PLC用于電力智能測試系統(tǒng)的設(shè)計

PLC 廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，因其具備良好的擴(kuò)展性和獨有內(nèi)部邏輯的二次編程功能，大大擴(kuò)展其在工業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。本文從電力系統(tǒng)智能裝置的自動測試系統(tǒng)原理出發(fā)，簡要介紹自動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹PLC 在本系統(tǒng)功能和具體應(yīng)用， 并針對PLC 在電力系統(tǒng)智能裝置自動測試系統(tǒng)特殊領(lǐng)域的應(yīng)用中出現(xiàn)的觸點檢測的條件、采樣數(shù)據(jù)上送和特殊控制邏輯的要求問題進(jìn)行討論， 并給出一般解決辦法。實踐應(yīng)用表明，可編程控制器的良好的擴(kuò)展性和其獨有邏輯編程特點有效擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。

電力系統(tǒng)智能裝置一般包括是繼電保護(hù)裝置和測量控制裝置。繼電保護(hù)裝置主要功能是保護(hù)電力系統(tǒng)的一次設(shè)備安全運(yùn)行，確保電力系統(tǒng)輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，而測控裝置主要負(fù)責(zé)電力系統(tǒng)開關(guān)的控制和電氣量的測量， 二者構(gòu)成完整電力系統(tǒng)二次保護(hù)設(shè)置。

從電力系統(tǒng)智能裝置和外部一次設(shè)備的發(fā)生聯(lián)系的主要電氣量包括：一次設(shè)備的模擬量、一次設(shè)備的信號開入和繼電保護(hù)出口三個最主要部分。因此，模擬現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境的電力系統(tǒng)智能裝置自動測試系統(tǒng)也必須具備模擬量輸出、開關(guān)量輸入和開出觸點的檢測功能，但不僅僅限于這三部分的功能的檢測，其他還應(yīng)包括時鐘同步等等功能的檢測。

目前， 電力系統(tǒng)智能裝置是屬于微機(jī)型， 其具備完好信息記錄功能，具備和其他外部系統(tǒng)良好的信息交換功能。因此電力系統(tǒng)智能裝置的自動測試系統(tǒng)應(yīng)包括四個最主要的功能：用于模擬故障模擬量輸出模塊、提供保護(hù)裝置開人的開入模塊、用于檢測保護(hù)裝置動作接點的開出檢測模塊和裝置信息的解析模塊。電力系統(tǒng)智能自動檢測系統(tǒng)的基本原理：通過專用設(shè)備模擬電力系統(tǒng)故障狀態(tài)模擬量輸出，并通過開入模塊提供保護(hù)裝置的開入量， 從而滿足保護(hù)裝置保護(hù)動作基本條件，通過解析保護(hù)裝置的信息和檢測保護(hù)裝置的動作出口觸點， 從而完成保護(hù)裝置的基本功能的檢測任務(wù)。

從電力系統(tǒng)智能裝置的自動檢測系統(tǒng)原理的出發(fā)，一個完整的電力系統(tǒng)智能裝置的檢測系統(tǒng)包括：微機(jī)繼電保護(hù)測試儀、保護(hù)裝置的開入模塊、保護(hù)裝置的觸點檢測模塊和控制計算機(jī)模塊。自動檢測系統(tǒng)它主要由測試控制計算機(jī)、微機(jī)繼電保護(hù)測試儀、可編程控制器、被測智能裝置構(gòu)成。

微機(jī)繼電保護(hù)測試儀接受自動測試控制平臺發(fā)出控制參數(shù)及命令類型， 向保護(hù)裝置輸出模擬量， 完成向保護(hù)裝置輸出模擬量完成保護(hù)功能的測試， 并及時將測試儀器反饋信息以標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一格式上報到自動測試控制平臺。

可編程控制器根據(jù)自動測試控制平臺發(fā)過來的命令， 輸出開關(guān)量信號， 實現(xiàn)保護(hù)裝置硬壓板的控制和保護(hù)開關(guān)量輸出功能，將基于保護(hù)裝置繼電器開出觸點檢測輸入的采樣數(shù)據(jù)， 上送自動測試控制平臺， 為保護(hù)動作觸點判斷提供連續(xù)有效開入量采樣數(shù)據(jù)。

測試控制計算機(jī)是整個控制系統(tǒng)的核心硬件， 它通過網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)中其他硬件進(jìn)行信息交互，控制繼電保護(hù)測試儀向保護(hù)裝置輸出模擬量，接收保護(hù)裝置信息解析模塊上送的保護(hù)動作信息并通過其完成對保護(hù)裝置的控制， 控制可編程控制器輸出保護(hù)測試的開入量命令，檢驗保護(hù)裝置繼電器開出觸點動作。

微機(jī)繼電保護(hù)測試儀選用北京博電PW30AE， 可編程控制器選用GE 公司的GE-9030，可編程控制器通訊模塊使用以太網(wǎng)模塊。

可編程控制器在本系統(tǒng)的任務(wù)是完成智能裝置的保護(hù)出口繼電器觸點或者遙控觸點的檢測和智能裝置的遙信開入檢測，具體到可編程控制器各模塊是開入模塊負(fù)責(zé)檢測出口繼電器觸點導(dǎo)通和開出模塊負(fù)責(zé)提供開出完成智能裝置的遙信的檢測功能。同時為了交換信息的需要，可編程控制器必須配置相對應(yīng)的通訊模塊以滿足可編程控制器和上位機(jī)信息交換要求。

在本系統(tǒng)設(shè)計時， 對開入模塊的功能有具體的要求，這些要求是和電力系統(tǒng)的智能裝置實現(xiàn)的功能是密切相關(guān)， 如觸點類型和觸點的導(dǎo)通時間等， 因此必須分析智能裝置的保護(hù)出口繼電器觸點和遙控觸點檢測的具體要求，并以此為要求進(jìn)行可編程控制的硬件選擇和內(nèi)部邏輯回路的設(shè)計，充分滿足本系統(tǒng)對觸點檢測的特殊要求?？删幊炭刂破鞯拈_出模塊邏輯回路的設(shè)計也必須滿足本系統(tǒng)的特殊需要。

4.1 繼電器出口觸點檢測特殊要求

可編程控制器開入模塊負(fù)責(zé)檢測繼電保護(hù)出口繼電器輔助觸點的通斷情況，并將開入模塊數(shù)據(jù)上送到控制計算機(jī)， 并作為控制計算機(jī)自動檢測成功標(biāo)準(zhǔn)之一。

因此可編程控制器開入模塊檢測功能的強(qiáng)弱決定本系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

繼電保護(hù)裝置的出口繼電器觸點包括四類：保持型常開接點、保持型常閉節(jié)點、瞬動型常開接點和瞬動型常閉節(jié)點。對于保持型出口觸點的檢測來說，可編程控制器的開入是滿足自動檢測的需要。而對于瞬動型觸點的檢測，可編程控制器開入模塊檢測功能是否滿足要求取決于PLC 本身掃描周期T1 和瞬動接通的時間T2兩者的關(guān)系。考慮到可編程控制器由于掃描方式引起開入延時最長可能達(dá)兩個掃描周期，如果保護(hù)裝置的瞬動觸點的接通時間T2 大于兩倍的掃描周期T1，該觸點的狀態(tài)變化就可以被PLC 開入模塊所檢測到。

瞬動觸點的接通時間取決兩個因素，一是裝置軟件內(nèi)部對瞬動繼電器出口延時整定的時間，目前各廠家提供的技術(shù)參數(shù)來看，裝置軟件觸點延時的時間一般設(shè)置為50-100 毫秒，二是出口繼電器本身動作時間和斷開時間參數(shù)也會影響瞬動觸點的接通時間。假設(shè)瞬動型觸點的接通時間為100 毫秒，要求可編程控制器的掃描周期的時間小于50 毫秒，才能保證可編程控制器的開入模塊的檢測功能的有效性。

可編程控制器的掃描周期和可編程控制器的硬件參數(shù)和用戶的程序的大小有密切的關(guān)系。因此只要通過硬件配置和相關(guān)技術(shù)手冊提供的技術(shù)參數(shù)并結(jié)合用戶的PLC 程序指令類型和各指令類型數(shù)目計算出可編程控制器掃描周期， 選擇合適可編程控制器模塊， 保證可編程控制器掃描周期小于50 毫秒，保護(hù)裝置的瞬動型觸點檢測就可以在可編程控制器開入模塊來完成。

4.2 上位機(jī)數(shù)據(jù)采樣特殊要求的實現(xiàn)

在前面小節(jié)中， 討論了可編程控制器必須滿足檢測保護(hù)裝置的四類節(jié)點的檢測的基本條件。但前面條件的符合，只能保證PLC 開入模塊能夠檢測保護(hù)裝置動作觸點狀態(tài)的變化情況。在自動測試系統(tǒng)設(shè)計中，可編程控制器的開入模塊僅僅采集觸點狀態(tài)，而完成觸點狀態(tài)檢測標(biāo)準(zhǔn)判斷是在控制計算機(jī)中完成，如何保證上位機(jī)能夠得到完整、連續(xù)的基于采樣周期為50 毫秒可編程控制器開入模塊采樣數(shù)據(jù)是本系統(tǒng)必須要解決的關(guān)鍵問題。

電力系統(tǒng)智能裝置自動測試系統(tǒng)檢測的對象是繼電保護(hù)設(shè)備中出口繼電器動作情況，由于繼電保護(hù)設(shè)備的動作的快速性，部分保護(hù)動作時間實現(xiàn)小于50ms，因此部分出口繼電器觸點狀態(tài)在較短的時間會出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，要求上位機(jī)能將保護(hù)動作前和保護(hù)動作后出口繼電器接點動作情況進(jìn)行檢測處理，并將動作前后出口繼電器接點狀態(tài)作為該系統(tǒng)中繼電器接點檢測判斷依據(jù)。因此，要通過上位機(jī)和可編程控制器通訊數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)采樣時間間隔不大于50ms 可編程控制器開入采樣數(shù)據(jù)上送到上位機(jī)的目標(biāo)。

目前， 上位機(jī)獲得可編程控制器的開入采樣數(shù)據(jù)是通過通訊交換信息得到，而提高上位機(jī)和PLC 數(shù)據(jù)信息交換效率是解決數(shù)據(jù)采樣的實時性的措施之一，但僅僅依靠提高上位機(jī)和PLC 數(shù)據(jù)交換速度是無法到達(dá)采樣數(shù)據(jù)周期50ms 指標(biāo)要求， 即使上位機(jī)使用以太網(wǎng)介質(zhì)能達(dá)到此要求，也會占用上位機(jī)比較多資源。同時由于可編程控制器掃描工作方式的特點，通訊模塊頻繁和上位機(jī)數(shù)據(jù)交換會影響可編程控制器其他模塊功能執(zhí)行，如影響可編程控制器掃描周期。

對于可編程控制器來說，在其內(nèi)部實現(xiàn)50ms 采樣周期的數(shù)據(jù)采樣是完全可以的實現(xiàn)的，充分利用可編程控制器中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存和邏輯控制功能， 將每50ms 一次采樣數(shù)據(jù)寄存到連續(xù)但不相同數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。通過采樣周期時間的整定，結(jié)合上位機(jī)和可編程控制器通訊協(xié)議的最大數(shù)據(jù)長度，上位機(jī)只需要在給定的時間內(nèi)進(jìn)行一次讀取多次采樣數(shù)據(jù)即可。上位機(jī)讀取采樣數(shù)據(jù)后，根據(jù)PLC 采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存的原則和邏輯，將已接收到采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣時序的還原即可。

4.3 可編程控制器順序開出的實現(xiàn)

可編程控制器開出模塊順序開出主要是滿足電力系統(tǒng)測控裝置的遙信檢測要求， 設(shè)計具體要求為： ①上位機(jī)下發(fā)一次命令，啟動順序開出，PLC 接受命令啟動順序開出邏輯回路，由可編程控制器本身完成開出模塊開出接點順序開出。②在順序開出過程不允許同時出現(xiàn)兩個開出同時接點接通狀態(tài)。③順序開出執(zhí)行一次完畢即可停止開出。

設(shè)計基本思路： 在啟動命令后， 啟動維持一個掃描周期時間的定時T1 脈沖信號回路，同時啟動另一個計時器T2（T2《 T1）。在一個掃描周期脈沖到來時，由設(shè)定計數(shù)器和目標(biāo)進(jìn)行比較， 決定開出繼電器序號， 開出執(zhí)行并保持時間T2 后，計數(shù)器加一和執(zhí)行復(fù)位判斷程序， 等待下一個脈沖到來后執(zhí)行上一過程直到全部執(zhí)行完畢。

設(shè)計維持一個掃描周期時間的定時脈沖信號，定時的時間參數(shù)為兩個開出之間的時間。一個周期定時脈沖梯形圖如圖1 所示。通過修改定時器類型和計時器參數(shù)，確保M100 能夠在T1 的時間后產(chǎn)生一個能夠維持一個掃描周期間的脈沖信號， 是一個通用的標(biāo)準(zhǔn)的定時脈沖信號程序。M103 為定時脈沖到來后寬度為T2 脈沖。

圖1 定時脈沖信號程序和梯形圖

在定時脈沖到來時， 通過數(shù)據(jù)比較程序， 由計數(shù)器R500 當(dāng)前值和特殊指定值比較進(jìn)行邏輯判斷，決定是否接通中間繼電器，再由該中間繼電器決定控制特定的開出，并在自保持回路中串聯(lián)一個M103 中間繼電器觸點狀態(tài)，以控制開出維持的時間。數(shù)據(jù)比較驅(qū)動程序和梯形圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)比較驅(qū)動程序和梯形圖

執(zhí)行一次開出后， 執(zhí)行計時器計數(shù)和復(fù)位程序， 本文中使用M00400-M00404 分別控制第1 個到第5 個開出的執(zhí)行， 每次執(zhí)行開出后均進(jìn)行計數(shù)器自加一， 并通過計數(shù)器邏輯回路進(jìn)行計數(shù)器復(fù)位。計數(shù)器復(fù)位后立刻復(fù)位啟動線圈，結(jié)束本次順序開出控制任務(wù)執(zhí)行。計數(shù)器計數(shù)和復(fù)位梯形圖如圖3 所示。

圖3 計數(shù)器計數(shù)和復(fù)位梯形圖

通過以上控制邏輯的設(shè)計，實現(xiàn)啟動順序開出功能的實現(xiàn)， 并實現(xiàn)系統(tǒng)要求一次啟動， 按照循序開出不重疊。

通過此邏輯的實現(xiàn)，可以簡化上位機(jī)在進(jìn)行遙信檢測的控制邏輯， 充分利用可編程控制器開入開出二次編程功能，在不影響可編程控制器性能指標(biāo)上，減少上位機(jī)和可編程控制器的控制命令的交換， 提高上位機(jī)遙信的檢測效率。

在本系統(tǒng)設(shè)計中， 充分利用可編程控制器模塊化的組合特點以及其獨有開入開出二次邏輯編程的優(yōu)點，保證系統(tǒng)設(shè)計功能的實現(xiàn)的同時， 減少系統(tǒng)主控制平臺的在開入和開出功能檢測資源開銷， 并帶來系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。可編程控制器獨有可編程的特點為其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)，隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步的發(fā)展，特別可編程控制器的核心模塊CPU 運(yùn)算的速度得到提高，通過提高指令的執(zhí)行速度和擴(kuò)展其計算功能，可編程控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣泛。