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采用ABB的工控产品组建智能型低压开关柜
xiao_xiao1 发表于 2009/5/21 13:17:47 450 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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0 引 言
目前,低压开关柜广泛使用各种电气逻辑控制和微机数字设备,实现远程测控、调节和信息查询。远程测控中包括遥测、遥信、遥调和遥控等操作,“四遥”已成为智能型低压开关柜中基本和必备的功能。
一级配电设备动力配电中心( PC)低压开关柜和二级配电设备电动机控制中心(MCC)的低压开关柜,在智能化方面有以下基本要求: ①智能装置与通信管理中心(CCU)之间建立数字通信连接和信息交换控制管理, CCU与上位监控系统之间也建立数字通信连接和信息交换控制管理; ② 对进线、母联等重要断路器按备自投(BZT)的电气逻辑要求实施投退操作; ③上位系统可通过信息管理通道发布对电动机的起动、变速、停运及重起动等控制命令,还可获取各种运行参数及状态信息; ④全系统的工况包括电力系统的实时与历史运作数据。通过人机界面(HM I)实时地反映给操作者。
在实际运作过程中,由工控设备和开关设备组合实现“四遥”前端操作,逻辑控制和通信管理由PLC实现,人机界面则作为人机对话单元。
本文对如何利用ABB 的工控元件组建智能化低压开关柜的相关技术进行探讨,并对PLC中相关的程序过程进行适当的描述。
1 主要工控元器件
(1) EM-Plus是ABB的电力智能仪表,它一般用于0. 4 kV的进线回路。
(2) EM一般用于低压母联和低压馈电回路的遥测。
(3) RSI32 /RCM32 /RCU16用于低压馈电回路的遥测、遥信和遥控。
(4) M102-M和M102-P电动机测控综保单元。用于Modbus总线和Profibus-DP总线。
(5) AC31系列PLC的主机07KR51用于建立逻辑控制和RS-485 /Modbus信息交换。
(6) ABB的AC500系列PLC PM581-ETH用于构建通信管理中心。
2 PC的智能型低压开关柜
一般低压开关柜采用继电器建立电气逻辑控制关系,它存在继电器较易损坏、触点抖动、线路复杂和数据发送困难等问题。利用PLC能够彻底地解决上述问题。解决的要点为: ①建立总线系统,解决“四遥”前端信号的采集、传递的通道问题; ②利用智能仪表采集各种电参量,各种数字信息通过通信总线传递给上位电力监控系统;③系统中设置手动和自动操作模式,方便操作控制; ④ 控制程序对所采集各种电参量进行解读、分析和处理,除供自身使用外,还可将各种信息加上SOE时间标签后发送给上位系统; ⑤利用PLC可建立冗余的控制逻辑、总线体系和通信管理,提升了系统的智能化及可靠性。
2. 1 三进线两母联智能型低压开关柜固件配置
三进线两母联低压系统(见图1)各路进线回路和母联回路采用万能式断路器,进线回路的电力仪表采用EM-Plus,母联回路的电力仪表采用EM。QF4的逻辑控制单元采用07KR51,其余断路器的逻辑控制单元采用ICMK14F1。
在每段母线中配套安装了多路塑料外壳式断路器馈电回路和1套电容补偿开关柜。馈电回路的信息采集装置为RSI 32、RCM 32和RCU 16,电容回路的测控仪表采用RVT。馈电回路监测开关和保护动作状态及单相输出电流,执行遥控分闸操作。
系统中配置了发电机进线断路器。当任两路市电失压时起动发电机对系统供电;当两路以上市电恢复后则由市供电,同时关闭发电机。发电机的起停由备自投程序负责。
在开关柜的母联回路中安装了CCU及HMI等设备。其中,逻辑控制单元为07KR51,通信单元为07KP53, CCU为PM5812ETH, HM I为CP450-ETH。上位电力监控系统需要采集开关柜中的所有信息,并通过以太网与CCU交换信息。
开关柜内的总线采用RS-485 /Modbus-RTU接口和规约。
2. 2 系统控制电气逻辑说明
I段进线接线如图2所示。QF1 的D I/DO信息接入远程单元ICMK14F1中, KC和KO为合闸与分闸出口继电器。
PLC的工作电源由3套市电进线端经继电器互投构成的WK工作电源。建立WK工作电源的目的是防止因为某段进线出现失压而使PLC系统掉电。
EM2Plus的通信接口接入COM3 /COM4 环形通信总线,而远程功能扩展单元ICMK14F1的通信接口则连接到07KR51的CS31总线。
2. 3 现场通信网络
系统中配置了2套命名为1CCU和2CCU的07KR51和07KP53组合。1CCU的COM2 设置为RS-485 /CS31 总线接口, 速率为187. 5 kb / s。COM2 连接远程扩展单元ICMK14F1,由此将6台断路器的自动操作互相关联起来。现场通信网络如图3所示。
常态下BZT将COM3 设置为主用,而COM4设置为备用,故COM4 处于高阻态,此时的环状总线实质为起始于COM3 的链状总线;当BZT侦测到COM3 发生通信故障后,立即将COM3 设置为备用,同时将COM4 设置为主用,这样,环状通信总线变为起始于COM4的链状总线;当通信回路的中间某处发生断路时,BZT还可将COM3 和COM4同时设置为主用,形成两条分别起始于COM3 和COM4 的链状总线与子站交换信息。
07KR51与智能装置之间的通信速率为19. 2kb / s,而07KR51与PM5812ETH之间的通信速率为0. 96～750 kb / s。
电力监控系统在以太网上用Modbus-TCP从PM5812ETH中获取数据定义表。
2. 4 BZT软件功能
BZT的互锁逻辑是以电力系统状态的方式隐含的,BZT依据电力系统的状态进行断路器的投
退操作。BZT程序流程如图4所示。
2. 5 PM5812ETH与人机界面CP4502ETH
PM5812ETH 通过COM2 通信接口与HMICP450-ETH连接起来。
在HM I中,操作者可读取所有被监测的遥信、遥测和遥调参量,并可执行遥控操作。
3 智能型低压开关柜
MCC与PC相比,有如下不同: ①MCC的重点在电动机综保单元MCU与CCU的信息处理和信息交换上; ② 在MCC的通信组网中更加注重于MCU与CCU的快速信息传输。
利用ABB 的M1022M电动机综保单元配套PLC和HM I,按Modbus总线方案构建MCC的智能化系统。
3. 1 固件组成
3. 1. 1 M1022M的标准接线
在MCC型低压开关柜中通常配置了数百套电动机回路。其中M1022M的RS-485通信接口数量为2 套。M1022M采集系统的输入电压、输出电流和零序电流等参量,还采集断路器、接触器、外部互锁接点等遥信参量,M1022M据此获取了表征电动机运行工况的全部信息资料。DCS系统可经过通信管理中心CCU获取这些信息资料,还可对电动机实施遥控操作。
3. 1. 2 使用Modbus总线的网络结构
系统有上位监控系统、通信管理中心和MCC开关柜现场3个工作层面(见图5) 。
(1) 上位监控系统。包括过程控制系统DCS和变电站电力监控系统SCADA。
(2) CCU。其任务是,将来自现场层面的各种数据打包传输给SCADA和DCS,同时,将来自SCADA和DCS的控制信息发送到相关的MCC开关柜现场。CCU的主要部分由PM581-ETH及其附件构成。AC500 的以太网通信模块CM577-ETH具有1 套RJ45 接口, 通过该接口PM581-ETH与SCADA 和DCS交换数据, 通信协议是Modbus-TCP,传输速率为10 Mb / s。上位监控系统在以太网上通过IP地址区分MASTER-CCU和SLAVE-CCU。HMI通过PM581-ETH的本体以太网连接到MASTER-CCU和SLAVE-CCU。
(3) MCC开关柜现场。其任务是,建立冗余的信息访问通道,通过对MCU单元的循环访问使CCU获得所需信息。
3. 2 CCU与MCU之间的访问机制描述
常态下CCU 与MCU 之间的访问是通过MASTER2CCU通道进行的。
平时MASTER-CCU与M1CCU进行正常的数据交换,经过交换获得的数据在MASTER-CCU中打包保存。在常态下,MASTER-CCU中的正常工作标志NORMAL 有效, SLAVE-CCU 检测到MORMAL有效后,定时从MASTER-CCU 的数据区中获取数据来更新自己的数据区。
CP450-ETH也不断检测MASTER-CCU 的状态标志NORMAL 是否有效,在NORMAL 有效的状况下,人机界面从MASTER-CCU中获取信息并形成各种功能界面供操作者使用。
当MASTER-CCU发生故障时NORMAL = 0,则SLAVE2CCU 启动相关进程与S1CCU 交换信息,并且从S1CCU获取M1022M的数据。人机界面的交换信息也发生类似的变更; 若MASTER-CCU死机,则必须由上位系统对SLAVE-CCU 发布启动命令。
当MASTER-CCU 故障解除后, SLAVE-CCU在侦测到NORMAL = 1 后立即执行更新MASTER-CCU的数据区的操作, 之后MASTER-CCU重新开始执行管理中心工作,系统恢复为原状态。
在正常工作状态下,若M1CCU 与某路MCU的通信发生故障,则系统将自动记录该MCU的地址数据, 然后从SLAVE-CCU /S1CCU 通道与该MCU建立信息交换通道,并将信息传递给MASTER-CCU的对应数据区中; 同时MASTER-CCU和M1CCU中都将出现报警信息,DCS/SCADA能根据报警信息得知故障原因及当前通信状态。
MCC开关柜的Modbus总线方案2程序流程如图6所示。
4 结 语
本文描述了如何利用ABB 的工控产品构建MCC低压智能开关柜的智能化系统,简要地介绍了系统的网络结构和通信机理。
MCC智能型低压开关柜与PC智能型低压开关柜在组建通信系统方面有很大的不同。当PLC应用在MCC智能型低压开关柜中时,低压开关柜对PLC组件的要求如下: ①在MCC开关柜中,主要利用PLC强大的通信功能,而对D I/DO等信息几乎无需求; ②在MCC开关柜中,一般都要求建立冗余的通信网络和冗余的主从通信控制机制。