基于PLC的溫升試驗電流控制系統的設計與應用

趙 剛

（天水長城開關廠有限公司，甘肅天水741018）

基于PLC的溫升試驗電流控制系統的設計與應用

趙 剛

（天水長城開關廠有限公司，甘肅天水741018）

為檢測開關設備由于載流原因使其發熱的各項指標，在實驗室搭建模擬現場的電源設備，其控制系統采用PLC實現溫升試驗電流的自動控制。該系統使用方便、功能齊全，減輕了試驗人員的勞動強度，提高了工作效率，能有效地限制人為因素對試驗結果的負面干擾，有一定的推廣應用價值。

溫升試驗；電流變送器；AD轉換模塊；PLC

1 引言

溫升試驗自動控制系統是對傳統、慣用設備依靠人工調控和測量試驗參數的重要改進與創新。該系統電源部分由接觸式調壓器、大電流變壓器組成；控制部分核心部件由PLC、AD轉換模塊、電流變送器等組成。系統對所設定的試驗電流進行自動跟蹤，從而實現溫升試驗電流的自動控制。該系統主要性能指標符合國家相關標準的規定，實踐證明能夠滿足實驗室溫升試驗的要求。

2 硬件結構

系統電源部分由獨立的三組設備構成，能夠實現A、B、C三相電流源的供給，其思路是采用“Y”接法搭載電源的硬件電路，其電路圖如圖1所示。

該系統控制部分核心元件采用FX2N－32MR PLC，把每相電流互感器輸出0A－5A的電流信號通過電流變送器變成4mA－20mA的小電流信號。再通過AD轉換模塊使小電流信號轉換成相應的數字信號并傳至總調PLC。試驗電流通過人機界面觸摸屏進行設定。根據設定電流與實時采集電流的比較計算、經PLC的CUP判斷后，將判斷的結果轉換成對應的開關量去驅動粗調調壓器與微調調壓器電機的正反轉，實現輸出電流大小的改變，從而達到溫升試驗電流自動控制的目的。

圖1 電源硬件電路圖

在整個控制系統中，PLC主要完成實時數據采集、邏輯判斷、數據比較及計算等所有PID回路的調節等。由于飽和電抗器的特性差異，經常造成相相之間輸出電流不平衡，因此把每相電流作為一個小閉環控制，就能使A、B、C三相電流之間平衡。通過實時采集電流值、設定電流值及計算值的比較，在程序計算誤差范圍外去驅動每相粗調和微調調壓器工作，以達到穩定時偏差的自動控制。控制硬件框圖如圖2所示。

圖2 控制電路硬件框圖

3 數據算法

3.1 電流互感器參數

電源硬件電路中采用3只0.2S級的電流互感器，其變比分別為 1200∶5、1500∶5、1600∶5、2000∶5。電流互感器輸入輸出呈線性關系。根據試驗電流的需求，每次試驗通過人機界面只能選一個規格的變比使用。

3.2 電流變送器特性

圖3 電流變送器特性曲線

控制電路中采用3通道電流變送器，其特性曲線如圖3所示。電流變送器輸入0A－5A、輸出4mA－20mA，承線性關系。

3.3 AD轉換模塊特性

硬件電路中采用FX2N－4AD轉換模塊，由于系統需要同時采集三相電流信號，因此選用了具有4路輸入的4AD轉換模塊。模塊性能見表1。

表1 FX2N－4AD模塊性能

4AD轉換模塊的特性曲線如圖4所示，輸入輸出呈線性關系。

圖4 4AD模塊特性曲線

3.4 通道地址設定

通道的初始化由緩沖存儲器BFM＃0中的4位十六進制數字H0000控制。第一位字符控制通道1，第四位字符控制通道4，設置每一個字符的方式如下：

由于采集A、B、C三相電流變送器輸出4mA－20mA的信號，因此緩沖存儲器BFM＃0中的4位十六進制數字為H3111。

3.5 數據采集算法

變送器特性曲線對應的函數為：

其中y是輸出，取值范圍為4mA－20mA，x是輸入，取值范圍為0A－5A。

4AD模塊特性曲線對應的函數為：

其中y1是輸出數值，取值范圍為0－1000，X1是輸入，取值范圍為4mA－20mA。

由式（1）、式（2）式整理得：

假如B為電為流互感器變比設定值，X為實測的一次電流值，Z為對應的二次電流值，根據電流互感器的線性特性得

由式（3）、式（4）式可得到實測電流

其中X為實際測到的電流值；B為電流互感器的變比，取值為 2000、1600、1500、1200 其中之一。

4 軟件設計

系統軟件設計中，FX2N－32MR主要輸出寄存器I/O與對應控制電機說明如表2所示。

表2 PLC I/O分配表

4.1 4AD 驅動程序

在PLC軟件設計時，“0”位置的特殊功能模塊的ID號由BFM＃30中讀出，并保存在主單元的D4中，比較該值，以檢查模塊是否是FX2N－4AD，如果是則M1變為ON。H3111寫入FX2N－4AD的BFM＃0，建立模擬輸入通道 CH1、CH2、CH3，實際采集到的CH1、CH2、CH3通道的數值分別放在D0、D1、D2寄存器中。程序中D12為電流互感器變比的設定值，D18為溫升試驗電流的設定值，并和CH1、CH2、CH3通道的數值全部轉換成機器能識別的二進制浮點數。程序如圖5所示。

圖5 4AD驅動程序

4.2 三相電流實時采集

根據公式（5）X＝ y1＊B/1000，逐個計算出CH1、CH2、CH3通道的實測電流值，并分別存放在寄存器D48、D56、D64中，轉換成BIN整數與十進制浮點數。PLC程序能夠實現實時電流的采集并在人機界面上顯示，不再需要使用電流表顯示電流值。實時電流采集程序如圖6所示。

圖6 實測電流采集程序

4.3 電流自動控制

圖7 電流控制流程圖

設計中應用了PLC的比較指令，在每相電流控制中大閉環系統中包含一個小閉環系統控制調壓器的粗調和微調，從而實現了電流的自動控制。程序流程圖如圖7所示。

首先設置通道CH1、CH2、CH3的電流值A1，即試驗需求的電流設定值。當實測值X小于設定值A1時，則驅動粗調電機正轉、粗調調壓器升壓，變壓器輸出電流增大；若實測值X大于設定值A1的1.05倍時，則驅動粗調電機反轉、粗調調壓器降壓、變壓器輸出電流減小。若實測值X大于等于設定值且小于等于設定值A1的1.05倍時，則啟動小閉環的中間繼電器，小閉環開始工作。之后又CH1、CH2、CH3通道中的實測值X分別與電流設定值A1、設定值A1的1.02倍進行比較，若實測值X小于設定值A1，則驅動微調電機正轉、微調調壓器升壓、變壓器輸出電流增大；若實測值X大于設定值A1的1.02倍，則驅動微調電機反轉、微調調壓器降壓、變壓器輸出電流減小；若實測值X大于等于設定值A1且小于等于設定值A1的1.02倍時，系統實現穩流控制。

5 結束語

原有的控制采用人工手動調節電流的方法，致使調試工作量大、控制精度低、數據報表與實際不符等現象。筆者采用PLC控制后，系統可靠性和穩定性得到了很大的提高，使得整個系統的數據采集準確、工作量減小。由于PLC能自動識別其工作范圍，從而自動改變控制參數，提高了輸出電流的穩定精度，具有一定的推廣應用價值。

［1］三菱公司.三菱微型可編程控制器FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC系列編程手冊［P］.

［2］三菱公司.FX系列特殊功能模塊用戶手冊［P］.

［3］魏制清.可編程控制器應用技術［M］.北京：電子工業出版社，1995.

Design and application of temperature rise test current control system based on PLC

ZHAO Gang
（Tianshui Changcheng Switchgear Factory Co.，Ltd.，Tianshui 741018，China）

In order to detect the various indexes of the switch equipment heated due to its current flow，a simulated field power equipment device is set up in the laboratory，and its control system can realize the automatic control of the test current for the temperature rise with PLC.The system has properties of easy use and complete function，which can reduce the labor intensity of the test personnel，can improve the work efficiency，also can effectively limit the negative interference of human factors on the test results，and it has certain application value.

temperature rise test；current transformer；AD converting module；PLC

TP273

B

1005—7277（2017）03—0049—03

趙 剛（1979－），本科，工程師，主要從事高低壓電器型式試驗、出廠試驗方法的研究。

2016－12－01