ABB 可编程控制器(PLC)及其在低压智能开关柜的应用

0．概述 “智能化开关柜”是近年在国内出现的新名词，它与计算机技术、数据处理技术、控制理论、传感器技术、通信技术（网络技术）、电力电子技术等的发展密切相关，是一个不断发展与变化的概念。 低压开关柜在大幅提高容量和可靠性的同时，广泛采用远程测控、远程调节和远程信息查询等技术，而在实际运作过程中，一般由工控和电器设备组合实现“四遥-遥信、遥测、遥脉、遥控”前端操作，而逻辑控制和通信管理则由PLC实现，PLC 的高可靠性和方便性是人所共知的，利用PLC 进行低压电力系统操作比较起传统的时间继电器方式显然要先进的多。本文将对ABB 的PLC进行性能介绍，同时结合相关工程案例，对如何利用ABB的PLC组建智能化低压开关柜的相关技术进行介绍与讨论。

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 种下属系列产品，即40 系列、50 系列和90 系列。40 系列PLC与50 系列PLC 在外型和应用上完全一致，但40系列产品不支持CS31 和MODBUS 通信。 50系列CPU最多可连接6套本地功能扩展单元，远程功能扩展单元ICMK14F1与CPU类似也最多可连接6套本地功能扩展单元。CPU单元与ICMK14F1之间通过RS485-CS31总线连接，最大连接数量为32套ICMK14F1，最大I/O扩展能力为2000点。通信介质为一般的RVVP-2X0.7双绞通信线。 ABB的AC31-50系列PLC具有如下特点：  虽然低压开关柜中每个具体回路中的DI、DO、AI数量并不多，但因开关柜内的回路总数较多因而累加点数较多。最适合于低压开关柜使用的PLC是本体点数足够且具备本地和远程扩展能力的固件类型。AC31-50系列PLC结构特征正好满足低压开关柜的实际需求。  在总线通信方面，AC31-50系列PLC具有4套的通信接口，其通信速率可选范围从9600bps至750Kbps，完全能满足现场需求。  其编程环境符合IEC61131-3标准。  具有较高的性价比

1.2 ABB AC500系列PLC 继AC31可编程控制器后，推出的全新可升级可编程控制器AC500。与其他同类产品相比，在产品的功能和规模方面都有我们一些独有的优势和特点。 首先,AC500系列产品的功能灵活、可拓展性强。传统PLC产品的小型、中型和大型的软硬件差别非常大，系统的拓展性很有局限。而我们AC500仅通过5种不同内存和速度的CPU中央处理单元就可以实现系统的全面升级。这依赖于AC500可编程控制器特有的模块化结构，把小型系统扩展到中大型系统，CPU底板、I/O模块、通讯模块，甚至编程环境都是通用的，系统升级换代只需要换一个CPU单元，无需更换系统软硬件，这样可以保护客户的现有投资。 其次在总线通讯方面的卓越表现，我们有通用的FBP总线技术，可以并行连接不同的总线系统，可同时支持Profibus-DP, Modbus, CANopen和DeviceNET等各种不同的总线类型。 再有就是产品I/O模块的通用性好，一方面I/O模块采用和底板分离的结构，可实现工程预接线，给系统集成带来极大方便； 另一方面表现在ABB在普通的模块上集成可设置I/O功能，即这些I/O既可以用作输入，也可以用作输出，这是完全由用户自己来决定的自由I/O。 AC500用于构建通信管理中心，在应用时需要配备底板、存储器、电池及各种接口等附件。一般选择集成以太网口的CPU单元，将RJ45通信接口与上位系统连接，而本体的2个COM接口则分别连接到人机界面与通过CS31总线连接AC31-50系列PLC单元。 通信管理中心通过以太网与上位系统以10-100MB的速率交换信息。通信规约采用以太网上的MODBUS/TCP，也可使用OPC(OLE for process control)方式交换信息。 AC500系列PLC的编程环境符合IEC61131-3标准。

2. ABB 的AC31系列PLC 在低压智能开关柜中的应用案例 使用ABB公司的AC31系列PLC作为低压备自投的控制元件，PLC型号为07KR51（主机）和ICMK14F1（远端功能扩展单元）。 2.1 应用案例一：低压电网系统备自投PLC配置

以下是低压电网系统的控制要求：  进线开关、母联开关设置自动投入装置，开关间要实现联锁，保证在任何情况下不得三台开关同时处于合闸状态(母线故障不允许母联自动投入)。  两台进线开关和三级负荷总开关间要实现联动。任何一台进线电源故障时，断开两段母线上的三级负荷总开关后，母联开关才能合闸；当进线电源恢复正常，母联开关断开后，三级负荷总开关才能合闸。  上述功能采用可靠性高的工业型PLC控制或智能模块实现。  进线回路设置显示灯和2个合分闸按钮；母线分段回路设置1个远方/就地选择开关、1个操作模式选择开关、2个合分闸按钮和2个显示灯；在三级负荷总开关上设置2个显示灯和2个合分闸按钮。 当母线分段回路设置的远方/就地选择开关置于“就地”时，全系统5台断路器均为手动按钮操作；反之，当母线分段回路设置的远方/就地选择开关置于“远方”时，全系统5台断路器均为自动操作。遥控操作模式被包括在自动模式中。 当母线分段回路设置的操作模式选择开关置于“手投自复HA”、“自投手复AH”、“自投自复AA”和“遥控R”，全系统5台断路器均置于同种操作模式。其低压电网系统备自投PLC元器件配置方案见表1所示。

表1 低压电网系统备自投PLC元器件配置方案

其PLC硬件系统的网络拓扑图如图4所示：

图 4 AC31-50系列PLC应用于智能开关柜的硬件系统网络拓朴图

 其中07KR51安装在母联柜。  ICMK14F1与07KR51的DI输入与RL输出接口完全一致，均为8IN/6RL。  07KR51与ICMK14F1之间的最大通信距离为500米，通信速率为187Kbps，通信介质采用屏蔽双绞线。  07KR51与SCADA之间采用RS485/MODBUS总线，通信速率为9600bps。  CS31总线的连接对象为PLC的主机和远程扩展单元，该总线是PLC内部使用的高速通信总线。CS31总线上规定主站（07KR51）地址一律为62，而从站（ICMK14F1）的地址从1至61。  07KR51与SCADA的通信总线符合RS485/MODBUS规约，其中07KR51为从站，其地址为MODBUS-SLAVE1。 下表为各种操作模式下的程序进程顺序：

表 2 各种操作模式下的程序进程顺序表

2.2 应用案例二：两进线单母联低压系统备自投PLC 硬件配置类型(BZT1 类型) 若两进线断路器与母联断路器相隔较远，例如在同一排柜体两侧或在不同排，此时采用远程功能扩展模块ICMI14F1 配合PLC 主机07KR51 较为方便。两进线回路使用ICMI14F1，而母联回路使用07KR51，系统间省却了互锁、联络、控制和信号等等接线，仅仅敷设一条双绞通信线即可。PLC元器件配置方案见表3所示

表3 BZT1类型PLC元器件配置表

由于07KR51 与ICMI14F1 的外形完全一致，所以两进线回路和母联回路的控制接线可以做到基本一致，有利于控制线路的标准化设计。模块之间的通信接线必须按菊花瓣的连接方法，同时还要注意模块的地址安排(图5)。

图5 两进线单母联低压系统备自投类型一

2.3 应用案例三：两进线单母联低压系统备自投PLC 硬件配置类型(BZT2 类型) 若两进线断路器与母联断路器相隔较近，例如在同一排柜体或相邻，此时采用功能扩展模块XI16E1 配合PLC 主机07KR51 较为方便。但是系统间的互锁、联络、控制和信号等等接线必须引入PLC，给控制线路的设计和实际接线带来一定的困难。从图6中可以看出，所有的输入开关量信息均引入到功能扩展模块XI16E1 中，而所有的输出控制量信息均来自于PLC 主机07KR51。在实际使用中输入接口可以通盘考虑： PLC 主机加上功能扩展模块总共有24 个开关量输入点。每个断路器有5 个输入点（断路器状态、断路器保护动作状态、低电压信号、合闸按钮信号、分闸按钮信号），自动/手动选择开关和操作方式选择开关（手投手复、手投自复、自投手复和自投自复操作模式）共4 个点，合计共19个输入点。这19 个点可以按顺序从07KR51 到XI16E1 依次编排。

图 6 两进线单母联低压系统备自投类型二

3. ABB 的AC500系列PLC 在低压智能开关柜中的应用案例 在一般的低压开关柜中往往采用各种继电器