱。服務器能對變壓器的溫度進行記錄，并能生成曲線圖，隨時能為技術人員提供查詢。

3  系統設計

　　該系統主要由溫度采集傳送單元、i/o模塊、plc、服務器、網絡與數據通訊等部分組成，如圖1所示。

            圖1  系統組成框圖

　　3.1 溫度采集單元
                
　　采用熱電阻cu100對變壓器繞組和鐵心溫度進行測量。熱電阻是利用物質在溫度變化時，其電阻也隨著發生變化的特征來測量溫度。測量范圍0~150℃，r0=100ω。

　　3.2 人機界面(hmi)

　　人機界面用來顯示每臺變壓器的溫度，并可以方便的設置系統的參數，如報警溫度值，切除負荷溫度值，啟/停風扇溫度值等參數。可以實時查看每臺變壓器的繞組和鐵心的溫度，并可以顯示變壓器負荷和溫度關系曲線。必要時還可通過hmi上的按鈕，手動啟/停風機，消除報警及切除負荷等操作。在服務器上，記錄著各種報警信息及故障發生時的各相溫度值、時間等信息，可按時間條件進行查詢，并根據需要進行打印和負荷圖表輸出。該系統中的數據采集處理、風機運行和故障報警由plc和hmi通過編制的相應程序來完成。

　　3.3 遠程i/o模塊

　　溫度信號的采集和風扇的開啟通過遠程i/o模塊來實現。溫度信號采集采用模擬量輸入模塊sm431模塊(訂貨號為6es7 431-1kf10-0ab0)。該模塊能對電阻進行測量，分辨率為13位，模擬量部分與cpu隔離，無需外部電源。對該模塊的模擬量的讀取可以在step7中用fc105功能塊讀出。該模塊通過profibus網絡與plc相連，把所采集的溫度信號轉化為數字量送往plc。輸出模塊采用數字量輸出sm422模塊(訂貨號為6es7 422-1hh00-0aa0)，16點輸出，隔離為8組，每2通道1組，輸出電流5a，額定負載電壓230v。

　　3.4 監控單元

　　利用高性能高速西門子s7-400 plc對各溫度檢測單元進行實時掃描和運算，結合hmi輸入的參數，對變壓器風扇進行控制，如果超出設定的限定值在hmi上發出聲光報警，達到極限值時切除負荷。s7-400自動化系統采用模塊化設計，具有模塊擴展和配置功能使其能夠按照每個不同的需求靈活組合。用et200分布式i/o可以進行遠程擴展，對于分布范圍廣的系統非常實用，通過profibus-dp接口，最多時可以連接到125個總線節點，使用光纖時，最后一個節點的距離可以達到23km。集成的hmi服務，用戶只需為hmi服務定義源和目的地址，系統會自動的傳送信息。有很強的通信功能，cpu模塊集成有mpi和dp通信接口，有profibus-dp和工業以太網的通信模塊，以及點對電通信模塊。通過profibus-dp或as-i現場總線，可以周期性的自動交換i/o模塊的數據(過程映像數據交換)。在自動化系統之間，plc與計算機和hmi站之間，均可以交換數據。數據通信可以周期性的自動進行或基于事件驅動由用戶程序塊調用。

　　3.5 網絡與數據通訊系統

　　現場網絡將計算機控制系統的各個控制級和分散在現場的傳感器、執行器有機聯系起來，為實現工程大系統的綜合自動化創造了條件。唐鋼酸洗線系統根據控制級別要求和網絡特點在不同控制層應用了工業以太網，profibus-dp和as-i總線。工業以太網采用光纖電纜作為傳輸介質，光纜不受電磁干擾影響，通訊迅捷可靠，實現工程師站、hmi、hmi服務器、快速數據分析儀fda和s7-400plc系統之間的數據通訊，達到生產管理和工程控制的目的。profibus-dp網絡用以實現自動化系統和分布式i/o站(simatic et200s)，siemens驅動器及mcc dp/as-i 
link之間的數據通訊。profibus-dp網絡響應速度快，抗干擾度高，有力的保證了現場狀態信號與控制數據的傳輸。
 

4  程序設計

　　4.1應用軟件

　　hmi操作系統為windows2000 server sp 5,應用軟件為wonderware intouch ver.8 sp 4, intouch是在windows2000或windowsxp操作系統下，在pc機上運行的面向對象的、數據開放和功能開放的32位應用程序系統。intouch提供在工業上用于圖形顯示、信息處理、歸檔和報表的基本功能模塊，還提供用戶文檔、過程控制軟件包和開放開發工具等可選軟件包。其強大的驅動程序接口、快速圖形更新和安全歸檔功能具有很高的可能性，結構化的數據存儲方式保證無論是組態生產的數據和運行過程的數據都可準確無誤的讀取。plc編程軟件為step7 v5.3 sp3.step7編程軟件是基于windows2000/xp或windows server 2003的為s7-300/400plc配置和編程的標準軟件包。通過step7用戶可以進行系統配置和程序的編寫、調試、在線診斷plc硬件配置狀態、控制plc的運行狀態和i/o通道的狀態等。

　　4.2 功能塊流程圖

　　在主程序中調用變壓器溫度監測功能塊，功能流程圖如圖2所示。

             
            圖2  流程圖

5  結束語
                
　　多臺變壓器實時溫度監測系統是在唐鋼冷軋薄板廠現有設備的基礎上，增加對變壓器進行溫度監控，來減輕工作人員的勞動強度。產生的溫度、電流曲線圖表，有利于分析變壓器的工作、健康狀況及負荷的分配情況，根據記錄的這些數據來制定檢修計劃和合理的分配負荷。唐鋼冷軋薄板廠有六臺干式變壓器，為了監控變壓器的溫度，需要工作人員每天三次記錄每相的溫度，并采用紅外線電子測溫儀去測量每一臺變壓器的鐵心溫度，以便分析掌握變壓器的工作狀況。本文在唐鋼冷軋薄板廠現有設備基礎上設計的一套變壓器溫度聯網監測系統，降低了工人的勞動強度，提高設備的可靠性。