基于S7-200 SMART的干式負(fù)載故障檢測(cè)及定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳曉波，陸 彬，周 杰

(中國船舶集團(tuán)公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151)

1 引 言

中低壓干式負(fù)載作為一種耗功裝置，憑借其穩(wěn)定、高效、控制便捷等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于發(fā)電機(jī)組測(cè)試、消除發(fā)電機(jī)組WET STACKING現(xiàn)象、變壓器容量測(cè)試等方面[ 1]。隨著中低壓干式負(fù)載應(yīng)用場(chǎng)合增多，如何檢測(cè)其安全性是設(shè)備廠家和客戶重點(diǎn)關(guān)注的問題，而干式負(fù)載的絕緣值、各回路的電阻值是判斷其正常運(yùn)行的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的檢測(cè)方式是通過人工運(yùn)用儀器逐個(gè)回路對(duì)絕緣值和電阻值進(jìn)行測(cè)量[2 ]。由于干式負(fù)載的回路多，系統(tǒng)較復(fù)雜，人工測(cè)量不僅費(fèi)時(shí)，并且存在漏測(cè)、誤測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在一個(gè)回路出現(xiàn)故障時(shí)，無法快速地定位故障。

針對(duì)傳統(tǒng)的絕緣檢查及回路故障排查方法存在的弊端，本文提出了一種新的絕緣檢查及回路電阻(和電抗)測(cè)量的方案，可以在使用前自動(dòng)完成檢測(cè)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)總體構(gòu)成

整個(gè)系統(tǒng)主要由上位機(jī)系統(tǒng)、控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、檢測(cè)電路系統(tǒng)、信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。上位機(jī)系統(tǒng)主要用于發(fā)送測(cè)試指令，并顯示干式負(fù)載的狀態(tài)?？刂萍皵?shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于控制檢測(cè)電路系統(tǒng)的電壓幅值、接觸器的通斷及干式負(fù)載中各回路接觸器，并接收采集信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中回路的電壓及電流值，經(jīng)程序計(jì)算出干式負(fù)載相間、相對(duì)地、負(fù)載回路對(duì)地絕緣電阻以及負(fù)載回路中電阻值或電感量。檢測(cè)電路系統(tǒng)將每種接觸器組合形成的電壓及電流值傳送至信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采集檢測(cè)電路系統(tǒng)中傳送來的電壓及電流值，并存儲(chǔ)到內(nèi)部寄存器中，通過RS485通信接口將內(nèi)部寄存器中的電壓及電流信號(hào)通信給控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)的基本原理

本設(shè)計(jì)利用觸摸屏發(fā)送測(cè)試指令,PLC控制測(cè)試電路中的固態(tài)調(diào)壓器、接觸器及干式負(fù)載回路中的接觸器來實(shí)現(xiàn)干式負(fù)載相間、相對(duì)地、負(fù)載回路對(duì)地絕緣以及負(fù)載回路電阻值和電感量的測(cè)量[3 ]。測(cè)試電路原理見圖2。

圖2 測(cè)試電路原理圖

系統(tǒng)測(cè)試電路的上半部分為回路電阻測(cè)試電路，下半部分為絕緣電阻測(cè)試電路。圖中TY為固態(tài)調(diào)壓器，TV為隔離變壓器，PV為電壓傳感器,PA為電流傳感器，KM為接觸器、Rs為標(biāo)準(zhǔn)電阻[ 4]。在本測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)試頻率為工頻50Hz，頻率低，且各負(fù)載回路的電纜線徑粗，長度短，因此可以忽略分布電容的影響。

在絕緣測(cè)試電路中，電壓傳感器的內(nèi)阻為200MΩ，可等效為一個(gè)高電阻并聯(lián)一個(gè)理想的電壓傳感器。Rs4的阻值為1kΩ，相對(duì)于電壓傳感器的內(nèi)阻200MΩ，PV2的內(nèi)阻可忽略。絕緣電阻測(cè)試電路可等效為如圖3所示的電路，圖中，Rv3為電壓傳感器內(nèi)阻，RG為絕緣電阻，U2和U3為傳感器PV2和PV3測(cè)得的電壓值。

圖3 絕緣電阻測(cè)試等效電路

根據(jù)基爾霍夫電流定律[5]可得：

I1=I2+I3

(1)

根據(jù)歐姆定理可得：

(2)

(3)

(4)

由式(1)-式(4)可得：

(5)

回路電阻測(cè)試電路可等效為如圖4所示的電路，圖中，PV為電壓傳感器，RS為限流電阻，阻值為2Ω，防止負(fù)載短路時(shí)過電流，PA為電流傳感器，Ra、Rb、Rc分別為A、B、C三相電阻(測(cè)量電抗時(shí)為感抗)。干式負(fù)載回路電阻最大約為10Ω，對(duì)于電壓傳感器內(nèi)阻200MΩ，電壓傳感器內(nèi)阻對(duì)電路的影響可以忽略。

圖4 回路電阻測(cè)試等效電路圖

根據(jù)歐姆定律：

(6)

可得：

(7)

測(cè)試電抗器時(shí)，得到的是感抗XL。電感量L與感抗XL轉(zhuǎn)換公式為：

XL=2πfL

(8)

可得：

(9)

該系統(tǒng)中f為工頻50Hz。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要包括觸摸屏、PLC、固態(tài)調(diào)壓器、變壓器、電壓傳感器、電流傳感器、電量變送器和接觸器等。

觸摸屏采用昆侖通泰的TPC1061Hn觸摸屏，這是一套以Cortex-A8CPU為核心(主頻1GHz)的高性能嵌入式一體化觸摸屏，采用了10.2英寸高亮度TFT液晶顯示屏(分辨率1024×600)和四線電阻式觸摸屏(分辨率4096×4096)。外觀采用鋁合金結(jié)構(gòu)，具有良好的電磁屏蔽性且美觀堅(jiān)固。

PLC采用西門子公司的S7-200 SMART PLC，包括1塊ST40 CPU模塊，2塊EM DT08數(shù)字量輸出模塊，1塊EM AM06模擬量輸入輸出模塊。ST40 CPU模塊本體集成有1個(gè)以太網(wǎng)接口和1個(gè)RS485接口。以太網(wǎng)接口支持西門子S7協(xié)議、TCP/IP協(xié)議，有效支持多種終端連接。RS485接口支持Modbus-RTU、PPI、USS及自由口通信協(xié)議，可以與變頻器、觸摸屏等第三方設(shè)備通信。

固態(tài)調(diào)壓器采用CFT15KW型可控硅控制器，控制器額定電流為25A,可通過PLC輸入4～20mA來控制調(diào)壓器輸出電壓，電壓可調(diào)范圍為0～372V。該控制器集成了觸發(fā)電路、可控硅模塊、風(fēng)冷散熱、過熱保護(hù)、過電流保護(hù)。觸發(fā)板采用STM技術(shù)，故障率低，具有體積小、重量輕、安裝接線簡單、維護(hù)方便等特點(diǎn)。

變壓器采用單向隔離變壓器，用于提高絕緣檢查回路的工作電壓。可根據(jù)干式負(fù)載的電壓等級(jí)，選擇正確的變壓器。該變壓器主要用于提高絕緣測(cè)試電壓，并與供電電源隔離。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序編寫是基于MCGS嵌入式工業(yè)組態(tài)軟件[6]，該軟件具有簡單靈活的可視化操作界面，豐富、生動(dòng)的多媒體畫面，強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能以及多樣化的報(bào)警功能等特點(diǎn)，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，在自動(dòng)化領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)的上位機(jī)程序主要用于選擇測(cè)試模式，絕緣電阻測(cè)試及發(fā)送測(cè)試指令，顯示測(cè)量結(jié)果，并在有故障的回路上報(bào)警顯示，記錄報(bào)警信息。上位機(jī)流程圖見圖5。

圖5 上位機(jī)程序流程圖

5.2 PLC軟件設(shè)計(jì)

PLC軟件編寫是基于STEP 7-Micro/WIN SMART的編程組態(tài)軟件，支持梯形圖、指令語句表、功能塊圖編程語言，并可自由裝換。本系統(tǒng)程序主要包括主程序、測(cè)試電壓子程序以及模擬量PID輸出子程序。

5.2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序是接收到上位機(jī)測(cè)試指令后，開始執(zhí)行PLC程序。主程序中包括基于Modbus主站協(xié)議通信程序，斷路器、接觸器等邏輯控制程序等。

PLC接收到上位機(jī)指令后，判斷主回路斷路器的狀態(tài)，確保斷路器為分閘狀態(tài)后，先開始絕緣電阻的測(cè)試，閉合k3、k6繼電器，控制固態(tài)調(diào)壓器控制端電流，使調(diào)壓器電壓保持在10V的低電壓狀態(tài)，通過比較電壓傳感器V1和V2的值，判斷絕緣電阻是否大于10MΩ。當(dāng)絕緣電阻≥10MΩ時(shí)，繼續(xù)控制調(diào)壓器控制端電流，升高絕緣測(cè)試電壓，在升壓過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)絕緣電阻值，直到絕緣測(cè)試電壓達(dá)到需要電壓值時(shí)，計(jì)算出此時(shí)AB相間的絕緣電阻。

在升壓過程中，絕緣電阻<10MΩ時(shí)，控制調(diào)壓器電壓立即降至10V，計(jì)算出AB相間的絕緣電阻，并輸出絕緣低故障報(bào)警指示，隨后進(jìn)行下一回路的測(cè)試。在進(jìn)行下一回路的測(cè)試前，調(diào)壓器電壓清零，以此類推完成絕緣電阻的測(cè)試后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入回路電阻的測(cè)試，閉合接觸器KM1、KM2，控制固態(tài)調(diào)壓器控制端電流，使調(diào)壓器電壓保持在10V左右，閉合干式負(fù)載第一回路，檢測(cè)回路中的電壓和電流，計(jì)算出該回路的電阻值。將該電阻值與該回路標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，測(cè)試結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)值±10%的范圍內(nèi)，說明結(jié)果正確，反之故障報(bào)警輸出，并且對(duì)三相回路中各個(gè)阻值進(jìn)行比較。當(dāng)比較結(jié)果在3%以內(nèi)，說明三相不平衡度滿足要求，反之故障報(bào)警輸出。

當(dāng)回路中電流大于5A時(shí)， 該回路短路， 電阻值輸出為0Ω，并報(bào)回路電阻故障。當(dāng)回路中電流小于0.2A時(shí)，該回路為開路狀態(tài)，電阻值輸出為100Ω，并報(bào)回路電阻故障。第一回路測(cè)試完成，分?jǐn)嗟谝换芈方佑|器，閉合第二回路接觸器，開始測(cè)試第二回路，依此類推完成回路電阻的測(cè)試，程序退出。主程序流程圖見圖6。

圖6 主程序流程圖

5.2.2 測(cè)試電壓子程序設(shè)計(jì)

在PLC程序中，模擬量4～20mA對(duì)應(yīng)5530到27648的整數(shù)，而固態(tài)調(diào)壓器的控制電流4～20mA對(duì)應(yīng)值為0～372V。因此，在上位機(jī)上設(shè)置絕緣測(cè)試電壓后，通過測(cè)試電壓子程序，計(jì)算出PLC內(nèi)部整數(shù)，模擬量與電壓值轉(zhuǎn)換公式為：

(10)

式中：Pmin為4mA對(duì)應(yīng)的整數(shù)(5530)；Pmax為20mA對(duì)應(yīng)的整數(shù)(27648)；Vmin為固態(tài)調(diào)壓器起始電壓(0V)；Vmax為固態(tài)調(diào)壓器最高電壓(372V)；V1為上位機(jī)設(shè)定的絕緣測(cè)試電壓(0V)。

5.2.3 模擬量PID輸出子程序設(shè)計(jì)

PLC模擬量輸出給固態(tài)調(diào)壓器控制端，通過控制輸出電流值來控制絕緣測(cè)試電壓。通過PID控制模擬量輸出，可以使模擬量輸出平滑、快速。PID運(yùn)算公式：

(11)

在本子程序設(shè)計(jì)中，主要實(shí)現(xiàn)模擬量的快速連續(xù)輸出，只需采用P調(diào)節(jié)器，式(11)可簡化為：

Mn=Kc×(SPn-PVn)

(12)

式中：Mn為采樣時(shí)間n時(shí)回路輸出的計(jì)算值；Kc為回路增益；SPn為采樣時(shí)間n時(shí)設(shè)定值的值；PVn為采樣時(shí)間n時(shí)過程變量的值。

經(jīng)過多次參數(shù)修改，最終，采樣時(shí)間設(shè)置為0.1s，回路增益設(shè)置為8倍，模擬量輸出比較平滑，且2s內(nèi)就完成輸出。PID調(diào)節(jié)記錄見圖7。

圖7 PID輸出過程

6 測(cè)試結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性，了解該系統(tǒng)在實(shí)際使用中的具體情況，在一臺(tái)AC400V的低壓干式負(fù)載上進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。該負(fù)載的總?cè)萘繛?MW，共30個(gè)回路。絕緣要求為500V電壓下絕緣電阻不小于50MΩ。

試驗(yàn)時(shí)，在上位機(jī)上設(shè)置絕緣測(cè)試電壓為500V，按下測(cè)試按鈕，程序開始運(yùn)行，每計(jì)算完一個(gè)回路，就顯示該回路的值。程序運(yùn)行完成后，相間、相對(duì)地及各回路對(duì)地絕緣，回路電阻值都顯示在上位機(jī)界面上，數(shù)據(jù)顯示正常。

同時(shí)，為了驗(yàn)證報(bào)警輸出是否正確，利用電阻及導(dǎo)線模擬了絕緣低、回路電阻短路及開路等幾個(gè)故障，再次進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖8。結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)顯示正確，報(bào)警輸出正確，測(cè)試結(jié)果滿足要求。

(a)回路阻值檢測(cè)結(jié)果 (b)回路絕緣檢測(cè)結(jié)果

通過實(shí)際運(yùn)用，證明該系統(tǒng)能夠快速地測(cè)得干式負(fù)載的相間、相對(duì)地絕緣值和各回路的對(duì)地絕緣值、電阻值，能夠準(zhǔn)確地找到故障回路，并發(fā)出報(bào)警。整個(gè)測(cè)試時(shí)間不到100s，比傳統(tǒng)的人工測(cè)試所花費(fèi)的時(shí)間有了質(zhì)的飛躍。

7 結(jié) 論

本系統(tǒng)投入使用后，可大大減少人員的使用。試驗(yàn)前，只需要按下測(cè)試按鈕，就可以得出干式負(fù)載的狀態(tài)。如果有絕緣低或回路電阻有異常，可以定位哪組回路有問題，使用時(shí)不投入該組負(fù)載回路，提高了干式負(fù)載使用率。在雨季或夜晚負(fù)載不使用時(shí)， 可定時(shí)投入該系統(tǒng)， 檢測(cè)干式負(fù)載的絕緣狀態(tài)。假如絕緣低，可自動(dòng)啟動(dòng)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)干式負(fù)載進(jìn)行加熱烘烤，尤其重點(diǎn)對(duì)絕緣低的回路進(jìn)行烘烤，確保在需要使用該干式負(fù)載時(shí)，負(fù)載狀態(tài)滿足使用要求。該系統(tǒng)具有較高的實(shí)用價(jià)值。