ABB可編程控制器(PLC)及其在低壓智能開關(guān)柜的應用

1、ABB可編程控制器(PLC)及其在低壓智能開關(guān)柜的應用    0概述“智能化開關(guān)柜”是近年在國內(nèi)出現(xiàn)的新名詞，它與計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、控制理論、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)（網(wǎng)絡技術(shù)）、電力電子技術(shù)等的發(fā)展密切相關(guān)，是一個不斷發(fā)展與變化的概念。低壓開關(guān)柜在大幅提高容量和可靠性的同時，廣泛采用遠程測控、遠程調(diào)節(jié)和遠程信息查詢等技術(shù)，而在實際運作過程中，一般由工控和電器設備組合實現(xiàn)“四遙-遙信、遙測、遙脈、遙控”前端操作，而邏輯控制和通信管理則0概述“智能化開關(guān)柜”是近年在國內(nèi)出現(xiàn)的新名詞，它與計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、控制理論、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)（網(wǎng)絡技術(shù)

2、）、電力電子技術(shù)等的發(fā)展密切相關(guān)，是一個不斷發(fā)展與變化的概念。低壓開關(guān)柜在大幅提高容量和可靠性的同時，廣泛采用遠程測控、遠程調(diào)節(jié)和遠程信息查詢等技術(shù)，而在實際運作過程中，一般由工控和電器設備組合實現(xiàn)“四遙-遙信、遙測、遙脈、遙控”前端操作，而邏輯控制和通信管理則由PLC實現(xiàn)，PLC 的高可靠性和方便性是人所共知的，利用PLC 進行低壓電力系統(tǒng)操作比較起傳統(tǒng)的時間繼電器方式顯然要先進的多。本文將對ABB的PLC進行性能介紹，同時結(jié)合相關(guān)工程案例，對如何利用ABB的PLC組建智能化低壓開關(guān)柜的相關(guān)技術(shù)進行介紹與討論。1. ABB 的AC31、AC500系列PLC 基本概述1.1 ABB AC31系

3、列PLCABB 的AC31系列PLC 共包括3 種下屬系列產(chǎn)品，即40系列、50 系列和90 系列。40 系列PLC與50 系列PLC 在外型和應用上完全一致，但40系列產(chǎn)品不支持CS31 和MODBUS 通信。50系列CPU最多可連接6套本地功能擴展單元，遠程功能擴展單元ICMK14F1與CPU類似也最多可連接6套本地功能擴展單元。CPU單元與ICMK14F1之間通過RS485-CS31總線連接，最大連接數(shù)量為32套ICMK14F1，最大I/O擴展能力為2000點。通信介質(zhì)為一般的RVVP-2X0.7雙絞通信線。ABB的AC31-50系列PLC具有如下特點： 雖然低壓

4、開關(guān)柜中每個具體回路中的DI、DO、AI數(shù)量并不多，但因開關(guān)柜內(nèi)的回路總數(shù)較多因而累加點數(shù)較多。最適合于低壓開關(guān)柜使用的PLC是本體點數(shù)足夠且具備本地和遠程擴展能力的固件類型。AC31-50系列PLC結(jié)構(gòu)特征正好滿足低壓開關(guān)柜的實際需求。l 在總線通信方面，AC31-50系列PLC具有4套的通信接口，其通信速率可選范圍從9600bps至750Kbps，完全能滿足現(xiàn)場需求。l 其編程環(huán)境符合IEC61131-3標準。l 具有較高的性價比1.2 ABB AC500系列PLC繼AC31可編程控制器后，推出的全新可升級可編程控制器AC500。與其他同類產(chǎn)品相比，在產(chǎn)品的功能和規(guī)模方面都有我們一些獨有的

5、優(yōu)勢和特點。首先,AC500系列產(chǎn)品的功能靈活、可拓展性強。傳統(tǒng)PLC產(chǎn)品的小型、中型和大型的軟硬件差別非常大，系統(tǒng)的拓展性很有局限。而我們AC500僅通過5種不同內(nèi)存和速度的CPU中央處理單元就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的全面升級。這依賴于AC500可編程控制器特有的模塊化結(jié)構(gòu)，把小型系統(tǒng)擴展到中大型系統(tǒng)，CPU底板、I/O模塊、通訊模塊，甚至編程環(huán)境都是通用的，系統(tǒng)升級換代只需要換一個CPU單元，無需更換系統(tǒng)軟硬件，這樣可以保護客戶的現(xiàn)有投資。其次在總線通訊方面的卓越表現(xiàn)，我們有通用的FBP總線技術(shù)，可以并行連接不同的總線系統(tǒng)，可同時支持Profibus-DP, Modbus,CANopen和Devic

6、eNET等各種不同的總線類型。再有就是產(chǎn)品I/O模塊的通用性好，一方面I/O模塊采用和底板分離的結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)工程預接線，給系統(tǒng)集成帶來極大方便；另一方面表現(xiàn)在ABB在普通的模塊上集成可設置I/O功能，即這些I/O既可以用作輸入，也可以用作輸出，這是完全由用戶自己來決定的自由I/O。AC500用于構(gòu)建通信管理中心，在應用時需要配備底板、存儲器、電池及各種接口等附件。一般選擇集成以太網(wǎng)口的CPU單元，將RJ45通信接口與上位系統(tǒng)連接，而本體的2個COM接口則分別連接到人機界面與通過CS31總線連接AC31-50系列PLC單元。通信管理中心通過以太網(wǎng)與上位系統(tǒng)以10-100MB的速率交換信息。通信規(guī)

7、約采用以太網(wǎng)上的MODBUS/TCP，也可使用OPC(OLE for process control)方式交換信息。AC500系列PLC的編程環(huán)境符合IEC61131-3標準。2. ABB 的AC31系列PLC 在低壓智能開關(guān)柜中的應用案例使用ABB公司的AC31系列PLC作為低壓備自投的控制元件，PLC型號為07KR51（主機）和ICMK14F1（遠端功能擴展單元）。2.1 應用案例一：低壓電網(wǎng)系統(tǒng)備自投PLC配置以下是低壓電網(wǎng)系統(tǒng)的控制要求：l 進線開關(guān)、母聯(lián)開關(guān)設置自動投入裝置，開關(guān)間要實現(xiàn)聯(lián)鎖，保證在任何情況下不得三臺開關(guān)同時處于合閘狀態(tài)(母線故障不允許母聯(lián)自動投入)。l 兩臺進線開關(guān)

8、和三級負荷總開關(guān)間要實現(xiàn)聯(lián)動。任何一臺進線電源故障時，斷開兩段母線上的三級負荷總開關(guān)后，母聯(lián)開關(guān)才能合閘；當進線電源恢復正常，母聯(lián)開關(guān)斷開后，三級負荷總開關(guān)才能合閘。l 上述功能采用可靠性高的工業(yè)型PLC控制或智能模塊實現(xiàn)。l 進線回路設置顯示燈和2個合分閘按鈕；母線分段回路設置1個遠方/就地選擇開關(guān)、1個操作模式選擇開關(guān)、2個合分閘按鈕和2個顯示燈；在三級負荷總開關(guān)上設置2個顯示燈和2個合分閘按鈕。當母線分段回路設置的遠方/就地選擇開關(guān)置于“就地”時，全系統(tǒng)5臺斷路器均為手動按鈕操作；反之，當母線分段回路設置的遠方/就地選擇開關(guān)置于“遠方”時，全系統(tǒng)5臺斷路器均為自動操作。遙控操作模式被包括

9、在自動模式中。當母線分段回路設置的操作模式選擇開關(guān)置于“手投自復HA”、“自投手復AH”、“自投自復AA”和“遙控R”，全系統(tǒng)5臺斷路器均置于同種操作模式。其低壓電網(wǎng)系統(tǒng)備自投PLC元器件配置方案見表1所示。表1 低壓電網(wǎng)系統(tǒng)備自投PLC元器件配置方案其PLC硬件系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲圖如圖4所示： 圖 4 AC31-50系列PLC應用于智能開關(guān)柜的硬件系統(tǒng)網(wǎng)絡拓樸圖l 其中07KR51安裝在母聯(lián)柜。l ICMK14F1與07KR51的DI輸入與RL輸出接口完全一致，均為8IN/6RL。l 07KR51與ICMK14F1之間的最大通信距離為500米，通信速率為187Kbps，通信介質(zhì)采用屏蔽

10、雙絞線。l 07KR51與SCADA之間采用RS485/MODBUS總線，通信速率為9600bps。l CS31總線的連接對象為PLC的主機和遠程擴展單元，該總線是PLC內(nèi)部使用的高速通信總線。CS31總線上規(guī)定主站（07KR51）地址一律為62，而從站（ICMK14F1）的地址從1至61。l 07KR51與SCADA的通信總線符合RS485/MODBUS規(guī)約，其中07KR51為從站，其地址為MODBUS-SLAVE1。下表為各種操作模式下的程序進程順序：表 2 各種操作模式下的程序進程順序表2.2 應用案例二：兩進線單母聯(lián)低壓系統(tǒng)備自投PLC 硬件配置類型(BZT1 類型)若兩進線斷路器與母

11、聯(lián)斷路器相隔較遠，例如在同一排柜體兩側(cè)或在不同排，此時采用遠程功能擴展模塊ICMI14F1 配合PLC 主機07KR51 較為方便。兩進線回路使用ICMI14F1，而母聯(lián)回路使用07KR51，系統(tǒng)間省卻了互鎖、聯(lián)絡、控制和信號等等接線，僅僅敷設一條雙絞通信線即可。PLC元器件配置方案見表3所示表3 BZT1類型PLC元器件配置表由于07KR51 與ICMI14F1 的外形完全一致，所以兩進線回路和母聯(lián)回路的控制接線可以做到基本一致，有利于控制線路的標準化設計。模塊之間的通信接線必須按菊花瓣的連接方法，同時還要注意模塊的地址安排(圖5)。圖5 兩進線單母聯(lián)低壓系統(tǒng)備自投類型一2.3 應用案例三：

12、兩進線單母聯(lián)低壓系統(tǒng)備自投PLC 硬件配置類型(BZT2 類型)若兩進線斷路器與母聯(lián)斷路器相隔較近，例如在同一排柜體或相鄰，此時采用功能擴展模塊XI16E1 配合PLC 主機07KR51 較為方便。但是系統(tǒng)間的互鎖、聯(lián)絡、控制和信號等等接線必須引入PLC，給控制線路的設計和實際接線帶來一定的困難。從圖6中可以看出，所有的輸入開關(guān)量信息均引入到功能擴展模塊XI16E1 中，而所有的輸出控制量信息均來自于PLC 主機07KR51。在實際使用中輸入接口可以通盤考慮： PLC 主機加上功能擴展模塊總共有24個開關(guān)量輸入點。每個斷路器有5 個輸入點（斷路器狀態(tài)、斷路器保護動作狀態(tài)、低電壓信號、合閘按鈕信

13、號、分閘按鈕信號），自動/手動選擇開關(guān)和操作方式選擇開關(guān)（手投手復、手投自復、自投手復和自投自復操作模式）共4 個點，合計共19個輸入點。這19 個點可以按順序從07KR51 到XI16E1 依次編排。圖 6 兩進線單母聯(lián)低壓系統(tǒng)備自投類型二3. ABB 的AC500系列PLC 在低壓智能開關(guān)柜中的應用案例在一般的低壓開關(guān)柜中往往采用各種繼電器來建立電氣邏輯控制關(guān)系。繼電器雖然廉價但較易損壞，還存在觸點抖動、線路復雜和數(shù)據(jù)發(fā)送困難等問題。利用ABB公司PLC能夠徹底地解決上述問題，要點如下：l 在智能開關(guān)柜內(nèi)建立總線系統(tǒng)，徹底解決四遙前端信號的采集、傳遞的通道問題l 利用智能儀表采集各種電參量

14、，以數(shù)字信息通過信息交換的方式傳遞給上位系統(tǒng)l 系統(tǒng)中設置手動和自動操作模式，方便電力工作人員的操作控制l 控制程序?qū)λ杉鞣N電參量進行解讀、分析和處理，除供自身使用外，還可將各種信息加上SOE時間標簽后發(fā)送給上位系統(tǒng)l 利用PLC可以建立冗余的控制邏輯、冗余的總線體系和冗余的通信管理體系，極大地提升了系統(tǒng)的智能化程度及可靠性程序3.1 應用案例一：組建PC動力配電中心-三進線兩母聯(lián)智能型低壓開關(guān)柜311固件配置圖 7 三進線兩母聯(lián)智能型低壓開關(guān)柜固件配置l 通信管理中心及人機界面等設備安裝在母聯(lián)回路中；其中邏輯控制單元采用AC31系列07KR51，遠程單元采用ICMK14F1，通信單元為0

15、7KP53，通信管理中心采用AC500系列PM581-ETH，人機界面為CP450-ETH。l 通信管理中心將所有電力信息通過以太網(wǎng)發(fā)送給上位電力監(jiān)控系統(tǒng)。l現(xiàn)場總線采用RS485/MODBUS-RTU接口和規(guī)約。l 各路進線和母聯(lián)采用框架斷路器，其中進線的電力儀表采用EM-PLUS，母聯(lián)的電力儀表采用EM。進線回路采集的電參量包括：U/I/P/Q/PF/F/KWh/KVarh以及諧波分量。l 對各段母線中的饋電回路配置RSI32、RCM32、和RCU16實施測控，對電容回路的測控儀表采用RVT。饋電回路需要測控的量包括：開關(guān)狀態(tài)和保護動作狀態(tài)、單相電流、執(zhí)行遙控分閘操作。l 系統(tǒng)中配置了發(fā)電

16、機進線斷路器。當任兩路市電失壓時啟動發(fā)電機對系統(tǒng)供電，當兩路以上市電恢復后則恢復由市電對系統(tǒng)供電，同時關(guān)閉發(fā)電機。發(fā)電機的起停由備自投程度負責。312組建現(xiàn)場通信網(wǎng)絡系統(tǒng)中配置了2套07KR51和07KP53組合，2套PLC組合分別被命名為1CCU和2CCU。其系統(tǒng)原理拓樸圖見圖8所示。圖 8 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡拓樸圖1CCU的COM2被設置為RS485/CS31總線接口。COM2連接了遠程擴展單元ICMK14F1，由此將4臺進線回路斷路器和2臺母聯(lián)回路斷路器的所有備自投操作互相關(guān)聯(lián)起來。1CCU的COM3和COM4連接了重要的電力測量儀表并且形成環(huán)狀通信總線網(wǎng)絡，從而將通信鏈路的可靠性提到最高。重

17、要的電力測量儀表包括：EM-PLUS、EM、RVT等等。1CCU的COM1通信接口連接到通信管理中心PM581-ETH。2CCU的COM2、COM3和COM4連接了饋電回路的開關(guān)量監(jiān)測單元、模擬量監(jiān)測單元和遙控繼電器單元，2CCU的COM1通信接口連接到通信管理中心PM581-ETH。通信管理中心PM581-ETH的COM1與2套07KR51的COM1通信接口連接起來并交換信息，PM581-ETH的COM2通信接口連接到人機界面CP450-ETH，PM581-ETH的RJ45接口連接到以太網(wǎng)的交換機上與DCS/SCADA/BA等電力監(jiān)控系統(tǒng)交換信息。1CCU的COM3/COM4構(gòu)成的環(huán)狀通信總

18、線從07KP53的COM3開始，經(jīng)過各種智能儀表后返回到07KP53的COM4。由于BZT已經(jīng)將COM3設置為主用接口而COM4設置為備用接口，所以COM4接口處于高阻態(tài)而完全不影響通信環(huán)路的正常工作，此時的環(huán)狀總線實質(zhì)為起始于COM3的鏈狀總線；當BZT偵測到COM3通信接口發(fā)生通信故障后，立即將COM3設置為備用接口，同時將COM4設置為主用接口。這樣，環(huán)狀通信總線改變?yōu)槠鹗加贑OM4的鏈狀總線；當通信換路的中間發(fā)生斷路時，BZT還可將COM3/COM4同時設置為主用，形成兩條分別起始于COM3和COM4的鏈狀總線與子站交換信息。以環(huán)狀通信總線方式組建的通信網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)最高的可靠性。系統(tǒng)中

19、的現(xiàn)場鏈路通信速率為19.2Kbps，而07KR51與PM581-ETH通信鏈路的通信速率在9600bps至750 Kbps間可選。1CCU的COM2接口設置為RS485/CS31總線，其通信速率為187.5 Kbps。三進線兩母聯(lián)智能型低壓開關(guān)柜元器件配置見表4表 4 三進線兩母聯(lián)智能型低壓開關(guān)柜元器件配置表3.2 應用案例二：組建MCC電動機控制中心智能型低壓開關(guān)柜MCC電動機控制中心與饋電控制中心PC不同之處在于以下2點：l MCC的重點在電動機綜保單元MCU與通信管理中心CCU的信息處理和信息交換上，而PC的重點在備自投控制上。ll 上位監(jiān)控系統(tǒng)層面上位監(jiān)控系統(tǒng)層面包括過程控制系統(tǒng)DC

20、S和配電站電力監(jiān)控系統(tǒng)SCADA。上位監(jiān)控系統(tǒng)從通信管理中心通過以太網(wǎng)獲取信息，經(jīng)過處理后提供給工程師工作站的操作人員，同時接收操作命令并下發(fā)到通信管理中心。l 通信管理中心層面通信管理中心層面的任務是：將來自MCC開關(guān)柜現(xiàn)場層面的各種數(shù)據(jù)用MODBUS-TCP通信規(guī)約通過冗余的以太網(wǎng)打包傳輸給SCADA和DCS，同時，將來自SCADA和DCS的控制信息發(fā)送到相關(guān)的MCC開關(guān)柜現(xiàn)場層面。在通信管理中心層面中，CCU的主要由ABB公司的中型PLC：PM581-ETH及其附件構(gòu)成。其中CCU主站和CCU從站分別被命名為MASTER-CCU和SLAVE-CCU。AC500的以太網(wǎng)通迅接口與SCADA

21、和DCS進行數(shù)據(jù)交換，通信協(xié)議是MODBUS-TCP，傳輸速率為10100Mbps。上位監(jiān)控系統(tǒng)在以太網(wǎng)上通過IP地址區(qū)分MASTER-CCU和SLAVE-CCU，CCU主站和CCU從站構(gòu)成了完全獨立的上行冗余配置。人機界面也通過以太網(wǎng)連接到MASTER-CCU和SLAVE-CCU。ll 通信管理中心層面為了連接PROFIBUS-DP總線， AC500的底板中增加了2塊CM572-DP通信擴展單元作為2套RS485/PROFIBUS-DP的主站。PROFIBUS方案的CCU單元與MODBUS方案類似,，但取消了中間環(huán)節(jié)M1CCU和S1CCU。l MCC低壓開關(guān)柜現(xiàn)場層面MCC低壓開關(guān)柜現(xiàn)場層面

22、的任務是為MCU建立PROFIBUS鏈路。若被連接的MCU采用DPV0數(shù)據(jù)格式，則每條鏈路最多可掛接MCU的數(shù)量為64套；若被連接的MCU采用DPV1數(shù)據(jù)格式，則每條鏈路上最多可掛接MCU的數(shù)目為32套。本方案中PROFIBUS-DP總線的傳輸速率為1.5Mbps。PROFIBUS方案的CCU與MCU之間的訪問機制與MODBUS方案類似，此處不再敘述。使用PROFIBUS-DP總線的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)組建智能型低壓開關(guān)柜元器件配置見表6表 6 使用PROFIBUS-DP總線的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)組建智能型低壓開關(guān)柜元器件配置表4. ABB PLC 在低壓智能開關(guān)柜中應用的程序案例依據(jù)電力系統(tǒng)的狀態(tài)進行斷路器等的投退

23、操作，主要包括以下程序段：【輸入信息處理】處理各種開關(guān)量輸入信息的延遲判誤操作?！緯r鐘和計時管理】處理PLC內(nèi)部時鐘對時，管理年、月、日、時、分、秒和毫秒計時?！就ㄐ沤涌诠芾砗万?qū)動】對串口的ID地址、通信接口規(guī)約、發(fā)送字節(jié)格式、數(shù)據(jù)區(qū)地址等操作進行管理?！灸M量處理】處理來自智能儀表的模擬量信息，對三相電壓、電流等信息進行與或處理和越限操作處理。【手動操作管理和控制】當選擇手動操作模式時，當系統(tǒng)出現(xiàn)低電壓時執(zhí)行跳閘操作?！咀詣硬僮鞴芾砗涂刂啤慨斶x擇自動操作模式時，進行自投自復、自投手復、手投自復操作?！境隹诶^電器驅(qū)動程序】執(zhí)行出口操作任務，具有脈沖輸出功能?！緮?shù)據(jù)包打包和發(fā)送管理】對發(fā)送到SC

24、ADA的數(shù)據(jù)進行打包處理，數(shù)據(jù)存放在固定的數(shù)據(jù)區(qū)；管理和編制向SCADA發(fā)送的信息字，解讀和執(zhí)行SCADA發(fā)送的遙控命令字?！救哂嗤ㄐ怒h(huán)路管理與驅(qū)動】建立冗余通信環(huán)路和通信機制。圖 11 低壓智能開關(guān)柜程序流程以下是程序流程中的其中一個程序段范例時間標簽程序段(SOE),其它程序段類似，此處不再敘述。SOE是對斷路器發(fā)生變位的時間進行記錄。SOE需要PLC提供一個時鐘，程序中的時鐘為UHR軟件模塊：在圖12中，模塊UHR的右側(cè)即為時鐘輸出的秒、分、時、日、月、年和星期。圖中所示的UHR時鐘日期和時間記錄為：星期日、06年7月23日17時44分30秒。程序?qū)r鐘記錄整理為當前日期和時間，分別為當前年月CURRENT_YY_MM、當前日時CURRENT_DD_HH、當前分秒CURRENT_MM_SS。當QF1發(fā)生變位時，其上跳沿和