基于PLC的ABB断路器控制程序设计

于 朝，王孙清，张 炜，李彬彬，郑恒持

基于PLC的ABB断路器控制程序设计

于 朝1, 2，王孙清1, 2，张 炜1, 2，李彬彬1, 2，郑恒持1, 2

（1. 中国船舶科学研究中心，无锡 214082；2. 深海技术科学太湖实验室，江苏无锡 214082）

第二代舰船综合电力系统输配电分系统采用中压直流供电方式，是舰船动力系统发展的趋势。而直流主网短路时，短路电流上升速度快，短路电流大，因此要求直流主网断路器有较强的分断能力。针对现有的支持中压直流、四遥功能的ABB断路器，本文设计基于PLC的断路器控制程序，实现断路器的实时监测、通断控制及整定值/延时时间的自动修改。通过试验调试，基于博途软件搭建的上位机监控界面实现了断路器的实时监测与控制，满足综合电力系统控制需要。

综合电力系统 中压直流 ABB断路器 四遥功能 PLC

0 引言

舰船综合电力系统将传统舰船中相互独立的动力与电力两大系统合二为一，以电能的形式统一为推进负载、通信、导航和日用设备等供电，实现了全舰能源的综合利用[1]。而随着综合电力系统技术的探索与发展，第二代综合电力系统中的输配电分系统采用中压直流供电方式[2]，这就要求综合电力控制系统能够根据电网状态，实时控制直流断路器通断，来快速切断电网故障区域。

舰船中压直流电力系统设备耦合紧密、线缆阻抗低，发生故障会在短时间内击穿大量电气设备。因此，中压直流断路器需要具有较强的分断能力与分断速度、较高的的耐压等级和限流能力。目前，ABB公司已经推出Tmax系列塑壳断路器，可实现长延时、短延时、瞬时保护，实时监测母线电压、电流等电气参数，再配合常用通信协议Modbus和电动操作机构，可以轻松实现四遥（遥测、遥信、遥调、遥控）功能[3]。

从上述可知，ABB塑壳断路器可满足综合电力系统输配电保护需求，因此，开展断路器四遥控制系统的应用研究和控制程序设计，以满足综合电力控制系统对断路器的实时监控要求，对提高综合电力系统的安全性具有现实意义。

1 控制系统设计

1.1 功能设计

综合电力控制系统能够对断路器进行实时控制，具体如下：①遥信功能：综合电力控制系统能够与ABB断路器通过Modbus协议进行实时通信，获取断路器采集的电压、电流等电气参数。②遥调功能：综合电力控制系统可实时调整断路器整定值和延时时间等参数。③遥控功能：综合电力控制系统能够根据电网状态实时控制断路器通断，从而改变电网拓扑结构或者切除电网故障区域。

1.2 控制原理

综合电力系统控制原理框图如图1所示。PLC是控制系统的核心，接收来自舰船电力系统的电网状态数据和断路器采集的电压、电流等电气参数，通过数据处理、逻辑运算和顺序控制等处理后，通过Modbus RTU协议输出相应控制指令到断路器，实现断路器通断及整定值、延时时间的控制；通过上位机实时监控电力系统及断路器运行状态并实时控制各电力设备[4]。

图1 综合电力系统控制原理框图

1.3 硬件选型与信号分配

综合电力控制系统需要实时采集电网运行状态、断路器运行状态以及对多个断路器进行实时控制。现以单个断路器监控为例，介绍PLC控制程序设计。

根据综合电力系统的控制方案，综合分析控制要求、输入输出点数和存储器容量，确定选用西门子ET 200SP型PLC作为控制器，配套数字量/模拟量输入及输出模块，485通信模块[5]。根据ABB断路器说明书编制通信接口表如表1所示。

表1 通信地址分配

2 控制程序设计

PLC运行时，485通信模块首先按照系统参数初始化，与断路器建立连接；其次，读取断路器整定值和延时时间设定值；然后，依次读取断路器采集的供电母线电压/电流值。当断路器需要实时控制或修改整定值/延时时间时，控制程序分别跳转到相应控制流程；控制流程结束后，重新跳转到步骤1，保证控制程序可循环运行。

图2 断路器控制流程图

2.1 遥信程序

为实现断路器的远程控制，PLC与断路器之间采用Modbus RTU协议建立通信，可实时获取断路器状态数据以及下发控制指令。本次断路器程序设计中，断路器通信地址为247，波特率为19200 bits/s，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。PLC通信配置程序如图3所示。

图3 PLC通信配置程序

2.2 遥测程序

ABB断路器可实时测量母线电压和电流数值，综合电力控制系统需要根据母线电压、电流值输出相应控制信号。因此，PLC需实时采集断路器测量的母线电压、电流值。PLC遥测控制程序如图3所示。

2.3 遥控程序

为实现对断路器通断及整定值修改等操作的控制，需要PLC向断路器下发相应的控制指令，当不同操作指令下发时，PLC自动将控制指令寄存器赋值相应的操作数值，断路器识别下发的控制指令后，执行对应的操作。具体的遥控程序如图5所示。

图4 PLC遥测程序

图5 PLC遥控程序

2.4 遥调程序

ABB断路器整定值及延时时间调整流程较为复杂，首先，需要下发进入编程模式指令；其次，下发需要修改的整定值及延时时间数值；然后，下发退出编程模式指令；最后，读取修改后的整定值及延时时间数值，验证是否修改完成。为了减轻操作人员的工作强度，设置自动修改流程，在上位机界面输入整定值及延时时间数值后，单击修改按钮，自动完成整定值修改流程，具体控制程序如图6所示。

3 上位机监控界面设计

为能够实时监测断路器状态，并实现断路器分合闸控制及整定值/延时时间设置，在博途软件中搭建触摸屏程序，通过在触摸屏与PLC之间建立HMI连接，实现PLC与触摸屏之间的数据交互。上位机监控界面主要实现的功能包括：断路器通断状态监测、电压/电流值监测、整定值/延时时间监测、断路器分/合闸控制、断路器进入/退出编程模式控制、整定值/延时时间手动及自动修改控制。具体界面如图7所示。

4 程序模拟与调试

程序仿真调试完毕后，开始搭建试验平台，为实现对ABB断路器的四遥控制，需要完成断路器储能线圈、分闸线圈、合闸线圈、电子脱扣器以及通信接口的线路连接，具体连接方式如图8所示。储能线圈供电后，可控制电机自动完成断路器的蓄能；分合闸线圈供电后，可通过远程指令实现断路器的分合闸操作。

图6 PLC遥调程序

图7 ABB断路器上位机监控界面

图8 ABB断路器接线图

按照ABB断路器接线图，完成断路器端子排接线后，将程序下载到PLC控制器内，启动博途软件内触摸屏仿真程序，通过上位机监控界面观测数据的准确性，并通过上位机监控界面来实现断路器通断控制及整定值/延时时间的修改。

图9 ABB断路器控制程序调试

5 结论

本文针对舰船综合电力系统输配电分系统中直流母线断路器控制程序进行设计，设计了以PLC为控制核心的ABB断路器四遥自动控制系统，设计了满足综合电力系统需求的断路器自动控制方式，完成了遥信、遥测、遥控、遥调等功能模块程序编制。试验调试结果表明，该控制程序可以实时监测断路器状态及数值变化，并能够及时完成断路器的通断控制及整定值/延时时间调整。通过试验调试观测，断路器通断控制响应时间在30 ms以内，整定值及延时时间修改响应时间在50 ms以内，可满足综合电力系统实时控制需要。

[1] 付立军, 刘鲁锋, 王刚等. 我国舰船中压直流综合电力系统研究进展[J]. 中国舰船研究, 2016, 11(1): 72-79.

[2] 王守相, 孟子涵. 舰船综合电力系统分析技术研究现状与展望[J]. 中国舰船研究, 2019, 14(2): 107-117.

[3] 何晓晖. 智慧电力成就电气美好未来[J]. 电气应用, 2020, 39(04): 6-9.

[4] 于朝, 王孙清, 李彬彬等.基于PLC的能量监测及管理系统设计[J]. 船电技术, 2022, 42(09): 39-42.

[5] 刘凌夫. 基于S7-1500 PLC的电石炉出炉机控制系统设计[J]. 电工技术, 2022, (08): 14-16.

Design of PLC control program for ABB circuit breaker

Yu Zhao1, 2, Wang Sunqing1, 2, Zhang Wei1,2, Li Binbin1, 2, Zheng Hengchi1, 2

(1. China Ship Scientific Research Centre, Wuxi 214082, Jia ngsu；2. Taihu Laboratory of Deepsea Technological Science, Wuxi 214082, Jiangsu)

TM561

A

1003-4862（2023）08-0062-03

2023-01-01

于朝（1994-），男，工程师。研究方向：能量监测及管理。E-mail：694752200@qq.com