許金紅

基于PLC的光纖通信技術(shù)在變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)控中的應(yīng)用

許金紅

（保定天威集團(tuán)特變電氣有限公司，河北 保定 071056）

在某電廠110kV變壓器改造過程中，針對變壓器現(xiàn)場信號多、與后臺傳輸距離遠(yuǎn)等特點，本文提出并采用通過可編程邏輯控制器將變壓器二次開關(guān)量信號、模擬量信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號再經(jīng)由光纖通信傳到遠(yuǎn)方后臺的方法，成功解決了實際困難。

變壓器；可編程邏輯控制器；光纖；通信

0 引言

在某電廠110kV變壓器改造過程中，二次信號的遠(yuǎn)程傳輸中發(fā)現(xiàn)3個難題：①新增的變壓器本體二次信號較之前增加很多，增設(shè)電力電纜困難；②變壓器與后臺測控系統(tǒng)的傳輸距離較遠(yuǎn)（800m），干擾源較多，模擬量信號衰減大，容易失真[1-2]；③后臺系統(tǒng)沿用以前老式的監(jiān)控系統(tǒng)，必須考慮新變壓器與老式后臺系統(tǒng)的兼容問題?？紤]到以上幾點，本文中提出對變壓器本體二次信號采用可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號[3-4]，并更換為通過光纖傳輸數(shù)字量[5]，由光纖傳輸?shù)竭_(dá)監(jiān)控室之后再將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬量和開關(guān)量，實現(xiàn)與后臺系統(tǒng)的對接。該項目具有節(jié)省成本和安全可靠的優(yōu)點[6]。

1 系統(tǒng)組成及原理

1）變壓器信號采集量

本項目中從變壓器本體采集并需輸送的信號包含光纖測溫信號5路，全部為4～20mA模擬量；油溫、油位、瓦斯報警、光纖報警開關(guān)量信號15路和1路PT100溫度遠(yuǎn)傳信號。采集到的信號傳輸?shù)娇刂剖液螅?5路開關(guān)量和5路模擬量仍保留不變，傳至后臺的1路PT100經(jīng)轉(zhuǎn)化為4～20mA模擬量后接入監(jiān)控系統(tǒng)。

2）硬件組成

硬件設(shè)備由PLC及其擴(kuò)展模塊、光電交換機(jī)、單模光纖等組成。

根據(jù)設(shè)備采集及輸出的開關(guān)和模擬量數(shù)量，項目中采用兩臺西門子ST40型CPU模塊、一個EM AI08模擬量輸入模塊、兩個EM AQ04模擬量輸出模塊，一個EM AR02熱電阻模塊，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換和通信功能。其中一臺PLC放置在變壓器端控箱內(nèi)，用來將本體的二次開關(guān)量和模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，另一臺置于控制室，用于將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換回開關(guān)量和模擬量。光電交換機(jī)采用工業(yè)級MIENI1203型，用來將PLC轉(zhuǎn)化的數(shù)字電信號轉(zhuǎn)成光信號或?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)化回電信號。

3）工作原理

本系統(tǒng)主要工作過程是通過以下途徑實現(xiàn)的：PLC作為主要數(shù)據(jù)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)化元件，首先將采集到的測控信號通過PLC轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，再經(jīng)光纖交換機(jī)把電信號轉(zhuǎn)換成光信號傳輸出去；在后臺通過另一臺光電交換機(jī)接收光信號，并通過后臺的光電交換機(jī)接收后由后臺PLC把信號轉(zhuǎn)換回模擬量和開關(guān)量，兩臺PLC通過以太網(wǎng)、光纖網(wǎng)絡(luò)組建網(wǎng)絡(luò)通信，通過以太網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)兩臺之間的信息發(fā)送和接收。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 軟件編程測試

西門子S7-200 SMART CPU提供一個以太網(wǎng)端口，因此兩臺PLC可以方便地通過以太網(wǎng)口連接至光纖設(shè)備實現(xiàn)信息交換。本項目以太網(wǎng)通信協(xié)議采用TCP通信協(xié)議。TCP是一個因特網(wǎng)核心協(xié)議，在以太網(wǎng)通信的主機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用程序之間，TCP提供了可靠、有序并能夠進(jìn)行錯誤校驗的消息交互功能。TCP能保證接收和發(fā)送的所有字節(jié)內(nèi)容和順序完全相同。

對S7-200 SMART之間的TCP通信，雙方通過調(diào)用開放式用戶通信指令庫中的指令即可實現(xiàn)。

2.1 變壓器端PLC編程

1）設(shè)置變壓器端PLC IP地址

將變壓器端PLC地址設(shè)置為192.168.0.101，如圖2所示。

圖2 設(shè)置變壓器端PLC IP地址

2）建立變壓器端PLC TCP連接

調(diào)用指令庫中的TCP_CONNECT指令建立TCP連接，參數(shù)設(shè)置如圖3所示。設(shè)置連接后臺PLC地址為192.168.0.102，遠(yuǎn)端端口為2001，本地端口為5000，連接標(biāo)識ID為1。

圖3 設(shè)置變壓器端TCP_CONNECT指令參數(shù)

3）調(diào)用發(fā)送數(shù)據(jù)指令

調(diào)用TCP_SEND指令發(fā)送以VB0為起始地址，數(shù)據(jù)長度為VW100內(nèi)存儲數(shù)據(jù)，發(fā)送到連接ID為1指定的后臺端PLC。變壓器端TCP_SEND指令的參數(shù)設(shè)置如圖4所示。

圖4 設(shè)置變壓器端TCP_SEND指令參數(shù)

2.2 后臺端PLC編程

1）設(shè)置后臺端PLC IP地址

參照圖2，設(shè)置IP地址為192.168.0.102。

2）建立后臺端TCP連接

參照圖3，調(diào)用TCP_CONNECT指令建立TCP連接。設(shè)置變壓器端地址為192.168.0.101，遠(yuǎn)端端口為5000，本地端口為2001，連接標(biāo)識ID為1。

3）后臺端接收數(shù)據(jù)

后臺端PLC調(diào)用TCP_RECV指令接收變壓器端PLC發(fā)送的數(shù)據(jù)。接收的緩沖區(qū)長度為VW100內(nèi)存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)以VB1000為起始。后臺端接收數(shù)據(jù)指令的設(shè)置如圖5所示。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸測試結(jié)果

按照圖2—圖5進(jìn)行硬件連接和測試，并對PLC編程，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸試驗。在圖6中，VW0是變壓器端發(fā)送的開關(guān)量數(shù)據(jù)，VW50是變壓器端發(fā)送的1個模擬量數(shù)據(jù)，VW100是發(fā)送的數(shù)據(jù)長度。圖7中，VW1000是后臺端接收的對應(yīng)開關(guān)量數(shù)據(jù)，VW1050是后臺端接收的對應(yīng)模擬量數(shù)據(jù)，VW100是接收的數(shù)據(jù)長度。通過變壓器端PLC發(fā)送數(shù)據(jù)和后臺端PLC接收數(shù)據(jù)一致性測試，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：開關(guān)量數(shù)值完全相同；模擬量數(shù)值由于模擬量處在動態(tài)變化中以及傳輸?shù)纳杂袦?，結(jié)果稍有偏差，但從數(shù)值看差值很小，僅萬分之三左右的誤差，滿足監(jiān)測精度，達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)，證明方法可行。

圖5 后臺端TCP_RECV指令設(shè)置

圖6 變壓器端發(fā)送的數(shù)據(jù)

圖7 后臺端接收的數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

通過本項目的軟硬件實施，驗證了其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)運(yùn)行可靠，獲得了成功。本項目具有以下幾方面的顯著優(yōu)點：

1）采用PLC作為通信控制設(shè)備，軟、硬件設(shè)計簡單，響應(yīng)迅速，運(yùn)行可靠。

2）采用光纖/以太網(wǎng)通信的方式，避免了鋪設(shè)大量的電力電纜，可節(jié)省大量人力、物力，從而更節(jié)材。

3）采用光纖傳輸?shù)姆绞?，傳輸距離長，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

[1] 張會新, 余俊斌, 嚴(yán)帥, 等. 基于RS485總線的前端數(shù)字化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2018, 000(6): 71-75.

[2] 王力鋒. 內(nèi)燃機(jī)車常見微機(jī)系統(tǒng)信號干擾問題分析處理[J]. 電子世界, 2018(7): 201, 203.

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Application of optical fiber communication technology based on PLC in transformer remote monitoring

XU Jinhong

(Baoding Tianwei Group Tebian Electric Co., Ltd, Baoding, Hebei 071056)

In the process of 110kV transformer's reconstruction, according to the characteristics of transformer signals much more and long transmission distance on-site, the method of transforming secondary switching signal and analog signal of transformer into digital signal through PLC and then communication through optical fiber was adopted, which successfully solved the practical difficulties.

transformer; programmable logic controller (PLC); optical fiber; communication

2020-06-23

2020-07-10

許金紅（1978—），男，河北保定人，本科，高級工程師，主要從事智能化變壓器設(shè)計工作。