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      基于PLC的ABB斷路器控制程序設(shè)計(jì)

      2023-08-25 01:46:30王孫清李彬彬鄭恒持
      船電技術(shù) 2023年8期
      關(guān)鍵詞:整定值實(shí)時控制控制程序

      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. 中國船舶科學(xué)研究中心,無錫 214082;2. 深海技術(shù)科學(xué)太湖實(shí)驗(yàn)室,江蘇無錫 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,是艦船動力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。而直流主網(wǎng)短路時,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Αa槍ΜF(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)時監(jiān)測、通斷控制及整定值/延時時間的自動修改。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)時監(jiān)測與控制,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)時控制直流斷路器通斷,來快速切斷電網(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)生故障會在短時間內(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)長延時、短延時、瞬時保護(hù),實(shí)時監(jiān)測母線電壓、電流等電氣參數(shù),再配合常用通信協(xié)議Modbus和電動操作機(jī)構(gòu),可以輕松實(shí)現(xiàn)四遙(遙測、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)對斷路器的實(shí)時監(jiān)控要求,對提高綜合電力系統(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)時調(diào)整斷路器整定值和延時時間等參數(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、延時時間的控制;通過上位機(jī)實(shí)時監(jiān)控電力系統(tǒng)及斷路器運(yùn)行狀態(tài)并實(shí)時控制各電力設(shè)備[4]。

      圖1 綜合電力系統(tǒng)控制原理框圖

      1.3 硬件選型與信號分配

      綜合電力控制系統(tǒng)需要實(shí)時采集電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、斷路器運(yùn)行狀態(tài)以及對多個斷路器進(jìn)行實(shí)時控制?,F(xiàn)以單個斷路器監(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,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時間設(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)時控制或修改整定值/延時時間時,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 遙測程序

      ABB斷路器可實(shí)時測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。因此,PLC需實(shí)時采集斷路器測量的母線電壓、電流值。PLC遙測控制程序如圖3所示。

      2.3 遙控程序

      為實(shí)現(xiàn)對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,PLC自動將控制指令寄存器賦值相應(yīng)的操作數(shù)值,斷路器識別下發(fā)的控制指令后,執(zhí)行對應(yīng)的操作。具體的遙控程序如圖5所示。

      圖4 PLC遙測程序

      圖5 PLC遙控程序

      2.4 遙調(diào)程序

      ABB斷路器整定值及延時時間調(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時間數(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時間數(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)置自動修改流程,在上位機(jī)界面輸入整定值及延時時間數(shù)值后,單擊修改按鈕,自動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監(jiān)測斷路器狀態(tài),并實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘控制及整定值/延時時間設(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、電壓/電流值監(jiān)測、整定值/延時時間監(jiān)測、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/延時時間手動及自動修改控制。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,為實(shí)現(xiàn)對ABB斷路器的四遙控制,需要完成斷路器儲能線圈、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。儲能線圈供電后,可控制電機(jī)自動完成斷路器的蓄能;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)控界面觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,并通過上位機(jī)監(jiān)控界面來實(shí)現(xiàn)斷路器通斷控制及整定值/延時時間的修改。

      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)需求的斷路器自動控制方式,完成了遙信、遙測、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)時監(jiān)測斷路器狀態(tài)及數(shù)值變化,并能夠及時完成斷路器的通斷控制及整定值/延時時間調(diào)整。通過試驗(yàn)調(diào)試觀測,斷路器通斷控制響應(yīng)時間在30 ms以內(nèi),整定值及延時時間修改響應(yīng)時間在50 ms以內(nèi),可滿足綜合電力系統(tǒng)實(shí)時控制需要。

      [1] 付立軍, 劉魯鋒, 王剛等. 我國艦船中壓直流綜合電力系統(tǒng)研究進(jìn)展[J]. 中國艦船研究, 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[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)測及管理。E-mail:694752200@qq.com

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