基于PLC的温升试验电流控制系统的设计与应用

赵 刚

（天水长城开关厂有限公司，甘肃天水741018）

基于PLC的温升试验电流控制系统的设计与应用

赵 刚

（天水长城开关厂有限公司，甘肃天水741018）

为检测开关设备由于载流原因使其发热的各项指标，在实验室搭建模拟现场的电源设备，其控制系统采用PLC实现温升试验电流的自动控制。该系统使用方便、功能齐全，减轻了试验人员的劳动强度，提高了工作效率，能有效地限制人为因素对试验结果的负面干扰，有一定的推广应用价值。

温升试验；电流变送器；AD转换模块；PLC

1 引言

温升试验自动控制系统是对传统、惯用设备依靠人工调控和测量试验参数的重要改进与创新。该系统电源部分由接触式调压器、大电流变压器组成；控制部分核心部件由PLC、AD转换模块、电流变送器等组成。系统对所设定的试验电流进行自动跟踪，从而实现温升试验电流的自动控制。该系统主要性能指标符合国家相关标准的规定，实践证明能够满足实验室温升试验的要求。

2 硬件结构

系统电源部分由独立的三组设备构成，能够实现A、B、C三相电流源的供给，其思路是采用“Y”接法搭载电源的硬件电路，其电路图如图1所示。

该系统控制部分核心元件采用FX2N－32MR PLC，把每相电流互感器输出0A－5A的电流信号通过电流变送器变成4mA－20mA的小电流信号。再通过AD转换模块使小电流信号转换成相应的数字信号并传至总调PLC。试验电流通过人机界面触摸屏进行设定。根据设定电流与实时采集电流的比较计算、经PLC的CUP判断后，将判断的结果转换成对应的开关量去驱动粗调调压器与微调调压器电机的正反转，实现输出电流大小的改变，从而达到温升试验电流自动控制的目的。

图1 电源硬件电路图

在整个控制系统中，PLC主要完成实时数据采集、逻辑判断、数据比较及计算等所有PID回路的调节等。由于饱和电抗器的特性差异，经常造成相相之间输出电流不平衡，因此把每相电流作为一个小闭环控制，就能使A、B、C三相电流之间平衡。通过实时采集电流值、设定电流值及计算值的比较，在程序计算误差范围外去驱动每相粗调和微调调压器工作，以达到稳定时偏差的自动控制。控制硬件框图如图2所示。

图2 控制电路硬件框图

3 数据算法

3.1 电流互感器参数

电源硬件电路中采用3只0.2S级的电流互感器，其变比分别为 1200∶5、1500∶5、1600∶5、2000∶5。电流互感器输入输出呈线性关系。根据试验电流的需求，每次试验通过人机界面只能选一个规格的变比使用。

3.2 电流变送器特性

图3 电流变送器特性曲线

控制电路中采用3通道电流变送器，其特性曲线如图3所示。电流变送器输入0A－5A、输出4mA－20mA，承线性关系。

3.3 AD转换模块特性

硬件电路中采用FX2N－4AD转换模块，由于系统需要同时采集三相电流信号，因此选用了具有4路输入的4AD转换模块。模块性能见表1。

表1 FX2N－4AD模块性能

4AD转换模块的特性曲线如图4所示，输入输出呈线性关系。

图4 4AD模块特性曲线

3.4 通道地址设定

通道的初始化由缓冲存储器BFM＃0中的4位十六进制数字H0000控制。第一位字符控制通道1，第四位字符控制通道4，设置每一个字符的方式如下：

由于采集A、B、C三相电流变送器输出4mA－20mA的信号，因此缓冲存储器BFM＃0中的4位十六进制数字为H3111。

3.5 数据采集算法

变送器特性曲线对应的函数为：

其中y是输出，取值范围为4mA－20mA，x是输入，取值范围为0A－5A。

4AD模块特性曲线对应的函数为：

其中y1是输出数值，取值范围为0－1000，X1是输入，取值范围为4mA－20mA。

由式（1）、式（2）式整理得：

假如B为电为流互感器变比设定值，X为实测的一次电流值，Z为对应的二次电流值，根据电流互感器的线性特性得

由式（3）、式（4）式可得到实测电流

其中X为实际测到的电流值；B为电流互感器的变比，取值为 2000、1600、1500、1200 其中之一。

4 软件设计

系统软件设计中，FX2N－32MR主要输出寄存器I/O与对应控制电机说明如表2所示。

表2 PLC I/O分配表

4.1 4AD 驱动程序

在PLC软件设计时，“0”位置的特殊功能模块的ID号由BFM＃30中读出，并保存在主单元的D4中，比较该值，以检查模块是否是FX2N－4AD，如果是则M1变为ON。H3111写入FX2N－4AD的BFM＃0，建立模拟输入通道 CH1、CH2、CH3，实际采集到的CH1、CH2、CH3通道的数值分别放在D0、D1、D2寄存器中。程序中D12为电流互感器变比的设定值，D18为温升试验电流的设定值，并和CH1、CH2、CH3通道的数值全部转换成机器能识别的二进制浮点数。程序如图5所示。

图5 4AD驱动程序

4.2 三相电流实时采集

根据公式（5）X＝ y1＊B/1000，逐个计算出CH1、CH2、CH3通道的实测电流值，并分别存放在寄存器D48、D56、D64中，转换成BIN整数与十进制浮点数。PLC程序能够实现实时电流的采集并在人机界面上显示，不再需要使用电流表显示电流值。实时电流采集程序如图6所示。

图6 实测电流采集程序

4.3 电流自动控制

图7 电流控制流程图

设计中应用了PLC的比较指令，在每相电流控制中大闭环系统中包含一个小闭环系统控制调压器的粗调和微调，从而实现了电流的自动控制。程序流程图如图7所示。

首先设置通道CH1、CH2、CH3的电流值A1，即试验需求的电流设定值。当实测值X小于设定值A1时，则驱动粗调电机正转、粗调调压器升压，变压器输出电流增大；若实测值X大于设定值A1的1.05倍时，则驱动粗调电机反转、粗调调压器降压、变压器输出电流减小。若实测值X大于等于设定值且小于等于设定值A1的1.05倍时，则启动小闭环的中间继电器，小闭环开始工作。之后又CH1、CH2、CH3通道中的实测值X分别与电流设定值A1、设定值A1的1.02倍进行比较，若实测值X小于设定值A1，则驱动微调电机正转、微调调压器升压、变压器输出电流增大；若实测值X大于设定值A1的1.02倍，则驱动微调电机反转、微调调压器降压、变压器输出电流减小；若实测值X大于等于设定值A1且小于等于设定值A1的1.02倍时，系统实现稳流控制。

5 结束语

原有的控制采用人工手动调节电流的方法，致使调试工作量大、控制精度低、数据报表与实际不符等现象。笔者采用PLC控制后，系统可靠性和稳定性得到了很大的提高，使得整个系统的数据采集准确、工作量减小。由于PLC能自动识别其工作范围，从而自动改变控制参数，提高了输出电流的稳定精度，具有一定的推广应用价值。

［1］三菱公司.三菱微型可编程控制器FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC系列编程手册［P］.

［2］三菱公司.FX系列特殊功能模块用户手册［P］.

［3］魏制清.可编程控制器应用技术［M］.北京：电子工业出版社，1995.

Design and application of temperature rise test current control system based on PLC

ZHAO Gang
（Tianshui Changcheng Switchgear Factory Co.，Ltd.，Tianshui 741018，China）

In order to detect the various indexes of the switch equipment heated due to its current flow，a simulated field power equipment device is set up in the laboratory，and its control system can realize the automatic control of the test current for the temperature rise with PLC.The system has properties of easy use and complete function，which can reduce the labor intensity of the test personnel，can improve the work efficiency，also can effectively limit the negative interference of human factors on the test results，and it has certain application value.

temperature rise test；current transformer；AD converting module；PLC

TP273

B

1005—7277（2017）03—0049—03

赵 刚（1979－），本科，工程师，主要从事高低压电器型式试验、出厂试验方法的研究。

2016－12－01