ABB 可編程控制器(PLC)及其在低壓智能開關(guān)柜的應(yīng)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(jī)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(luò)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(yuǎn)程測控、遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)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(shè)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(jìn)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(jìn)的多。本文將對ABB 的PLC進(jìn)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(jìn)行介紹與討論。

1. ABB 的AC31、AC500系列PLC 基本概述 1.1 ABB AC31系列PLC ABB 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(yīng)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(kuò)展單元，遠(yuǎn)程功能擴(kuò)展單元ICMK14F1與CPU類似也最多可連接6套本地功能擴(kuò)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(kuò)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(yuǎn)程擴(kuò)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。 ? 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。 ? 其編程環(huán)境符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)。 ? 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優(yōu)勢和特點。 首先,AC500系列產(chǎn)品的功能靈活、可拓展性強(qiáng)。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(kuò)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(hù)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DeviceNET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(yù)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(shè)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(yīng)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(jī)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)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(biāo)準(zhǔn)。

2. ABB 的AC31系列PLC 在低壓智能開關(guān)柜中的應(yīng)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(jī)）和ICMK14F1（遠(yuǎn)端功能擴(kuò)展單元）。 2.1 應(yīng)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： ? 進(jìn)線開關(guān)、母聯(lián)開關(guān)設(shè)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)。 ? 兩臺進(jìn)線開關(guān)和三級負(fù)荷總開關(guān)間要實現(xiàn)聯(lián)動。任何一臺進(jìn)線電源故障時，斷開兩段母線上的三級負(fù)荷總開關(guān)后，母聯(lián)開關(guān)才能合閘；當(dāng)進(jìn)線電源恢復(fù)正常，母聯(lián)開關(guān)斷開后，三級負(fù)荷總開關(guān)才能合閘。 ? 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)。 ? 進(jìn)線回路設(shè)置顯示燈和2個合分閘按鈕；母線分段回路設(shè)置1個遠(yuǎn)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(fù)荷總開關(guān)上設(shè)置2個顯示燈和2個合分閘按鈕。 當(dāng)母線分段回路設(shè)置的遠(yuǎn)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(dāng)母線分段回路設(shè)置的遠(yuǎn)方/就地選擇開關(guān)置于“遠(yuǎn)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在自動模式中。 當(dāng)母線分段回路設(shè)置的操作模式選擇開關(guān)置于“手投自復(fù)HA”、“自投手復(fù)AH”、“自投自復(fù)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(luò)拓?fù)鋱D如圖4所示：

圖 4 AC31-50系列PLC應(yīng)用于智能開關(guān)柜的硬件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓樸圖

? 其中07KR51安裝在母聯(lián)柜。 ? ICMK14F1與07KR51的DI輸入與RL輸出接口完全一致，均為8IN/6RL。 ? 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)采用屏蔽雙絞線。 ? 07KR51與SCADA之間采用RS485/MODBUS總線，通信速率為9600bps。 ? CS31總線的連接對象為PLC的主機(jī)和遠(yuǎn)程擴(kuò)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。 ? 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(jìn)程順序：

表 2 各種操作模式下的程序進(jìn)程順序表

2.2 應(yīng)用案例二：兩進(jìn)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(jìn)線斷路器與母聯(lián)斷路器相隔較遠(yuǎn)，例如在同一排柜體兩側(cè)或在不同排，此時采用遠(yuǎn)程功能擴(kuò)展模塊ICMI14F1 配合PLC 主機(jī)07KR51 較為方便。兩進(jìn)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(luò)、控制和信號等等接線，僅僅敷設(shè)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化設(shè)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(jìn)線單母聯(lián)低壓系統(tǒng)備自投類型一

2.3 應(yīng)用案例三：兩進(jìn)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(jìn)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(kuò)展模塊XI16E1 配合PLC 主機(jī)07KR51 較為方便。但是系統(tǒng)間的互鎖、聯(lián)絡(luò)、控制和信號等等接線必須引入PLC，給控制線路的設(shè)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(kuò)展模塊XI16E1 中，而所有的輸出控制量信息均來自于PLC 主機(jī)07KR51。在實際使用中輸入接口可以通盤考慮： PLC 主機(jī)加上功能擴(kuò)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(hù)動作狀態(tài)、低電壓信號、合閘按鈕信號、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(fù)、手投自復(fù)、自投手復(fù)和自投自復(fù)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(jìn)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(yīng)用案例 在一般的低壓開關(guān)柜中往往采用各種繼電器