摘 要:可編程控制器在工業控制領域應用廣泛,本文從可編程控制器在電力系統智能裝置自動檢測系統應用出發,介紹自動檢測系統設計原理和系統組成,詳細介紹PLC 在本系統功能和具體應用范圍,并針對可編程控制器應用中出現特殊問題進行分析,并給出解決方法。實踐證明,可編程控制器系統的擴展性和可編程特點可有效滿足部分控制系統的特殊要求。
1 引言
PLC 廣泛應用于工業控制領域,因其具備良好的擴展性和獨有內部邏輯的二次編程功能,大大擴展其在工業生產和工業控制領域的應用范圍。本文從電力系統智能裝置的自動測試系統" title="自動測試系統" target="_blank">自動測試系統原理出發,簡要介紹自動測試系統結構,詳細介紹PLC 在本系統功能和具體應用, 并針對PLC 在電力系統智能裝置自動測試系統特殊領域的應用中出現的觸點檢測的條件、采樣數據上送和特殊控制邏輯的要求問題進行討論, 并給出一般解決辦法。實踐應用表明,可編程控制器的良好的擴展性和其獨有邏輯編程特點有效擴大其應用領域和范圍。
2 系統基本原理
電力系統智能裝置一般包括是繼電保護裝置和測量控制裝置。繼電保護裝置主要功能是保護電力系統的一次設備安全運行,確保電力系統輸電系統的安全運行,而測控裝置主要負責電力系統開關的控制和電氣量的測量, 二者構成完整電力系統二次保護設置。
從電力系統智能裝置和外部一次設備的發生聯系的主要電氣量包括:一次設備的模擬量、一次設備的信號開入和繼電保護出口三個最主要部分。因此,模擬現場運行環境的電力系統智能裝置自動測試系統也必須具備模擬量輸出、開關量輸入和開出觸點的檢測功能,但不僅僅限于這三部分的功能的檢測,其他還應包括時鐘同步等等功能的檢測。
目前, 電力系統智能裝置是屬于微機型, 其具備完好信息記錄功能,具備和其他外部系統良好的信息交換功能。因此電力系統智能裝置的自動測試系統應包括四個最主要的功能:用于模擬故障模擬量輸出模塊、提供保護裝置開人的開入模塊、用于檢測保護裝置動作接點的開出檢測模塊和裝置信息的解析模塊。電力系統智能自動檢測系統的基本原理:通過專用設備模擬電力系統故障狀態模擬量輸出,并通過開入模塊提供保護裝置的開入量, 從而滿足保護裝置保護動作基本條件,通過解析保護裝置的信息和檢測保護裝置的動作出口觸點, 從而完成保護裝置的基本功能的檢測任務。
3 系統組成和各模塊基本功能
從電力系統智能裝置的自動檢測系統原理的出發,一個完整的電力系統智能裝置的檢測系統包括:微機繼電保護測試儀、保護裝置的開入模塊、保護裝置的觸點檢測模塊和控制計算機模塊。自動檢測系統它主要由測試控制計算機、微機繼電保護測試儀、可編程控制器、被測智能裝置構成。
微機繼電保護測試儀接受自動測試控制平臺發出控制參數及命令類型, 向保護裝置輸出模擬量, 完成向保護裝置輸出模擬量完成保護功能的測試, 并及時將測試儀器反饋信息以標準統一格式上報到自動測試控制平臺。
可編程控制器根據自動測試控制平臺發過來的命令, 輸出開關量信號, 實現保護裝置硬壓板的控制和保護開關量輸出功能,將基于保護裝置繼電器開出觸點檢測輸入的采樣數據, 上送自動測試控制平臺, 為保護動作觸點判斷提供連續有效開入量采樣數據。
測試控制計算機是整個控制系統的核心硬件, 它通過網絡和系統中其他硬件進行信息交互,控制繼電保護測試儀向保護裝置輸出模擬量,接收保護裝置信息解析模塊上送的保護動作信息并通過其完成對保護裝置的控制, 控制可編程控制器輸出保護測試的開入量命令,檢驗保護裝置繼電器開出觸點動作。
微機繼電保護測試儀選用北京博電PW30AE, 可編程控制器選用GE 公司的GE-9030,可編程控制器通訊模塊使用以太網模塊。
4 PLC 應用主要問題及解決辦法
可編程控制器在本系統的任務是完成智能裝置的保護出口繼電器觸點或者遙控觸點的檢測和智能裝置的遙信開入檢測,具體到可編程控制器各模塊是開入模塊負責檢測出口繼電器觸點導通和開出模塊負責提供開出完成智能裝置的遙信的檢測功能。同時為了交換信息的需要,可編程控制器必須配置相對應的通訊模塊以滿足可編程控制器和上位機信息交換要求。
在本系統設計時, 對開入模塊的功能有具體的要求,這些要求是和電力系統的智能裝置實現的功能是密切相關, 如觸點類型和觸點的導通時間等, 因此必須分析智能裝置的保護出口繼電器觸點和遙控觸點檢測的具體要求,并以此為要求進行可編程控制的硬件選擇和內部邏輯回路的設計,充分滿足本系統對觸點檢測的特殊要求。可編程控制器的開出模塊邏輯回路的設計也必須滿足本系統的特殊需要。
4.1 繼電器出口觸點檢測特殊要求
可編程控制器開入模塊負責檢測繼電保護出口繼電器輔助觸點的通斷情況,并將開入模塊數據上送到控制計算機, 并作為控制計算機自動檢測成功標準之一。
因此可編程控制器開入模塊檢測功能的強弱決定本系統的可靠性和穩定性。
繼電保護裝置的出口繼電器觸點包括四類:保持型常開接點、保持型常閉節點、瞬動型常開接點和瞬動型常閉節點。對于保持型出口觸點的檢測來說,可編程控制器的開入是滿足自動檢測的需要。而對于瞬動型觸點的檢測,可編程控制器開入模塊檢測功能是否滿足要求取決于PLC 本身掃描周期T1 和瞬動接通的時間T2兩者的關系。考慮到可編程控制器由于掃描方式引起開入延時最長可能達兩個掃描周期,如果保護裝置的瞬動觸點的接通時間T2 大于兩倍的掃描周期T1,該觸點的狀態變化就可以被PLC 開入模塊所檢測到。
瞬動觸點的接通時間取決兩個因素,一是裝置軟件內部對瞬動繼電器出口延時整定的時間,目前各廠家提供的技術參數來看,裝置軟件觸點延時的時間一般設置為50-100 毫秒,二是出口繼電器本身動作時間和斷開時間參數也會影響瞬動觸點的接通時間。假設瞬動型觸點的接通時間為100 毫秒,要求可編程控制器的掃描周期的時間小于50 毫秒,才能保證可編程控制器的開入模塊的檢測功能的有效性。
可編程控制器的掃描周期和可編程控制器的硬件參數和用戶的程序的大小有密切的關系。因此只要通過硬件配置和相關技術手冊提供的技術參數并結合用戶的PLC 程序指令類型和各指令類型數目計算出可編程控制器掃描周期, 選擇合適可編程控制器模塊, 保證可編程控制器掃描周期小于50 毫秒,保護裝置的瞬動型觸點檢測就可以在可編程控制器開入模塊來完成。
4.2 上位機數據采樣特殊要求的實現
在前面小節中, 討論了可編程控制器必須滿足檢測保護裝置的四類節點的檢測的基本條件。但前面條件的符合,只能保證PLC 開入模塊能夠檢測保護裝置動作觸點狀態的變化情況。在自動測試系統設計中,可編程控制器的開入模塊僅僅采集觸點狀態,而完成觸點狀態檢測標準判斷是在控制計算機中完成,如何保證上位機能夠得到完整、連續的基于采樣周期為50 毫秒可編程控制器開入模塊采樣數據是本系統必須要解決的關鍵問題。
電力系統智能裝置自動測試系統檢測的對象是繼電保護設備中出口繼電器動作情況,由于繼電保護設備的動作的快速性,部分保護動作時間實現小于50ms,因此部分出口繼電器觸點狀態在較短的時間會出現反轉,根據系統設計要求,要求上位機能將保護動作前和保護動作后出口繼電器接點動作情況進行檢測處理,并將動作前后出口繼電器接點狀態作為該系統中繼電器接點檢測判斷依據。因此,要通過上位機和可編程控制器通訊數據交換,實現采樣時間間隔不大于50ms 可編程控制器開入采樣數據上送到上位機的目標。
目前, 上位機獲得可編程控制器的開入采樣數據是通過通訊交換信息得到,而提高上位機和PLC 數據信息交換效率是解決數據采樣的實時性的措施之一,但僅僅依靠提高上位機和PLC 數據交換速度是無法到達采樣數據周期50ms 指標要求, 即使上位機使用以太網介質能達到此要求,也會占用上位機比較多資源。同時由于可編程控制器掃描工作方式的特點,通訊模塊頻繁和上位機數據交換會影響可編程控制器其他模塊功能執行,如影響可編程控制器掃描周期。
對于可編程控制器來說,在其內部實現50ms 采樣周期的數據采樣是完全可以的實現的,充分利用可編程控制器中數據轉存和邏輯控制功能, 將每50ms 一次采樣數據寄存到連續但不相同數據緩沖區。通過采樣周期時間的整定,結合上位機和可編程控制器通訊協議的最大數據長度,上位機只需要在給定的時間內進行一次讀取多次采樣數據即可。上位機讀取采樣數據后,根據PLC 采樣數據轉存的原則和邏輯,將已接收到采樣數據進行采樣時序的還原即可。
4.3 可編程控制器順序開出的實現
可編程控制器開出模塊順序開出主要是滿足電力系統測控裝置的遙信檢測要求, 設計具體要求為: ①上位機下發一次命令,啟動順序開出,PLC 接受命令啟動順序開出邏輯回路,由可編程控制器本身完成開出模塊開出接點順序開出。②在順序開出過程不允許同時出現兩個開出同時接點接通狀態。③順序開出執行一次完畢即可停止開出。
設計基本思路: 在啟動命令后, 啟動維持一個掃描周期時間的定時T1 脈沖信號回路,同時啟動另一個計時器T2(T2< T1)。在一個掃描周期脈沖到來時,由設定計數器和目標進行比較, 決定開出繼電器序號, 開出執行并保持時間T2 后,計數器加一和執行復位判斷程序, 等待下一個脈沖到來后執行上一過程直到全部執行完畢。
設計維持一個掃描周期時間的定時脈沖信號,定時的時間參數為兩個開出之間的時間。一個周期定時脈沖梯形圖如圖1 所示。通過修改定時器類型和計時器參數,確保M100 能夠在T1 的時間后產生一個能夠維持一個掃描周期間的脈沖信號, 是一個通用的標準的定時脈沖信號程序。M103 為定時脈沖到來后寬度為T2 脈沖。
圖1 定時脈沖信號程序和梯形圖
在定時脈沖到來時, 通過數據比較程序, 由計數器R500 當前值和特殊指定值比較進行邏輯判斷,決定是否接通中間繼電器,再由該中間繼電器決定控制特定的開出,并在自保持回路中串聯一個M103 中間繼電器觸點狀態,以控制開出維持的時間。數據比較驅動程序和梯形圖如圖2 所示。
圖2 數據比較驅動程序和梯形圖
執行一次開出后, 執行計時器計數和復位程序, 本文中使用M00400-M00404 分別控制第1 個到第5 個開出的執行, 每次執行開出后均進行計數器自加一, 并通過計數器邏輯回路進行計數器復位。計數器復位后立刻復位啟動線圈,結束本次順序開出控制任務執行。計數器計數和復位梯形圖如圖3 所示。
圖3 計數器計數和復位梯形圖
通過以上控制邏輯的設計,實現啟動順序開出功能的實現, 并實現系統要求一次啟動, 按照循序開出不重疊。
通過此邏輯的實現,可以簡化上位機在進行遙信檢測的控制邏輯, 充分利用可編程控制器開入開出二次編程功能,在不影響可編程控制器性能指標上,減少上位機和可編程控制器的控制命令的交換, 提高上位機遙信的檢測效率。
5 結束語
在本系統設計中, 充分利用可編程控制器模塊化的組合特點以及其獨有開入開出二次邏輯編程的優點,保證系統設計功能的實現的同時, 減少系統主控制平臺的在開入和開出功能檢測資源開銷, 并帶來系統穩定性和可靠性。可編程控制器獨有可編程的特點為其在工業領域的應用奠定堅實的基礎,隨著計算機技術的進一步的發展,特別可編程控制器的核心模塊CPU 運算的速度得到提高,通過提高指令的執行速度和擴展其計算功能,可編程控制器在工業控制領域的應用會越來越廣泛。