基于PLC 控制技術(shù)的高壓柜自動化設(shè)計與研究

莊志忠，郭笑海，辜 勇

（1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007；2.武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

高壓柜KYN 作為物流港口的重要電力設(shè)備，多年來其自動化發(fā)展卻一直被忽略了，其自動化程度遠遠落后于起重機等作業(yè)機械。近年來，對于高壓柜的改裝設(shè)計研究越來越受到重視，張繼華對于高壓柜的真空斷路器進行了智能控制器的設(shè)計［1］；孫昌對高壓柜的控制回路進行了改造［2］；劉志洪多維度地提出了高壓開關(guān)柜在線監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)，并闡述了其應(yīng)用［3］；于虹等人利用無線測溫技術(shù)對10kV 高壓開關(guān)柜進行實時的監(jiān)測，使故障隱患能夠及時排除［4-6］；同時還有其他一些對于高壓柜的硬件方面進行技術(shù)改良［7-8］，然而都難以系統(tǒng)性地解決高壓柜自動化程度不足的問題。

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本文在原有的高壓柜KYN 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，基于組態(tài)技術(shù)與PLC 控制技術(shù)，設(shè)計了智能控制器來自動控制儲能、斷路器手車搖進與退出、接地刀開關(guān)及斷路器的分合閘，并且監(jiān)控其運行狀態(tài)，對于高壓柜的智能自動化發(fā)展具有重要意義。

1 高壓柜KYN 的硬件設(shè)計

高壓柜硬件設(shè)計主要是對其主要的外形結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的供能電源以及電機驅(qū)動等進行設(shè)計，下面對其改進進行闡述與設(shè)計。

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)高壓柜KYN 由柜體和中置可抽出的手車兩大部分組成。在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，利用KYN高壓開關(guān)柜的敷鋁鋅隔板分隔出主母線室A、斷路器手車室B、電纜室C、儀表室D 四個獨立的功能室，并在正面增設(shè)控制器與觸摸屏，就地或遠程操作開關(guān)等，以實現(xiàn)該高壓柜的自動化控制以及遠程操作，如圖1 所示，其中外部三相高壓電源自A 室主母線經(jīng)過B 室，裝設(shè)在可以搖出和推入開關(guān)柜的底盤手車上，斷路器控制保護后從C 室電纜端出來到環(huán)網(wǎng)柜或變壓器。

圖1 高壓柜KYN 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)電源設(shè)計

高壓柜其底盤手車、斷路器儲能開關(guān)、接地刀開關(guān)等均采用電機驅(qū)動方式，無需人工手動操作，因此需要匹配電源為驅(qū)動電機提供能量。電源接線設(shè)計如圖2 所示，底盤手車、斷路器儲能、接地刀開關(guān)的驅(qū)動電機及斷路器分合閘線圈的電源均為220V 直流電源，系統(tǒng)智能控制器連接24V直流電源，此兩直流電源與高壓柜中交流220V 電源相連接，在火線端串接緊急停止按鈕SQ0，一旦出現(xiàn)如電機堵轉(zhuǎn)或其它異常情況則按下緊停按鈕，切斷系統(tǒng)電源。

圖2 系統(tǒng)驅(qū)動電源接線圖

1.3 系統(tǒng)驅(qū)動設(shè)計

為實現(xiàn)高壓柜的自動化控制，對接地刀開關(guān)、底盤手車、儲能驅(qū)動機構(gòu)等主要控制模塊驅(qū)動進行設(shè)計，如圖3 所示：中間繼電器KA0、KA1控制接地刀開關(guān)電機正反轉(zhuǎn)，中間繼電器KA2、KA3 控制底盤手車電機正反轉(zhuǎn)，KA4 控制儲能電機，中間繼電器KA6、KA7 控制斷路器合分閘線圈。接地刀開關(guān)、底盤手車、儲能驅(qū)動機構(gòu)的限位開關(guān)的常開觸點連接智能控制器輸入點，常閉觸點連接中間控制繼電器，以控制機構(gòu)到位后切斷電機電源。為保證接地刀開關(guān)電機分與合、底盤手車電機搖進與退出、斷路器電磁線圈的分與合、儲能電機的驅(qū)動機構(gòu)運行系統(tǒng)安全，各機構(gòu)除了設(shè)置限位開關(guān)外在系統(tǒng)程序中還設(shè)定了延時到位時間，一旦出現(xiàn)電機堵轉(zhuǎn)及其他意外情況在預(yù)定時間內(nèi)驅(qū)動機構(gòu)未到位，則自動切斷電源，也可按下緊停按鈕，系統(tǒng)顯示故障［9］。

圖3 系統(tǒng)驅(qū)動電機接線圖

2 基于組態(tài)技術(shù)的智能控制平臺設(shè)計

組態(tài)技術(shù)是在工業(yè)自動化領(lǐng)域興起的一種新型的軟件開發(fā)技術(shù)，作為自動控制領(lǐng)域的系統(tǒng)監(jiān)控層級的應(yīng)用平臺和軟件開發(fā)環(huán)境，組態(tài)軟件為用戶提供了快速構(gòu)建工業(yè)過程自動控制系統(tǒng)的可視化通用性強的軟件工具［10］。分析該自動化高壓柜系統(tǒng)的主要控制模塊，基于組態(tài)技術(shù)分析其總體設(shè)計如圖4 所示。

圖4 基于組態(tài)技術(shù)的高壓柜智能控制平臺設(shè)計

通過觸摸屏組態(tài)按鈕輸入指令，及安裝在柜中的前后門關(guān)閉限位開關(guān)、接地刀開關(guān)分與合限位開關(guān)、底盤手車搖進與退出的限位開關(guān)、斷路器的分與合及儲能到位傳感器的位置狀態(tài)信息采集輸入智能控制器處理后輸出控制接地刀開關(guān)電機分與合、底盤手車電機搖進與退出、斷路器線圈的分與合運行，并可通過顯示屏指示燈監(jiān)控其運行狀態(tài)。為實現(xiàn)該智能控制器對于各主要機構(gòu)的控制，設(shè)計其內(nèi)部接線圖如圖5 所示。

圖5 智能控制器系統(tǒng)接線圖

圖5 控制器啟動電源按鈕SD、就地/遠程控制斷路器分合閘開關(guān)、分別與智能控制器的輸入點X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X10、X11、X12、X13～15 相連接，把它們的位置狀態(tài)信息數(shù)據(jù)輸入智能控制器，經(jīng)處理輸出點Y0、Y1 給中間繼電器KA0、KA1 控制接地刀開關(guān)電機，輸出點Y2、Y3 給中間繼電器KA2、KA3 控制底盤手車電機，輸出點Y4 給中間繼電器KA4 控制儲能電機，輸出點Y6、Y7 給中間繼電器KA6、KA7 控制斷路器分合電磁線圈。同時控制器輸入點AD0、AD1、AD2、AD3 為溫度隔離器、底盤手車電機電流變送器、接地刀開關(guān)電機電流變送器、交流三相電壓變送器的模擬量采集點，可對環(huán)境溫度、電機運行狀態(tài)及三相是否平衡進行監(jiān)測。其可以采集高壓開關(guān)柜KYN 的運行環(huán)境溫度、底盤手車電機電流、接地刀開關(guān)電機電流、交流三相電壓進行監(jiān)控，通過顯示屏指示燈監(jiān)控其運行狀態(tài)。

3 高壓柜 PLC 控制程序開發(fā)與測試

自動化高壓柜KYN 智能操控系統(tǒng)控制主要包括斷路器的儲能控制、斷路器的合、分閘控制、底盤手車的進、退控制以及接地刀開關(guān)的合分閘控制等。PLC 作為一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置，可靠性高，控制功能強［11］。本文結(jié)合PLC 梯形圖對此高壓柜KYN 智能操控系統(tǒng)的主要自動化控制模塊進行PLC 程序設(shè)計，以此驗證本設(shè)計對于高壓柜自動化發(fā)展推動的有效性和實用性。

3.1 高壓柜KYN 的斷路器儲能控制

為實現(xiàn)一二次回路的分開，實現(xiàn)控制與主配電回路間的相互獨立，斷路器需進行儲能操作。斷路器儲能電機啟動時，將合閘或分閘彈簧進行拉伸，使之具有相應(yīng)的勢能。根據(jù)其高壓柜運行時的特點，設(shè)計高壓柜KYN 的斷路器儲能控制系統(tǒng)PLC 程序如圖6 所示。若前門、后門為關(guān)閉狀態(tài)，通過斷路器儲能按鈕智能控制器的輸入或觸摸屏上的斷路器儲能組態(tài)按鈕輸入，此時斷路器儲能。若延時1.5 S 尚未儲能，則切斷儲能電機電源，此時觸摸屏提示系統(tǒng)處于故障狀態(tài)。

圖6 斷路器儲能控制PLC 程序

3.2 高壓柜KYN 斷路器合、分閘控制

斷路器分合閘驅(qū)動機構(gòu)通過接通分閘線圈或合閘線圈使斷路器分閘或合閘，并通過斷路器的分與合到位傳感器確定分閘或合閘是否到位，作為切斷分閘線圈或合閘線圈電源的判斷依據(jù)。如圖7 所示為高壓柜KYN 斷路器合閘控制系統(tǒng)PLC 程序，即斷路器底盤手車推進到工作位置，若接地刀開關(guān)分斷狀態(tài)，且前門、后門關(guān)閉狀態(tài)，斷路器合閘按鈕輸入智能控制器或觸摸屏上的斷路器合閘組態(tài)按鈕輸入，則斷路器合閘，延時1s 尚未合閘，則切斷線圈電源，觸摸屏提示系統(tǒng)處于故障狀態(tài)。同時機械聯(lián)鎖可防止誤推拉斷路器手車時可保證手車只有在工作或試驗位置時，斷路器才能合閘，高壓柜KYN 合閘工作運行。

圖7 高壓柜KYN 斷路器合閘PLC 程序

如圖8 所示為高壓柜KYN 斷路器分閘控制系統(tǒng)PLC 程序，若前門、后門處于關(guān)閉狀態(tài)，斷路器分閘按鈕輸入智能控制器或觸摸屏上的斷路器分閘組態(tài)按鈕輸入，斷路器分閘，延時1s 尚未分閘，則切斷線圈電源，觸摸屏提示系統(tǒng)處于故障狀態(tài)。

圖8 高壓柜KYN 斷路器分閘PLC 程序

3.3 斷路器底盤手車進、退控制

底盤手車驅(qū)動機構(gòu)用于驅(qū)動底盤手車的蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)，使底盤手車搖進與退出，當(dāng)?shù)妆P手車的位置觸發(fā)底盤手車搖進與退出的限位開關(guān)，智能控制器控制底盤手車驅(qū)動機構(gòu)停止工作。如圖9 所示為斷路器底盤手車進、退控制系統(tǒng)PLC程序圖，其斷路器底盤手車搖進控制過程：若斷路器在分閘位置，且接地刀開關(guān)處于分斷狀態(tài)，在智能控制器或觸摸屏上的斷路器底盤手車搖進模態(tài)按鈕輸入，此時斷路器底盤手車電機啟動正轉(zhuǎn)，驅(qū)動機構(gòu)減速器、渦輪蝸桿傳動機構(gòu)把斷路器底盤手車從試驗位置/斷開位置推進到工作位置。若延時10 s 尚未到達搖進工作位置，則斷開電機電源，觸摸屏提示系統(tǒng)處于故障狀態(tài)。

圖9 高壓柜KYN 斷路器底盤手車PLC 程序

斷路器底盤手車退出控制過程：接地刀開關(guān)處于分閘狀態(tài)，且斷路器在分閘位置在智能控制器輸入或觸摸屏上的斷路器底盤手車退出模態(tài)按鈕輸入，此時斷路器底盤手車電機啟動反轉(zhuǎn)，斷路器底盤手車從工作位置退到試驗位置/斷開位置，即退出的限位開關(guān)常開觸點閉合輸入智能控制器。若延時10s 尚未退到試驗位置/斷開位置，則斷開電機電源，觸摸屏提示系統(tǒng)處于故障狀態(tài)。

3.4 接地刀開關(guān)分合閘控制

接地刀開關(guān)驅(qū)動機構(gòu)用于驅(qū)動接地刀開關(guān)傳動機構(gòu)，以控制接地刀開關(guān)的分合，當(dāng)接地刀開關(guān)分與合的限位開關(guān)被觸發(fā)時，表明接地刀開關(guān)分或合到位，接地刀開關(guān)驅(qū)動機構(gòu)停止工作。如圖10所示為高壓柜KYN 接地刀開關(guān)控制系統(tǒng)PLC 程序圖，其分閘控制過程：斷路器在分閘位置時，且斷路器手車在斷開位置/試驗位置，此時輸入智能控制器或觸摸屏上的接地刀開關(guān)分閘模態(tài)按鈕，則接地刀開關(guān)電機啟動正轉(zhuǎn)，接地刀開關(guān)到達分斷位置。若延時10 s 未能分閘，則斷開電機電源，觸摸屏提示系統(tǒng)處于故障狀態(tài)。

圖10 高壓柜KYN 接地刀開關(guān)PLC 程序

接地刀開關(guān)合閘控制過程：斷路器在分閘位置且斷路器手車在斷開位置/試驗位置，此時輸入智能控制器+觸摸屏上的接地刀開關(guān)合閘模態(tài)按鈕，此時接地刀開關(guān)電機啟動反轉(zhuǎn)，接地刀開關(guān)合閘。若延時10S 未能合閘，則斷開電機電源，觸摸屏提示系統(tǒng)處于故障狀態(tài)。

接地開關(guān)處于分閘時，柜門無法打開，防止人員觸電［12］。在進行合閘接地放電時，此設(shè)計可防止帶電誤合接地開關(guān)及接地開關(guān)合閘時誤合斷路器，隨后可打開柜門進行檢修［13］。

4 系統(tǒng)運行調(diào)試

4.1 硬件測試

對該基于PLC 技術(shù)設(shè)計的自動化高壓柜各個硬件進行測試，以確保各個硬件本身能夠正常運行，測試步驟如下：

（1）電動底盤車測試

該電動底盤車選用DPC/DD3 型底盤車電動機構(gòu)，其在原手動操作底盤車上增加電動操作功能，為實現(xiàn)開關(guān)柜智能化、程序化、遠程控制等要求提供必要的硬件基礎(chǔ)。其額定電壓為DC220 或DC110，電機功率200 W，進出時間單程小于35 s。測試中首先進行一次手動檢測，正常運行后接入控制回路通電，手動搖進、搖出檢查輔助開關(guān)切換是否正常，以確保底盤車到位能正常停止，完成一次電動操作。在連續(xù)進出操作不大于5 次，且進出時間停頓大于3 分鐘的情況下多次測試，確保底盤車到位的可靠性。

（2）接地開關(guān)測試

該電動接地開關(guān)選用JN15-12（24）/D31.5 新型接地開關(guān)，其動熱穩(wěn)定性好，并有可靠的電動操作，能夠保持原中置式開關(guān)柜的聯(lián)鎖不變。其額定工作電壓為12 KV，額定短時耐受電流為31.5 KV，分閘后端口距離不小于125 mm，控制電壓為AC/DC220V 或AC/DC110V。安裝完畢后先進行手動操作，當(dāng)接地開關(guān)在合閘時，檢查第二片鎖片是否能將接地開關(guān)的操作孔蓋板壓住。隨后進行電動操作，對接地開關(guān)的電動操作頻率為每分鐘2 次分合為宜。

（3）斷路器保護測試

對斷路器進行過壓欠壓實驗，在合閘前將電壓升高至 1.1 倍額定電壓110 V 或?qū)㈦妷航档椭?.75 倍額定電壓75 V 以下，其智能控制器將禁止斷路器合閘。在合閘狀態(tài)，設(shè)定過、欠壓保護延時為1 s 分閘，此時發(fā)生過、欠壓故障，智能控制器應(yīng)能保證斷路器可靠分閘，此時觸摸屏以及PLC程序?qū)@示故障。

4.2 組態(tài)功能測試

智能控制器與內(nèi)嵌的梯形圖PLC 程序設(shè)計完后，對其功能進行試驗檢測十分重要，以驗證其邏輯的正確性［14］。在中控屏設(shè)計功能按鈕，使其處于顯示狀態(tài)如圖11 所示：

圖11 觸控屏按鈕設(shè)計圖

在確認邏輯控制功能正確無誤后，給控制器通電，模擬工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，進行預(yù)定控制功能試驗，檢查整個控制裝置的工作情況。操作觸摸屏上的按鈕，對主要開關(guān)柜的功能進行試車實驗，并觀察開關(guān)柜反應(yīng)，記錄如表1 所示：

表1 PLC 程序記錄表

在該組態(tài)系統(tǒng)中增加8 h 的無故障可靠運行試驗，以檢驗智能控制器及其硬件運行情況的穩(wěn)定性。實驗證明該智能控制器運行狀態(tài)良好，不僅能在故障發(fā)生時按預(yù)定要求分閘，而且保護精度也滿足了技術(shù)指標要求［15］。

由實驗可知，為自動化高壓柜設(shè)計的PLC 梯形圖邏輯正確，組態(tài)觸摸屏上的按鈕皆可以控制開關(guān)柜各個重要零部件動作，該智能控制器及組態(tài)屏幕能夠保證高壓開關(guān)柜的穩(wěn)定運行，且在應(yīng)用過程中具有很強的一致性。在該高壓柜自動控制系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)遠端操控，觸摸屏能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部運行視頻監(jiān)控。維修過程中，技術(shù)人員只需要按幾個觸摸屏上的按鈕即可進行檢修，而不需要其進行接地刀合（分）閘、斷路器合（分）閘、底盤手車搖進（退出）的繁瑣而復(fù)雜的檢修前準備工作。

5 結(jié)論

本文所設(shè)計的新型自動化KYN 高壓柜基于組態(tài)技術(shù)與PLC 控制技術(shù)，在傳統(tǒng)的高壓柜基礎(chǔ)上增加了一套智能操作系統(tǒng)，使之具有遠程控制主要機構(gòu)驅(qū)動電機的功能，直接解決傳統(tǒng)就地手動操控費時費力，容易出現(xiàn)安全事故的問題。

同時基于組態(tài)技術(shù)，通過觸摸屏與智能控制平臺的設(shè)計，對儲能開關(guān)、斷路器手車搖進與退出、接地刀開關(guān)及斷路器的分合閘等主要機構(gòu)的實際工作情況分析，設(shè)計了各個主要控制模塊的PLC 程序，并在其中加入延時模塊，若出現(xiàn)故障等情況，可及時在觸摸屏上顯示。將PLC 控制程序內(nèi)嵌入智能控制器中，基于組態(tài)技術(shù)通過觸摸屏對其I/O 接口以及溫度電壓等運行情況進行監(jiān)控，省略了傳統(tǒng)繁雜的按鈕，方便查看并編輯邏輯程序，可較好地提高系統(tǒng)的信息可視化水平以及自動化程度。