基于PLC的直流大容量試驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

魏慧慧，緱劍，李濤，李勇

（甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅 天水 741020）

直流開關(guān)電器是電力系統(tǒng)中進(jìn)行電能分配、回路控制和電路保護(hù)的主要部件，由于未經(jīng)試驗(yàn)檢測的電器設(shè)備，其產(chǎn)品質(zhì)量、安全性能難以保證，因此電器試驗(yàn)檢測技術(shù)對于電器的發(fā)展至關(guān)重要。直流大容量試驗(yàn)控制系統(tǒng)主要用于開展低壓斷路器、熔斷器、接觸器等低壓開關(guān)電器在短路和正常條件下的接通和分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)、電壽命試驗(yàn)及短時耐受電流試驗(yàn)，是開關(guān)電器試驗(yàn)檢測中最重要的考核項(xiàng)目。現(xiàn)有直流開關(guān)試驗(yàn)使用的儀器儀表本身存在不足，且多種儀器配合使用，導(dǎo)致開關(guān)試驗(yàn)在擴(kuò)展性、靈活性、集成性方面受到限制。另外，多種儀表的使用需要更多的人工介入，不僅浪費(fèi)了人力，而且增加了人為誤差，降低了整個試驗(yàn)的精確性。因此，研制一套功能全，自動化程度高，靈活易用，誤差小，穩(wěn)定可靠的直流大容量試驗(yàn)控制系統(tǒng)十分必要。本文針對傳統(tǒng)開關(guān)試驗(yàn)所使用的儀器儀表的不足，通過對試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)方法以及控制要求的研究，采用PLC控制試驗(yàn)回路中所有斷路器、接觸器等開關(guān)電器的開合并將各個儀器的使用狀態(tài)顯示在控制系統(tǒng)面板上，實(shí)現(xiàn)了對整體回路的實(shí)時監(jiān)控以及根據(jù)不同試驗(yàn)隨意切換不同回路，大大提高了系統(tǒng)整體的靈活性及自動化程度。

1 直流大容量試驗(yàn)系統(tǒng)功能要求

隨著社會的發(fā)展，電力設(shè)備的普及，直流系統(tǒng)憑借其傳輸效率高、損耗小等優(yōu)點(diǎn)，必將成為未來發(fā)展的趨勢。但直流試驗(yàn)系統(tǒng)基本以電網(wǎng)作為試驗(yàn)電源，導(dǎo)致試驗(yàn)系統(tǒng)存在容量小、時間短、次數(shù)少、試驗(yàn)參數(shù)難調(diào)節(jié)等問題，所以開發(fā)直流大容量試驗(yàn)控制系統(tǒng)的任務(wù)迫在眉睫。本試驗(yàn)系統(tǒng)包含直流通斷能力試驗(yàn)系統(tǒng)及電壽命試驗(yàn)系統(tǒng)，滿足直流電器試驗(yàn)。

1．1 直流通斷能力試驗(yàn)

直流通斷能力試驗(yàn)是研究或考核直流電器接通和分?jǐn)嗄芰Φ脑囼?yàn)，它是模擬正常使用的直流電器在發(fā)生各種短路故障時，能否可靠地通斷故障電流的一種試驗(yàn)方式。直流通斷能力試驗(yàn)與交流通斷能力試驗(yàn)的區(qū)別是試驗(yàn)電源和部分試驗(yàn)設(shè)備不同[2]。

當(dāng)直流試驗(yàn)回路發(fā)生各類故障時，根據(jù)故障原因和故障點(diǎn)的不同，需要開關(guān)設(shè)備通斷的故障電流大小也不同，因此將直流通斷能力試驗(yàn)分為極限通斷能力試驗(yàn)和臨界通斷能力試驗(yàn)兩種。根據(jù)直流開關(guān)設(shè)備在故障回路中所處的位置不同及故障原因不同，通斷故障電流又分為“O”、“C”、“CO”三種。“O”表示直流開關(guān)設(shè)備只分?jǐn)喙收想娏?，“C”表示直流開關(guān)設(shè)備只接通故障電流，由上一級或下一級保護(hù)開關(guān)負(fù)責(zé)分?jǐn)?，“CO”表示直流開關(guān)設(shè)備既能接通又能分?jǐn)喙收想娏鱗3]。

1．2 電壽命試驗(yàn)

電壽命試驗(yàn)是研究直流電器在帶負(fù)載情況下接通與分?jǐn)嗾９ぷ麟娏鞯拇螖?shù)。電壽命試驗(yàn)主要是測試直流開關(guān)設(shè)備觸頭與觸頭之間的電氣耐磨性，若沒有發(fā)生觸頭熔焊并能成功分?jǐn)嚯娏?，則視為合格的一種試驗(yàn)方式。相較于通斷能力試驗(yàn)測試的是通斷故障電流的能力，電壽命試驗(yàn)則是測試通斷正常電流的次數(shù)要遠(yuǎn)大于通斷能力試驗(yàn)的次數(shù)。

2 直流大容量試驗(yàn)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

直流大容量試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)通過減少試驗(yàn)回路長度來減少回路中的阻抗，達(dá)到出力最大，成本最低的目的，因此試驗(yàn)用變壓器、整流裝置、前級后級阻抗都應(yīng)盡量圍繞短路工位以及通斷工位來建設(shè)。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)具備低壓直流通斷與電壽命試驗(yàn)系統(tǒng)的電源回路，短路接通和分?jǐn)嘣囼?yàn)，電壽命試驗(yàn)的操作控制、狀態(tài)顯示與故障報(bào)警等功能，因此按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)要求，本項(xiàng)目通斷及電壽命試驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 通斷及電壽命試驗(yàn)系統(tǒng)圖

2．1 直流大容量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直流大容量控制系統(tǒng)是為直流大容量試驗(yàn)站服務(wù)，該系統(tǒng)應(yīng)能滿足直流大容量試驗(yàn)站的各項(xiàng)功能需求及操作需求。該直流大容量試驗(yàn)站要求能夠進(jìn)行正常使用條件下的接通與分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)及故障條件下的短路分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)，需要監(jiān)測采集的變量較多，自動化和可視化要求較高，綜合考慮后采取工控機(jī)加PLC（可編程邏輯控制器）的方案。

控制系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成。PLC系統(tǒng)中的I／O模塊和開關(guān)電器試驗(yàn)裝置的各種信號相連，并和上位計(jì)算機(jī)之間通過通信交換信息，執(zhí)行實(shí)際的控制操作。上位計(jì)算機(jī)采用高性能的工控機(jī)，提供良好的人機(jī)界面，對控制系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控，同時代替編程器對PLC進(jìn)行編程，將控制程序下裝到PLC中。

PLC控制系統(tǒng)是整個直流大容量控制系統(tǒng)的核心組成部分。整個系統(tǒng)的控制過程中包含了大量開關(guān)狀態(tài)信號，開關(guān)動作信號，傳感器狀態(tài)輸出信號以及其他執(zhí)行器件的信號，這些信號之間又存在大量互鎖、平行、相斥等復(fù)雜的邏輯關(guān)系，對整個電路的設(shè)計(jì)和PLC控制器的選擇提出了更高的要求。通過對系統(tǒng)需求及控制對象的研究，采用S7－1500標(biāo)準(zhǔn)型CPU完成控制任務(wù)。S7－1500CPU處理器性能高，可達(dá)納秒級，處理速度和響應(yīng)時間短。外觀上增加了LED顯示設(shè)計(jì)，在正常使用或發(fā)生故障時，不再單一靠指示燈判斷運(yùn)行情況，還增加了前連接器、趨勢圖（TRACE）等設(shè)計(jì)。且S7－1500還支持更多的分布式I／O系統(tǒng)，最多可支持32個模塊。

綜上所述，S7－1500通過自身強(qiáng)大的自動化組態(tài)編程功能，可以將整套控制程序集成，通過PLC進(jìn)行操作和控制，保證了模塊運(yùn)行的高穩(wěn)定性。為系統(tǒng)的運(yùn)行過程提供更好的可追溯性，提高了建造和維護(hù)過程中的效率，極大地降低了運(yùn)行和維護(hù)過程中的成本。

2．1．1 上位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)上位機(jī)組態(tài)軟件主要試驗(yàn)流程監(jiān)控、操作與控制、報(bào)警及數(shù)據(jù)處理、用戶管理等，具體如下：

（1）試驗(yàn)流程監(jiān)控中需要展示電氣系統(tǒng)圖，各段工況，有重要關(guān)鍵的儀表參數(shù)顯示，關(guān)鍵設(shè)備能實(shí)現(xiàn)急停操作；

（2）在操作與控制中實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制操作、設(shè)備控制參數(shù)設(shè)定、不同段運(yùn)行模式選擇等功能；

（3）報(bào)警及數(shù)據(jù)處理功能通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、判斷、曲線趨勢等方式表達(dá)；

（4）用戶管理通過不同用戶登陸獲得不同用戶權(quán)限，在不同權(quán)限下只能對系統(tǒng)進(jìn)行部分或全部操作。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，上位機(jī)負(fù)責(zé)管理裝置的工作。上位機(jī)對裝置的啟動、自檢、試驗(yàn)過程都要有全面的控制，方便使用的同時也提高了裝置的安全性能。

從使用的角度出發(fā)，上位機(jī)需要具有操控界面，能夠遠(yuǎn)程控制裝置中的各類元件并通過信號反饋操作結(jié)果的功能。例如顯示斷路器的通斷情況，設(shè)備的帶點(diǎn)情況等等。

從數(shù)據(jù)記錄的角度出發(fā)，上位機(jī)需要通過采集卡顯示并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。以便用戶分析處理。

2．1．2 控制系統(tǒng)組態(tài)

本系統(tǒng)選擇上位機(jī)來控制整個回路，可根據(jù)不同的試驗(yàn)方式選擇不同的回路，精確控制試驗(yàn)次數(shù)，通流時間等參數(shù)并結(jié)合配套的采集裝置采集試驗(yàn)所需的各類參數(shù)。同時在整個試驗(yàn)過程中，對試驗(yàn)回路進(jìn)行監(jiān)測，能夠正確的反映出試驗(yàn)回路中所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并在發(fā)現(xiàn)故障時發(fā)出警報(bào)。通過上述要求，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)進(jìn)程圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)進(jìn)程圖

本系統(tǒng)的控制方式主要是采用WinCC組件中的圖形模擬編輯器來完成。根據(jù)試驗(yàn)需求，主要功能包括選擇試驗(yàn)方式、顯示試驗(yàn)回路、監(jiān)視試驗(yàn)回路各個設(shè)備的狀態(tài)以及試驗(yàn)設(shè)備故障時發(fā)出警報(bào)等多種功能[4]。還可以根據(jù)不同試驗(yàn)項(xiàng)目來選擇不同試驗(yàn)回路，根據(jù)試驗(yàn)的具體需求，自由切換試驗(yàn)電源、試驗(yàn)工位、合分閘、保護(hù)開關(guān)及各類試驗(yàn)阻抗等。本系統(tǒng)采用的是內(nèi)容提示向?qū)У姆绞?，通過編程讓試驗(yàn)選擇變得更加清晰、方便、快捷。

3 模擬調(diào)試

本次模擬調(diào)試采用斷路器的通斷試驗(yàn)來驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，首先根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)節(jié)好試驗(yàn)所需的各項(xiàng)參數(shù)，然后將試品接入回路中，通過本試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)送電，控制斷路器合分完成調(diào)試試驗(yàn)，本次調(diào)試試驗(yàn)采集波形圖如圖3所示。

圖3 調(diào)試試驗(yàn)采集波形圖

直流大容量試驗(yàn)控制系統(tǒng)模擬調(diào)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過高壓陪試品與低壓選項(xiàng)開關(guān)的組合，成功顯示出了短路電壓，同時可以根據(jù)試驗(yàn)要求控制斷路器的合分閘時間以及試驗(yàn)結(jié)束后安全快速地切斷回路供電。從調(diào)試試驗(yàn)采集到的波形圖可以看出，斷路器通斷試驗(yàn)中采用高電壓、大電流的試驗(yàn)方式，證明本系統(tǒng)能夠滿足一般直流設(shè)備的大容量試驗(yàn)要求。

4 結(jié)論

本文通過對直流大容量試驗(yàn)系統(tǒng)的控制需求分析，使用S7－1500的控制方案，設(shè)計(jì)了直流大容量試驗(yàn)控制系統(tǒng)。通過PLC與上位機(jī)的配合完成對回路的控制并對回路狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控，電流采集系統(tǒng)采用了電流互感器、霍爾傳感器以及分流器的組合，在滿足了繼電保護(hù)的同時又兼顧了在0－180kA直流電流大范圍的采集需要，保證精度的同時又合理控制了成本；還設(shè)計(jì)了特有的控制電源出口矩陣，保證一套電源系統(tǒng)滿足不同操作電壓同時進(jìn)行試驗(yàn)的需要。在低壓直流短路試驗(yàn)系統(tǒng)中采用高壓陪試品與低壓選相合閘開關(guān)的組合，同時解決了低壓直流大容量試驗(yàn)低壓開關(guān)容量不足和短路試驗(yàn)電流不能顯示的問題。

通過聯(lián)合調(diào)試，采集波形圖，驗(yàn)證了設(shè)備可以正常工作且能夠滿足大容量直流試驗(yàn)系統(tǒng)所要求的功能全、自動化程度高、靈活易用等特點(diǎn)。