基于PLC技術(shù)的低壓智能控制屏的設(shè)計與應(yīng)用

近年來，35kV及以上等級變電站越來越多實現(xiàn)無人值守，而站內(nèi)低壓用電是保證變電站各種電氣設(shè)備運行維護的基礎(chǔ)，因此對變電站低壓配電屏進行有效監(jiān)控就越發(fā)顯得重要。低壓配電屏一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般設(shè)計為兩路進線，通過自動轉(zhuǎn)換開關(guān)ATS或者聯(lián)絡(luò)開關(guān)實現(xiàn)不同電源之間的切換，出線負荷可根據(jù)實際需求配備相應(yīng)的開關(guān)。在低壓配電屏中加入智能控制系統(tǒng)，不僅可準確掌握相關(guān)電量參數(shù)、實現(xiàn)自動切換、遠程監(jiān)控等功能，還可豐富產(chǎn)品內(nèi)涵，極大提高產(chǎn)品競爭力。本文主要介紹低壓智能控制屏的設(shè)計思路及實現(xiàn)方式，通過系統(tǒng)的集成，將PLC、觸摸屏、PM表、電壓檢測模塊等智能設(shè)備有機的結(jié)合在一起，完成對進出線開關(guān)及相關(guān)電力參量的有效監(jiān)控。

　　2 設(shè)計要求

　　低壓智能控制屏的設(shè)計要求主要有兩部分：(1)電力參數(shù)及進出線開關(guān)狀態(tài)采集、就地顯示及上傳；(2)兩路進線電源自動切換。

　　電力參數(shù)需要采集兩路進線的電流、電壓、頻率、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、有功電能、無功電能等參數(shù)。進出線開關(guān)狀態(tài)要求實時反映低壓配電屏進線、出線開關(guān)的狀態(tài)。設(shè)計要求將上述遙測遙信量就地顯示于人機界面，并能準確上傳至上級監(jiān)控平臺。

　　為了確保供電可靠性，變電站低壓配電屏設(shè)計為兩路進線，通過自動轉(zhuǎn)換開關(guān)ATS或者母聯(lián)開關(guān)實現(xiàn)兩路電源之間的切換。采用ATS的方式時，該設(shè)備有0、l、2三種位置狀態(tài)。當ATS處于0位置時，兩路電源皆不投入；當處于l位置時，I路電源投入運行；當處于2位置時，II路電源投入運行。基于ATS的控制特點，要求智能控制系統(tǒng)對ATS有五種控制模式，分別是：停止、固定電源I、自動電源I、固定電源II、自動電源II，綜合匯總?cè)绫?所示。

　　采用母聯(lián)開關(guān)的方式時，一般采用兩進線一母聯(lián)的“三合二”的控制方式保證供電，實現(xiàn)方式與ATS類似，不再贅述，下面僅以ATS為控制對象加以說明。

　　3 系統(tǒng)分析與設(shè)計

　　3．1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及硬件分析

　　按照上述設(shè)計要求，在考慮滿足性能的同時，還要兼顧整體價格的平衡，因此系統(tǒng)設(shè)備的選型需慎重考慮。智能控制系統(tǒng)不僅要完成自動控制的功能，還要完成與底層設(shè)備的現(xiàn)場總線通信功能。因此通過綜合考慮，智能控制系統(tǒng)的核心設(shè)備選擇了施耐德公司的小型PLC：TWDLCAFAODRF。該設(shè)備在本體有24個開關(guān)量輸入點，16個開關(guān)量輸出點，還可以通過擴展模塊將IO點數(shù)最大擴展至264點。該設(shè)備更為強大的是有三個通信口：1個可作為通信用的編程口；1個RS485通信口；1個以太網(wǎng)接口，該PLC具有很強的集成與擴展能力。參閱圖l中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，Twido作為核心控制單元，通過以太網(wǎng)上聯(lián)觸摸屏以及上級監(jiān)控平臺，通過RS485現(xiàn)場總線下接智能接口設(shè)備，還能通過I／O硬接線連接開關(guān)的輔助觸點，完成輸入輸出控制。

　　電力參數(shù)的采集主要使用施耐德公司的PM200，該產(chǎn)品通過對電流電壓的測量，計算出各種電力參數(shù)，并通過RS485通信口與上位機連接，是一種經(jīng)濟簡便的多功能電力測量儀器。進出線開關(guān)狀態(tài)采集使用PLC與CCMl6采集器相結(jié)合的方式。與PLC在同一面屏的開關(guān)，將其輔助觸點接入PLC開關(guān)量輸入點，與PLC不在同一面屏的開關(guān)，在該屏配備開關(guān)量采集模塊CCMl6，將輔助觸點接入CCMl6，然后通過通信口上傳至PLC。具體接線示意圖可參見圖l的左下角部分。

　　人機界面選用***威倫通公司的觸摸屏MT8104，該產(chǎn)品擁有65536色、TFT LCD；USB打印機接口；3組串口可同時使用3種不同通訊協(xié)議；支持100M以太網(wǎng)，是完全應(yīng)工業(yè)所需研制而成的高品質(zhì)觸控式工業(yè)用人機界面。圖1中觸摸屏通過以太網(wǎng)與Twido相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、趨勢曲線描繪、告警信息匯總、控制命令輸入等等人機交互功能。從圖l可看出，PLC通過RS485通信口與底層智能設(shè)備連接，以現(xiàn)場總線的方式將數(shù)據(jù)采集到PLC，并通過程序?qū)⑾嚓P(guān)信息存儲到內(nèi)部存儲區(qū)。就地顯示使用觸摸屏，實時反映配電屏的運行狀態(tài)，顯示電流電壓趨勢曲線以及系統(tǒng)相關(guān)的告警及運行信息。上級監(jiān)控平臺可以通過以太網(wǎng)接入到本智能監(jiān)控系統(tǒng)，利用MODBUS TCP／IP通信規(guī)約進行信息交換，通信速率可達到100M／S，保證了數(shù)據(jù)更新的實時性與準確性。

　　3．2 PLC編程實現(xiàn)

　　使用與Twido PLC配套的編程軟件Twidosoft實現(xiàn)既定的控制邏輯及智能口通信功能。對于ATS控制的關(guān)鍵點在于電源的檢測，為此選用Carlo GaVazzi公司的DPB7lCM23型電壓檢測模塊。該模塊能夠檢測輸入電壓的欠壓、過壓、缺相、反相等狀況，通過輔助觸點提供必要的信息，并且在模塊面板上有指示燈反映故障信息。

　　以自動電源1模式為例說明控制邏輯原理：(1)在遠程控制模式下，操作人員通過觸摸屏發(fā)出控制指令，兩路電源都正常，電壓檢測模塊實時檢測電源狀況， PLC控制ATS先處于1位置； (2)電源I不正常，電壓檢測模塊發(fā)出電壓不正常信號，PLC經(jīng)過延時后，控制ATS斷開1位置，回到0位置；(3)經(jīng)過一定延時后，PLC斷開0位置，轉(zhuǎn)到2位置，使用電源II供電； (4)當電源I恢復(fù)正常時，電壓檢測模塊發(fā)出電壓正常信號，PLC斷開2位置，回到0位置； (5)經(jīng)過延時，PLC控制ATS斷開0位置，回到1位置，恢復(fù)電源I供電。在自動電源1模式下，如果電源2不正常，ATS保持在1位置不動作。如果兩路電源都不正常，PLC控制ATS處于停止狀態(tài)。

在本智能控制系統(tǒng)中，PLC有效地對底層智能口進行通信也是非常關(guān)鍵的。Twidosoft軟件提供了強大的通信宏功能。通信宏通過簡單的配置，指定好通信口的相關(guān)參數(shù)如波特率、設(shè)備地址、數(shù)據(jù)存儲區(qū)等就可以與底層設(shè)備進行通信了。該軟件最大支持總共32個通信宏，即最大32個子設(shè)備的智能通信。通信宏支持MODBUS以及TCP／IP通信規(guī)約。

　　實際編程中，由于MODBUS主從應(yīng)答式的通信機制，需要逐次分步調(diào)用通信宏，因此在程序開頭應(yīng)設(shè)計一個步進計數(shù)器。步進計數(shù)器利用系統(tǒng)脈沖信號產(chǎn)生步進脈沖，每個步進脈沖調(diào)用一次通信宏，以此來控制每次PLC主站與底層設(shè)備子站之間的通信。

　　下面結(jié)合圖2編程實例說通信宏調(diào)用的機理。梯形圖第10行表示步進計數(shù)器的第l步發(fā)生時，使內(nèi)存點％M1為l，同時將需要采集數(shù)據(jù)的首地址存入通信宏指定的臨時變量％MW23。第11行表示在％Ml上升沿時調(diào)用通信宏COMMl的讀N字指令，具體是讀10個字。第12行表示在％Ml下降沿時，將宏讀到的10個字的數(shù)值賦值到從內(nèi)存點％MWl00開始的10個字。

　　3．3 人機界面功能設(shè)計

　　觸摸屏與PLC通過以太網(wǎng)進行連接，使用MODBUS TCP／IP通信規(guī)約進行信息交換，兩者的傳輸速率可達到100M／S，保證了數(shù)據(jù)刷新的實時性。人機界面的功能設(shè)計包括四部分：系統(tǒng)電力參數(shù)及開關(guān)狀態(tài)實時顯示；密碼管理及開關(guān)操作：電流電壓趨勢曲線圖；系統(tǒng)運行狀態(tài)及告警信息顯示。

　　電力參數(shù)及開關(guān)狀態(tài)實時顯示主要包括PM200的三相電流、相電壓、線電壓、頻率、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、視在功率、有功電能、無功電能、視在電能、ATS位置狀態(tài)、出線開關(guān)位置狀態(tài)等等。密碼管理及開關(guān)操作功能設(shè)計為需要輸入正確密碼才能在觸摸屏發(fā)出控制命令，如控制模式及ATS位置的轉(zhuǎn)換。電流電壓趨勢曲線圖將三相電流、三相電壓的趨勢曲線反映到人機界面，具有前后翻動顯示或者曲線保持的功能。人機界面還有系統(tǒng)運行狀態(tài)及告警信息匯總顯示功能，方便操作人員及時快速掌握系統(tǒng)存在的問題。

　　4 應(yīng)用情況

　　低壓智能控制屏采用了先進的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對底層智能設(shè)備的通信非常穩(wěn)定，實時反映低壓配電屏的運行狀態(tài)以及電力參數(shù)。在自動運行的情況下，智能控制系統(tǒng)能夠準確判斷電源情況，根據(jù)設(shè)定好的程序完成電源的自動切換。人機界面簡潔友好，便于操作人員掌握系統(tǒng)全部運行情況。目前本低壓智能控制屏推出一年多以來，已成功應(yīng)用在超過50個35kV及以上電壓等級的大型變電站的站用低壓配電系統(tǒng)中，以其穩(wěn)定準確、功能完善的特點得到了用戶的好評。隨著越來越多的大型變電站的興建或技術(shù)改造，本低壓智能控制屏也將得到更大范圍的推廣和應(yīng)用。

　　5 結(jié)語

　　本文主要介紹了基于PLC技術(shù)的低壓智能監(jiān)控屏的設(shè)計及應(yīng)用情況。低壓智能監(jiān)控屏結(jié)合現(xiàn)場總線及以太網(wǎng)技術(shù)，有效地將各種智能設(shè)備集成為具有實時顯示、自動控制的監(jiān)控系統(tǒng)。本智能監(jiān)控系統(tǒng)與低壓配電屏的融合，極大地提高了配電屏的技術(shù)含量，豐富了產(chǎn)品內(nèi)涵，提高了配電用電的安全性和可靠性，且配置簡單，性價比高，可移植性強，是值得廣大配電屏生產(chǎn)廠家大力推廣應(yīng)用的自動化監(jiān)控系統(tǒng)。