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案例頻道0．概述
“智能化開關柜”是近年在國內出現的新名詞，它與計算機技術、數據處理技術、控制理論、傳感器技術、通信技術（網絡技術）、電力電子技術等的發展密切相關，是一個不斷發展與變化的概念。
低壓開關柜在大幅提高容量和可靠性的同時，廣泛采用遠程測控、遠程調節和遠程信息查詢等技術，而在實際運作過程中，一般由工控和電器設備組合實現“四遙- 遙信、遙測、遙脈、遙控”前端操作，而邏輯控制和通信管理則由PLC實現，PLC 的高可靠性和方便性是人所共知的，利用PLC 進行低壓電力系統操作比較起傳統的時間繼電器方式顯然要先進的多。本文將對ABB 的PLC進行性能介紹，同時結合相關工程案例，對如何利用ABB的PLC組建智能化低壓開關柜的相關技術進行介紹與討論。
1. ABB 的AC31、AC500系列PLC 基本概述
1.1 ABB AC31系列PLC
ABB 的AC31系列PLC 共包括3 種下屬系列產品，即40 系列、50 系列和90 系列。40 系列PLC與50 系列PLC 在外型和應用上完全一致，但40系列產品不支持CS31 和MODBUS 通信。
50系列CPU最多可連接6套本地功能擴展單元，遠程功能擴展單元ICMK14F1與CPU類似也最多可連接6套本地功能擴展單元。CPU單元與 ICMK14F1之間通過RS485-CS31總線連接，最大連接數量為32套ICMK14F1，最大I/O擴展能力為2000點。通信介質為一般的 RVVP-2X0.7雙絞通信線。
ABB的AC31-50系列PLC具有如下特點：
雖然低壓開關柜中每個具體回路中的DI、DO、AI數量并不多，但因開關柜內的回路總數較多因而累加點數較多。最適合于低壓開關柜使用的PLC是本體點數足夠且具備本地和遠程擴展能力的固件類型。AC31-50系列PLC結構特征正好滿足低壓開關柜的實際需求。
在總線通信方面，AC31-50系列PLC具有4套的通信接口，其通信速率可選范圍從9600bps至750Kbps，完全能滿足現場需求。
其編程環境符合IEC61131-3標準。
具有較高的性價比
1.2 ABB AC500系列PLC
繼AC31可編程控制器后，推出的全新可升級可編程控制器AC500。與其他同類產品相比，在產品的功能和規模方面都有我們一些獨有的優勢和特點。
首先,AC500系列產品的功能靈活、可拓展性強。傳統PLC產品的小型、中型和大型的軟硬件差別非常大，系統的拓展性很有局限。而我們AC500僅通過 5種不同內存和速度的CPU中央處理單元就可以實現系統的全面升級。這依賴于AC500可編程控制器特有的模塊化結構，把小型系統擴展到中大型系統， CPU底板、I/O模塊、通訊模塊，甚至編程環境都是通用的，系統升級換代只需要換一個CPU單元，無需更換系統軟硬件，這樣可以保護客戶的現有投資。
其次在總線通訊方面的卓越表現，我們有通用的FBP總線技術，可以并行連接不同的總線系統，可同時支持Profibus-DP, Modbus, CANopen和DeviceNET等各種不同的總線類型。
再有就是產品I/O模塊的通用性好，一方面I/O模塊采用和底板分離的結構，可實現工程預接線，給系統集成帶來極大方便；
另一方面表現在ABB在普通的模塊上集成可設置I/O功能，即這些I/O既可以用作輸入，也可以用作輸出，這是完全由用戶自己來決定的自由I/O。
AC500用于構建通信管理中心，在應用時需要配備底板、存儲器、電池及各種接口等附件。一般選擇集成以太網口的CPU單元，將RJ45通信接口與上位系統連接，而本體的2個COM接口則分別連接到人機界面與通過CS31總線連接AC31-50系列PLC單元。
通信管理中心通過以太網與上位系統以10-100MB的速率交換信息。通信規約采用以太網上的MODBUS/TCP，也可使用OPC(OLE for process control)方式交換信息。
AC500系列PLC的編程環境符合IEC61131-3標準。
2. ABB 的AC31系列PLC 在低壓智能開關柜中的應用案例
使用ABB公司的AC31系列PLC作為低壓備自投的控制元件，PLC型號為07KR51（主機）和ICMK14F1（遠端功能擴展單元）。
2.1 應用案例一：低壓電網系統備自投PLC配置
以下是低壓電網系統的控制要求：
進線開關、母聯開關設置自動投入裝置，開關間要實現聯鎖，保證在任何情況下不得三臺開關同時處于合閘狀態(母線故障不允許母聯自動投入)。
兩臺進線開關和三級負荷總開關間要實現聯動。任何一臺進線電源故障時，斷開兩段母線上的三級負荷總開關后，母聯開關才能合閘；當進線電源恢復正常，母聯開關斷開后，三級負荷總開關才能合閘。
上述功能采用可靠性高的工業型PLC控制或智能模塊實現。
進線回路設置顯示燈和2個合分閘按鈕；母線分段回路設置1個遠方/就地選擇開關、1個操作模式選擇開關、2個合分閘按鈕和2個顯示燈；在三級負荷總開關上設置2個顯示燈和2個合分閘按鈕。
當母線分段回路設置的遠方/就地選擇開關置于“就地”時，全系統5臺斷路器均為手動按鈕操作；反之，當母線分段回路設置的遠方/就地選擇開關置于“遠方”時，全系統5臺斷路器均為自動操作。遙控操作模式被包括在自動模式中。
當母線分段回路設置的操作模式選擇開關置于“手投自復HA”、“自投手復AH”、“自投自復AA”和“遙控R”，全系統5臺斷路器均置于同種操作模式。其低壓電網系統備自投PLC元器件配置方案見表1所示。
表1 低壓電網系統備自投PLC元器件配置方案
其PLC硬件系統的網絡拓撲圖如圖4所示：
圖 4 AC31-50系列PLC應用于智能開關柜的硬件系統網絡拓樸圖
其中07KR51安裝在母聯柜。
ICMK14F1與07KR51的DI輸入與RL輸出接口完全一致，均為8IN/6RL。
07KR51與ICMK14F1之間的最大通信距離為500米，通信速率為187Kbps，通信介質采用屏蔽雙絞線。
07KR51與SCADA之間采用RS485/MODBUS總線，通信速率為9600bps。
CS31總線的連接對象為PLC的主機和遠程擴展單元，該總線是PLC內部使用的高速通信總線。CS31總線上規定主站（07KR51）地址一律為62，而從站（ICMK14F1）的地址從1至61。
07KR51與SCADA的通信總線符合RS485/MODBUS規約，其中07KR51為從站，其地址為MODBUS-SLAVE1。
下表為各種操作模式下的程序進程順序： 
表 2 各種操作模式下的程序進程順序表
2.2 應用案例二：兩進線單母聯低壓系統備自投PLC 硬件配置類型(BZT1 類型)
若兩進線斷路器與母聯斷路器相隔較遠，例如在同一排柜體兩側或在不同排，此時采用遠程功能擴展模塊ICMI14F1 配合PLC 主機07KR51 較為方便。兩進線回路使用ICMI14F1，而母聯回路使用07KR51，系統間省卻了互鎖、聯絡、控制和信號等等接線，僅僅敷設一條雙絞通信線即可。 PLC元器件配置方案見表3所示
若兩進線斷路器與母聯斷路器相隔較近，例如在同一排柜體或相鄰，此時采用功能擴展模塊XI16E1 配合PLC 主機07KR51 較為方便。但是系統間的互鎖、聯絡、控制和信號等等接線必須引入PLC，給控制線路的設計和實際接線帶來一定的困難。從圖6中可以看出，所有的輸入開關量信息均引入到功能擴展模塊XI16E1 中，而所有的輸出控制量信息均來自于PLC 主機07KR51。在實際使用中輸入接口可以通盤考慮： PLC 主機加上功能擴展模塊總共有24 個開關量輸入點。每個斷路器有5 個輸入點（斷路器狀態、斷路器保護動作狀態、低電壓信號、合閘按鈕信號、分閘按鈕信號），自動/手動選擇開關和操作方式選擇開關（手投手復、手投自復、自投手復和自投自復操作模式）共4 個點，合計共19個輸入點。這19 個點可以按順序從07KR51 到XI16E1 依次編排。
在一般的低壓開關柜中往往采用各種繼電器來建立電氣邏輯控制關系。繼電器雖然廉價但較易損壞，還存在觸點抖動、線路復雜和數據發送困難等問題。利用ABB公司PLC能夠徹底地解決上述問題，要點如下：
在智能開關柜內建立總線系統，徹底解決四遙前端信號的采集、傳遞的通道問題
利用智能儀表采集各種電參量，以數字信息通過信息交換的方式傳遞給上位系統
系統中設置手動和自動操作模式，方便電力工作人員的操作控制
控制程序對所采集各種電參量進行解讀、分析和處理，除供自身使用外，還可將各種信息加上SOE時間標簽后發送給上位系統
利用PLC可以建立冗余的控制邏輯、冗余的總線體系和冗余的通信管理體系，極大地提升了系統的智能化程度及可靠性程序
3.1 應用案例一：組建PC動力配電中心---三進線兩母聯智能型低壓開關柜
3．1．1．固件配置
通信管理中心將所有電力信息通過以太網發送給上位電力監控系統。
現場總線采用RS485/MODBUS-RTU接口和規約。
各路進線和母聯采用框架斷路器，其中進線的電力儀表采用EM-PLUS，母聯的電力儀表采用EM。進線回路采集的電參量包括：U/I/P/Q/PF/F/KWh/KVarh以及諧波分量。
對各段母線中的饋電回路配置RSI32、RCM32、和RCU16實施測控，對電容回路的測控儀表采用RVT。
饋電回路需要測控的量包括：開關狀態和保護動作狀態、單相電流、執行遙控分閘操作。
系統中配置了發電機進線斷路器。當任兩路市電失壓時啟動發電機對系統供電，當兩路以上市電恢復后則恢復由市電對系統供電，同時關閉發電機。發電機的起停由備自投程度負責。
3．1．2．組建現場通信網絡
系統中配置了2套07KR51和07KP53組合，2套PLC組合分別被命名為1CCU和2CCU。其系統原理拓樸圖見圖8所示。
1CCU的COM3和COM4連接了重要的電力測量儀表并且形成環狀通信總線網絡，從而將通信鏈路的可靠性提到最高。重要的電力測量儀表包括：EM-PLUS、EM、RVT等等。
1CCU的COM1通信接口連接到通信管理中心PM581-ETH。
2CCU的COM2、COM3和COM4連接了饋電回路的開關量監測單元、模擬量監測單元和遙控繼電器單元，2CCU的COM1通信接口連接到通信管理中心PM581-ETH。
通信管理中心PM581-ETH的COM1與2套07KR51的COM1通信接口連接起來并交換信息，PM581-ETH的COM2通信接口連接到人機界面CP450-ETH，PM581-ETH的RJ45接口連接到以太網的交換機上與DCS/SCADA/BA等電力監控系統交換信息。
1CCU的COM3/COM4構成的環狀通信總線從07KP53的COM3開始，經過各種智能儀表后返回到07KP53的COM4。由于BZT已經將 COM3設置為主用接口而COM4設置為備用接口，所以COM4接口處于高阻態而完全不影響通信環路的正常工作，此時的環狀總線實質為起始于COM3的鏈狀總線；當BZT偵測到COM3通信接口發生通信故障后，立即將COM3設置為備用接口，同時將COM4設置為主用接口。這樣，環狀通信總線改變為起始于 COM4的鏈狀總線；當通信換路的中間發生斷路時，BZT還可將COM3/COM4同時設置為主用，形成兩條分別起始于COM3和COM4的鏈狀總線與子站交換信息。
以環狀通信總線方式組建的通信網絡能夠實現最高的可靠性。
系統中的現場鏈路通信速率為19.2Kbps，而07KR51與PM581-ETH通信鏈路的通信速率在9600bps至750 Kbps間可選。
1CCU的COM2接口設置為RS485/CS31總線，其通信速率為187.5 Kbps。
三進線兩母聯智能型低壓開關柜元器件配置見表4
MCC電動機控制中心與饋電控制中心PC不同之處在于以下2點：
MCC的重點在電動機綜保單元MCU與通信管理中心CCU的信息處理和信息交換上，而PC的重點在備自投控制上。
在MCC的通信組網中，更加注重于如何使大量的MCU單元與CCU單元實現快速信息交換；在PC的通信組網中，則更注重于可靠地獲取信息及下達各種控制命令，對通信速率要求則不高。
以下將利用ABB的M102-M/M102-P電動機綜保裝置配套PLC和人機界面，按MODBUS總線方案和PROFIBUS-DP總線方案構建MCC電動機控制中心的智能化系統。
3.2.1 使用MODBUS總線的網絡結構
系統有3個工作層面：上位監控系統層面、通信管理中心層面和MCC開關柜現場層面。系統網絡拓樸圖如圖9所示。
上位監控系統層面包括過程控制系統DCS和配電站電力監控系統SCADA。上位監控系統從通信管理中心通過以太網獲取信息，經過處理后提供給工程師工作站的操作人員，同時接收操作命令并下發到通信管理中心。
通信管理中心層面
通信管理中心層面的任務是：將來自MCC開關柜現場層面的各種數據用MODBUS-TCP通信規約通過冗余的以太網打包傳輸給SCADA和DCS，同時，將來自SCADA和DCS的控制信息發送到相關的MCC開關柜現場層面。
在通信管理中心層面中，CCU的主要由ABB公司的中型PLC：PM581-ETH及其附件構成。其中CCU主站和CCU從站分別被命名為MASTER-CCU和SLAVE-CCU。
AC500的以太網通迅接口與SCADA和DCS進行數據交換，通信協議是MODBUS-TCP，傳輸速率為10－100Mbps。
上位監控系統在以太網上通過IP地址區分MASTER-CCU和SLAVE-CCU，CCU主站和CCU從站構成了完全獨立的上行冗余配置。
人機界面也通過以太網連接到MASTER-CCU和SLAVE-CCU。
MCC開關柜現場層面
MCC開關柜現場層面的任務是：建立冗余的信息訪問通道，通過M1CCU/S1CCU對MCU單元的循環訪問和信息交換使得CCU系統獲得信息資料。
AC31主機07KR51增加通信擴展單元07KP53后共有4套RS485/MODBUS通信接口，其中COM1與AC500進行信息交換，COM1的通信速率為750Kbps；通信接口COM2、COM3和COM4分別接MCU，其通信速率為19.2Kbps。
若按照每條通信鏈路通道掛接16個MCU來計算，由M1CCU/S1CCU組成的系統總共可掛接48個MCU模塊。若每個MCU信息幀的數據區為20個字，當通信速率為19.2Kbps時，M1CCU/S1CCU訪問單個MCU需時25.8毫秒。考慮到系統等待的時間，則M1CCU/S1CCU遍歷訪問某通道內16個MCU需時不大于0.6秒。因為M1CCU/S1CCU對3個RS485通道的信息交換是并行的，即3個通道的數據交換可以同時進行，所以 M1CCU/S1CCU遍歷訪問48個MCU需時也不大于0.6秒。
每條通信鏈路上掛接的MCU數量上限是25個，兩套AC31總共可掛接75個MCU，此時通信遍歷時間將增大到0.79秒。
MASTER-CCU/SLAVE-CCU連接M1CCU/S1CCU的最大數量是25套。
使用MODBUS總線的網絡結構組建智能型低壓開關柜元器件配置見表5
與MODBUS方案類似，在PROFIBUS-DP方案中也有3個工作層面：上位監控系統層面、通信管理層面和MCC開關柜現場層面。其網絡拓樸圖如圖10所示。
通信管理中心層面
為了連接PROFIBUS-DP總線， AC500的底板中增加了2塊CM572-DP通信擴展單元作為2套RS485/PROFIBUS-DP的主站。
PROFIBUS方案的CCU單元與MODBUS方案類似,，但取消了中間環節M1CCU和S1CCU。
MCC低壓開關柜現場層面
MCC低壓開關柜現場層面的任務是為MCU建立PROFIBUS鏈路。若被連接的MCU采用DPV0數據格式，則每條鏈路最多可掛接MCU的數量為64套；若被連接的MCU采用DPV1數據格式，則每條鏈路上最多可掛接MCU的數目為32套。
本方案中PROFIBUS-DP總線的傳輸速率為1.5Mbps。PROFIBUS方案的CCU與MCU之間的訪問機制與MODBUS方案類似，此處不再敘述。使用PROFIBUS-DP總線的網絡結構組建智能型低壓開關柜元器件配置見表6
依據電力系統的狀態進行斷路器等的投退操作，主要包括以下程序段：
【輸入信息處理】處理各種開關量輸入信息的延遲判誤操作。
【時鐘和計時管理】處理PLC內部時鐘對時，管理年、月、日、時、分、秒和毫秒計時。
【通信接口管理和驅動】對串口的ID地址、通信接口規約、發送字節格式、數據區地址等操作進行管理。
【模擬量處理】處理來自智能儀表的模擬量信息，對三相電壓、電流等信息進行與或處理和越限操作處理。
【手動操作管理和控制】當選擇手動操作模式時，當系統出現低電壓時執行跳閘操作。
【自動操作管理和控制】當選擇自動操作模式時，進行自投自復、自投手復、手投自復操作。
【出口繼電器驅動程序】執行出口操作任務，具有脈沖輸出功能。
【數據包打包和發送管理】對發送到SCADA的數據進行打包處理，數據存放在固定的數據區；
管理和編制向SCADA發送的信息字，解讀和執行SCADA發送的遙控
命令字。
【冗余通信環路管理與驅動】建立冗余通信環路和通信機制。
SOE是對斷路器發生變位的時間進行記錄。SOE需要PLC提供一個時鐘，程序中的時鐘為UHR軟件模塊：
在圖12中，模塊UHR的右側即為時鐘輸出的秒、分、時、日、月、年和星期。圖中所示的UHR時鐘日期和時間記錄為：星期日、06年7月23日17時44分30秒。
程序將時鐘記錄整理為當前日期和時間，分別為當前年月CURRENT_YY_MM、當前日時CURRENT_DD_HH、當前分秒CURRENT_MM_SS。
當QF1發生變位時，其上跳沿和下跳沿分別觸發相應的邊沿檢測軟件模塊I+和I-，而后啟動QF1_SOE轉移程序進行QF1的變位SOE記錄。程序如圖13所示。
SOE中的數據保持到下一次發生變位，同時，當SCADA讀取SOE數據后可將SOE數據清零。
SOE清零程序如圖14所示：
程序對QF1到QF5的斷路器狀態和保護動作狀態都進行SOE記錄。
5. 結語
當PLC應用在MCC智能型低壓開關柜中時，低壓開關柜對PLC組件的要求如下：
在MCC開關柜中，主要利用PLC強大的通信功能，而對DI/DO等信息幾乎沒有需求。
在MCC開關柜中，一般都要求建立冗余的通信網絡和冗余的主從通信控制機制。
與DCS主從無縫冗余切換不同的是：當某CCU主機發生故障時，系統要求在數秒內切換至CCU從機即可，并不要求PLC主從機之間進行無縫冗余切換。
主從無縫冗余切換是指：當發生切換時，其程序運行指針、寄存器等運行參變量均在一個指令期間進行了平行移動，外部系統僅僅從報警信息中知道發生了主從切換，控制端和受控端在任何操作進程中都完全感覺不到主從切換操作。
冗余切換方式被稱為“主從邏輯冗余切換”。ABB的AC500系列PLC屬于中型機，其強大的控制功能和技術指標能夠恰到好處地實現主從邏輯冗余切換。
現場總線要求和通信速率要求
往往MCC智能型低壓開關柜中的總線體系是根據DCS的現場總線一致的，且對通信速率有一定的要求。本文介紹的RS485/MODBUS總線方式和RS485/PROFIBUS-DP總線方式能夠滿足大多數場合的使用。
----摘自工控網
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號