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西门子代理商S7-300模块

1 IEC61850 标准

1.1标准概述
         IEC61850是新一代的变电站自动化系统的国际标准，它规范了数据的命名、数据定义、设备行为、设备的自描述特征和通用配置语言。同传统的IEC60870-5-103标准相比，它不仅仅是一个单纯的通信规约，而是数字化变电站自动化系统的标准，它指导了变电站自动化的设计、开发、工程、维护等各个领域。该标准通过对变电站自动化系统中的对象统一建模，采用面向对象技术和独立于网络结构的抽象通信服务接口，增强了设备之间的互操作性，可以在不同厂家的设备之间实现无缝连接。智能化一次设备和数字式变电站要求变电站自动化采用IEC61850标准。IEC61850是至今为止较为完善的变电站自动化标准，它不仅规范保护测控装置的模型和通信接口，而且还定义了数字式CT、PT、智能式开关等一次设备的模型和通信接口。采用IEC61850国际标准可以大大提高变电站自动化技术水平、提高变电站自动化安全稳定运行水平，节约开发验收维护的人力物力，实现*的互操作，如图1所示。
         IEC61850与传统的SCADA协议不同的是，它不仅是一个简单的协议，更涉及到通信网络性能要求、对象建模、系统和项目管理等多方面的规范要求。IEC61850采用面向对象的建模方法和抽象、分层映射的技术，通过规范系统和项目管理以及*性测试等途径来保证其目标的实现，并且IEC61850不仅适用于变电站自动化系统内部网络通信，也适用于配电自动化、电能计量系统、发电厂自动化系统、风力发电以及其它工业领域。

图1：IEC61850与数字化变电站(SAS)之间的相互关系：

1.2 制造报文规范MMS
        制造报文规范(Manufacturing Message Specification,MMS)是网络上实时处理和监控系统信息交换的国际标准，由国际标准化组织和国际电工委员会工业自动化技术委员会TC184工业组负责制定和发展，它适合于在不同的设备、应用、发展商和领域内提供通用信息服务，例如：MMS提供的读(Read)服务允许网络上的设备、应用或计算机从另外一个设备、应用或计算机内读取所需的变量，而不管这个变量是在可编程逻辑控制器、机器人、远方终端设备或智能电子设备内。MMS已经广泛应用在制造、石油化工、电力工业和太空探索等领域。
        MMS由以下各部分组成：

1) 服务规范(Service Specification)
2) 协议规范(Protocol Specification)
3) 机器人伴同标准(Robot Companion Standard)
4) 数字控制器伴同标准(Numberical Controller Companion Standard)
5) 可编程逻辑控制器伴同标准(Programmable Logical Controller Companion Standard)
6) 过程控制系统伴同标准(Process Control System Companion Standard)

        上列各部分中，*部分服务规范和第二部分协议规范是其核心，服务规范包含的定义
有：虚拟制造设备(Virtual Manufacturing Device,VMD)；网络上节点间的信息交换；与VMD有关的属性和参数。协议规范定义的是通信规则，包括：信息格式；通过网络的信息顺序；MMS层与ISO/OSI开放模型的其他层的交互，而3)-6)则是针对不同的应用领域的伴同标准。
         MMS提供了丰富的针对对等式实时通信网络的一系列任务，已经成为许多工业领域的控制设备的通信协议，例如CNC、可编程逻辑控制器、机器人、电力领域中的远方终端设备(RTU)、能源管理系统(EMS)、重合器、开关等IED设备。许多流行的计算机平台都支持基于MMS的互联，在软件支持上，更多的API、图形界面、网关、字处理、电子表格、关系型数据库都支持MMS，从通信连接上看，MMS在以太网、令牌总线、串行接口RS-232C、OSI、TCP/IP、MiniMAP上也都很容易实现，如图2所示：

图2：MMS在IEC61850报文结构中的位置

1.3 IEC61850标准的体系结构
        变电站自动化系统由各种IED 组成，主要完成变电站内设备的控制、监视和保护功能，并实现系统配置、通信管理和软件管理等系统维护功能。IEC 61850 标准将变电站自动化系统在逻辑上划分为3 层(即变电站层、间隔层和过程层)，并将具体应用功能分解为许多常驻在不同IED 内、彼此间相互通信的单元，称为逻辑节点(logical node，LN)，然后以LN 为对象建立变电站内IED 的统一的数据和服务模型，旨在解决不同厂商提供的IED间的数据交换、信息共享等问题。
        遵循IEC 61850 标准的变电站自动化系统主要包括：主站自动化系统软件(人机界面、数据库及系统管理等)；间隔层装置(保护、测控单元等)；过程层设备，包括电子式电流/电压互感器(electronic current/potential transducer，ECT/EPT)、智能断路器/隔离开关、合并单元等；工程化工具(如配置工具等)，用于管理IEC 61850所定义的的通信模型，并满足IEC 61850-6(配置)和IEC 61850-10(*性测试)的规范要求，如图3所示：

图3：IEC61850与数字化变电站接口与体系结构

1.4数据模型
        在了解数据模型之前，首先需要了解一些关于IEC61850 的重要概念
智能电子设备(IED)：实际的物理设备，如开关、断路器，综保等。
功能：变电站自动化系统执行的任务，如：母线保护、联锁、报警管理等。
逻辑设备(LD)：一种虚拟设备，聚合逻辑节点和数据，物理设备可以包含一个或多个LD。
逻辑节点(LN)：用来描述系统功能的基本单位，是数据对象的容器，可以任意分配到
IED，每个逻辑节点和内部的数据都有具体的语义，并通过他们的服务与外部进行交互。
在IEC61850 中，一个IED 设备的外部性能通过Server 服务器类来表征，Server 服务器可以包含一个或多个逻辑设备，一个逻辑设备可以包含多个逻辑节点，在IEC61850 中一些逻辑节点是电力系统实设备的映射。一个IED 设备要实现特定功能必然需要这些逻辑节点来最终实现操作、控制的功能。可以简单理解逻辑设备是IED 设备实现具体一个功能的抽象容器，在这个容器中包含了实现功能所需的相应的逻辑节点。
        下图4描述了从一个实际的项目中如何对实际的物理设备建模的完整过程：

图4:设备建模的完整过程

        就针对一个具体的IED设备模型而言，下图5描述了该物理设备中所包含的内容及其交互关系：

图5：数据模型所包含的内容及交互关系

        下图6为一个实际的IED物理设备所包含的相关内容，该图描述了该LED设备中其中一个逻辑设备”Tampa_Control”的逻辑节点”Q0XCBR1”断路器的”位置Pos”数据的相关状态 “stVal和ctlVal”。

图6：一个实际的IED设备所包含的内容

2 “IEC61850 Server Library”软件包概述

2.1 “IEC61850 Server Library”通信概述
        “IEC61850 Server Library”软件包是西门子推出的基于S7-300/400作为服务器端的IEC61850规约的通信解决方案，通过该软件包，可以将S7-300/400 “虚拟”为一个IEC61850服务器端设备，之后S7-300/400 可以支持在IEC61850总线上的过程变量导出，下图7为“IEC61850 Server Library”软件包通信总览：

图7：“IEC61850 Server Library“软件包通信总览

“IEC61850 Server Library “软件包具有如下特征：
1) 功能*的功能块库，支持德语及英语的在线帮助。
2) 每个IEC61850 客户端设备将通过一个ISO-On-TCP连接服务器。
3) 最多可以支持100 Data-Attribute及10 DataSet(每个DataSet包含100个Data-Attributes)：
4) Data-Attribute支持如下数据类型，如图8所示：

PLC控制系统中传感器各类及说明

传感器种类繁多, 功能各异。 由于同一被测量可用不同转换原理实现探测, 利用同一种物理法则、 化学反应或生物效应可设计制作出检测不同被测量的传感器, 而功能大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领域, 故传感器有不同的分类法。具体分类见表1。

表1 传感器分类

PLC系统的模拟量变动很大且不稳定时的故障原因

PLC系统的模拟量是一个变动很大的不稳定的值，可能是如下原因：

你可能使用了一个自供电或隔离的传感器电源，两个电源没有彼此连接，即模拟量输入模块的电源地和传感器的信号地没有连接。这将会产生一个很高的上下振动的共模电压，影响模拟量输入值。

另一个原因可能是模拟量输入模块接线太长或绝缘不好。 
可以用如下方法解决：

1） 连接传感器输入的负端与模块上的公共M 端以补偿此种波动。（但要注意确保这是两个电源系统之间的联系。）

背景是：

模拟量输入模块内部是不隔离的；

共模电压不应大于 12V；

对于60Hz干扰信号的共模抑制比为40dB。

2）使用模拟量输入滤波器。

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