采用PLC作为通信控制设备，解决变压器信号远程传输难题

中国电工技术学会活动专区

CES Conference

在某电厂110kV变压器改造过程中，针对变压器现场信号多、与后台传输距离远等特点，保定天威集团特变电气有限公司的研究人员许金红，在2021年第1期《电气技术》上撰文，提出并采用通过可编程逻辑控制器将变压器二次开关量信号、模拟量信号转化成数字信号再经由光纤通信传到远方后台的方法，成功解决了实际困难。

在某电厂110kV变压器改造过程中，二次信号的远程传输中发现3个难题：①新增的变压器本体二次信号较之前增加很多，增设电力电缆困难；②变压器与后台测控系统的传输距离较远（800m），干扰源较多，模拟量信号衰减大，容易失真；③后台系统沿用以前老式的监控系统，必须考虑新变压器与老式后台系统的兼容问题。

考虑到以上几点，本文中提出对变压器本体二次信号采用可编程逻辑控制器（programmable logic controller, PLC）转化成数字信号，并更换为通过光纤传输数字量，由光纤传输到达监控室之后再将数字信号转化成模拟量和开关量，实现与后台系统的对接。该项目具有节省成本和安全可靠的优点。

1  系统组成及原理

1）变压器信号采集量

本项目中从变压器本体采集并需输送的信号包含光纤测温信号5路，全部为4～20mA模拟量；油温、油位、瓦斯报警、光纤报警开关量信号15路和1路PT100温度远传信号。采集到的信号传输到控制室后，15路开关量和5路模拟量仍保留不变，传至后台的1路PT100经转化为4～20mA模拟量后接入监控系统。

2）硬件组成

硬件设备由PLC及其扩展模块、光电交换机、单模光纤等组成。

根据设备采集及输出的开关和模拟量数量，项目中采用两台西门子ST40型CPU模块、一个EM AI08模拟量输入模块、两个EM AQ04模拟量输出模块，一个EM AR02热电阻模块，完成模数转换和通信功能。

其中一台PLC放置在变压器端控箱内，用来将本体的二次开关量和模拟量转化为数字信号，另一台置于控制室，用于将数字信号转换回开关量和模拟量。光电交换机采用工业级MIENI1203型，用来将PLC转化的数字电信号转成光信号或将光信号转化回电信号。

3）工作原理

本系统主要工作过程是通过以下途径实现的：PLC作为主要数据采集和模数转化元件，首先将采集到的测控信号通过PLC转化成数字量，再经光纤交换机把电信号转换成光信号传输出去；在后台通过另一台光电交换机接收光信号，并通过后台的光电交换机接收后由后台PLC把信号转换回模拟量和开关量，两台PLC通过以太网、光纤网络组建网络通信，通过以太网协议实现两台之间的信息发送和接收。系统组成框图如图1所示。

图1  系统组成框图

2  软件编程测试

西门子S7-200 SMART CPU提供一个以太网端口，因此两台PLC可以方便地通过以太网口连接至光纤设备实现信息交换。本项目以太网通信协议采用TCP通信协议。TCP是一个因特网核心协议，在以太网通信的主机上运行的应用程序之间，TCP提供了可靠、有序并能够进行错误校验的消息交互功能。TCP能保证接收和发送的所有字节内容和顺序完全相同。

对S7-200 SMART之间的TCP通信，双方通过调用开放式用户通信指令库中的指令即可实现。

2.1  变压器端PLC编程

1）设置变压器端PLC IP地址

将变压器端PLC地址设置为192.168.0.101，如图2所示。

图2  设置变压器端PLC IP地址

2）建立变压器端PLC TCP连接

调用指令库中的TCP_CONNECT指令建立TCP连接，参数设置如图3所示。设置连接后台PLC地址为192.168.0.102，远端端口为2001，本地端口为5000，连接标识ID为1。

图3  设置变压器端TCP_CONNECT指令参数

3）调用发送数据指令

调用TCP_SEND指令发送以VB0为起始地址，数据长度为VW100内存储数据，发送到连接ID为1指定的后台端PLC。变压器端TCP_SEND指令的参数设置如图4所示。

图4  设置变压器端TCP_SEND指令参数

2.2  后台端PLC编程

1）设置后台端PLC IP地址

参照图2，设置IP地址为192.168.0.102。

2）建立后台端TCP连接

参照图3，调用TCP_CONNECT指令建立TCP连接。设置变压器端地址为192.168.0.101，远端端口为5000，本地端口为2001，连接标识ID为1。

3）后台端接收数据

后台端PLC调用TCP_RECV指令接收变压器端PLC发送的数据。接收的缓冲区长度为VW100内存储数据，数据接收缓冲区以VB1000为起始。后台端接收数据指令的设置如图5所示。

2.3  数据传输测试结果

按照图2—图5进行硬件连接和测试，并对PLC编程，进行数据传输试验。在图6中，VW0是变压器端发送的开关量数据，VW50是变压器端发送的1个模拟量数据，VW100是发送的数据长度。图7中，VW1000是后台端接收的对应开关量数据，VW1050是后台端接收的对应模拟量数据，VW100是接收的数据长度。

通过变压器端PLC发送数据和后台端PLC接收数据一致性测试，数据结果显示：开关量数值完全相同；模拟量数值由于模拟量处在动态变化中以及传输的稍有滞后，结果稍有偏差，但从数值看差值很小，仅万分之三左右的误差，满足监测精度，达到了预定目标，证明方法可行。

图5  后台端TCP_RECV指令设置

图6  变压器端发送的数据

图7  后台端接收的数据

3  结论

通过本项目的软硬件实施，验证了其数据的准确性。系统运行可靠，获得了成功。本项目具有以下几方面的显著优点：

1）采用PLC作为通信控制设备，软、硬件设计简单，响应迅速，运行可靠。

2）采用光纤/以太网通信的方式，避免了铺设大量的电力电缆，可节省大量人力、物力，从而更节材。

3）采用光纤传输的方式，传输距离长，环境适应性强。

本文编自2021年第1期《电气技术》，论文标题为“基于PLC的光纤通信技术在变压器远程监控中的应用”，作者为许金红。