莊志忠，郭笑海，辜 勇

（1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007；2.武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

高壓柜KYN 作為物流港口的重要電力設(shè)備，多年來其自動(dòng)化發(fā)展卻一直被忽略了，其自動(dòng)化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于起重機(jī)等作業(yè)機(jī)械。近年來，對于高壓柜的改裝設(shè)計(jì)研究越來越受到重視，張繼華對于高壓柜的真空斷路器進(jìn)行了智能控制器的設(shè)計(jì)［1］；孫昌對高壓柜的控制回路進(jìn)行了改造［2］；劉志洪多維度地提出了高壓開關(guān)柜在線監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)，并闡述了其應(yīng)用［3］；于虹等人利用無線測溫技術(shù)對10kV 高壓開關(guān)柜進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，使故障隱患能夠及時(shí)排除［4-6］；同時(shí)還有其他一些對于高壓柜的硬件方面進(jìn)行技術(shù)改良［7-8］，然而都難以系統(tǒng)性地解決高壓柜自動(dòng)化程度不足的問題。

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本文在原有的高壓柜KYN 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，基于組態(tài)技術(shù)與PLC 控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了智能控制器來自動(dòng)控制儲(chǔ)能、斷路器手車搖進(jìn)與退出、接地刀開關(guān)及斷路器的分合閘，并且監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)，對于高壓柜的智能自動(dòng)化發(fā)展具有重要意義。

1 高壓柜KYN 的硬件設(shè)計(jì)

高壓柜硬件設(shè)計(jì)主要是對其主要的外形結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的供能電源以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，下面對其改進(jìn)進(jìn)行闡述與設(shè)計(jì)。

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)高壓柜KYN 由柜體和中置可抽出的手車兩大部分組成。在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，利用KYN高壓開關(guān)柜的敷鋁鋅隔板分隔出主母線室A、斷路器手車室B、電纜室C、儀表室D 四個(gè)獨(dú)立的功能室，并在正面增設(shè)控制器與觸摸屏，就地或遠(yuǎn)程操作開關(guān)等，以實(shí)現(xiàn)該高壓柜的自動(dòng)化控制以及遠(yuǎn)程操作，如圖1 所示，其中外部三相高壓電源自A 室主母線經(jīng)過B 室，裝設(shè)在可以搖出和推入開關(guān)柜的底盤手車上，斷路器控制保護(hù)后從C 室電纜端出來到環(huán)網(wǎng)柜或變壓器。

圖1 高壓柜KYN 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

高壓柜其底盤手車、斷路器儲(chǔ)能開關(guān)、接地刀開關(guān)等均采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，無需人工手動(dòng)操作，因此需要匹配電源為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量。電源接線設(shè)計(jì)如圖2 所示，底盤手車、斷路器儲(chǔ)能、接地刀開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及斷路器分合閘線圈的電源均為220V 直流電源，系統(tǒng)智能控制器連接24V直流電源，此兩直流電源與高壓柜中交流220V 電源相連接，在火線端串接緊急停止按鈕SQ0，一旦出現(xiàn)如電機(jī)堵轉(zhuǎn)或其它異常情況則按下緊停按鈕，切斷系統(tǒng)電源。

圖2 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電源接線圖

1.3 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)高壓柜的自動(dòng)化控制，對接地刀開關(guān)、底盤手車、儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等主要控制模塊驅(qū)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3 所示：中間繼電器KA0、KA1控制接地刀開關(guān)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，中間繼電器KA2、KA3 控制底盤手車電機(jī)正反轉(zhuǎn)，KA4 控制儲(chǔ)能電機(jī)，中間繼電器KA6、KA7 控制斷路器合分閘線圈。接地刀開關(guān)、底盤手車、儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的限位開關(guān)的常開觸點(diǎn)連接智能控制器輸入點(diǎn)，常閉觸點(diǎn)連接中間控制繼電器，以控制機(jī)構(gòu)到位后切斷電機(jī)電源。為保證接地刀開關(guān)電機(jī)分與合、底盤手車電機(jī)搖進(jìn)與退出、斷路器電磁線圈的分與合、儲(chǔ)能電機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行系統(tǒng)安全，各機(jī)構(gòu)除了設(shè)置限位開關(guān)外在系統(tǒng)程序中還設(shè)定了延時(shí)到位時(shí)間，一旦出現(xiàn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)及其他意外情況在預(yù)定時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)未到位，則自動(dòng)切斷電源，也可按下緊停按鈕，系統(tǒng)顯示故障［9］。

圖3 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)接線圖

2 基于組態(tài)技術(shù)的智能控制平臺設(shè)計(jì)

組態(tài)技術(shù)是在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域興起的一種新型的軟件開發(fā)技術(shù)，作為自動(dòng)控制領(lǐng)域的系統(tǒng)監(jiān)控層級的應(yīng)用平臺和軟件開發(fā)環(huán)境，組態(tài)軟件為用戶提供了快速構(gòu)建工業(yè)過程自動(dòng)控制系統(tǒng)的可視化通用性強(qiáng)的軟件工具［10］。分析該自動(dòng)化高壓柜系統(tǒng)的主要控制模塊，基于組態(tài)技術(shù)分析其總體設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 基于組態(tài)技術(shù)的高壓柜智能控制平臺設(shè)計(jì)

通過觸摸屏組態(tài)按鈕輸入指令，及安裝在柜中的前后門關(guān)閉限位開關(guān)、接地刀開關(guān)分與合限位開關(guān)、底盤手車搖進(jìn)與退出的限位開關(guān)、斷路器的分與合及儲(chǔ)能到位傳感器的位置狀態(tài)信息采集輸入智能控制器處理后輸出控制接地刀開關(guān)電機(jī)分與合、底盤手車電機(jī)搖進(jìn)與退出、斷路器線圈的分與合運(yùn)行，并可通過顯示屏指示燈監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)該智能控制器對于各主要機(jī)構(gòu)的控制，設(shè)計(jì)其內(nèi)部接線圖如圖5 所示。

圖5 智能控制器系統(tǒng)接線圖

圖5 控制器啟動(dòng)電源按鈕SD、就地/遠(yuǎn)程控制斷路器分合閘開關(guān)、分別與智能控制器的輸入點(diǎn)X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X10、X11、X12、X13～15 相連接，把它們的位置狀態(tài)信息數(shù)據(jù)輸入智能控制器，經(jīng)處理輸出點(diǎn)Y0、Y1 給中間繼電器KA0、KA1 控制接地刀開關(guān)電機(jī)，輸出點(diǎn)Y2、Y3 給中間繼電器KA2、KA3 控制底盤手車電機(jī)，輸出點(diǎn)Y4 給中間繼電器KA4 控制儲(chǔ)能電機(jī)，輸出點(diǎn)Y6、Y7 給中間繼電器KA6、KA7 控制斷路器分合電磁線圈。同時(shí)控制器輸入點(diǎn)AD0、AD1、AD2、AD3 為溫度隔離器、底盤手車電機(jī)電流變送器、接地刀開關(guān)電機(jī)電流變送器、交流三相電壓變送器的模擬量采集點(diǎn)，可對環(huán)境溫度、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及三相是否平衡進(jìn)行監(jiān)測。其可以采集高壓開關(guān)柜KYN 的運(yùn)行環(huán)境溫度、底盤手車電機(jī)電流、接地刀開關(guān)電機(jī)電流、交流三相電壓進(jìn)行監(jiān)控，通過顯示屏指示燈監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)。

3 高壓柜 PLC 控制程序開發(fā)與測試

自動(dòng)化高壓柜KYN 智能操控系統(tǒng)控制主要包括斷路器的儲(chǔ)能控制、斷路器的合、分閘控制、底盤手車的進(jìn)、退控制以及接地刀開關(guān)的合分閘控制等。PLC 作為一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，可靠性高，控制功能強(qiáng)［11］。本文結(jié)合PLC 梯形圖對此高壓柜KYN 智能操控系統(tǒng)的主要自動(dòng)化控制模塊進(jìn)行PLC 程序設(shè)計(jì)，以此驗(yàn)證本設(shè)計(jì)對于高壓柜自動(dòng)化發(fā)展推動(dòng)的有效性和實(shí)用性。

3.1 高壓柜KYN 的斷路器儲(chǔ)能控制

為實(shí)現(xiàn)一二次回路的分開，實(shí)現(xiàn)控制與主配電回路間的相互獨(dú)立，斷路器需進(jìn)行儲(chǔ)能操作。斷路器儲(chǔ)能電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，將合閘或分閘彈簧進(jìn)行拉伸，使之具有相應(yīng)的勢能。根據(jù)其高壓柜運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)高壓柜KYN 的斷路器儲(chǔ)能控制系統(tǒng)PLC 程序如圖6 所示。若前門、后門為關(guān)閉狀態(tài)，通過斷路器儲(chǔ)能按鈕智能控制器的輸入或觸摸屏上的斷路器儲(chǔ)能組態(tài)按鈕輸入，此時(shí)斷路器儲(chǔ)能。若延時(shí)1.5 S 尚未儲(chǔ)能，則切斷儲(chǔ)能電機(jī)電源，此時(shí)觸摸屏提示系統(tǒng)處于故障狀態(tài)。

圖6 斷路器儲(chǔ)能控制PLC 程序

3.2 高壓柜KYN 斷路器合、分閘控制

斷路器分合閘驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過接通分閘線圈或合閘線圈使斷路器分閘或合閘，并通過斷路器的分與合到位傳感器確定分閘或合閘是否到位，作為切斷分閘線圈或合閘線圈電源的判斷依據(jù)。如圖7 所示為高壓柜KYN 斷路器合閘控制系統(tǒng)PLC 程序，即斷路器底盤手車推進(jìn)到工作位置，若接地刀開關(guān)分?jǐn)酄顟B(tài)，且前門、后門關(guān)閉狀態(tài)，斷路器合閘按鈕輸入智能控制器或觸摸屏上的斷路器合閘組態(tài)按鈕輸入，則斷路器合閘，延時(shí)1s 尚未合閘，則切斷線圈電源，觸摸屏提示系統(tǒng)處于故障狀態(tài)。同時(shí)機(jī)械聯(lián)鎖可防止誤推拉斷路器手車時(shí)可保證手車只有在工作或試驗(yàn)位置時(shí)，斷路器才能合閘，高壓柜KYN 合閘工作運(yùn)行。

圖7 高壓柜KYN 斷路器合閘PLC 程序

如圖8 所示為高壓柜KYN 斷路器分閘控制系統(tǒng)PLC 程序，若前門、后門處于關(guān)閉狀態(tài)，斷路器分閘按鈕輸入智能控制器或觸摸屏上的斷路器分閘組態(tài)按鈕輸入，斷路器分閘，延時(shí)1s 尚未分閘，則切斷線圈電源，觸摸屏提示系統(tǒng)處于故障狀態(tài)。

圖8 高壓柜KYN 斷路器分閘PLC 程序

3.3 斷路器底盤手車進(jìn)、退控制

底盤手車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)底盤手車的蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使底盤手車搖進(jìn)與退出，當(dāng)?shù)妆P手車的位置觸發(fā)底盤手車搖進(jìn)與退出的限位開關(guān)，智能控制器控制底盤手車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)停止工作。如圖9 所示為斷路器底盤手車進(jìn)、退控制系統(tǒng)PLC程序圖，其斷路器底盤手車搖進(jìn)控制過程：若斷路器在分閘位置，且接地刀開關(guān)處于分?jǐn)酄顟B(tài)，在智能控制器或觸摸屏上的斷路器底盤手車搖進(jìn)模態(tài)按鈕輸入，此時(shí)斷路器底盤手車電機(jī)啟動(dòng)正轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)減速器、渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把斷路器底盤手車從試驗(yàn)位置/斷開位置推進(jìn)到工作位置。若延時(shí)10 s 尚未到達(dá)搖進(jìn)工作位置，則斷開電機(jī)電源，觸摸屏提示系統(tǒng)處于故障狀態(tài)。

圖9 高壓柜KYN 斷路器底盤手車PLC 程序

斷路器底盤手車退出控制過程：接地刀開關(guān)處于分閘狀態(tài)，且斷路器在分閘位置在智能控制器輸入或觸摸屏上的斷路器底盤手車退出模態(tài)按鈕輸入，此時(shí)斷路器底盤手車電機(jī)啟動(dòng)反轉(zhuǎn)，斷路器底盤手車從工作位置退到試驗(yàn)位置/斷開位置，即退出的限位開關(guān)常開觸點(diǎn)閉合輸入智能控制器。若延時(shí)10s 尚未退到試驗(yàn)位置/斷開位置，則斷開電機(jī)電源，觸摸屏提示系統(tǒng)處于故障狀態(tài)。

3.4 接地刀開關(guān)分合閘控制

接地刀開關(guān)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)接地刀開關(guān)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以控制接地刀開關(guān)的分合，當(dāng)接地刀開關(guān)分與合的限位開關(guān)被觸發(fā)時(shí)，表明接地刀開關(guān)分或合到位，接地刀開關(guān)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)停止工作。如圖10所示為高壓柜KYN 接地刀開關(guān)控制系統(tǒng)PLC 程序圖，其分閘控制過程：斷路器在分閘位置時(shí)，且斷路器手車在斷開位置/試驗(yàn)位置，此時(shí)輸入智能控制器或觸摸屏上的接地刀開關(guān)分閘模態(tài)按鈕，則接地刀開關(guān)電機(jī)啟動(dòng)正轉(zhuǎn)，接地刀開關(guān)到達(dá)分?jǐn)辔恢?。若延時(shí)10 s 未能分閘，則斷開電機(jī)電源，觸摸屏提示系統(tǒng)處于故障狀態(tài)。

圖10 高壓柜KYN 接地刀開關(guān)PLC 程序

接地刀開關(guān)合閘控制過程：斷路器在分閘位置且斷路器手車在斷開位置/試驗(yàn)位置，此時(shí)輸入智能控制器+觸摸屏上的接地刀開關(guān)合閘模態(tài)按鈕，此時(shí)接地刀開關(guān)電機(jī)啟動(dòng)反轉(zhuǎn)，接地刀開關(guān)合閘。若延時(shí)10S 未能合閘，則斷開電機(jī)電源，觸摸屏提示系統(tǒng)處于故障狀態(tài)。

接地開關(guān)處于分閘時(shí)，柜門無法打開，防止人員觸電［12］。在進(jìn)行合閘接地放電時(shí)，此設(shè)計(jì)可防止帶電誤合接地開關(guān)及接地開關(guān)合閘時(shí)誤合斷路器，隨后可打開柜門進(jìn)行檢修［13］。

4 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

4.1 硬件測試

對該基于PLC 技術(shù)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化高壓柜各個(gè)硬件進(jìn)行測試，以確保各個(gè)硬件本身能夠正常運(yùn)行，測試步驟如下：

（1）電動(dòng)底盤車測試

該電動(dòng)底盤車選用DPC/DD3 型底盤車電動(dòng)機(jī)構(gòu)，其在原手動(dòng)操作底盤車上增加電動(dòng)操作功能，為實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜智能化、程序化、遠(yuǎn)程控制等要求提供必要的硬件基礎(chǔ)。其額定電壓為DC220 或DC110，電機(jī)功率200 W，進(jìn)出時(shí)間單程小于35 s。測試中首先進(jìn)行一次手動(dòng)檢測，正常運(yùn)行后接入控制回路通電，手動(dòng)搖進(jìn)、搖出檢查輔助開關(guān)切換是否正常，以確保底盤車到位能正常停止，完成一次電動(dòng)操作。在連續(xù)進(jìn)出操作不大于5 次，且進(jìn)出時(shí)間停頓大于3 分鐘的情況下多次測試，確保底盤車到位的可靠性。

（2）接地開關(guān)測試

該電動(dòng)接地開關(guān)選用JN15-12（24）/D31.5 新型接地開關(guān)，其動(dòng)熱穩(wěn)定性好，并有可靠的電動(dòng)操作，能夠保持原中置式開關(guān)柜的聯(lián)鎖不變。其額定工作電壓為12 KV，額定短時(shí)耐受電流為31.5 KV，分閘后端口距離不小于125 mm，控制電壓為AC/DC220V 或AC/DC110V。安裝完畢后先進(jìn)行手動(dòng)操作，當(dāng)接地開關(guān)在合閘時(shí)，檢查第二片鎖片是否能將接地開關(guān)的操作孔蓋板壓住。隨后進(jìn)行電動(dòng)操作，對接地開關(guān)的電動(dòng)操作頻率為每分鐘2 次分合為宜。

（3）斷路器保護(hù)測試

對斷路器進(jìn)行過壓欠壓實(shí)驗(yàn)，在合閘前將電壓升高至 1.1 倍額定電壓110 V 或?qū)㈦妷航档椭?.75 倍額定電壓75 V 以下，其智能控制器將禁止斷路器合閘。在合閘狀態(tài)，設(shè)定過、欠壓保護(hù)延時(shí)為1 s 分閘，此時(shí)發(fā)生過、欠壓故障，智能控制器應(yīng)能保證斷路器可靠分閘，此時(shí)觸摸屏以及PLC程序?qū)@示故障。

4.2 組態(tài)功能測試

智能控制器與內(nèi)嵌的梯形圖PLC 程序設(shè)計(jì)完后，對其功能進(jìn)行試驗(yàn)檢測十分重要，以驗(yàn)證其邏輯的正確性［14］。在中控屏設(shè)計(jì)功能按鈕，使其處于顯示狀態(tài)如圖11 所示：

圖11 觸控屏按鈕設(shè)計(jì)圖

在確認(rèn)邏輯控制功能正確無誤后，給控制器通電，模擬工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，進(jìn)行預(yù)定控制功能試驗(yàn)，檢查整個(gè)控制裝置的工作情況。操作觸摸屏上的按鈕，對主要開關(guān)柜的功能進(jìn)行試車實(shí)驗(yàn)，并觀察開關(guān)柜反應(yīng)，記錄如表1 所示：

表1 PLC 程序記錄表

在該組態(tài)系統(tǒng)中增加8 h 的無故障可靠運(yùn)行試驗(yàn)，以檢驗(yàn)智能控制器及其硬件運(yùn)行情況的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)證明該智能控制器運(yùn)行狀態(tài)良好，不僅能在故障發(fā)生時(shí)按預(yù)定要求分閘，而且保護(hù)精度也滿足了技術(shù)指標(biāo)要求［15］。

由實(shí)驗(yàn)可知，為自動(dòng)化高壓柜設(shè)計(jì)的PLC 梯形圖邏輯正確，組態(tài)觸摸屏上的按鈕皆可以控制開關(guān)柜各個(gè)重要零部件動(dòng)作，該智能控制器及組態(tài)屏幕能夠保證高壓開關(guān)柜的穩(wěn)定運(yùn)行，且在應(yīng)用過程中具有很強(qiáng)的一致性。在該高壓柜自動(dòng)控制系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)端操控，觸摸屏能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部運(yùn)行視頻監(jiān)控。維修過程中，技術(shù)人員只需要按幾個(gè)觸摸屏上的按鈕即可進(jìn)行檢修，而不需要其進(jìn)行接地刀合（分）閘、斷路器合（分）閘、底盤手車搖進(jìn)（退出）的繁瑣而復(fù)雜的檢修前準(zhǔn)備工作。

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的新型自動(dòng)化KYN 高壓柜基于組態(tài)技術(shù)與PLC 控制技術(shù)，在傳統(tǒng)的高壓柜基礎(chǔ)上增加了一套智能操作系統(tǒng)，使之具有遠(yuǎn)程控制主要機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功能，直接解決傳統(tǒng)就地手動(dòng)操控費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易出現(xiàn)安全事故的問題。

同時(shí)基于組態(tài)技術(shù)，通過觸摸屏與智能控制平臺的設(shè)計(jì)，對儲(chǔ)能開關(guān)、斷路器手車搖進(jìn)與退出、接地刀開關(guān)及斷路器的分合閘等主要機(jī)構(gòu)的實(shí)際工作情況分析，設(shè)計(jì)了各個(gè)主要控制模塊的PLC 程序，并在其中加入延時(shí)模塊，若出現(xiàn)故障等情況，可及時(shí)在觸摸屏上顯示。將PLC 控制程序內(nèi)嵌入智能控制器中，基于組態(tài)技術(shù)通過觸摸屏對其I/O 接口以及溫度電壓等運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，省略了傳統(tǒng)繁雜的按鈕，方便查看并編輯邏輯程序，可較好地提高系統(tǒng)的信息可視化水平以及自動(dòng)化程度。