基于PLC技术的低压智能控制屏的设计与应用

1 引言

    近年来，35kV及以上等级变电站越来越多实现无人值守，而站内低压用电是保证变电站各种电气设备运行维护的基础，因此对变电站低压配电屏进行有效监控就越发显得重要。低压配电屏一次系统结构一般设计为两路进线，通过自动转换开关ATS或者联络开关实现不同电源之间的切换，出线负荷可根据实际需求配备相应的开关。在低压配电屏中加入智能控制系统，不仅可准确掌握相关电量参数、实现自动切换、远程监控等功能，还可丰富产品内涵，极大提高产品竞争力。本文主要介绍低压智能控制屏的设计思路及实现方式，通过系统的集成，将PLC、触摸屏、PM表、电压检测模块等智能设备有机的结合在一起，完成对进出线开关及相关电力参量的有效监控。

2 设计要求

    低压智能控制屏的设计要求主要有两部分：(1)电力参数及进出线开关状态采集、就地显示及上传；(2)两路进线电源自动切换。

    电力参数需要采集两路进线的电流、电压、频率、功率因数、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能等参数。进出线开关状态要求实时反映低压配电屏进线、出线开关的状态。设计要求将上述遥测遥信量就地显示于人机界面，并能准确上传至上级监控平台。

    为了确保供电可靠性，变电站低压配电屏设计为两路进线，通过自动转换开关ATS或者母联开关实现两路电源之间的切换。采用ATS的方式时，该设备有0、l、2三种位置状态。当ATS处于0位置时，两路电源皆不投入；当处于l位置时，I路电源投入运行；当处于2位置时，II路电源投入运行。基于ATS的控制特点，要求智能控制系统对ATS有五种控制模式，分别是：停止、固定电源I、自动电源I、固定电源II、自动电源II，综合汇总如表1所示。

    采用母联开关的方式时，一般采用两进线一母联的“三合二”的控制方式保证供电，实现方式与ATS类似，不再赘述，下面仅以ATS为控制对象加以说明。

3 系统分析与设计

3．1 网络结构及硬件分析

    按照上述设计要求，在考虑满足性能的同时，还要兼顾整体价格的平衡，因此系统设备的选型需慎重考虑。智能控制系统不仅要完成自动控制的功能，还要完成与底层设备的现场总线通信功能。因此通过综合考虑，智能控制系统的核心设备选择了施耐德公司的小型PLC：TWDLCAFAODRF。该设备在本体有24个开关量输入点，16个开关量输出点，还可以通过扩展模块将IO点数最大扩展至264点。该设备更为强大的是有三个通信口：1个可作为通信用的编程口；1个RS485通信口；1个以太网接口，该PLC具有很强的集成与扩展能力。参阅图l中的系统结构，Twido作为核心控制单元，通过以太网上联触摸屏以及上级监控平台，通过RS485现场总线下接智能接口设备，还能通过I／O硬接线连接开关的辅助触点，完成输入输出控制。

    电力参数的采集主要使用施耐德公司的PM200，该产品通过对电流电压的测量，计算出各种电力参数，并通过RS485通信口与上位机连接，是一种经济简便的多功能电力测量仪器。进出线开关状态采集使用PLC与CCMl6采集器相结合的方式。与PLC在同一面屏的开关，将其辅助触点接入PLC开关量输入点，与PLC不在同一面屏的开关，在该屏配备开关量采集模块CCMl6，将辅助触点接入CCMl6，然后通过通信口上传至PLC。具体接线示意图可参见图l的左下角部分。

    人机界面选用台湾威伦通公司的触摸屏MT8104，该产品拥有65536色、TFT LCD；USB打印机接口；3组串口可同时使用3种不同通讯协议；支持100M以太网，是完全应工业所需研制而成的高品质触控式工业用人机界面。图1中触摸屏通过以太网与Twido相连，实现数据显示、趋势曲线描绘、告警信息汇总、控制命令输入等等人机交互功能。从图l可看出，PLC通过RS485通信口与底层智能设备连接，以现场总线的方式将数据采集到PLC，并通过程序将相关信息存储到内部存储区。就地显示使用触摸屏，实时反映配电屏的运行状态，显示电流电压趋势曲线以及系统相关的告警及运行信息。上级监控平台可以通过以太网接入到本智能监控系统，利用MODBUS TCP／IP通信规约进行信息交换，通信速率可达到100M／S，保证了数据更新的实时性与准确性。

3．2 PLC编程实现

    使用与Twido PLC配套的编程软件Twidosoft实现既定的控制逻辑及智能口通信功能。对于ATS控制的关键点在于电源的检测，为此选用Carlo GaVazzi公司的DPB7lCM23型电压检测模块。该模块能够检测输入电压的欠压、过压、缺相、反相等状况，通过辅助触点提供必要的信息，并且在模块面板上有指示灯反映故障信息。

    以自动电源1模式为例说明控制逻辑原理：(1)在远程控制模式下，操作人员通过触摸屏发出控制指令，两路电源都正常，电压检测模块实时检测电源状况， PLC控制ATS先处于1位置； (2)电源I不正常，电压检测模块发出电压不正常信号，PLC经过延时后，控制ATS断开1位置，回到0位置；(3)经过一定延时后，PLC断开0位置，转到2位置，使用电源II供电； (4)当电源I恢复正常时，电压检测模块发出电压正常信号，PLC断开2位置，回到0位置； (5)经过延时，PLC控制ATS断开0位置，回到1位置，恢复电源I供电。在自动电源1模式下，如果电源2不正常，ATS保持在1位置不动作。如果两路电源都不正常，PLC控制ATS处于停止状态。

    在本智能控制系统中，PLC有效地对底层智能口进行通信也是非常关键的。Twidosoft软件提供了强大的通信宏功能。通信宏通过简单的配置，指定好通信口的相关参数如波特率、设备地址、数据存储区等就可以与底层设备进行通信了。该软件最大支持总共32个通信宏，即最大32个子设备的智能通信。通信宏支持MODBUS以及TCP／IP通信规约。

    实际编程中，由于MODBUS主从应答式的通信机制，需要逐次分步调用通信宏，因此在程序开头应设计一个步进计数器。步进计数器利用系统脉冲信号产生步进脉冲，每个步进脉冲调用一次通信宏，以此来控制每次PLC主站与底层设备子站之间的通信。

    下面结合图2编程实例说通信宏调用的机理。梯形图第10行表示步进计数器的第l步发生时，使内存点％M1为l，同时将需要采集数据的首地址存入通信宏指定的临时变量％MW23。第11行表示在％Ml上升沿时调用通信宏COMMl的读N字指令，具体是读10个字。第12行表示在％Ml下降沿时，将宏读到的10个字的数值赋值到从内存点％MWl00开始的10个字。

3．3 人机界面功能设计

    触摸屏与PLC通过以太网进行连接，使用MODBUS TCP／IP通信规约进行信息交换，两者的传输速率可达到100M／S，保证了数据刷新的实时性。人机界面的功能设计包括四部分：系统电力参数及开关状态实时显示；密码管理及开关操作：电流电压趋势曲线图；系统运行状态及告警信息显示。

    电力参数及开关状态实时显示主要包括PM200的三相电流、相电压、线电压、频率、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能、视在电能、ATS位置状态、出线开关位置状态等等。密码管理及开关操作功能设计为需要输入正确密码才能在触摸屏发出控制命令，如控制模式及ATS位置的转换。电流电压趋势曲线图将三相电流、三相电压的趋势曲线反映到人机界面，具有前后翻动显示或者曲线保持的功能。人机界面还有系统运行状态及告警信息汇总显示功能，方便操作人员及时快速掌握系统存在的问题。

4 应用情况

    低压智能控制屏采用了先进的系统结构，对底层智能设备的通信非常稳定，实时反映低压配电屏的运行状态以及电力参数。在自动运行的情况下，智能控制系统能够准确判断电源情况，根据设定好的程序完成电源的自动切换。人机界面简洁友好，便于操作人员掌握系统全部运行情况。目前本低压智能控制屏推出一年多以来，已成功应用在超过50个35kV及以上电压等级的大型变电站的站用低压配电系统中，以其稳定准确、功能完善的特点得到了用户的好评。随着越来越多的大型变电站的兴建或技术改造，本低压智能控制屏也将得到更大范围的推广和应用。

5 结语

    本文主要介绍了基于PLC技术的低压智能监控屏的设计及应用情况。低压智能监控屏结合现场总线及以太网技术，有效地将各种智能设备集成为具有实时显示、自动控制的监控系统。本智能监控系统与低压配电屏的融合，极大地提高了配电屏的技术含量，丰富了产品内涵，提高了配电用电的安全性和可靠性，且配置简单，性价比高，可移植性强，是值得广大配电屏生产厂家大力推广应用的自动化监控系统。