可編程控制器在數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

紀(jì)加木

(廈門ABB低壓電器設(shè)備有限公司，福建廈門361006)

可編程控制器在數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

紀(jì)加木

(廈門ABB低壓電器設(shè)備有限公司，福建廈門361006)

紀(jì)加木(1981—)，男，工程師，從事低壓智能配電、電能質(zhì)量方面的研究。

介紹了數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)的典型構(gòu)成及可編程控制器(PLC)在備自投控制中的應(yīng)用特點(diǎn)，分析了PLC在數(shù)據(jù)中心低壓配電備自投工程中的實(shí)際應(yīng)用。實(shí)踐結(jié)果表明，采用PLC組建工業(yè)低壓配電系統(tǒng)能達(dá)到高性能和良好的經(jīng)濟(jì)效益，并具有可靠和靈活等優(yōu)點(diǎn)。

可編程控制器;低壓配電;備自投;繼電器

0 引言

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的普及，信息和數(shù)據(jù)量呈幾何級(jí)增長(zhǎng)，因此對(duì)數(shù)據(jù)中心的需求日益增加，對(duì)數(shù)據(jù)中心的要求也不斷提高，信息設(shè)備功能越來越強(qiáng)，功率密度越來越高。

在數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)中，為保證供電的連續(xù)性和可靠性，通常采用兩路電源分段運(yùn)行并帶聯(lián)絡(luò)的方案，同時(shí)要求開關(guān)具有自動(dòng)投入甚至自動(dòng)投切的功能，這對(duì)二次控制提出了更高的要求。傳統(tǒng)繼電器組合控制方式存在接線復(fù)雜、可靠性差、維護(hù)不方便等問題。隨著微處理器技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性的大幅提高，可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)技術(shù)快速發(fā)展。PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，是數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)的完美解決方案。

1 數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)構(gòu)成

數(shù)據(jù)中心的低壓配電通常采用兩進(jìn)線和一母聯(lián)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中QF1、QF2為進(jìn)線開關(guān)，QF3為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。正常工作情況下，進(jìn)線開關(guān)QF1、QF2合閘，QF3分閘，兩段母線分列運(yùn)行，分別為Ⅰ段和Ⅱ段母線供電。當(dāng)其中一路變壓器發(fā)生失壓或電壓低于70%時(shí)，以第一路失壓為例，需要斷開QF1，然后閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)QF3，此時(shí)QF2同時(shí)為I段和II段母線供電。

圖1 低壓配電系統(tǒng)圖

2 數(shù)據(jù)中心低壓配電備自投的特點(diǎn)

為保證數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)備供電的可靠性和連續(xù)性，須盡量縮短母線段的斷電時(shí)間。數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)要具有備自投的功能。備自投是指當(dāng)一路進(jìn)線失壓脫扣時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)能夠自動(dòng)閉合。

備自投需要完成兩個(gè)基本步驟:①進(jìn)線開關(guān)必須脫扣，而且是因?yàn)殡妷旱涠且驗(yàn)楣收厦摽?②聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)閉合。

根據(jù)復(fù)位方式的不同，備自投又分為自投自復(fù)和自投手復(fù)兩種。①自投自復(fù):當(dāng)進(jìn)線掉電時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)閉合;當(dāng)進(jìn)線電壓恢復(fù)時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)斷開，進(jìn)線自動(dòng)閉合。②自投手復(fù):當(dāng)進(jìn)線電壓恢復(fù)時(shí)，手動(dòng)分?jǐn)嗄嘎?lián)，然后手動(dòng)閉合進(jìn)線。

3 PLC在備自投控制中的優(yōu)點(diǎn)

以往的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目通過電壓繼電器、時(shí)間繼電器配合中間繼電器等元器件來實(shí)現(xiàn)備自投功能。當(dāng)電壓繼電器檢測(cè)到進(jìn)線開關(guān)的進(jìn)線側(cè)電壓低于電壓設(shè)定閾值(常規(guī)設(shè)定為70%額定低壓)時(shí)，通過時(shí)間繼電器設(shè)定一定的時(shí)間延時(shí)后發(fā)出指令，觸發(fā)進(jìn)線開關(guān)脫扣分閘。延時(shí)是為了確定是電網(wǎng)掉電，而不是系統(tǒng)晃電引起。聯(lián)絡(luò)開關(guān)在接收到進(jìn)線開關(guān)脫扣后自動(dòng)合閘，完成一次完整的備自投過程。

因此，由繼電器搭建的備自投控制方式能夠滿足基本的備自投要求。隨著數(shù)據(jù)中心對(duì)可靠配電的要求越來越高，在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中繼電器存在觸點(diǎn)易熔焊、控制線路復(fù)雜和擴(kuò)容困難等問題，很大程度上影響了數(shù)據(jù)中心低壓配電的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。因此，近年來越來越多的數(shù)據(jù)中心低壓配電項(xiàng)目采用可靠性高的工業(yè)型PLC來實(shí)現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)的備自投控制。

采用PLC實(shí)現(xiàn)兩進(jìn)線一母聯(lián)的備自投控制，首先采集進(jìn)線和母聯(lián)的斷路器狀態(tài)及故障信號(hào)、低電壓信號(hào)和控制方式(自復(fù)位或手復(fù)位)，根據(jù)每個(gè)輸入信號(hào)的狀態(tài)，判斷是否發(fā)生低電壓，并通過輸出繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)線和母聯(lián)的合/分控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩進(jìn)線一母聯(lián)的備自投切換。

PLC進(jìn)行備自投控制的進(jìn)程順序:①進(jìn)程1，判斷進(jìn)線是否失壓;②進(jìn)程2，如果失壓，則脫扣對(duì)應(yīng)進(jìn)線開關(guān);③進(jìn)程3，確認(rèn)進(jìn)線分閘后閉合母聯(lián)開關(guān)。

對(duì)比兩種備自投控制的方案，可以得出PLC進(jìn)行備自投控制的優(yōu)勢(shì)如下:

(1)可靠。由于繼電器容易燒壞，觸點(diǎn)易發(fā)生熔焊且線路復(fù)雜，每增加一路電纜，就增大發(fā)生故障的概率，而且由于機(jī)械原因，不論線圈吸合還是脫扣，都是依靠機(jī)械判斷，存在出錯(cuò)的可能，影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。PLC減少了繼電器的數(shù)目，用內(nèi)部虛擬繼電器代替實(shí)際繼電器，同時(shí)通過輸入信號(hào)反饋，直接判斷是否起動(dòng)備自投，減少中間環(huán)節(jié)。另外，通過設(shè)置可以精確地給出延時(shí)時(shí)間，進(jìn)一步降低出錯(cuò)的可能。實(shí)踐應(yīng)用表明，PLC比繼電器可靠、穩(wěn)定。

(2)靈活。當(dāng)系統(tǒng)的控制邏輯發(fā)生變化時(shí)，PLC僅需要更改內(nèi)部程序內(nèi)容，而繼電器需要重新設(shè)計(jì)、重新拆除、重新接線，操作繁冗復(fù)雜。更改完成后，PLC可在軟件上測(cè)試程序的準(zhǔn)確性，而繼電器需要通電試驗(yàn)，如果發(fā)現(xiàn)問題，可能需要再次拆線接線。因此，PLC更具靈活性和可擴(kuò)展性。

4 PLC在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用

4.1 AC500系列PLC

AC500系列PLC具有優(yōu)越的性能和可擴(kuò)充性，支持絕大多數(shù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信總線，在現(xiàn)場(chǎng)總線有多種協(xié)議或多重網(wǎng)絡(luò)的情況下成為理想的解決方案。AC500還能讓用戶通過不同等級(jí)的CPU實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的產(chǎn)品組合，從而獲得最靈活的應(yīng)用。AC500系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。PS501 Control Builder編程軟件為整個(gè)平臺(tái)提供統(tǒng)一的編程環(huán)境。程序指令可以在不連接PLC硬件的情況下仿真運(yùn)行，包括相應(yīng)的錯(cuò)誤條件。PLC程序驗(yàn)證無誤后再下載到AC500中運(yùn)行，節(jié)省了調(diào)試時(shí)間。

圖2 AC 500系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

4.2 項(xiàng)目概況

在東營(yíng)電信數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中，市電動(dòng)力配電主要用于供給機(jī)房精密空調(diào)設(shè)備、室內(nèi)外照明和給排風(fēng)、維修插座、一般動(dòng)力、UPS設(shè)備等。供配電系統(tǒng)采用50 Hz交流電源，380/220 V三相五線制電源，TN-S接地方式，中性線和地線分開。基于可靠性要求，數(shù)據(jù)中心引入兩路市電電源，平時(shí)分列運(yùn)行，當(dāng)一路市電電源發(fā)生故障時(shí)，通過聯(lián)絡(luò)柜可由另一路市電帶全部的負(fù)荷運(yùn)行。項(xiàng)目采用AC500系列PLC進(jìn)行進(jìn)線和聯(lián)絡(luò)的備自投控制。4.3案例分析

該項(xiàng)目?jī)蓚€(gè)進(jìn)線柜和一個(gè)聯(lián)絡(luò)柜位于同一排，且相隔較近，宜采用集中式的PLC布置方式，輸入/輸出擴(kuò)展模塊DC432配合PLC主機(jī)PM572均安裝在聯(lián)絡(luò)柜內(nèi)。PLC硬件配置清單如表1所示。

表1 PLC硬件配置清單

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際控制要求，在母聯(lián)柜的門板上配置一個(gè)三擋轉(zhuǎn)換開關(guān)(手動(dòng)－停止－自動(dòng))，分別實(shí)現(xiàn)手投手復(fù)、停止、自投自復(fù)三種不同的投切方式。兩進(jìn)線回路分別設(shè)置一個(gè)低電壓檢測(cè)繼電器，低電壓閾值可調(diào)。手動(dòng)操作時(shí)，直接由柜上按鈕通過硬接線來實(shí)現(xiàn)開關(guān)的合閘和分閘，而不通過PLC控制。開關(guān)狀態(tài)及低電壓信號(hào)通過本地I/O模塊進(jìn)入CPU，再由CPU發(fā)送指令經(jīng)由I/O模塊輸出開關(guān)控制信號(hào)。自動(dòng)操作時(shí)，系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài):兩段母線分列運(yùn)行，兩路進(jìn)線均有電壓，進(jìn)線開關(guān)均為合閘位，母聯(lián)開關(guān)處于分閘位。當(dāng)進(jìn)線回路發(fā)生失壓或電壓低于70%，且持續(xù)時(shí)間超過2 s時(shí)，該路進(jìn)線分閘，延時(shí)1 s后母聯(lián)合閘。當(dāng)進(jìn)線回路電壓恢復(fù)或高于85%，且持續(xù)時(shí)間超過2 s時(shí)，母聯(lián)分閘，延時(shí)1 s后進(jìn)線合閘。

該系統(tǒng)已經(jīng)通過試車運(yùn)行，目前使用情況良好。

5 結(jié)語(yǔ)

目前的工業(yè)項(xiàng)目是更為復(fù)雜的三進(jìn)線兩聯(lián)絡(luò)或四進(jìn)線三聯(lián)絡(luò)，使用繼電器實(shí)現(xiàn)備自投，每增加一路進(jìn)線回路或一路聯(lián)絡(luò)回路，都需要增加數(shù)量龐大的繼電器和控制線路，不僅設(shè)計(jì)和施工難度大，且存在很大的不可靠隱患。采用PLC只需要修改程序重新下載，既靈活，又保證了供電的可靠性和穩(wěn)定性。

隨著工業(yè)對(duì)備自投要求以及PLC自身競(jìng)爭(zhēng)力的不斷提高，未來PLC在數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目及其他工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景將越來越廣闊。

［1］李峰.數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.通訊技術(shù)，2010(6):227-229.

［2］李龍達(dá).可編程控制器在地鐵低壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.城市軌道交通研究，2009(3):30-33.

［3］王庭有.可編程控制器原理及應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

Application of Programmable Logic Controller in Data Center

JI Jiamu
(ABB Xiamen Low Voltage Electric Equipment Co.，Ltd.，Xiamen 361006，China)

The typical configuration of low voltage distribution system in data center and the characters of programmable logic controller(PLC)application in auto change-over control were introduced.One case of PLC application in data center was analyzed.The practice results show that the adoption of industrial low voltage distribution system via PLC helps to achieve the obvious performance and better economic benefit，as well as dependability and flexibility.

programmable logic controller(PLC);low voltage distribution;auto change-over;relay

TU 852

B

1674-8417(2015)11-0029-03

2015－08－28