基于PLC技術的低壓智能控制屏的設計與應用

近年來，35kV及以上等級變電站越來越多實現無人值守，而站內低壓用電是保證變電站各種電氣設備運行維護的基礎，因此對變電站低壓配電屏進行有效監控就越發顯得重要。低壓配電屏一次系統結構一般設計為兩路進線，通過自動轉換開關ATS或者聯絡開關實現不同電源之間的切換，出線負荷可根據實際需求配備相應的開關。在低壓配電屏中加入智能控制系統，不僅可準確掌握相關電量參數、實現自動切換、遠程監控等功能，還可豐富產品內涵，極大提高產品競爭力。本文主要介紹低壓智能控制屏的設計思路及實現方式，通過系統的集成，將PLC、觸摸屏、PM表、電壓檢測模塊等智能設備有機的結合在一起，完成對進出線開關及相關電力參量的有效監控。

　　2 設計要求

　　低壓智能控制屏的設計要求主要有兩部分：(1)電力參數及進出線開關狀態采集、就地顯示及上傳；(2)兩路進線電源自動切換。

　　電力參數需要采集兩路進線的電流、電壓、頻率、功率因數、有功功率、無功功率、有功電能、無功電能等參數。進出線開關狀態要求實時反映低壓配電屏進線、出線開關的狀態。設計要求將上述遙測遙信量就地顯示于人機界面，并能準確上傳至上級監控平臺。

　　為了確保供電可靠性，變電站低壓配電屏設計為兩路進線，通過自動轉換開關ATS或者母聯開關實現兩路電源之間的切換。采用ATS的方式時，該設備有0、l、2三種位置狀態。當ATS處于0位置時，兩路電源皆不投入；當處于l位置時，I路電源投入運行；當處于2位置時，II路電源投入運行?；贏TS的控制特點，要求智能控制系統對ATS有五種控制模式，分別是：停止、固定電源I、自動電源I、固定電源II、自動電源II，綜合匯總如表1所示。

　　采用母聯開關的方式時，一般采用兩進線一母聯的“三合二”的控制方式保證供電，實現方式與ATS類似，不再贅述，下面僅以ATS為控制對象加以說明。

　　3 系統分析與設計

　　3．1 網絡結構及硬件分析

　　按照上述設計要求，在考慮滿足性能的同時，還要兼顧整體價格的平衡，因此系統設備的選型需慎重考慮。智能控制系統不僅要完成自動控制的功能，還要完成與底層設備的現場總線通信功能。因此通過綜合考慮，智能控制系統的核心設備選擇了施耐德公司的小型PLC：TWDLCAFAODRF。該設備在本體有24個開關量輸入點，16個開關量輸出點，還可以通過擴展模塊將IO點數最大擴展至264點。該設備更為強大的是有三個通信口：1個可作為通信用的編程口；1個RS485通信口；1個以太網接口，該PLC具有很強的集成與擴展能力。參閱圖l中的系統結構，Twido作為核心控制單元，通過以太網上聯觸摸屏以及上級監控平臺，通過RS485現場總線下接智能接口設備，還能通過I／O硬接線連接開關的輔助觸點，完成輸入輸出控制。

　　電力參數的采集主要使用施耐德公司的PM200，該產品通過對電流電壓的測量，計算出各種電力參數，并通過RS485通信口與上位機連接，是一種經濟簡便的多功能電力測量儀器。進出線開關狀態采集使用PLC與CCMl6采集器相結合的方式。與PLC在同一面屏的開關，將其輔助觸點接入PLC開關量輸入點，與PLC不在同一面屏的開關，在該屏配備開關量采集模塊CCMl6，將輔助觸點接入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。

　　人機界面選用***威倫通公司的觸摸屏MT8104，該產品擁有65536色、TFT LCD；USB打印機接口；3組串口可同時使用3種不同通訊協議；支持100M以太網，是完全應工業所需研制而成的高品質觸控式工業用人機界面。圖1中觸摸屏通過以太網與Twido相連，實現數據顯示、趨勢曲線描繪、告警信息匯總、控制命令輸入等等人機交互功能。從圖l可看出，PLC通過RS485通信口與底層智能設備連接，以現場總線的方式將數據采集到PLC，并通過程序將相關信息存儲到內部存儲區。就地顯示使用觸摸屏，實時反映配電屏的運行狀態，顯示電流電壓趨勢曲線以及系統相關的告警及運行信息。上級監控平臺可以通過以太網接入到本智能監控系統，利用MODBUS TCP／IP通信規約進行信息交換，通信速率可達到100M／S，保證了數據更新的實時性與準確性。

　　3．2 PLC編程實現

　　使用與Twido PLC配套的編程軟件Twidosoft實現既定的控制邏輯及智能口通信功能。對于ATS控制的關鍵點在于電源的檢測，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。

　　以自動電源1模式為例說明控制邏輯原理：(1)在遠程控制模式下，操作人員通過觸摸屏發出控制指令，兩路電源都正常，電壓檢測模塊實時檢測電源狀況， PLC控制ATS先處于1位置； (2)電源I不正常，電壓檢測模塊發出電壓不正常信號，PLC經過延時后，控制ATS斷開1位置，回到0位置；(3)經過一定延時后，PLC斷開0位置，轉到2位置，使用電源II供電； (4)當電源I恢復正常時，電壓檢測模塊發出電壓正常信號，PLC斷開2位置，回到0位置； (5)經過延時，PLC控制ATS斷開0位置，回到1位置，恢復電源I供電。在自動電源1模式下，如果電源2不正常，ATS保持在1位置不動作。如果兩路電源都不正常，PLC控制ATS處于停止狀態。

在本智能控制系統中，PLC有效地對底層智能口進行通信也是非常關鍵的。Twidosoft軟件提供了強大的通信宏功能。通信宏通過簡單的配置，指定好通信口的相關參數如波特率、設備地址、數據存儲區等就可以與底層設備進行通信了。該軟件最大支持總共32個通信宏，即最大32個子設備的智能通信。通信宏支持MODBUS以及TCP／IP通信規約。

　　實際編程中，由于MODBUS主從應答式的通信機制，需要逐次分步調用通信宏，因此在程序開頭應設計一個步進計數器。步進計數器利用系統脈沖信號產生步進脈沖，每個步進脈沖調用一次通信宏，以此來控制每次PLC主站與底層設備子站之間的通信。

　　下面結合圖2編程實例說通信宏調用的機理。梯形圖第10行表示步進計數器的第l步發生時，使內存點％M1為l，同時將需要采集數據的首地址存入通信宏指定的臨時變量％MW23。第11行表示在％Ml上升沿時調用通信宏COMMl的讀N字指令，具體是讀10個字。第12行表示在％Ml下降沿時，將宏讀到的10個字的數值賦值到從內存點％MWl00開始的10個字。

　　3．3 人機界面功能設計

　　觸摸屏與PLC通過以太網進行連接，使用MODBUS TCP／IP通信規約進行信息交換，兩者的傳輸速率可達到100M／S，保證了數據刷新的實時性。人機界面的功能設計包括四部分：系統電力參數及開關狀態實時顯示；密碼管理及開關操作：電流電壓趨勢曲線圖；系統運行狀態及告警信息顯示。

　　電力參數及開關狀態實時顯示主要包括PM200的三相電流、相電壓、線電壓、頻率、功率因數、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、出線開關位置狀態等等。密碼管理及開關操作功能設計為需要輸入正確密碼才能在觸摸屏發出控制命令，如控制模式及ATS位置的轉換。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界面，具有前后翻動顯示或者曲線保持的功能。人機界面還有系統運行狀態及告警信息匯總顯示功能，方便操作人員及時快速掌握系統存在的問題。

　　4 應用情況

　　低壓智能控制屏采用了先進的系統結構，對底層智能設備的通信非常穩定，實時反映低壓配電屏的運行狀態以及電力參數。在自動運行的情況下，智能控制系統能夠準確判斷電源情況，根據設定好的程序完成電源的自動切換。人機界面簡潔友好，便于操作人員掌握系統全部運行情況。目前本低壓智能控制屏推出一年多以來，已成功應用在超過50個35kV及以上電壓等級的大型變電站的站用低壓配電系統中，以其穩定準確、功能完善的特點得到了用戶的好評。隨著越來越多的大型變電站的興建或技術改造，本低壓智能控制屏也將得到更大范圍的推廣和應用。

　　5 結語

　　本文主要介紹了基于PLC技術的低壓智能監控屏的設計及應用情況。低壓智能監控屏結合現場總線及以太網技術，有效地將各種智能設備集成為具有實時顯示、自動控制的監控系統。本智能監控系統與低壓配電屏的融合，極大地提高了配電屏的技術含量，豐富了產品內涵，提高了配電用電的安全性和可靠性，且配置簡單，性價比高，可移植性強，是值得廣大配電屏生產廠家大力推廣應用的自動化監控系統。