淺議可編程控制器在GIS二次控制中的應用

（新疆寶明礦業有限公司，昌吉市，831700） 王建明

1 國內智能GIS發展現狀

隨著淮北110千伏桓譚變電站投運，我國已建成的智能變電站數量已經超過10座以上。其中有北川110千伏智能變電站、220千伏西涇智能變電站以及500千伏蘭溪變電站，特別是世界最高電壓等級的智能變電站——750千伏延安變電站投運，標志著我國智能變電站試點工程不斷取得進展。這將拉開我國開始大規模建設智能變電站的序幕，同時對于我國建設堅強智能電網也具有重要意義。我國在淮北110千伏桓譚變電站的建設過程中，采用大量的新技術、新工藝、新設備來實現整個變電站的數字化、智能化。應用GIS組合電氣采用SF6壓力、微水在線監測系統等，采用數字化的監視和控制手段減少了設備停電檢修的幾率和時間，實現一次設備100%在線監控。

2 可編程控制器簡介

2.1 可編程控制器的定義和特點

根據1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標準草案中對PLC做如下定義：可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等面向用戶的操作指令，并通過數字式或模擬式的輸入/輸入控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關外部設備，都按易于與工業控制系統聯成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。可編程控制器具有如下特點：

1）可靠性高，抗干擾能力強；

2）配套齊全，功能完善，適用性強；

3）易學易用，深受工程技術人員歡迎；

4）系統的設計、建造工作量小，維護方便；

5）體積小，重量輕，能耗低。

2.2 可編程控制器的結構

PLC主要由中央處理器CPU、存儲器、輸入/輸出接口電路、電源、編程器組成，其系統結構見圖1。

圖1 PLC的系統結構

1）中央處理器CPU（CPU芯片）

CPU是PLC系統的運算核心和控制核心。功能主要是解釋PLC指令以及處理軟件中的數據。它不斷地采入輸入信號，執行用戶程序，刷新系統輸出。響應外圍設備（如編程器、打印機等）請求。

2）存儲器

PLC的存儲器分為系統存儲器和用戶存儲器。系統存儲器用來存放系統管理程序，包括管理程序，監控程序以及對用戶程序做編譯處理的解釋編譯程序。由只讀存儲器、ROM組成。廠家使用的，內容不可更改，斷電不消失。

用戶存儲器用來存放用戶編制的梯形圖程序或用戶數據，分為用戶程序存儲區和工作數據存儲區。由RAM、EPROM、E2PROM構成。RAM是隨機存取存儲器，它工作速度高、價格低、改寫方便，為了防止掉電時信息的丟失，常用高效的鋰電池做后備電池。EPROM、E2PROM是非易失性的，可以用編程器對它編程，它們兼有ROM的非易失性和RAM的隨機存儲優點，但寫入信息時間比RAM長。

3）輸入接口電路

輸入接口電路是負責接收外部輸入元件信號電路接口。可用于輸入開關量信號的數字輸入接口模塊和用于輸入模擬量的模擬信號輸入接口。

數字輸入接口模塊可以由光電耦合電路和微型計算機輸入接口電路組成。采用光電耦合電路與現場輸入信號相連可防止現場的強電干擾信號進入PLC。

模擬信號輸入接口輸入的模擬量信號分2類4種量，2類分別是電壓型和電流型。電壓型有0～10V 和-10～10V。電流型主要有 4～20MA，0～20MA。然后模塊再通過A/D轉換，把模擬量轉換成+32767～-32768之間的數，然后參與PLC控制。

4）輸出接口電路

輸出接口電路是用于將PLC的運算結果轉換后作用于控制對象上，以便達到控制目的。輸出接口電路分開關量信號輸出的數字輸出接口和模擬量輸出的模擬信號輸出接口。

數字輸出接口有驅動直流負載的大功率晶體管和場效應管，驅動交流負載的雙向晶閘管以及既可以驅動交流負載也可以驅動直流負載的小型繼電器。負載電源可由外部現場提供。由于輸入/輸出接口電路采用了光電耦合電路或繼電器隔離電路，使得輸入/輸出電路與內部電路在電氣上完全隔離，從而防止了現場隔離干擾，保證PLC能在惡劣的環境下可靠地工作。

模擬量輸出模塊是指PLC可以根據計算后的輸出要求，在模擬量輸出模塊中進行相應精度的D/A轉換，可根據現場要求輸出一定精確度的模擬量信號，用于現場對象的控制。

5）電源

PLC的電源是指將外部輸入的交流信號經過整流、濾波、穩壓等處理后轉換成滿足PLC的CPU、存儲器、輸入/輸出接口等內部電路工作需要的直流電源電路。為了減少電源間的相互干擾，輸入/輸出接口電路與內部電路間的電源彼此相互獨立。電源的好壞對PLC的可靠性至關重要。大部分PLC都采用開關電源供電。

2.3 可編程控制器的工作原理

圖2 PLC的掃描工作過程

當PLC投入運行后，整個PLC其工作過程一般分為三個階段：即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。PLC的掃描工作過程如圖2所示：

1）輸入采樣階段；在PLC上電自檢后進入輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有現場設備的輸入狀態和模擬量數據，并將它們存入I/O映象區中的相應的鎖存器單元內。

2）用戶程序執行階段；在用戶程序執行階段，CPU從第一條指令開始按指令步序號作周期性循環掃描，如果無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條順序執行用戶程序，直到遇到結束。

在程序執行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區別。

3）輸出刷新階段；當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。在輸入采樣、輸出刷新的這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，I/O映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。

3 110kV智能化GIS二次控制系統設計與實現

3.1 系統總體控制要求

基于PLC系統的GIS二次智能化控制和監測系統，省去了上述外設元件，都將以模擬或者數字信號的方式存在于PLC程序中或者直接顯示于觸摸屏。一次設備被檢測的信號回路和被控制的操作驅動回路采用微處理器和光電技術設計，簡化了常規機電式繼電器及控制回路的結構，數字程控器及數字公共信號網絡取代傳統的導線連接。換言之，變電站二次回路中常規的繼電器及其邏輯回路被可編程序代替，常規的強電模擬信號和控制電纜被光電數字和光纖代替。

1）斷路器、三工位隔離、接地開關、快速接地開關等操作元件的合分閘操作記錄，用于監視各一次主要操作元件是否達到額定的機械壽命。

2）斷路器事故分閘記錄，記錄開斷電流的加權值，間接測量斷路器弧觸頭的燒損情況。

3）記錄各元件氣室的SF6氣體密度變化情況，同時增加監視SF6氣體的下降變化率，以便更準確地判斷故障。

4）斷路器、三工位隔離、接地開關、快速接地開關等操作元件的操作回路監視，包括常規的回路斷線，電機回路故障等，還增加了電機操作電流監視，以判斷機構有無卡澀等情況。

3.2 系統的主要功能組成

整個系統由設備控制部分、在線監測部分和安全監控部分組成。設備控制部分主要完成數據和狀態信號采集、現場控制輸出。在線監測部分主要進行現場模擬量數據的收集、分析，并向用戶提供狀態檢修意見和報警功能。監控部分則通過比較經過CPU處理的數據，實時顯示系統各元件的工作狀態，并向設備控制層發出控制指令，實現遙信、遙測、遙控、遙調功能。

系統監控層通過西門子的軟件STEP7和SIMATICWINCC FLEXIBLE操作屏組態軟件進行編程，它承擔了控制操作、狀態顯示、數據處理、操作記錄等功能。用戶在就地操作時，可通過觸摸屏了解整個系統的工作狀態，查看報警信息、發出控制信號；用戶在遠方操作時，可通過WINCC組態后的畫面，了解整個系統的工作狀態，查看報警信息、發出控制信號。

此監控層實現的主要功能如下：

1）控制操作：對系統內的所有被控斷路器和輔助開關進行實時控制。

2）狀態顯示：用圖形實時地顯示一次主接線圖內主要元件的運行狀態。

3）數據處理：利用實時數據和歷史數據，對系統內采集的各狀態量進行邏輯判斷。

4）操作記錄：實時地記錄用戶對本系統的每一個操作（包括日期、用戶名、設備名、具體操作結果等）

5）報警功能：當某一指定狀態量發生變位時，直接通過觸摸屏中的虛擬光字牌顯示系統報警信號。

6）安全設置：可以設置多級密碼，按不同的操作權限分別加密，以特定管理員來限定用戶級別，并記錄其它用戶信息；普通用戶將無法創建其它用戶或者查看其它用戶信息；管理員和普通用戶均須登錄成功后方可進行控制操作或者查看操作記錄。

3.3 系統的硬件配置和構成

通過分析比較國內外知名工控產品并結合GIS智能控制系統的需求，選用了深圳鑫諾爾的HTS-2000VA正弦波逆變電源、西門子的SIMATIC S7-300可編程控制器和TP277觸摸屏來構成此智能控制系統。系統硬件配置如圖3所示。

圖3 系統硬件配置圖

4 斷路器控制程序的設計

斷路器控制程序設計如圖4。

圖4 斷路器控制程序

5 結論

完成了間隔層的智能化GIS開關操作柜設計研究，說明了西門子S7-300型在GIS智能化設計過程的應用情況，通過S7-300豐富的編程功能和強大的硬件配置，完成了基本間隔要求的開關操作、聯鎖設計、就地電量/電度采集，實現了變電站的遙控，遙信和遙測的功能，有效地實現了高壓開關的最安全控制；利用采集的開關機構操作過程電流信號以及操作時間，可以進一步分析開關機械設備的狀況。由于高壓GIS開關在運行過程中，容易產生電力干攏，實際工程中應認真處理PLC接地和反干攏措施，確保設備的可靠運行。

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