基于PLC的變電所控制系統(tǒng)在黃驊港的應(yīng)用

摘 要 變電所是一個工業(yè)企業(yè)的用配電樞紐，它的正常運行對全港生產(chǎn)、設(shè)備安全起著決定性的作用。黃驊港現(xiàn)有的變電所中，全部采用了硬線聯(lián)鎖控制，接線復(fù)雜，一旦出現(xiàn)故障，查找困難。文章介紹了一種基于PLC的變電所控制系統(tǒng)，能夠免除硬線聯(lián)鎖帶來的各種弊端。

關(guān)鍵詞 基于PLC；變電所；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）16-0077-03

1 背景

變電所是一個工業(yè)企業(yè)的用配電樞紐，它的正常運行對全港生產(chǎn)、設(shè)備安全起著決定性的作用。黃驊港現(xiàn)在擁有2個

110 kV變電站和21個變電所。由于黃驊港的設(shè)備對電力供應(yīng)要求很高，所以全部采用雙回路供電。

現(xiàn)有變電所的硬線聯(lián)鎖控制系統(tǒng)及其缺點：繼電器控制系統(tǒng)是20世紀(jì)20年代逐步運用的一種控制方式。由于它價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單、容易掌握，在一定程度上滿足了自動控制的需要，因而使用非常廣泛，曾經(jīng)在自動化控制領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。

但隨著生產(chǎn)的自動化程度越來越高，控制要求也越來越復(fù)雜，控制繼電器的數(shù)量也越來越多，硬線聯(lián)鎖也變得越來越復(fù)雜。首先，現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝不斷進(jìn)步，當(dāng)生產(chǎn)工藝升級或者需要完善的時候，原來的接線就需要改接，甚至控制柜也需要更換。有時升級工藝，因為改動太大，甚至需要重新做一套控制系統(tǒng)，即使這樣在人力、物力、時間的投入上也比改造原有控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)；其次，由于工藝越來越復(fù)雜，控制柜的體積也越來越大，成本飆升，甚至一些非常復(fù)雜的聯(lián)鎖用硬線都很難實現(xiàn)；再次，在繼電器控制系統(tǒng)中，任何一條連線或者一個繼電器出現(xiàn)故障，都會造成整個控制系統(tǒng)運行的不正常，造成整個系統(tǒng)的可靠性大大降低，尤其是電氣系統(tǒng)常見的觸點虛接、導(dǎo)線虛接等情況，由于故障時斷時續(xù)，查找極其困難。可見繼電器控制系統(tǒng)有很多弊端。

由于黃驊港的變電所建設(shè)比較早，所以全部采用了繼電器聯(lián)鎖控制（硬線聯(lián)鎖控制），接線復(fù)雜，一旦出現(xiàn)故障，查找困難，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

2 改造方案

本文以某個變電所為例，介紹了一種基于PLC的變電所系統(tǒng)，避免了硬線聯(lián)鎖的各種缺點。

硬件改造方案如下。

2.1 原變電所單體柜硬件介紹

原變電所單體柜全部采用硬接線方式，所有的操作聯(lián)鎖都是通過硬線來實現(xiàn)的。圖1展示了原變電所某個高壓柜控制系統(tǒng)的一個合閘回路，可以看出，僅僅一個合閘回路就有很多的硬線聯(lián)鎖，整個高壓柜就更加復(fù)雜，一個小小的線路接觸不良故障都需要很長的查找時間。

在多年的運行中，我們曾經(jīng)因為繼電器觸點虛接或線路的接觸不良造成多次系統(tǒng)不能操作故障。由于查找故障點十分復(fù)雜，幾乎每次故障都造成很長的停機(jī)時間，嚴(yán)重影響了供電的可靠性。在故障短時間內(nèi)不能再現(xiàn)或者故障狀態(tài)不能保持時，查找故障尤其困難。

另外，黃驊港的變電所的所有高壓柜操作都是通過按鈕來完成的，致使整個高壓柜面板上布滿了按鈕，時間長了容易損壞，而且還有可能發(fā)生誤操作等情況。有些信號繼電器由于是機(jī)械式繼電器，如果長時間不動作，靈敏度會大大降低，有時甚至?xí)霈F(xiàn)誤動作的情況。嚴(yán)重影響了供電的可靠性。

2.2 改造預(yù)期目標(biāo)

1）廢除變電所原有的繼電器控制系統(tǒng)，除了速斷保護(hù)為了保證動作的及時性和可靠性采用硬線和軟性雙重保護(hù)外，完全采用PLC控制，所有聯(lián)鎖實現(xiàn)軟件聯(lián)鎖。

2）繪制新的圖紙。因沒有了硬線聯(lián)鎖，圖紙會變的非常簡單，繪制圖紙方便以后的維修保養(yǎng)及故障處理。

3）編制PLC程序，在程序中實現(xiàn)原來硬線聯(lián)鎖的所有功能，并把所有故障報警上傳到110 kV變電站，方便故障的發(fā)現(xiàn)和

處理。

4）編制RSview人機(jī)界面程序，顯示所有開關(guān)柜的運行狀態(tài)，顯示各種報警。

2.3 PLC介紹

PLC全稱叫可編程邏輯控制器，是20世紀(jì)60年代開始興起的一種控制方式。是一種帶有數(shù)字和模擬輸入/輸出接口，以周期掃描的工作方式實現(xiàn)自動化控制的自動控制系統(tǒng)。PLC是計算機(jī)技術(shù)、繼電器控制技術(shù)和模擬調(diào)節(jié)技術(shù)的綜合體。全面采用了計算機(jī)軟、硬件技術(shù)，完成了開關(guān)量邏輯控制為主、模擬量調(diào)節(jié)為輔的各種功能，同時具有計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力和聯(lián)網(wǎng)功能。

PLC在現(xiàn)代自動化控制領(lǐng)域使用非常普遍，這是因為PLC具有巨大的綜合優(yōu)勢：

1）PLC功能強(qiáng)大，價格也非常便宜，性價比高。即使一臺小型PLC，也有上千個的編程元件（如繼電器、計時器、計數(shù)器等）供用戶使用，可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的控制邏輯。

2）成熟的PLC系統(tǒng)硬件齊全，軟件功能也非常強(qiáng)大，用戶使用起來非常方便，適應(yīng)性強(qiáng)。我們可以根據(jù)不同的需求靈活進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、規(guī)模的系統(tǒng)。PLC安裝接線也很方便，只需把輸入信號接入PLC的輸入模塊，需要驅(qū)動的負(fù)載接到PLC的輸出模塊，硬件部分就算完成了。所有的控制邏輯都在軟件編程的時候?qū)崿F(xiàn)，大大減少了接線的復(fù)雜性，增加了控制系統(tǒng)的靈活性。

3）抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高。現(xiàn)代的PLC都采取了一系列軟件和硬件抗干擾措施，具有非常強(qiáng)的抗干擾能力，幾乎不會出現(xiàn)誤動作。

4）控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量比繼電器控制系統(tǒng)大大減少，并且需要更改控制邏輯時非常簡單。由于PLC用軟件編程取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的計時器、計數(shù)器、中間繼電器等器件，節(jié)約了大量的人力物力成本，并降低了系統(tǒng)出錯的可能性。

5）PLC的故障率很低，即使發(fā)生故障維修也非常方便，甚至很多PLC都具有熱插拔功能，如果模塊損壞，幾分鐘即可更換完畢恢復(fù)生產(chǎn)。

6）現(xiàn)代的PLC還可以組成冗余控制系統(tǒng)，在主PLC出現(xiàn)故障時，備用PLC可以自動投入使用，接管主PLC的工作，對生產(chǎn)零影響。endprint

鑒于PLC有以上所述的各種優(yōu)點，并且隨著科學(xué)技術(shù)的日益成熟，PLC的價格也非常便宜，采用PLC對變電所進(jìn)行控制，成本并不高。

2.4 改造硬件選擇

我們采用羅克韋爾公司A-B的1756-L55，ControlLogix5555 Controller作為中央處理器，建立PLC網(wǎng)絡(luò)，采用遠(yuǎn)程flex I/O，在每個高壓開關(guān)柜都設(shè)立遠(yuǎn)程I/O模塊，用來接收各種信號，并發(fā)出各種執(zhí)行指令。其中，PLC對遠(yuǎn)程I/O鏈路的存取，是通過處理器內(nèi)置的掃描端口進(jìn)行的。I/O產(chǎn)品在鏈路上與這些掃描端口的通信，是通過獨立的適配器模塊（1794-ASB）進(jìn)行的。遠(yuǎn)程I/O如果采用菊花鏈路的連接方式，在通信速率為57.6kb/s下，最大長度是3048 m。

遠(yuǎn)程I/O功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛，能夠支持眾多產(chǎn)品。遠(yuǎn)程I/O的最大特點是可以將I/O機(jī)架放置到靠近每個單體高壓柜，從而替代了用導(dǎo)線經(jīng)過很長距離直接與本地I/O機(jī)架的連接方法，這有助于減少安裝、維護(hù)的費用，并且運行更加穩(wěn)定。

在每個適配器模塊下面，可以根據(jù)需要安裝數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊，以滿足信號輸入、輸出的需要。數(shù)字量輸入模塊我們選擇1794-IE16，數(shù)字量輸出模塊我們選擇1794-OE16。

2.5 硬件接線

選擇好了改造所用的硬件之后，我們組態(tài)好PLC網(wǎng)絡(luò)，在中央處理器與遠(yuǎn)程I/O之間建立通訊，這樣PLC的硬件部分就完成了。

然后我們將下列信號接入到PLC的輸入模塊：試驗合閘按鈕、高壓小車在試驗位置、操作方式在就地、就地合閘按鈕、操作方式在遠(yuǎn)程、遠(yuǎn)程合閘、高壓小車在試驗位置、試驗分閘按鈕、就地分閘按鈕、遠(yuǎn)程分閘、速斷信號、接地信號、主斷路器合閘信號、主斷路器分閘信號、接地開關(guān)合閘信號等等。

將下列信號接入到PLC的輸出模塊：合閘繼電器、主斷路器合閘、分閘繼電器、主斷路器分閘、合閘指示燈、分閘指示燈、高壓小車在運行位置指示、高壓小車在試驗位置指示、接地開關(guān)合閘指示等等。

同時，為了保證速斷時系統(tǒng)跳閘的及時性、可靠性，速斷信號有硬線聯(lián)鎖和軟件聯(lián)鎖兩個路由。

完成以上接線改造后，我們就可以編制適當(dāng)?shù)某绦颍瑏韺崿F(xiàn)全自動倒閘操作。

3 軟件編程

3.1 人機(jī)操作界面

在rsview人機(jī)操作界面我們畫出整個變電所的一次系統(tǒng)圖，在圖上將各個高壓柜的關(guān)鍵參數(shù)顯示出來，例如：某某高壓柜正常信號、故障信號、合閘狀態(tài)、分閘狀態(tài)等。操作人員可以通過人機(jī)界面非常直觀的了解整個變電所各個高壓柜的狀態(tài)，方便查找故障。

同時，我們在每個高壓柜上設(shè)置彈出式窗口按鈕，只要按下該按鈕，則高壓柜的詳細(xì)的狀態(tài)以彈窗的形式展現(xiàn)出來，包括試驗合閘按鈕、高壓小車在試驗位置、操作方式在就地、就地合閘按鈕、操作方式在遠(yuǎn)程、遠(yuǎn)程合閘、高壓小車在試驗位置、試驗分閘按鈕、就地分閘按鈕、遠(yuǎn)程分閘、速斷信號、接地信號、主斷路器合閘信號、主斷路器分閘信號、接地開關(guān)合閘信號等等。這樣當(dāng)我們需要了解某高壓柜更加詳細(xì)的信息時，只需按下該按鈕就可以了。

以上按鈕可以根據(jù)現(xiàn)場實際需求進(jìn)行增減，同步更改PLC程序即可。

3.2 PLC軟件編程

根據(jù)高壓柜的不同功能，高壓柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)略有不同，但總體上是非常相似的，下面我們以某個高壓柜為例，編制PLC程序，實現(xiàn)原有硬線聯(lián)鎖的所有功能。

1）程序第0步：試驗合閘。

XIC（試驗合閘按鈕）XIC（高壓小車在試驗位置）OTE（試驗合閘）。

2）程序第1步：接地合閘。

XIC（操作方式在就地）XIC（就地合閘按鈕）XIC（高壓小車在運行位置）OTE（就地合閘）。

3）程序第2步：遠(yuǎn)程合閘。XIC（操作方式在遠(yuǎn)程）XIC（遠(yuǎn)程合閘）XIC（高壓小車在運行位置）OTE（遠(yuǎn)程合閘）。

4）程序第3步：通過各種聯(lián)鎖條件，形成合閘信號。

[XIC（試驗合閘），XIC（就地合閘），XIC（遠(yuǎn)程合閘）]XIO（接地開關(guān)合閘）XIO（分閘繼電器）OTE（合閘繼電器）；

5）程序第4步：主斷路器合閘輸出。

XIC（合閘繼電器）OTL（主斷路器合閘）。

6）程序第5步：試驗分閘。

XIC（試驗分閘按鈕）XIC（高壓小車在試驗位置）OTE（試驗分閘）。

7）程序第6步：就地分閘。

XIC（操作方式在就地）XIC（就地分閘按鈕）OTE（就地分閘）。

8）程序第7步：遠(yuǎn)程分閘。

XIC（操作方式在遠(yuǎn)程）XIC（遠(yuǎn)程分閘）OTE（遠(yuǎn)程分閘）。

9）程序第8步：通過各種聯(lián)鎖條件，形成分閘信號。

[XIC（試驗分閘），XIC（就地分閘），XIC（遠(yuǎn)程分閘），XIC（速斷信號），XIC（接地信號）]OTE（分閘繼電器）。

10）程序第9步：主斷路器分閘輸出。

XIC（分閘繼電器）OTL（主斷路器分閘）。

11）程序第10步：合閘指示燈輸出信號及解鎖主斷路器合閘輸出。

XIC（主斷路器合閘輸入信號）[OTE（合閘指示燈（紅色）），OTU（主斷路器合閘）]。

12）程序第11步：分閘指示燈輸出信號及解鎖主斷路器分閘輸出。

XIC（主斷路器分閘輸入信號）[OTE（分閘指示燈（綠色）），OTU（主斷路器分閘）]。

13）程序第12步：高壓小車在運行位置指示信號。

XIC（高壓小車在運行位置） OTE（高壓小車在運行位置

指示）。

14）程序第13步：高壓小車在試驗位置指示信號。endprint

XIC（高壓小車在試驗位置） OTE（高壓小車在試驗位置

指示）。

15）程序第14步：高壓柜接地開關(guān)合閘指示信號。

XIC（接地開關(guān)合閘） OTE（接地開關(guān)合閘指示）。

16）程序第15步：合閘超時故障檢測。

[XIC（合閘繼電器）XIO（合閘指示燈（紅色）），XIO（合閘繼電器）XIC（合閘指示燈（紅色））]TON（T1，1000，？）。

17）程序第16步：合閘超時故障輸出。

XIC（T1/DN）OTE（合閘超時故障）。

18）程序第17步：分閘超時故障檢測。

[XIC（分閘繼電器）XIO（分閘指示燈（綠色）），XIO（分閘繼電器）XIC（分閘指示燈（綠色））]TON（T2，1000，？）。

19）程序第18步：分閘超時故障輸出。

XIC（T2/DN）OTE（分閘超時故障）；

通過以上指令表程序，可以實現(xiàn)原有高壓柜硬線聯(lián)鎖的所有功能，并且有故障檢測，能夠及時提醒操作人員發(fā)現(xiàn)故障。

4 改造成效

4.1 改造實施前與改造實施后的對比舉例

改造前，如果我們需要就地合閘，那么需要以下條件：操作方式在就地、就地合閘按鈕、高壓小車在運行位置、接地開關(guān)沒有合閘、沒有分閘操作等5個信號，然后才能實現(xiàn)就地合閘。

一旦有任何一個信號出現(xiàn)問題，就不能實現(xiàn)就地合閘的操作，我們需要拿著萬用表在柜子里逐個端子測量檢查，以發(fā)現(xiàn)故障點，操作復(fù)雜并且有一定的危險性。按鈕或者線路完全斷開還是非常幸運的情況，我們利用一定的時間，能夠發(fā)現(xiàn)它。但是如果存在觸點或者導(dǎo)線虛接的現(xiàn)象，就非常困難了，由于故障時斷時續(xù)，我們不能快速確定是哪個部位解除不良，有時故障時間是秒級的，給我們的印象就是突然高壓柜不正常了，去查找時又一切正常，這樣的故障發(fā)現(xiàn)故障點非常困難，有時只能將全部端子排重新緊固，或者更換有可能損壞的按鈕或者導(dǎo)線，浪費了大量人力物力，大大影響了供電的可靠性。

而改造后，我們可以通過程序檢測任何故障，哪怕只是一個毫秒級的接觸不良故障，都可以捕捉到并在人機(jī)界面顯示出來，技術(shù)人員可以根據(jù)報警提示直奔主題，立刻修復(fù)它，大大提高維修效率。

4.2 改造效益

我們進(jìn)行了某個變電所的試驗改造，一次成功，達(dá)到預(yù)期效果。

把變電所從硬線聯(lián)鎖控制改成PLC控制并加入編輯rsview人機(jī)界面后：

1）能夠使技術(shù)人員非常容易的掌握變電所高壓柜的控制邏輯，改變了過去技術(shù)人員面對的只是一堆操作按鈕，而不能利用現(xiàn)代非常成熟的PLC系統(tǒng)的現(xiàn)狀。

2）大大縮短了變電所故障查找的時間，提高了故障處理效率。例如高壓柜發(fā)生線路接觸不良，每次技術(shù)人員都會花費大量的時間來查找，大大提高了供電的可靠性。

3）節(jié)約費用。由于繼電器頻繁的動作，線圈、觸點等都會逐漸老化損壞。而現(xiàn)代的PLC技術(shù)非常成熟，使用壽命很長，并且由于沒有機(jī)械機(jī)構(gòu)，正常情況下幾乎不會損壞。大大提高了供電可靠性。

5 結(jié)論

通過在變電所系統(tǒng)使用非常成熟的PLC控制系統(tǒng)，避免了硬線聯(lián)鎖（繼電器聯(lián)鎖）控制“故障很難查找、接線復(fù)雜、無法實現(xiàn)人機(jī)交互、聯(lián)網(wǎng)困難、變更邏輯不靈活等”諸多的弊端，大大提高了故障處理效率，提高了供電的可靠性，值得推廣。

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作者簡介

韓亞慈（1977-），女，高級工程師，碩士學(xué)位，現(xiàn)任神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司二級師，主要從事供配電設(shè)備的管理與維修工作。endprint