基于PLC技術(shù)的低壓智能控制屏的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1 引言
    近年來，35kV及以上等級變電站越來越多實(shí)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(yùn)行維護(hù)的基礎(chǔ)，因此對變電站低壓配電屏進(jìn)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(jì)為兩路進(jìn)線，通過自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)ATS或者聯(lián)絡(luò)開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同電源之間的切換，出線負(fù)荷可根據(jù)實(shí)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(zhǔn)確掌握相關(guān)電量參數(shù)、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換、遠(yuǎn)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(jì)思路及實(shí)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(jī)的結(jié)合在一起，完成對進(jìn)出線開關(guān)及相關(guān)電力參量的有效監(jiān)控。

2 設(shè)計(jì)要求
    低壓智能控制屏的設(shè)計(jì)要求主要有兩部分：(1)電力參數(shù)及進(jìn)出線開關(guān)狀態(tài)采集、就地顯示及上傳；(2)兩路進(jìn)線電源自動(dòng)切換。
    電力參數(shù)需要采集兩路進(jìn)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(jìn)出線開關(guān)狀態(tài)要求實(shí)時(shí)反映低壓配電屏進(jìn)線、出線開關(guān)的狀態(tài)。設(shè)計(jì)要求將上述遙測遙信量就地顯示于人機(jī)界面，并能準(zhǔn)確上傳至上級監(jiān)控平臺(tái)。
    為了確保供電可靠性，變電站低壓配電屏設(shè)計(jì)為兩路進(jìn)線，通過自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)ATS或者母聯(lián)開關(guān)實(shí)現(xiàn)兩路電源之間的切換。采用ATS的方式時(shí)，該設(shè)備有0、l、2三種位置狀態(tài)。當(dāng)ATS處于0位置時(shí)，兩路電源皆不投入；當(dāng)處于l位置時(shí)，I路電源投入運(yùn)行；當(dāng)處于2位置時(shí)，II路電源投入運(yùn)行?；贏TS的控制特點(diǎn)，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(dòng)電源I、固定電源II、自動(dòng)電源II，綜合匯總?cè)绫?所示。

    采用母聯(lián)開關(guān)的方式時(shí)，一般采用兩進(jìn)線一母聯(lián)的“三合二”的控制方式保證供電，實(shí)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(jì)
3．1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及硬件分析
    按照上述設(shè)計(jì)要求，在考慮滿足性能的同時(shí)，還要兼顧整體價(jià)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(dòng)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(gè)開關(guān)量輸入點(diǎn)，16個(gè)開關(guān)量輸出點(diǎn)，還可以通過擴(kuò)展模塊將IO點(diǎn)數(shù)最大擴(kuò)展至264點(diǎn)。該設(shè)備更為強(qiáng)大的是有三個(gè)通信口：1個(gè)可作為通信用的編程口；1個(gè)RS485通信口；1個(gè)以太網(wǎng)接口，該P(yáng)LC具有很強(qiáng)的集成與擴(kuò)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(tái)，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(diǎn)，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(jì)算出各種電力參數(shù)，并通過RS485通信口與上位機(jī)連接，是一種經(jīng)濟(jì)簡便的多功能電力測量儀器。進(jìn)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(diǎn)接入PLC開關(guān)量輸入點(diǎn)，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(diǎn)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(jī)界面選用臺(tái)灣威倫通公司的觸摸屏MT8104，該產(chǎn)品擁有65536色、TFT LCD；USB打印機(jī)接口；3組串口可同時(shí)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(jī)界面。圖1中觸摸屏通過以太網(wǎng)與Twido相連，實(shí)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(jī)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(chǔ)到內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)。就地顯示使用觸摸屏，實(shí)時(shí)反映配電屏的運(yùn)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(yùn)行信息。上級監(jiān)控平臺(tái)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(jìn)行信息交換，通信速率可達(dá)到100M／S，保證了數(shù)據(jù)更新的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。
3．2 PLC編程實(shí)現(xiàn)
    使用與Twido PLC配套的編程軟件Twidosoft實(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(dòng)電源1模式為例說明控制邏輯原理：(1)在遠(yuǎn)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(shí)時(shí)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(shí)后，控制ATS斷開1位置，回到0位置；(3)經(jīng)過一定延時(shí)后，PLC斷開0位置，轉(zhuǎn)到2位置，使用電源II供電； (4)當(dāng)電源I恢復(fù)正常時(shí)，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(shí)，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(dòng)電源1模式下，如果電源2不正常，ATS保持在1位置不動(dòng)作。如果兩路電源都不正常，PLC控制ATS處于停止?fàn)顟B(tài)。
    在本智能控制系統(tǒng)中，PLC有效地對底層智能口進(jìn)行通信也是非常關(guān)鍵的。Twidosoft軟件提供了強(qiáng)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(chǔ)區(qū)等就可以與底層設(shè)備進(jìn)行通信了。該軟件最大支持總共32個(gè)通信宏，即最大32個(gè)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(shí)際編程中，由于MODBUS主從應(yīng)答式的通信機(jī)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(jì)一個(gè)步進(jìn)計(jì)數(shù)器。步進(jìn)計(jì)數(shù)器利用系統(tǒng)脈沖信號產(chǎn)生步進(jìn)脈沖，每個(gè)步進(jìn)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(shí)例說通信宏調(diào)用的機(jī)理。梯形圖第10行表示步進(jìn)計(jì)數(shù)器的第l步發(fā)生時(shí)，使內(nèi)存點(diǎn)％M1為l，同時(shí)將需要采集數(shù)據(jù)的首地址存入通信宏指定的臨時(shí)變量％MW23。第11行表示在％Ml上升沿時(shí)調(diào)用通信宏COMMl的讀N字指令，具體是讀10個(gè)字。第12行表示在％Ml下降沿時(shí)，將宏讀到的10個(gè)字的數(shù)值賦值到從內(nèi)存點(diǎn)％MWl00開始的10個(gè)字。

3．3 人機(jī)界面功能設(shè)計(jì)
    觸摸屏與PLC通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接，使用MODBUS TCP／IP通信規(guī)約進(jìn)行信息交換，兩者的傳輸速率可達(dá)到100M／S，保證了數(shù)據(jù)刷新的實(shí)時(shí)性。人機(jī)界面的功能設(shè)計(jì)包括四部分：系統(tǒng)電力參數(shù)及開關(guān)狀態(tài)實(shí)時(shí)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(yùn)行狀態(tài)及告警信息顯示。
    電力參數(shù)及開關(guān)狀態(tài)實(shí)時(shí)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(jì)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(jī)界面，具有前后翻動(dòng)顯示或者曲線保持的功能。人機(jī)界面還有系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及告警信息匯總顯示功能，方便操作人員及時(shí)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(jìn)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(shí)時(shí)反映低壓配電屏的運(yùn)行狀態(tài)以及電力參數(shù)。在自動(dòng)運(yùn)行的情況下，智能控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確判斷電源情況，根據(jù)設(shè)定好的程序完成電源的自動(dòng)切換。人機(jī)界面簡潔友好，便于操作人員掌握系統(tǒng)全部運(yùn)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(gè)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(zhǔn)確、功能完善的特點(diǎn)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(jì)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(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)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(jià)比高，可移植性強(qiáng)，是值得廣大配電屏生產(chǎn)廠家大力推廣應(yīng)用的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。