基于PLC的ABB斷路器控制程序設(shè)計(jì)

于 朝，王孫清，張 煒，李彬彬，鄭恒持

基于PLC的ABB斷路器控制程序設(shè)計(jì)

于 朝1, 2，王孫清1, 2，張 煒1, 2，李彬彬1, 2，鄭恒持1, 2

（1. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，無(wú)錫 214082；2. 深海技術(shù)科學(xué)太湖實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫 214082）

第二代艦船綜合電力系統(tǒng)輸配電分系統(tǒng)采用中壓直流供電方式，是艦船動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。而直流主網(wǎng)短路時(shí)，短路電流上升速度快，短路電流大，因此要求直流主網(wǎng)斷路器有較強(qiáng)的分?jǐn)嗄芰?。針?duì)現(xiàn)有的支持中壓直流、四遙功能的ABB斷路器，本文設(shè)計(jì)基于PLC的斷路器控制程序，實(shí)現(xiàn)斷路器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、通斷控制及整定值/延時(shí)時(shí)間的自動(dòng)修改。通過試驗(yàn)調(diào)試，基于博途軟件搭建的上位機(jī)監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)了斷路器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，滿足綜合電力系統(tǒng)控制需要。

綜合電力系統(tǒng) 中壓直流 ABB斷路器 四遙功能 PLC

0 引言

艦船綜合電力系統(tǒng)將傳統(tǒng)艦船中相互獨(dú)立的動(dòng)力與電力兩大系統(tǒng)合二為一，以電能的形式統(tǒng)一為推進(jìn)負(fù)載、通信、導(dǎo)航和日用設(shè)備等供電，實(shí)現(xiàn)了全艦?zāi)茉吹木C合利用[1]。而隨著綜合電力系統(tǒng)技術(shù)的探索與發(fā)展，第二代綜合電力系統(tǒng)中的輸配電分系統(tǒng)采用中壓直流供電方式[2]，這就要求綜合電力控制系統(tǒng)能夠根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)控制直流斷路器通斷，來(lái)快速切斷電網(wǎng)故障區(qū)域。

艦船中壓直流電力系統(tǒng)設(shè)備耦合緊密、線纜阻抗低，發(fā)生故障會(huì)在短時(shí)間內(nèi)擊穿大量電氣設(shè)備。因此，中壓直流斷路器需要具有較強(qiáng)的分?jǐn)嗄芰εc分?jǐn)嗨俣?、較高的的耐壓等級(jí)和限流能力。目前，ABB公司已經(jīng)推出Tmax系列塑殼斷路器，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)、瞬時(shí)保護(hù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)母線電壓、電流等電氣參數(shù)，再配合常用通信協(xié)議Modbus和電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，可以輕松實(shí)現(xiàn)四遙（遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、遙控）功能[3]。

從上述可知，ABB塑殼斷路器可滿足綜合電力系統(tǒng)輸配電保護(hù)需求，因此，開展斷路器四遙控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究和控制程序設(shè)計(jì)，以滿足綜合電力控制系統(tǒng)對(duì)斷路器的實(shí)時(shí)監(jiān)控要求，對(duì)提高綜合電力系統(tǒng)的安全性具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

綜合電力控制系統(tǒng)能夠?qū)嗦菲鬟M(jìn)行實(shí)時(shí)控制，具體如下：①遙信功能：綜合電力控制系統(tǒng)能夠與ABB斷路器通過Modbus協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，獲取斷路器采集的電壓、電流等電氣參數(shù)。②遙調(diào)功能：綜合電力控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)調(diào)整斷路器整定值和延時(shí)時(shí)間等參數(shù)。③遙控功能：綜合電力控制系統(tǒng)能夠根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)實(shí)時(shí)控制斷路器通斷，從而改變電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者切除電網(wǎng)故障區(qū)域。

1.2 控制原理

綜合電力系統(tǒng)控制原理框圖如圖1所示。PLC是控制系統(tǒng)的核心，接收來(lái)自艦船電力系統(tǒng)的電網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和斷路器采集的電壓、電流等電氣參數(shù)，通過數(shù)據(jù)處理、邏輯運(yùn)算和順序控制等處理后，通過Modbus RTU協(xié)議輸出相應(yīng)控制指令到斷路器，實(shí)現(xiàn)斷路器通斷及整定值、延時(shí)時(shí)間的控制；通過上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控電力系統(tǒng)及斷路器運(yùn)行狀態(tài)并實(shí)時(shí)控制各電力設(shè)備[4]。

圖1 綜合電力系統(tǒng)控制原理框圖

1.3 硬件選型與信號(hào)分配

綜合電力控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、斷路器運(yùn)行狀態(tài)以及對(duì)多個(gè)斷路器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制?，F(xiàn)以單個(gè)斷路器監(jiān)控為例，介紹PLC控制程序設(shè)計(jì)。

根據(jù)綜合電力系統(tǒng)的控制方案，綜合分析控制要求、輸入輸出點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量，確定選用西門子ET 200SP型PLC作為控制器，配套數(shù)字量/模擬量輸入及輸出模塊，485通信模塊[5]。根據(jù)ABB斷路器說明書編制通信接口表如表1所示。

表1 通信地址分配

2 控制程序設(shè)計(jì)

PLC運(yùn)行時(shí)，485通信模塊首先按照系統(tǒng)參數(shù)初始化，與斷路器建立連接；其次，讀取斷路器整定值和延時(shí)時(shí)間設(shè)定值；然后，依次讀取斷路器采集的供電母線電壓/電流值。當(dāng)斷路器需要實(shí)時(shí)控制或修改整定值/延時(shí)時(shí)間時(shí)，控制程序分別跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)控制流程；控制流程結(jié)束后，重新跳轉(zhuǎn)到步驟1，保證控制程序可循環(huán)運(yùn)行。

圖2 斷路器控制流程圖

2.1 遙信程序

為實(shí)現(xiàn)斷路器的遠(yuǎn)程控制，PLC與斷路器之間采用Modbus RTU協(xié)議建立通信，可實(shí)時(shí)獲取斷路器狀態(tài)數(shù)據(jù)以及下發(fā)控制指令。本次斷路器程序設(shè)計(jì)中，斷路器通信地址為247，波特率為19200 bits/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。PLC通信配置程序如圖3所示。

圖3 PLC通信配置程序

2.2 遙測(cè)程序

ABB斷路器可實(shí)時(shí)測(cè)量母線電壓和電流數(shù)值，綜合電力控制系統(tǒng)需要根據(jù)母線電壓、電流值輸出相應(yīng)控制信號(hào)。因此，PLC需實(shí)時(shí)采集斷路器測(cè)量的母線電壓、電流值。PLC遙測(cè)控制程序如圖3所示。

2.3 遙控程序

為實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器通斷及整定值修改等操作的控制，需要PLC向斷路器下發(fā)相應(yīng)的控制指令，當(dāng)不同操作指令下發(fā)時(shí)，PLC自動(dòng)將控制指令寄存器賦值相應(yīng)的操作數(shù)值，斷路器識(shí)別下發(fā)的控制指令后，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作。具體的遙控程序如圖5所示。

圖4 PLC遙測(cè)程序

圖5 PLC遙控程序

2.4 遙調(diào)程序

ABB斷路器整定值及延時(shí)時(shí)間調(diào)整流程較為復(fù)雜，首先，需要下發(fā)進(jìn)入編程模式指令；其次，下發(fā)需要修改的整定值及延時(shí)時(shí)間數(shù)值；然后，下發(fā)退出編程模式指令；最后，讀取修改后的整定值及延時(shí)時(shí)間數(shù)值，驗(yàn)證是否修改完成。為了減輕操作人員的工作強(qiáng)度，設(shè)置自動(dòng)修改流程，在上位機(jī)界面輸入整定值及延時(shí)時(shí)間數(shù)值后，單擊修改按鈕，自動(dòng)完成整定值修改流程，具體控制程序如圖6所示。

3 上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

為能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)斷路器狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘控制及整定值/延時(shí)時(shí)間設(shè)置，在博途軟件中搭建觸摸屏程序，通過在觸摸屏與PLC之間建立HMI連接，實(shí)現(xiàn)PLC與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)交互。上位機(jī)監(jiān)控界面主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：斷路器通斷狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電壓/電流值監(jiān)測(cè)、整定值/延時(shí)時(shí)間監(jiān)測(cè)、斷路器分/合閘控制、斷路器進(jìn)入/退出編程模式控制、整定值/延時(shí)時(shí)間手動(dòng)及自動(dòng)修改控制。具體界面如圖7所示。

4 程序模擬與調(diào)試

程序仿真調(diào)試完畢后，開始搭建試驗(yàn)平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)ABB斷路器的四遙控制，需要完成斷路器儲(chǔ)能線圈、分閘線圈、合閘線圈、電子脫扣器以及通信接口的線路連接，具體連接方式如圖8所示。儲(chǔ)能線圈供電后，可控制電機(jī)自動(dòng)完成斷路器的蓄能；分合閘線圈供電后，可通過遠(yuǎn)程指令實(shí)現(xiàn)斷路器的分合閘操作。

圖6 PLC遙調(diào)程序

圖7 ABB斷路器上位機(jī)監(jiān)控界面

圖8 ABB斷路器接線圖

按照ABB斷路器接線圖，完成斷路器端子排接線后，將程序下載到PLC控制器內(nèi)，啟動(dòng)博途軟件內(nèi)觸摸屏仿真程序，通過上位機(jī)監(jiān)控界面觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并通過上位機(jī)監(jiān)控界面來(lái)實(shí)現(xiàn)斷路器通斷控制及整定值/延時(shí)時(shí)間的修改。

圖9 ABB斷路器控制程序調(diào)試

5 結(jié)論

本文針對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)輸配電分系統(tǒng)中直流母線斷路器控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了以PLC為控制核心的ABB斷路器四遙自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了滿足綜合電力系統(tǒng)需求的斷路器自動(dòng)控制方式，完成了遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)等功能模塊程序編制。試驗(yàn)調(diào)試結(jié)果表明，該控制程序可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斷路器狀態(tài)及數(shù)值變化，并能夠及時(shí)完成斷路器的通斷控制及整定值/延時(shí)時(shí)間調(diào)整。通過試驗(yàn)調(diào)試觀測(cè)，斷路器通斷控制響應(yīng)時(shí)間在30 ms以內(nèi)，整定值及延時(shí)時(shí)間修改響應(yīng)時(shí)間在50 ms以內(nèi)，可滿足綜合電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制需要。

[1] 付立軍, 劉魯鋒, 王剛等. 我國(guó)艦船中壓直流綜合電力系統(tǒng)研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)艦船研究, 2016, 11(1): 72-79.

[2] 王守相, 孟子涵. 艦船綜合電力系統(tǒng)分析技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 中國(guó)艦船研究, 2019, 14(2): 107-117.

[3] 何曉暉. 智慧電力成就電氣美好未來(lái)[J]. 電氣應(yīng)用, 2020, 39(04): 6-9.

[4] 于朝, 王孫清, 李彬彬等.基于PLC的能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 船電技術(shù), 2022, 42(09): 39-42.

[5] 劉凌夫. 基于S7-1500 PLC的電石爐出爐機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù), 2022, (08): 14-16.

Design of PLC control program for ABB circuit breaker

Yu Zhao1, 2, Wang Sunqing1, 2, Zhang Wei1,2, Li Binbin1, 2, Zheng Hengchi1, 2

(1. China Ship Scientific Research Centre, Wuxi 214082, Jia ngsu；2. Taihu Laboratory of Deepsea Technological Science, Wuxi 214082, Jiangsu)

TM561

A

1003-4862（2023）08-0062-03

2023-01-01

于朝（1994-），男，工程師。研究方向：能量監(jiān)測(cè)及管理。E-mail：694752200@qq.com