馈线测控装置的组态设计及应用

2018-07-03陈海军

实验技术与管理 2018年6期

陈海军

(广州铁路职业技术学院, 广东广州 510430)

高压开关柜是变电所监控系统中的重要设备,其控制和保护功能广泛采用一体化的测控装置[1-3]。由于生产现场运行的限制,很难满足学生学习和培训的需要。为此,设计了一种馈线测控装置,利用PLC、触摸屏和组态软件技术[4-6],实现馈线的控制和保护功能[7],既可用于变电所实际馈线的监控,也可用于继电保护的专业培训[8]。本文重点讨论PC机监控界面组态的设计思路。

1 确定监控需求及硬件电路结构

馈线测控装置主要实现控制、保护、信号及自动重合闸等基本功能,主要控制对象是高压断路器。

(1) 控制。应该有本地控制(控制开关)和遥控(监控界面控制)的功能,可以完成断路器分闸、合闸功能,完成动作后需有相应的指示信号。

(2) 保护。各类保护应有投入、退出和切换功能,进行保护动作值的整定与修改,保护动作后执行跳闸并发出事故信号,在异常情况下发出预告信号的功能。

(3) 信号。包括断路器正常指示信号、事故信号和预告信号,以及正常时可以检查事故音响或预告音响这些信号。

(4) 自动重合闸。根据需要设置自动重合闸功能及后加速功能。

为实现上述功能,首先要完成断路器控制部分的接线,然后才能确定监控界面的组态设计。高压断路器的二次回路采用PLC控制,PLC的输入/输出口直接接入断路器的分、合闸线圈和辅助接点。为降低开发成本,高压断路器可使用模拟断路器[9-10],且无需互感器。电流/电压输入可以采用4～20 mA/0～10 V信号源模拟,也可采用普通5 V或10 V直流电源模拟电流变送器或电压变送器的输出。

馈线测控装置的组态设计流程如图1所示。

图1 组态设计流程图

在进行下一步之前,首先要对PLC编程,确保断路器正常的分、合闸控制以及信号显示正确,确保保护动作、重合闸、后加速、事故信号及预告信号的正确性。离线调试(脱离PC机的独立控制)控制成功后开始进行组态。

根据控制需求,在完成PLC硬件电路连接及软件编程后,电脑屏幕需要组态监控的对象包括:

(1) PLC的输出对象:分闸指示灯、合闸指示灯、事故音响、事故信号灯、预告音响、预告信号灯及异常运行启动接点等；

(2) PLC输入控制对象:分、合闸控制(按钮或控制开关)、各类实验按钮、解除按钮、各类压板等。

在馈线测控实践中,组态需要监视更多的对象,需要包括各种保护动作的信号,如传统保护动作的光字牌。这里没有在外电路中设置此类信号,全部采用监控界面弹出提示窗口的形式实现传统光字牌的功能。除此以外,要在界面上实现各类动作及信号,需要符合各种逻辑关系,所以组态时需要用到更多的PLC内部继电器,这恰恰是可编程控制器的优势。所以,电路不会因为用到更多的变量而复杂,监控电路比传统电磁型继电器要简化很多,硬件电路结构如图2所示。

图2 硬件电路结构图

2 监控机主界面组态设计

监控主界面分左右两部分(见图3)。

(1) 界面左侧部分是高铁变电所的测控盘[11]屏面控制区域,在组态开发界面中建立监控画面,绘制母线、馈线、控制开关、红绿信号灯、事故灯这些基本单元,组态的界面和武广高铁变电所运行的屏面外观一致。断路器的控制操作及信号显示通过组态,线路有电时显示为红色,无电时显示绿色；分合闸时控制开关上的红绿灯相应显示,自动跳闸时事故白灯显示。信号显示与实际运行情况一致,可以直观地了解断路器的实际运行情境。

(2) 界面右侧部分为保护投退、定值修改、线路电流电压的显示、实验、解除按钮。右侧滚动条为模拟故障电流电压区域(模拟输入信号,用于实际线路时则需屏蔽此区域)。除了主界面绘制上述元件外,还需设计其他弹出窗口界面,如遥控操作成功与否确认窗口、自动装置动作成功与否确认窗口、实时报警窗口等。

图3 组态监控主界面

3 组态变量连接及事件编程

3.1 建立变量

要实现PC机与实际控制设备的监控及保护功能,先建立设备连接,即进入KingView开发系统,设置与PLC控制器的连接。设备连接主要包括现场设备名称、型号、通信方式、通信地址等相关信息。然后建立变量及对事件进行组态(变量在KingView中的数据词典中建立)。变量主要包括外部(I/O)变量的组态和内部(内存)变量的组态,这里的外部、内部是对于PC机组态软件系统而言的。

外部变量包括PLC输入开关量、输出开关量、PLC内部元件、PLC模拟输入量。

输入开关量主要包括控制断路器分合闸的控制开关、事故音响实验按钮、预告音响实验按钮、重合闸投退压板、保护出口压板、事故音响及预告音响解除按钮、事故灯信号复归按钮、SF6断路器压力过低模拟接点等。

输出开关量包括分合闸指示灯、事故灯、事故音响、预告音响、预告信号灯等。

开关量的组态主要包括变量名、变量类型、连接设备、对应的寄存器、数据类型和读写属性等,如PLC重合闸执行元件为M1.6,则组态变量名为M16,变量类型为I/O离散,连接设备为PLC,寄存器为M1.6,数据类型为bit,属性为读写,初始值为关。

PLC内部元件主要是PLC的M寄存器和VW寄存器,需要在组态软件王中建立与之对应的I/O离散变量和I/O实型变量。不但在PLC控制断路器动作的程序中使用M寄存器,而且组态软件控制界面对断路器控制、保护等操作及结果反馈都需要通过M寄存器来完成。因为PLC的I/O口对组态软件来说属于只读性质,不能直接操作,即使对输出口直接操作,其结果最终还是由PLC程序决定的。

PLC模拟输入量包括输入电流(馈线电流)和输入电压(母线电压)。本设计采用1路输入母线电压AIW0,另1路输入线路电流AIW2,即可实现电流、电压相关保护的输入。模拟量存储在PLC内部元件的VW寄存器中,在组态王中对应为I/O实型变量。

各类保护整定值,如过流保护整定值、速断保护整定值、失压保护整定值及各种保护动作时间等,在组态王中建立I/O实型变量,与PLC内部元件的VW寄存器对应。

KingView内部变量主要是指组态软件内部控制需要用到的变量,包括内存离散、内存整型和内存实型变量,主要是遥控操作时图形界面显示需要用到的辅助变量,以及在界面模拟故障电流电压时用到的变量。

3.2 事件编程

在建立各种变量后,还需要对一系列事件进行组态。主要是遥控执行动作、各类保护压板的投退(包括软投退与外部压板)、保护动作结果及直接在监控界面上模拟故障的事件组态。其中保护动作结果可以通过2种方式来实现:一种是直接组态实时报警窗口；另一种是直接建立弹出提示界面,符合条件时弹出窗口提示。也可是两种方式的结合。

以进行断路器的遥控合闸操作为例。首先要对遥控操作建立变量,所用到的变量如表1所示；然后将变量与监控界面的控制开关单击事件关联,以便根据断路器的实际状态,对需要执行的操作弹出操作提示窗口,并根据执行的结果反馈在监控界面上,弹出操作结果提示窗口。

表1 显示遥控操作执行结果所需变量

因此,需要建立“遥控执行确认按钮”内部变量,建立“遥控合闸确认框”“遥控合闸成功确认框”“遥控合闸失败确认框”界面,并就“遥控执行确认按钮”置位事件编写命令语言,实现遥控操作监控。按下监控界面的控制开关,则执行断路器遥控操作,断路器执行合闸或分闸操作。此时“遥控执行确认按钮==1”操作事件存在,每100 ms执行如下命令语言,对操作结果进行判断,执行合闸操作后0.5 s则反馈结果,以弹出窗口的形式提示操作是否成功。

对遥控执行操作事件编程如下:

if(遥控执行确认按钮==1)

if(a<5)

{a=a+1;

if(a>=5)

{

if(M10==1&&Q01==1)showpicture(″合闸成功确认框″);

if(M10==1&&Q01==0)showpicture(″合闸失败确认框″);

if(M11==1&&Q00==1)

{showpicture(″分闸成功确认框″);

M13=0;

M14=0;

M40=0;}

if(M11==1&&Q00==0)showpicture(″分闸失败确认框″);

a=0;

}

程序中,M10、M11分别为合闸命令和分闸命令对应变量,M13、M14、M40分别为过流、失压、速断保护动作出口对应变量。

对于自动重合闸事件,如PLC重合闸执行元件变量名为M16,则组态M16报警定义,显示重合闸动作信息,同时编制M16置位事件,弹出重合闸动作成功与否的提示窗口。

3.3 连接调试

在组态的过程中,需要将PC机用通信电缆与PLC连接,也可通过通信接口与交换机连接[12-13],实现有线或无线通信。控制界面与实际设备连接进行调试,相当于在线调试。虽然前面已强调组态前先进行独立控制调试,当地控制已经成功,但在组态过程中又加入新的控制(PC机监控界面控制),而且在控制过程中可能是本地控制操作与监控界面控制操作交叉进行,则可能出现冲突或意想不到的情况。即使是相同的操作,如果操作顺序、时序不同,也可能出现不同的结果,即存在本地控制与监控界面操作配合的问题。所以需要在PLC编程、PC机控制组态、当地控制和遥控试验联合调试、验证,进行各种可能的操作、检验,这过程中需要多次反复,直至调试成功。为实现变电所测控屏上测控装置的监控功能,加入了触摸屏组态控制。

组态调试成功后,选中控制开关可以实现遥控操作，控制开关红绿灯显示断路器实际状态信号。可以在界面实现保护投退、整定值修改,试验和复归信号,实现重合闸和后加速保护跳闸等功能,发出事故信号并弹出相应报警窗口,可以在装置上通过按钮复归信号或在监控界面复归信号。

4 实际应用效果

4.1 测控装置完成组态调试后可进行的实验

(1) 断路器屏控操作系列实验。可以在控制板上通过控制开关执行分、合闸操作,或在触摸屏上进行操作,熟悉断路器基本控制电路、信号电路及控制要求；掌握各种连接片投退,如控制板上的跳闸压板、重合闸出口压板；掌握试验按钮及复归按钮的作用及操作等；掌握断路器二次控制电路的原理及接线。

(2) 后台监控机的操作实验。通过后台监控机的界面操作,掌握后台监控机的作用,掌握遥控、遥信、遥调、遥测的基本原理,掌握后台监控机界面与实际设备的对应关系,加深对远动控制端的理解。

(3) 继电保护系列实验。可以进行电流和电压保护系列实验,如过流保护、速断保护、失压保护等；不正常状态实验,如控制回路断线[14]、过负荷保护等实验；各种保护的参数整定、投入及退出控制等。加深对继电保护装置的理解,掌握事故信号与预告信号的区别。

(4) 自动装置实验。进行自动重合闸实验,模拟瞬时性故障及永久性故障,掌握重合闸动作及后加速跳闸的配合原理,掌握重合闸的作用及动作基本条件。

(5) 综合自动化系统的通信连接实验。通过通信电缆连接PLC、触摸屏、PC机、路由器或光纤交换机,掌握变电所综合自动化的通信连接设备及作用,加深对变电所综合自动化系统连接的理解。

(6) 组态控制实验。学习KingView组态过程,学习PLC、触摸屏、PC机的通信设置,控制界面的组态过程,提高编程设计能力。

(7) 模拟信号发生器实验。可以在没有电流源或电压源的情况下,按下鼠标、拖动监控界面右侧滚动条,上下移动调整其数值,就可以模拟输入电流/电压,模拟瞬时性或永久性故障,超过保护整定值时则相关保护会动作,并发出相应的信号,重合闸也会执行相应的动作。通过实验加深对继电保护动作逻辑的理解。

4.2 机车过流保护实例

由于机车启动电流很大,为此加入低压闭锁。假设线路最大负荷电流为2 000 A,接线系数为1,可靠系数取1.2,电流互感器变比为2 500,一次侧对应动作电流为2 400 A。

假设测量满量程为10 000 A,电流变送器对应输出10 V。由于PLC模拟量对应数字量为-32 000～32 000,则在PLC的VW10寄存器中将过流保护整定为7680(2 400 A对应电流变送器2.4 V),动作延时0.5 s(5存入VW0寄存器中,采用100 ms定时器),保护动作值可以在PLC程序中输入,作为初始值,也可以是其他数据。运行时,整定值可在触摸屏或后台监控界面直接修改。此例可在PC机监控界面输入2 400 A和0.5 s,同样在界面上将重合闸延时设为2 s,勾选低压闭锁、重合闸、过流保护投入选项。

当线路出现电流超过2 400 A时,在此用可用信号发生器模拟,调整输出电压以0.1 V的增量逐渐提高,电压加到PLC的模拟量输入端。当信号发生器输出显示为2.5 V时,则过流保护启动,延时0.5 s后断路器跳闸,绿灯熄灭,同时事故白灯亮,电笛发出事故音响,监控界面弹出报警提示,显示过流保护动作。重合闸经设定的2 s后动作,可以听到断路器重合动作的声音。动作成功与否取决于故障性质。瞬时性故障重合成功,红灯亮；永久性故障则重合后加速跳闸,红灯闪了一下又熄灭,绿灯亮。界面随即弹出重合闸动作成功与否的提示窗口,手动或自动可以解除事故音响,事故白灯人工复位,同时复归了保护。

5 结语

设计的测控装置通过PLC实现对断路器的控制及保护,利用触摸屏及PC机实现监控界面的组态,实

现了断路器的3处不同点控制,实现了断路器当地控制、遥控、保护及自动装置动作,实现了线路参数的监视过程,实现事故信号、预告信号功能。该测控装置可以完成断路器屏控操作系列实验、后台监控机的操作实验、继电保护系列实验、自动装置实验、综合自动化系统的通信连接实验、组态控制实验、模拟信号发生器实验。利用低压直流电源信号模拟线路的电压和电流,即使在没有信号源的情况下,也可以用监控界面的元件模拟线路的输入,完成各种保护动作。装置的控制及保护功能均经实验验证,触摸屏及后台监控机的控制及参数显示均与设计思路一致,证明系统设计符合馈线监控要求。整个测控装置融入了PLC编程控制、触摸屏控制组态、PC机监控组态技术,装置经济、体积小、连接简单,可方便组合、移动和携带,尤其适合培训学习使用。如果对该测控装置稍作改动,去除模拟部分,也可作为实际线路的监控使用。

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