PLC在地鐵0.4KV供電系統(tǒng)中設(shè)計(jì)、施工及應(yīng)用研究

趙翔

【摘要】為了提高地鐵0.4kV供電系統(tǒng)可靠性，本文通過對地鐵0.4kV供電系統(tǒng)主要功能及此控制要求著手研究，對該系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)方法得出一個(gè)構(gòu)想，繪制出PLC控制框架，針對此框架再編制詳細(xì)的PLC系統(tǒng)控制方案。從而為PLC硬件選擇提供依據(jù)，在經(jīng)過仔細(xì)分析比較后，選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)用的PLC硬件，最終設(shè)計(jì)出供電系統(tǒng)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)總體框圖。通過科學(xué)的PLC軟件編程，形成一套合理的PLC軟件程序。經(jīng)過合理的安裝調(diào)試后，從而科學(xué)有效地實(shí)現(xiàn)了將地鐵0.4kV供電系統(tǒng)自動(dòng)控制。

論文本著節(jié)能環(huán)保的理念。詳細(xì)研究分析PLC系統(tǒng)在地鐵0.4kV供電系統(tǒng)中設(shè)計(jì)、施工及應(yīng)用。形成一套就PLC系統(tǒng)在地鐵0.4kV配電系統(tǒng)中設(shè)計(jì)、施工及應(yīng)用完整的實(shí)施方案，為今后類似工程設(shè)計(jì)、施工提供樣板，引導(dǎo)施工。

【關(guān)鍵詞】地鐵0.4kV供電系統(tǒng)；PLC系統(tǒng)；控制；編程；調(diào)試

緒論

地鐵作為一種獨(dú)立有軌交通系統(tǒng)，效率高，無污染，能夠?qū)崿F(xiàn)大運(yùn)量要求，具有良好社會(huì)效益，成為現(xiàn)大中城市改善交通情況首選。配電可靠性要求地鐵行業(yè)尤其突出。一旦停電，地鐵無法安全運(yùn)行，將導(dǎo)致城市交通癱瘓。因此供電系統(tǒng)是地鐵的重要組成部分，沒有供電系統(tǒng)的可靠安全供電，就不可能有地鐵的正常運(yùn)行。

為了提高供電的可靠性，保證運(yùn)行可靠性和避免人為失誤，地鐵中采用了各種以電子計(jì)算機(jī)處理技術(shù)為核心各種自動(dòng)化設(shè)備代替人工、機(jī)械、電氣行車組織、設(shè)備運(yùn)行和安全保證系統(tǒng)。同時(shí)保障地鐵運(yùn)行安全性，地鐵0.4kV配電系統(tǒng)控制方式普遍采用PLC系統(tǒng)控制，從而保證了地鐵供電的安全可靠性。

當(dāng)前在地鐵機(jī)電系統(tǒng)中已普遍使用PLC系統(tǒng)控制技術(shù)，上海地鐵1號(hào)線、8號(hào)線、10號(hào)線及11號(hào)及其他各條地鐵線路均使用PLC技術(shù)。而我國PLC技術(shù)還只是掌握在一些科技研發(fā)公司。與現(xiàn)場施工接口較大，對施工及以后調(diào)試造成一定難度。

1、研究解決的問題

（1）分析PLC系統(tǒng)在地鐵0.4kV配電系統(tǒng)中應(yīng)用特點(diǎn)；

（2）解決PLC系統(tǒng)在地鐵0.4kV配電系統(tǒng)中設(shè)計(jì)方案及硬件選用依據(jù)問題；

（3）解決PLC系統(tǒng)在地鐵0.4kV配電系統(tǒng)中編程、調(diào)試方案問題。

2、研究過程

2.1 地鐵0.4KV配電系統(tǒng)自動(dòng)控制要求

2.1.1 地鐵0.4kV配電控制系統(tǒng)典型構(gòu)成。地鐵的低壓配電通常采用典型的雙進(jìn)線一聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中1QF、2QF為進(jìn)線開關(guān)，3QF為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。正常工作的情況下，進(jìn)線開關(guān)1QF和2QF合閘，分別為I段和II段母線供電。但是當(dāng)其中一組進(jìn)線電壓跌落時(shí)（以1TF電壓跌落為例），需要斷開1QF。在甩開母線上的三級(jí)負(fù)荷后，閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)3QF，此時(shí)變壓器2TF同時(shí)為I、II段母線供電。

地鐵行業(yè)低壓配電備自投的特點(diǎn)：為了減少母線段斷電時(shí)間，保證低壓電氣設(shè)備能夠順利運(yùn)行，減少經(jīng)濟(jì)損失，地鐵的低壓配電系統(tǒng)要求備自投功能。所謂備自投，就是當(dāng)進(jìn)線開關(guān)因?yàn)殡妷旱涿摽蹠r(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)閉合。

在地鐵行業(yè)，備自投需要完成三個(gè)基本步驟：a、進(jìn)線開關(guān)必須要脫扣，而且是因?yàn)殡妷旱涠且驗(yàn)楣收厦摽郏籦、三級(jí)負(fù)荷必須甩開；c、聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)閉合。根據(jù)復(fù)位方式的不同，備自投又分為兩種：自投自復(fù)和自投手復(fù)。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)線開關(guān)自動(dòng)閉合。

2.1.2 PLC設(shè)計(jì)前需考慮問題。PLC硬件使用環(huán)境問題，此次PLC硬件安裝在地鐵中，PLC硬件選用時(shí)需符合以下環(huán)境要求：（1）環(huán)境溫度：-10～+400C；（2）相對濕度：日均值不大于95%；月均值不大于90%（250C）；有凝露的情況發(fā)生。飽和蒸汽壓：日平均值不大于2.2×10-3MPa；月平均值不大于1.8×10-3MPa；（3）抗地震烈度：7度；（4）振動(dòng)：f<10Hz時(shí)，振幅為25/f2mm；10Hz

PLC系統(tǒng)控制在0.4kV配電系統(tǒng)主要完成工作：1）PLC系統(tǒng)對0.4kV配電控制系統(tǒng)的兩進(jìn)線一母聯(lián)的備自投的控制；2）PLC系統(tǒng)鏈接變電所綜合自動(dòng)化系遙控信號(hào)控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)；3）PLC系統(tǒng)接入各種表計(jì)的測量數(shù)據(jù)及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信號(hào)，并反饋至變電所綜合自動(dòng)化系。

2.2 地鐵0.4kV配電系統(tǒng)自動(dòng)控制的PLC設(shè)計(jì)

2.2.1 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想。通過對地鐵0.4kV供電系統(tǒng)需主要功能及此控制要求研究，設(shè)計(jì)出PLC控制框架：PLC輸入點(diǎn)主要有：（1）進(jìn)線、母聯(lián)、三級(jí)開關(guān)狀態(tài)；（2）遙控合閘、分閘信號(hào)；（3）饋線開關(guān)的狀態(tài)信號(hào)；（4）狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)信號(hào)；（5）遙測電壓/電流/功率/電量/諧波；

PLC輸出點(diǎn)主要有：（1）斷路器合閘、分閘操作；（2）電壓/電流/功率/電量/諧波上傳（3）饋線開關(guān)的狀態(tài)信號(hào)上傳（4）進(jìn)線、母聯(lián)、三級(jí)開關(guān)狀態(tài)上傳

2.2.2 PLC系統(tǒng)施工設(shè)計(jì)

PLC主機(jī)及擴(kuò)展模塊的設(shè)計(jì)：

因考慮模塊式具有功能擴(kuò)展靈活，維修方便（可換模塊），容易判斷故障等優(yōu)點(diǎn)，另0.4kV配電控制系統(tǒng)主回路開關(guān)在母聯(lián)柜內(nèi)輸入、輸出I/O點(diǎn)分散在各進(jìn)線柜和開關(guān)柜內(nèi)，故考慮一臺(tái)PLC主機(jī)帶多臺(tái)擴(kuò)展模塊的方案。其中CPU裝于母聯(lián)柜，擴(kuò)展模塊分別裝于進(jìn)線柜和各個(gè)三級(jí)負(fù)荷總開關(guān)回路開關(guān)柜內(nèi)。

PLC主機(jī)與擴(kuò)展模塊連接方式的設(shè)計(jì)：PLC的CPU主機(jī)與擴(kuò)展模塊分散安裝就涉及連接為問題，普通的電線連接已經(jīng)不能滿足CPU與擴(kuò)展模塊信息傳遞，同時(shí)也影響柜內(nèi)布線的美觀性，增加安裝難度。故CPU與擴(kuò)展模塊之間通過總線電纜連接。

各種表計(jì)的測量數(shù)據(jù)采集及各種斷路器的遙信、遙測設(shè)計(jì)：因各種表計(jì)數(shù)據(jù)及斷路器的遙信、遙測需在進(jìn)線柜、母聯(lián)柜、各開關(guān)柜采集連接，用普通的模擬表計(jì)將是線路復(fù)雜，影響柜內(nèi)布線的美觀性，增加安裝難度故采用數(shù)字智能測量表計(jì)，數(shù)字智能測量表計(jì)應(yīng)具有電流、電壓采集，有功功率、有功電度、無功電度、功率因數(shù)的測量功能，具有脈沖輸入功能，適用于控制斷路器開關(guān)，并采集斷路器開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)功能。同時(shí)具有標(biāo)準(zhǔn)的通信接口。

再PLC設(shè)置一通訊主站，各數(shù)據(jù)智能測量表作為通訊從站，用通訊方式連接主站與從站。

2.2.3 PLC硬件的選用。遠(yuǎn)程擴(kuò)展I/O模塊與PLC主機(jī)相聯(lián)的通信總線考慮到所用總線的可靠性和可維護(hù)性，課題組采用CS31總線作為研究對象。CS31總線可懸掛多個(gè)擴(kuò)展模塊，每個(gè)擴(kuò)展模塊帶多個(gè)開關(guān)量I/O點(diǎn)。CS31總線接口規(guī)約符合RS485，其通信速率高達(dá)187kbps，遠(yuǎn)程功能擴(kuò)展模塊的通信功能也支持M通信協(xié)議。是通訊總線最佳選擇總線電纜。

母聯(lián)柜內(nèi)的控制PLC主機(jī)的主站與各個(gè)從站（低壓交流框架式斷路器，數(shù)字智能測量表計(jì)，母聯(lián)繼電保護(hù)裝置通訊等）的通訊方式，采用通訊總線普遍采用的RS485 MODBUS-RTU。

PLC與變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)具有10/100M自適應(yīng)傳輸速率，滿足PLC與變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通訊需求。同時(shí)為上位監(jiān)控系統(tǒng)SCADA提供有效方便的接口。

2.3 地鐵0.4KV配電系統(tǒng)PLC軟件編程

2.3.1 程序編程。程序編程是PLC施工的重要部分，根據(jù)地鐵0.4kV配電系統(tǒng)控制要求、PLC控制框圖進(jìn)行程序編寫，其低壓開關(guān)柜測量表計(jì)為PLC模擬量輸入點(diǎn)，低壓開關(guān)柜繼電保護(hù)裝置及開關(guān)遙控為PLC開關(guān)量輸出點(diǎn)。

在程序編寫過程中，應(yīng)將不同控制方式的程序分別編寫，根據(jù)工作方式選擇的開關(guān)確定執(zhí)行那行程序，這樣的程序結(jié)構(gòu)清晰，編程方便。

2.3.2 人機(jī)界面編程。人機(jī)界面編程中主要要將以下內(nèi)容編入畫面：

1）低壓開關(guān)柜的功能單元應(yīng)有明顯的三個(gè)位置：連接位置、試驗(yàn)位置和分離位置。各個(gè)位置應(yīng)有明顯的文字符號(hào)標(biāo)志。

2）低壓開關(guān)柜的面板上應(yīng)設(shè)有紅燈和綠燈，并分別表示斷路器的合、分閘位置。

3）低壓開關(guān)柜的面板上設(shè)置必要的測量表計(jì)。

4）低壓開關(guān)柜內(nèi)相同規(guī)格的功能單元應(yīng)具有互換性，即使在出線端短路事故發(fā)生后，其互換性也不應(yīng)破壞。

2.4 PLC系統(tǒng)調(diào)試

2.3.3 PLC設(shè)備、線路檢測（硬件調(diào)試）。檢測外部接線包括：電源接線、接地、輸入輸出接線，各饋出電柜二次線連接狀態(tài)，使用專用工具對通訊配線進(jìn)行檢測，注意通訊線的阻抗匹配。檢測PLC與以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通訊連接。

2.3.4 程序語句調(diào)試（軟件調(diào)試）。先調(diào)程序端內(nèi)開關(guān)量語句，包括輸入、輸出語句調(diào)試。主點(diǎn)調(diào)試及狀態(tài)，配置每個(gè)狀態(tài)測量儀表配置規(guī)約格式，配置PLC作用通訊主站的硬件信息和規(guī)約設(shè)施。運(yùn)行PLC程序，模擬調(diào)試兩進(jìn)線一母聯(lián)的備自投的功能，模擬調(diào)試FAS信號(hào)有效狀態(tài)的所有三級(jí)負(fù)荷的切斷。

2.3.5 0.4kv供電系統(tǒng)PLC子系統(tǒng)聯(lián)調(diào)（通訊調(diào)試）。讀取所有作為分站的測量儀表通訊狀態(tài)信息，結(jié)合測量儀表的點(diǎn)位地址把各個(gè)參數(shù)（電流、電壓、有功功率、無功功率等）讀入PLC緩沖內(nèi)存區(qū)域，同時(shí)回應(yīng)上級(jí)電力SCADA系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)訪問請求。

3、結(jié)語

本次研究，詳細(xì)分析了PLC系統(tǒng)在地鐵0.4kV配電系統(tǒng)中應(yīng)用特點(diǎn)，為PLC系統(tǒng)在地鐵0.4kV配電系統(tǒng)中設(shè)計(jì)方案及硬件選用提供依據(jù)，同時(shí)為PLC在地鐵0.4kV配電系統(tǒng)中編程、調(diào)試方案提供樣板。同時(shí)采用了標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試，提高了設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試工作效率，節(jié)約了大量的人工費(fèi)用和協(xié)調(diào)費(fèi)用。對PLC設(shè)計(jì)、施工、編程、調(diào)試在0.4kV配電系統(tǒng)施工中提供參考依據(jù)。

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