大型开关电器试验监控系统的PLC 程序设计.pdf

60 2 0 0 6 年第1 1 期 自动控制A u t o m a t i c C o n t r o l 大型开关电器试验监控系统 的 P L C程序设计 熊永前1 冯晓波1 肖伟1 宁佐清2 1 . 华中科技大学电气与电子工程学院 湖北武汉 4 3 0 0 7 4 2 . 中船重工业集团公司7 1 2 研究所 湖北武汉 4 3 0 0 6 4 1 引言 中船重工业集团公司7 1 2 研究所 武汉船用电力推进装置研究所 开关 电器试验站经过增容和扩建， 利用短 路容量为3 5 0 M V A / 6 k V 的交流短路 试验发电机、 交流电网 6 k V 和3 8 0 V 为试验电源， 通过2 台短路容量为2 5 0 M V A 的短路试验变压器、 电寿命变压 器和相应的整流等设施进行交、 直流 开关电器的通断能力试验、 短时耐受 电流试验、 低压大电流试验和电寿命 试验等。 该试验站涵盖了G B / T 1 4 0 4 8 . 1 所规定的交流试验电压1 2 5 4 V 、 直流 试验电压1 6 5 0 V 的有关要求， 交流通 断能力达到4 1 8 V / 1 3 0 k A 、 7 2 8 V / 8 0 k A 、 1 2 5 4 V / 5 0 k V ； 直流通断能力达 到6 6 0 V / 1 2 0 k A 、 1 1 0 0 V / 1 0 0 k A 、 1 6 5 0 V / 6 0 k V 。 此外， 短路试验发电机采用 双馈调速装置能满足3 0 ～6 4 H z 的试 验频率要求。 该试验站的综合试验能 力已达到了亚洲一流水平。 试验站共有9 个交、 直流试品位， 4 种试验电源。 除试品开关外， 在试品 主回路上共有1 0 多个开关可供合、 分 闸和保护分闸选择， 试验线路十分复 杂。 传统P L C 加操作控制台的开关电 器试验控制方式， P L C 的参数需要通 过操作控制台的转换开关进行调配， 试验时间只能在预先设定的几个固定 值之间进行选择， 需要专门的P L C 编 程设备。 对于控制主回路线路复杂的 大型试验系统。 操作控制台规模较大， 通用性和灵活性较差， 试验操作过程 复杂。 在该开关电器试验中， 采用基于 P L C 和上位机的控制方式。 计算机本 身可代替P L C 的编程器， 在计算机上 通过软件模拟传统的硬件操作控制台， 从而大大提高了试验的通用性和灵活 性， 并能实时显示试验主回路的状态， 起到监控作用， 实现了开关电器试验 的自动化和可视化。 本文主要分析该开关电器试验计 算机监控系统下位机P L C 的程序设计 以及试验结果。 2 监控系统结构及监控软件 试验监控系统以西门子工控机为 上位机， 西门子S 7 3 0 0 系列P L C 为 下位机。 上、 下位机通过M P I 网络进行 通信连接。 系统保留了一个简单的硬 件控制台， 提供试验启动、 停止、 紧急 停机等功能， 实现计算机操作控制的 冗余操作， 提高控制的可靠性。 采用2 套独立的P L C 装置分别用 于交、 直流通断能力试验和交流电寿 命试验。 通断能力试验P L C 系统使用 4 个1 6 点数字量输入模块、 9 个8 点数 字量输出模块、 1 个8 路模拟量输入模 块 ； 电寿命试验P L C 系统共采用3 个1 6 点数字量输入模块、 8 个1 8 点数字量输 出模块。 以W i n C C 为软件平台开发的上位 机监控软件， 用户通过试验选择向导， 根据试品型式、 试验参数和试验类型 选择试验电源， 确定试验线路和动作 开关， 输入试验通电时间、 试验周期及 试验次数。 P L C 直接接受上位机的试 验参数配置， 进行逻辑联锁判断， 检查 试验线路是否具备试验条件 ； 接受上 位机和硬件控制平台的控制命令， 执 行试验控制任务。 上位机监控软件能 实时显示试验主回路状态以及试验计 数和故障信息等， 实现了试验线路的 可控、 可视化。 对试验选择的参数配置 可进行保存、 调用和打印， 可设定不同 的操作权限。 在正式试验前， 还可进行 模拟试验， 以判断动作开关的动作和 时序是否正确。 3 P L C 程序设计 在本监控系统中， P L C 程序需要 做到根据上位机指令选择恰当的试验 控制程序和保护程序， 可靠完成试验 过程， 正确处理不同试验项目可能出 现的试验警报。 因此， P L C 程序的设计 主要考虑如下因素 1 可靠性。 从算法到其实施， 能 61 2 0 0 6 年第1 1 期 自动控制A u t o m a t i c C o n t r o l 否在各种条件下可靠、 有效地完成规 定的功能要求。 2 简洁性。 在保证准确、 清晰表 达算法逻辑的前提下， 应采用简洁的 语句， 尤其对调用次数多的程序更是 如此。 3 可读性。 编制程序时注意条理 性， 采用规范化的程序结构， 保证运算 在指令顺序上的流畅性和连续性。 4 可测试性。 在程序编制中考虑 恰当的调试接口， 注意模块功能的可 测性、 测试的方便性等。 5 可维护性。 系统在交付使用后， 由于生产环节的某些变化， 用户的某 些新要求的提出或者在设计调试阶段 未曾料到的某些特殊情况的发生， 都 不可避免导致程序的修改和完善。 因 此， P L C 程序应具有良好的适应性和 可扩充性。 P L C 作为顺序控制器时， 主要工 作是根据外部输入条件， 执行用户的 逻辑控制程序， 产生输出以推动执行 机构动作。 它按照一定的工作周期进 行扫描。 P L C 首先将输入信息扫描存入 输入寄存器， 并保持到下一个工作周 期到来。 在执行用户程序时， 将输入寄 存器中的输入信息和输出寄存器中的 反馈信息取出， 进行逻辑运算， 将结果 存至输出寄存器。 然后在运输出程序 时， 将输出寄存器中的内容送至输出 锁存器。 输出锁存器内容也维持到下 一个周期到来。 常用的P L C 编程语言有梯形图、 语 句表、 功能图块。 本系统使用西门子公 司S T E P 7 V 5 . 1 编程软件平台， 采用语 句表和梯形图语言开发P L C 控制程序。 在编程结构上， 将整套系统程序分为 多个模块， 进行结构化编程。 完全结构 化的程序可用于设计复杂程度高、 程 序规模大的控制应用程序。 结构化程 序可以重复使用某些功能块， 只需在 使用功能块时为其提供不同的环境变 量 实参 ， 就能完成对不同设备的控 制。 这样， 可以使程序结构层次更加清 晰， 便于设计和调试过程中的检查和 排错。 P L C 控制系统是整个开关电器试 验监控系统的核心所在。 本系统P L C 程 序存储于E E P R O M 卡，在P L C 启动时 被转存到C P U 内存， 控制开关电器试 验的进行。 3 . 1 试验类型 从控制角度看， 该试验站的试验 类型可分为5 类 ①分断试验 O 。 ② 接通试验 C 。 ③通断试验 C O 。 ④ O C O C O 试验， 即先进行一次分 断试验， 间隔时间t 1 后进行一次通断 试验， 再间隔时间t 2 后再进行一次通 断试验。 ⑤ C O C O C O 试验， 即 连续进行3 次通断试验， 2 次试验间 的间隔时间可以不同。 3 . 2 P L C 控制流程 对于本开关电器试验而言， 大量 的前期选择和参数设定工作是在上位 机监控系统中完成的， 下位机P L C 需 要根据上位机选择的结果来调用不同 的P L C 子程序实现开关电器试验的具 体控制。 本系统P L C 程序采用模块分 级调用的结构化编程模式， P L C 控制 程序的运行流程如图1 所示。 主程序位于P L C 的组织块 O B 1 中， P L C 启动。 O B 1 程序周期性循环执 行。 通过线路联锁检查保证试验线路 各转换开关处于正常的位置， 电源准 备检查判断试验电源是否准备好。 根 据上位机选择的结果所确定的试验线 路调用不同的子程序 F C n ， 在各F C n 子程序中， 需要进行允许试验检查， 即 检查试验线路、 电源、 联锁、 试品等是 否正常。 若正常且没有故障信号， 则发 出允许试验信号。 同时在F C n 子程序中 根据所要进行的试验项目调用相应的 试验控制子程序。 在试验控制子程序 中， 若试验允许并接收到上位机或硬 件控制平台的启动试验指令时， 试验 控制子程序才会被具体执行， 完成试 验过程。 在O B 1 中， 当程序检查到有 故障信号或上位的机及硬件控制平台 的紧急停机信号时， 调用紧急停机子 程序按预先设定的步骤进行相应的处 理。 P L C 复位子程序则将P L C 中除接 受的上位机选择结果和相应的参数配 置之外的所有项目复位到初始状态。 根据开关电器试验系统的特点， 试验控制子程序分为 ①C / O 子程序， 实现接通试验 C 和分断试验 O 的周期 性试验控制。 ②C O 子程序， 实现通断 试验和电寿命试验的控制。 ③O C O C O 子程序，实现 O C O C O 试 验和C O C O C O 试验的控制。 3 . 3 C / O 子程序块 接通试验和分断试验子程序的输 入参数有合闸开关状态信号、 分闸开 关状态信号和保护分开关的状态信号， 输出参数有合闸开关合闸信号、 分闸 开关分闸信号和保护分闸开关分闸信 号， 考虑到要重复进行试验， 输出参数 还有合闸开关分闸信号和分闸开关合 闸信号。 图2 为该子程序的控制流程。 当按下启动试验按钮后， 倒计时 定时器起动， 经过1 0 s ， 试验正式开始。 对于单次试验， 将起动瞬态采集系统 采集试验波形， 对于周期性重复试验 图1 P L C 程序流程图 62 2 0 0 6 年第1 1 期 自动控制A u t o m a t i c C o n t r o l 将根据试验测量间隔次数的设定定期 起动测量设备。 当电源是交流发动机 供电时， P L C 将发出强励信号。 P L C 给 出合闸开关合闸信号， 同时起动通电 时间定时器、 保护分定时器和周期试 验定时器。 当通电时间到后， P L C 发出分闸 开关分闸信号， 同时判断此时合闸开 关是否合上， 若还未合上， 则给出合闸 开关故障信号， 并发出试验暂停信号 进行暂停处理。 在保护分时间未到之前， 若分闸 开关分断电路， 则保护分定时器被复 位， 该次试验正常结束， 试验计数器和 测量计数器计数。 若测量计数器达到 设定的间隔测量次数， 则测量计数器 复位， 以便下次试验时起动测量设备 进行测量。 当试验次数未到设定值时， 将准备下次试验， 程序自动将合闸开 关分断后再将分闸开关合上， 当试验 周期定时器时间到后， 程序自动发出 重新开始试验信号， 开始新的试验周 期。 若试验次数达到设定值， 则试验周 期定时器被复位， 试验结束。 若保护分时间到后分闸开关未能 分断电路， P L C 发出保护分闸开关的 分闸信号， 并给出分闸开关故障信号。 延时2 0 0 m s 后， 若保护分开关未分断 电路， 则给出保护分开关故障信号和 紧急停机信号， P L C 进入紧急停机处 理程序。 3 . 4 其他试验控制子程序 周期性通断试验即是电寿命试验， 因此通断试验和电寿命试验共用一个 试验子程序即C O 子程序。 通断试验流 程与接通和分断试验程序过程是相似 的， 但因通断试验的合闸开关和分闸 开关为同一个开关 即试品开关 ， 在编 程时需要特别处理， 故通断试验子程 序与接通和分断试验子程序不同。 O C O C O 试验和C O C O C O 试验控制过程相同， 都是连续进行 3 次试验， 两次试验的间隔是不同的， 它们共用一个试验子程序。 其编程的 基本思路与通断试验程序相同， 只是 程序结构较通断试验稍复杂一些。 4 试验测量与试验波形 试验测量由M u l t i P r o 数据采集及 处理系统完成。 该系统具有内部和外 部触发功能。 当计算机监控系统给出 数据记录触发信号时， 数据采集系统 开始按设定的时间记录数据， 记录完 毕后， 在计算机显示器上显示。 该试验站系统调试后， 利用短路 试验发电机进行了5 0 H z 不同电压等级 的交、 直流通断能力试验和短时耐受 能力试验。 用C J 1 2 4 0 0 / 3 交流接触器 进行了3 8 0 V 、 3 1 0 A 、 A C 1 工作制 电寿命试验， 此外还进行了交、 直流低 压大电流试验。 图3 为四极断路器1 1 0 0 V 、 3 0 k A 整定波试验波形， 图4 为四 极断路器1 1 0 0 V , 3 0 k A 分断试验波形， 其中 U 为电源电压， I 为试验电流， U 1～U4 为断路器断口电压。 运行情况 表明， 该试验站的控制系统运行稳定， 操作方便， 控制准确可靠。 5 结束语 基于P L C 和上位机的开关电器试 验监控系统， 利用上位机良好的人机 界面实现多种试验电源、 试验类型、 试 验位置、 动作开关等项目的多种组合 选择以及有关试验控制参数的任意输 入。 P L C 接受上位机组硬件控制平台 的指令， 完成相应任务。 上、 下位机的 配合实现了开关电器试验的自动化和 可视化。 在P L C 程序中， 考虑了联锁保护、 试验线路状况和故障等多种因素， 实 现了C 、 O 和C O 试验的周期性重复控 制， 同时还实现了O C O C O 和C O C O C O 两种特殊试验的程序控 制。 P L C 程序按开关电器试验的试验 类型进行模块化划分， 条理清晰、 便 于修改、 具有较强的通用性， 还提高 了程序运行的可靠性。 经过联机调 试， 整套控制系统在现场运行良好， 完成了开关电器试验的监控功能和预 期目标。EM 图2 C / O 试验控制程序的控制流程 图4 1 1 0 0 V 、 3 0 k A 的分断试验波形 图3 1 1 0 0 V 、 3 0 k A 的整定波试验波形