PLC用于電力智能測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(dú)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)原理出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹自動(dòng)測(cè)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(duì)PLC 在電力系統(tǒng)智能裝置自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)特殊領(lǐng)域的應(yīng)用中出現(xiàn)的觸點(diǎn)檢測(cè)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(shí)踐應(yīng)用表明，可編程控制器的良好的擴(kuò)展性和其獨(dú)有邏輯編程特點(diǎn)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(cè)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(cè)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(cè)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(hào)開入和繼電保護(hù)出口三個(gè)最主要部分。因此，模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境的電力系統(tǒng)智能裝置自動(dòng)測(cè)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(diǎn)的檢測(cè)功能，但不僅僅限于這三部分的功能的檢測(cè)，其他還應(yīng)包括時(shí)鐘同步等等功能的檢測(cè)。

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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)包括四個(gè)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(cè)保護(hù)裝置動(dòng)作接點(diǎn)的開出檢測(cè)模塊和裝置信息的解析模塊。電力系統(tǒng)智能自動(dòng)檢測(cè)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(dòng)作基本條件，通過解析保護(hù)裝置的信息和檢測(cè)保護(hù)裝置的動(dòng)作出口觸點(diǎn)， 從而完成保護(hù)裝置的基本功能的檢測(cè)任務(wù)。

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

微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀接受自動(dòng)測(cè)試控制平臺(tái)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(cè)試， 并及時(shí)將測(cè)試儀器反饋信息以標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一格式上報(bào)到自動(dòng)測(cè)試控制平臺(tái)。

可編程控制器根據(jù)自動(dòng)測(cè)試控制平臺(tái)發(fā)過來的命令， 輸出開關(guān)量信號(hào)， 實(shí)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(diǎn)檢測(cè)輸入的采樣數(shù)據(jù)， 上送自動(dòng)測(cè)試控制平臺(tái)， 為保護(hù)動(dòng)作觸點(diǎn)判斷提供連續(xù)有效開入量采樣數(shù)據(jù)。

測(cè)試控制計(jì)算機(jī)是整個(gè)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(cè)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(dòng)作信息并通過其完成對(duì)保護(hù)裝置的控制， 控制可編程控制器輸出保護(hù)測(cè)試的開入量命令，檢驗(yàn)保護(hù)裝置繼電器開出觸點(diǎn)動(dòng)作。

微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)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(diǎn)或者遙控觸點(diǎn)的檢測(cè)和智能裝置的遙信開入檢測(cè)，具體到可編程控制器各模塊是開入模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)出口繼電器觸點(diǎn)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(cè)功能。同時(shí)為了交換信息的需要，可編程控制器必須配置相對(duì)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(jì)時(shí)， 對(duì)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(shí)現(xiàn)的功能是密切相關(guān)， 如觸點(diǎn)類型和觸點(diǎn)的導(dǎo)通時(shí)間等， 因此必須分析智能裝置的保護(hù)出口繼電器觸點(diǎn)和遙控觸點(diǎn)檢測(cè)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(jì)，充分滿足本系統(tǒng)對(duì)觸點(diǎn)檢測(cè)的特殊要求?？删幊炭刂破鞯拈_出模塊邏輯回路的設(shè)計(jì)也必須滿足本系統(tǒng)的特殊需要。

4.1 繼電器出口觸點(diǎn)檢測(cè)特殊要求

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

因此可編程控制器開入模塊檢測(cè)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(diǎn)包括四類：保持型常開接點(diǎn)、保持型常閉節(jié)點(diǎn)、瞬動(dòng)型常開接點(diǎn)和瞬動(dòng)型常閉節(jié)點(diǎn)。對(duì)于保持型出口觸點(diǎn)的檢測(cè)來說，可編程控制器的開入是滿足自動(dòng)檢測(cè)的需要。而對(duì)于瞬動(dòng)型觸點(diǎn)的檢測(cè)，可編程控制器開入模塊檢測(cè)功能是否滿足要求取決于PLC 本身掃描周期T1 和瞬動(dòng)接通的時(shí)間T2兩者的關(guān)系?？紤]到可編程控制器由于掃描方式引起開入延時(shí)最長(zhǎng)可能達(dá)兩個(gè)掃描周期，如果保護(hù)裝置的瞬動(dòng)觸點(diǎn)的接通時(shí)間T2 大于兩倍的掃描周期T1，該觸點(diǎn)的狀態(tài)變化就可以被PLC 開入模塊所檢測(cè)到。

瞬動(dòng)觸點(diǎn)的接通時(shí)間取決兩個(gè)因素，一是裝置軟件內(nèi)部對(duì)瞬動(dòng)繼電器出口延時(shí)整定的時(shí)間，目前各廠家提供的技術(shù)參數(shù)來看，裝置軟件觸點(diǎn)延時(shí)的時(shí)間一般設(shè)置為50-100 毫秒，二是出口繼電器本身動(dòng)作時(shí)間和斷開時(shí)間參數(shù)也會(huì)影響瞬動(dòng)觸點(diǎn)的接通時(shí)間。假設(shè)瞬動(dòng)型觸點(diǎn)的接通時(shí)間為100 毫秒，要求可編程控制器的掃描周期的時(shí)間小于50 毫秒，才能保證可編程控制器的開入模塊的檢測(cè)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(cè)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(jì)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(dòng)型觸點(diǎn)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)

在前面小節(jié)中， 討論了可編程控制器必須滿足檢測(cè)保護(hù)裝置的四類節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)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(cè)保護(hù)裝置動(dòng)作觸點(diǎn)狀態(tài)的變化情況。在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可編程控制器的開入模塊僅僅采集觸點(diǎn)狀態(tài)，而完成觸點(diǎn)狀態(tài)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)判斷是在控制計(jì)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)的對(duì)象是繼電保護(hù)設(shè)備中出口繼電器動(dòng)作情況，由于繼電保護(hù)設(shè)備的動(dòng)作的快速性，部分保護(hù)動(dòng)作時(shí)間實(shí)現(xiàn)小于50ms，因此部分出口繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)在較短的時(shí)間會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，要求上位機(jī)能將保護(hù)動(dòng)作前和保護(hù)動(dòng)作后出口繼電器接點(diǎn)動(dòng)作情況進(jìn)行檢測(cè)處理，并將動(dòng)作前后出口繼電器接點(diǎn)狀態(tài)作為該系統(tǒng)中繼電器接點(diǎn)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)采樣時(shí)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(shí)時(shí)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(huì)占用上位機(jī)比較多資源。同時(shí)由于可編程控制器掃描工作方式的特點(diǎn)，通訊模塊頻繁和上位機(jī)數(shù)據(jù)交換會(huì)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(duì)于可編程控制器來說，在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)50ms 采樣周期的數(shù)據(jù)采樣是完全可以的實(shí)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(shí)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(zhǎng)度，上位機(jī)只需要在給定的時(shí)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(shí)序的還原即可。

4.3 可編程控制器順序開出的實(shí)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(cè)控裝置的遙信檢測(cè)要求， 設(shè)計(jì)具體要求為： ①上位機(jī)下發(fā)一次命令，啟動(dòng)順序開出，PLC 接受命令啟動(dòng)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(diǎn)順序開出。②在順序開出過程不允許同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)開出同時(shí)接點(diǎn)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(jì)基本思路： 在啟動(dòng)命令后， 啟動(dòng)維持一個(gè)掃描周期時(shí)間的定時(shí)T1 脈沖信號(hào)回路，同時(shí)啟動(dòng)另一個(gè)計(jì)時(shí)器T2（T2《 T1）。在一個(gè)掃描周期脈沖到來時(shí)，由設(shè)定計(jì)數(shù)器和目標(biāo)進(jìn)行比較， 決定開出繼電器序號(hào)， 開出執(zhí)行并保持時(shí)間T2 后，計(jì)數(shù)器加一和執(zhí)行復(fù)位判斷程序， 等待下一個(gè)脈沖到來后執(zhí)行上一過程直到全部執(zhí)行完畢。

設(shè)計(jì)維持一個(gè)掃描周期時(shí)間的定時(shí)脈沖信號(hào)，定時(shí)的時(shí)間參數(shù)為兩個(gè)開出之間的時(shí)間。一個(gè)周期定時(shí)脈沖梯形圖如圖1 所示。通過修改定時(shí)器類型和計(jì)時(shí)器參數(shù)，確保M100 能夠在T1 的時(shí)間后產(chǎn)生一個(gè)能夠維持一個(gè)掃描周期間的脈沖信號(hào)， 是一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)的定時(shí)脈沖信號(hào)程序。M103 為定時(shí)脈沖到來后寬度為T2 脈沖。

圖1 定時(shí)脈沖信號(hào)程序和梯形圖

在定時(shí)脈沖到來時(shí)， 通過數(shù)據(jù)比較程序， 由計(jì)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(gè)M103 中間繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)，以控制開出維持的時(shí)間。數(shù)據(jù)比較驅(qū)動(dòng)程序和梯形圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)比較驅(qū)動(dòng)程序和梯形圖

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

圖3 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)和復(fù)位梯形圖

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

通過此邏輯的實(shí)現(xiàn)，可以簡(jiǎn)化上位機(jī)在進(jìn)行遙信檢測(cè)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(cè)效率。

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 充分利用可編程控制器模塊化的組合特點(diǎn)以及其獨(dú)有開入開出二次邏輯編程的優(yōu)點(diǎn)，保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)的同時(shí)， 減少系統(tǒng)主控制平臺(tái)的在開入和開出功能檢測(cè)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(dú)有可編程的特點(diǎn)為其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，隨著計(jì)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(jì)算功能，可編程控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。