浅议可编程控制器在GIS二次控制中的应用

（新疆宝明矿业有限公司，昌吉市，831700） 王建明

1 国内智能GIS发展现状

随着淮北110千伏桓谭变电站投运，我国已建成的智能变电站数量已经超过10座以上。其中有北川110千伏智能变电站、220千伏西泾智能变电站以及500千伏兰溪变电站，特别是世界最高电压等级的智能变电站——750千伏延安变电站投运，标志着我国智能变电站试点工程不断取得进展。这将拉开我国开始大规模建设智能变电站的序幕，同时对于我国建设坚强智能电网也具有重要意义。我国在淮北110千伏桓谭变电站的建设过程中，采用大量的新技术、新工艺、新设备来实现整个变电站的数字化、智能化。应用GIS组合电气采用SF6压力、微水在线监测系统等，采用数字化的监视和控制手段减少了设备停电检修的几率和时间，实现一次设备100%在线监控。

2 可编程控制器简介

2.1 可编程控制器的定义和特点

根据1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做如下定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的操作指令，并通过数字式或模拟式的输入/输入控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器具有如下特点：

1）可靠性高，抗干扰能力强；

2）配套齐全，功能完善，适用性强；

3）易学易用，深受工程技术人员欢迎；

4）系统的设计、建造工作量小，维护方便；

5）体积小，重量轻，能耗低。

2.2 可编程控制器的结构

PLC主要由中央处理器CPU、存储器、输入/输出接口电路、电源、编程器组成，其系统结构见图1。

图1 PLC的系统结构

1）中央处理器CPU（CPU芯片）

CPU是PLC系统的运算核心和控制核心。功能主要是解释PLC指令以及处理软件中的数据。它不断地采入输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。响应外围设备（如编程器、打印机等）请求。

2）存储器

PLC的存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储器用来存放系统管理程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。

用户存储器用来存放用户编制的梯形图程序或用户数据，分为用户程序存储区和工作数据存储区。由RAM、EPROM、E2PROM构成。RAM是随机存取存储器，它工作速度高、价格低、改写方便，为了防止掉电时信息的丢失，常用高效的锂电池做后备电池。EPROM、E2PROM是非易失性的，可以用编程器对它编程，它们兼有ROM的非易失性和RAM的随机存储优点，但写入信息时间比RAM长。

3）输入接口电路

输入接口电路是负责接收外部输入元件信号电路接口。可用于输入开关量信号的数字输入接口模块和用于输入模拟量的模拟信号输入接口。

数字输入接口模块可以由光电耦合电路和微型计算机输入接口电路组成。采用光电耦合电路与现场输入信号相连可防止现场的强电干扰信号进入PLC。

模拟信号输入接口输入的模拟量信号分2类4种量，2类分别是电压型和电流型。电压型有0～10V 和-10～10V。电流型主要有 4～20MA，0～20MA。然后模块再通过A/D转换，把模拟量转换成+32767～-32768之间的数，然后参与PLC控制。

4）输出接口电路

输出接口电路是用于将PLC的运算结果转换后作用于控制对象上，以便达到控制目的。输出接口电路分开关量信号输出的数字输出接口和模拟量输出的模拟信号输出接口。

数字输出接口有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应管，驱动交流负载的双向晶闸管以及既可以驱动交流负载也可以驱动直流负载的小型继电器。负载电源可由外部现场提供。由于输入/输出接口电路采用了光电耦合电路或继电器隔离电路，使得输入/输出电路与内部电路在电气上完全隔离，从而防止了现场隔离干扰，保证PLC能在恶劣的环境下可靠地工作。

模拟量输出模块是指PLC可以根据计算后的输出要求，在模拟量输出模块中进行相应精度的D/A转换，可根据现场要求输出一定精确度的模拟量信号，用于现场对象的控制。

5）电源

PLC的电源是指将外部输入的交流信号经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入/输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路。为了减少电源间的相互干扰，输入/输出接口电路与内部电路间的电源彼此相互独立。电源的好坏对PLC的可靠性至关重要。大部分PLC都采用开关电源供电。

2.3 可编程控制器的工作原理

图2 PLC的扫描工作过程

当PLC投入运行后，整个PLC其工作过程一般分为三个阶段：即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。PLC的扫描工作过程如图2所示：

1）输入采样阶段；在PLC上电自检后进入输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有现场设备的输入状态和模拟量数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的锁存器单元内。

2）用户程序执行阶段；在用户程序执行阶段，CPU从第一条指令开始按指令步序号作周期性循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直到遇到结束。

在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

3）输出刷新阶段；当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。在输入采样、输出刷新的这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

3 110kV智能化GIS二次控制系统设计与实现

3.1 系统总体控制要求

基于PLC系统的GIS二次智能化控制和监测系统，省去了上述外设元件，都将以模拟或者数字信号的方式存在于PLC程序中或者直接显示于触摸屏。一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。换言之，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。

1）断路器、三工位隔离、接地开关、快速接地开关等操作元件的合分闸操作记录，用于监视各一次主要操作元件是否达到额定的机械寿命。

2）断路器事故分闸记录，记录开断电流的加权值，间接测量断路器弧触头的烧损情况。

3）记录各元件气室的SF6气体密度变化情况，同时增加监视SF6气体的下降变化率，以便更准确地判断故障。

4）断路器、三工位隔离、接地开关、快速接地开关等操作元件的操作回路监视，包括常规的回路断线，电机回路故障等，还增加了电机操作电流监视，以判断机构有无卡涩等情况。

3.2 系统的主要功能组成

整个系统由设备控制部分、在线监测部分和安全监控部分组成。设备控制部分主要完成数据和状态信号采集、现场控制输出。在线监测部分主要进行现场模拟量数据的收集、分析，并向用户提供状态检修意见和报警功能。监控部分则通过比较经过CPU处理的数据，实时显示系统各元件的工作状态，并向设备控制层发出控制指令，实现遥信、遥测、遥控、遥调功能。

系统监控层通过西门子的软件STEP7和SIMATICWINCC FLEXIBLE操作屏组态软件进行编程，它承担了控制操作、状态显示、数据处理、操作记录等功能。用户在就地操作时，可通过触摸屏了解整个系统的工作状态，查看报警信息、发出控制信号；用户在远方操作时，可通过WINCC组态后的画面，了解整个系统的工作状态，查看报警信息、发出控制信号。

此监控层实现的主要功能如下：

1）控制操作：对系统内的所有被控断路器和辅助开关进行实时控制。

2）状态显示：用图形实时地显示一次主接线图内主要元件的运行状态。

3）数据处理：利用实时数据和历史数据，对系统内采集的各状态量进行逻辑判断。

4）操作记录：实时地记录用户对本系统的每一个操作（包括日期、用户名、设备名、具体操作结果等）

5）报警功能：当某一指定状态量发生变位时，直接通过触摸屏中的虚拟光字牌显示系统报警信号。

6）安全设置：可以设置多级密码，按不同的操作权限分别加密，以特定管理员来限定用户级别，并记录其它用户信息；普通用户将无法创建其它用户或者查看其它用户信息；管理员和普通用户均须登录成功后方可进行控制操作或者查看操作记录。

3.3 系统的硬件配置和构成

通过分析比较国内外知名工控产品并结合GIS智能控制系统的需求，选用了深圳鑫诺尔的HTS-2000VA正弦波逆变电源、西门子的SIMATIC S7-300可编程控制器和TP277触摸屏来构成此智能控制系统。系统硬件配置如图3所示。

图3 系统硬件配置图

4 断路器控制程序的设计

断路器控制程序设计如图4。

图4 断路器控制程序

5 结论

完成了间隔层的智能化GIS开关操作柜设计研究，说明了西门子S7-300型在GIS智能化设计过程的应用情况，通过S7-300丰富的编程功能和强大的硬件配置，完成了基本间隔要求的开关操作、联锁设计、就地电量/电度采集，实现了变电站的遥控，遥信和遥测的功能，有效地实现了高压开关的最安全控制；利用采集的开关机构操作过程电流信号以及操作时间，可以进一步分析开关机械设备的状况。由于高压GIS开关在运行过程中，容易产生电力干拢，实际工程中应认真处理PLC接地和反干拢措施，确保设备的可靠运行。

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