组态王及PLC在二次回路仿真装置中的应用研究
摘要：运行中的电力系统严格禁止用于学生实验，而高校电气类专业学生在学习二次回路相关知识时相应的实验装置十分匮乏，针对这一问题，本文拟设计一套基于组态王及PLC控制的断路器二次回路仿真装置，该装置以西门子S7200 PLC 为核心控制器，利用组态王软件编写上位机监控界面，既可实现断路器二次回路的现场控制，又可通过上位机界面实现远程控制，并能实时监控二次回路工作状态。系统采用36V安全电压供电，既贴近电力系统运行实际，又保证了实验者的安全，具有实用价值。
关键词：组态王；S7200 PLC；二次回路；仿真装置
随着智能化的迅速发展，发电厂及变电站中对二次设备的控制、监视也都实现了综合自动化，与此同时，针对高校学生学习用的变电站二次回路实验装置却十分匮乏；运行中的电力系统又严格禁止用于教学实验。针对这一问题，本文拟设计一套基于组态王软件及PLC（可编程序控制器）控制的二次回路仿真裝置，利用组态王软件开发良好的上位机监控界面，模拟现场运行实际，为学生提供一个现场感强、形象直观的实验环境，有效地将教学实际和现场实际融合[14]。
1 仿真装置总体设计方案
仿真装置首先应能完成常规二次回路中断路器控制，其次，为了贴近发电厂及变电站运行实际，还应具备断路器的远程控制功能，即上位机控制。因此仿真装置主要由三部分组成：一是断路器二次回路部分，二是上位机部分，三是联系以上二者的桥梁——PLC部分。二次回路部分主要由继电器、接触器、转换开关、按钮、指示灯等常规元件构成，该电路完全采用常规元器件构成有以下好处：一是方便学生认识书本中学的各种元器件，二是加深理解二次回路中学到的理论知识[1]。上位机部分位于装置的顶层，用于实现对断路器二次回路的远程监视与控制功能，是整个仿真装置的核心部件。上位机与下位机PLC配合使用，接收PLC传来的数据，通过PLC将控制指令下达到二次回路控制环节，同时，上位机还能完成一些辅助功能，如实时形象地显示线路的具体运行情况，电源电压情况等。PLC部分在仿真装置中起到上传下达的作用，该部分主要由西门子S7200 PLC CPU226 主机模块、EM235 AD转换模块、DC24V 开关电源及一些按钮、继电器构成，采集二次回路中触点的状态、电压等信号，处理后上传给上位机监控界面；上位机下达的指令，通过PLC控制相应继电器输出，实现对二次回路的控制。
2 断路器二次回路设计
二次回路即断路器控制、保护和信号回路，本文采用原理相对简单的电磁操作机构的断路器控制、保护和信号回路[2]，其中的断路器部分采用仿真断路器实现，主要由中间继电器构成，断路器的合闸线圈和跳闸线圈功能由两组中间继电器代替完成功能，分别称其为合闸继电器和跳闸继电器[1]。转换开关采用LW2型万能转换开关。整个回路包含8个部分，分别是合闸回路（自动合、手动合）、跳闸回路（自动跳、手动跳）、手动跳闸灯光信号回路，手动合闸灯光信号回路、自动跳闸灯光信号回路、自动合闸灯光信号回路、合闸线圈回路、事故跳闸音响发信回路。当需要合闸（或跳闸）时，首先通过合闸（或跳闸）回路使中间继电器得电并自锁，从而使合闸（或跳闸）继电器得电，同时，灯光信号回路相关指示灯亮，完成仿真断路器的合闸（或跳闸）模拟。对二次回路控制的基本要求如下： （1） 断路器正常工作时，应是红灯亮，绿灯灭，并分别起到监视跳闸和合闸回路的完好性；（2） 当过电流保护装置检测到过电流信号时，应立即启动跳闸装置跳闸[5，6]。
3 上位机监控界面设计
上位机监控界面即提供人机交互的操作界面，采用组态王软件编写。组态王
软件为开发者提供了可视化监控画面，有利于实现实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表[7]。设计的上位机监控界面内容包括：二次回路原理图，操作按钮（测试、合闸、分闸、故障设置等），断路器状态显示、通信窗口，历史数据等。上位机监控界面的主要功能：首先是下达指令，通过点击界面上的操作按钮，将信号通过PPI通信传递给PLC模块，再由PLC发出信号给继电器，通过继电器触点的动作接通或者断开断路器；其次，上位机还能接收现场传来的信号，如断路器的状态、电源电压的大小等，都可以经PLC部分相应模块采集信号，传递给上位机界面显示。
装置可完成的实验包括：（1）断路器手动分、合闸实验；（2）断路器自动分、
合闸实验；（3）预告信号实验；（4）事故信号实验。
实验时，学生可先查看二次回路原理图，读懂图以后，可先点击测试按钮，查看上位机与下位机之间通信是否正常，合闸线圈、分闸线圈是否有异常。无误后，通过操作按钮对二次回路进行操作，同时观察电路是否有相应动作。操作过程在通信窗口留有记录，方便学生对操作过程回顾分析。
4 结语
本文在充分调研了发电厂及变电站发展现状的基础上，结合应用技术型高校
教学实际，探究将组态软件及PLC应用于断路器二次回路仿真装置中，实现断路器控制的智能化，贴近现场实际，专业针对性强，丰富了教学手段，推进了实验教学的步伐，非常有实用价值。
参考文献：
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[7]穆亚辉.组态王软件实用技术[P].郑州：黄河水利出版社，2012.
基金项目：中国石油大学胜利学院大学生创新训练项目，项目编号：2017025
