徐愷+胡蕊+李峰+黃新春+朱亞鋒+沙小峰

摘 要： 介紹一種智能開關(guān)設(shè)備電動系統(tǒng)的設(shè)計方案，設(shè)計硬件采用嚴(yán)格邏輯控制電路、電機正反轉(zhuǎn)電路來對智能開關(guān)設(shè)備實現(xiàn)可靠的控制，采用校準(zhǔn)過流電壓電路來適應(yīng)不同規(guī)格電機，采用RS 485數(shù)字通信接口電路，通信協(xié)議符合現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)系統(tǒng)組網(wǎng)構(gòu)成分布式遠(yuǎn)程電動控制系統(tǒng)。軟件采用冗余邏輯分析處理算法實現(xiàn)控制邏輯，從而可靠的實現(xiàn)對智能開關(guān)設(shè)備的本地及遠(yuǎn)程控制。在此分別從硬件和軟件方面闡述了智能開關(guān)設(shè)備電動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞： 智能開關(guān)設(shè)備； 電動控制系統(tǒng)； 電動底盤控制； 電動接地刀控制

中圖分類號： TN702?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）16?0156?04

Design and implementation of electric control system for intelligent

switchgear equipments

XU Kai1， HU Rui2， LI Feng3， HUANG Xinchun4， ZHU Yafeng1， SHA Xiaofeng1

（1. Changzhou Senlong Electrical Technology Co.， Ltd， Changzhou 213014， China； 2. Shanghai Electric Power Industrial Co.， Ltd， Shanghai 200001， China；

3. Shanghai Electric Power Company， State Grid， Shanghai 200122， China； 4. Shanghai Nanhua?Lanling Industrial Co.， Ltd， Shanghai 201111， China）

Abstract： A design scheme of electric system for intelligent switch equipments is introduced in this paper. The strict logic control circuit and motor positive inversion control circuit are adopted in the designed hardware to realize reliable control to intelligent switchgear equipments. over current voltage calibration circuit is adopted to adapt different specifications of motor. RS485 digital communication interface circuit is adopted in the design. The communication protocol accords with fieldbus standard to realize the system networking to constitute a distributed remote electric control system. The redundant logic analysis algorithm is adopted in the designed software to achieve the control logic， and then realize the reliable local and remote control for intelligent switchgear equipments. The design scheme of the electric control system of intelligent switchgear equipment is elaborated in the aspects of hardware and software.

Keywords：intelligent switchgear equipment； electric control system； electric chassis control； electric control of earth switch

0 引 言

隨著工業(yè)化、現(xiàn)代化及信息技術(shù)發(fā)展，更多的新興技術(shù)被引入到中低壓開關(guān)設(shè)備中，為滿足開關(guān)柜產(chǎn)品數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化需求，實現(xiàn)開關(guān)設(shè)備無人化運行，更可靠的保護人身安全，中壓移開式開關(guān)設(shè)備主開關(guān)手車及接地開關(guān)電動操作系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。

智能開關(guān)設(shè)備電控控制系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)斷路器手車和接地刀閘開關(guān)基礎(chǔ)上增加一套獨立智能化操作機構(gòu)，智能開關(guān)電動控制操作機構(gòu)需要穩(wěn)定可靠的硬件軟件控制系統(tǒng)支持以滿足電力系統(tǒng)五防要求。

所謂電力系統(tǒng)“五防”是指：

（1） 防止誤分、誤合斷路器；

（2） 防止帶負(fù)荷拉合隔離開關(guān)；

（3） 防止帶電掛接地線（或接地刀閘）；

（4） 防止帶接地線合隔離開關(guān)；

（5） 防止誤入帶電間隔。

電力系統(tǒng)“五防”裝置中除了防止誤分、誤合斷路器之外，其他“四防”均要求強制閉鎖[2]。因此智能開關(guān)設(shè)備電動控制系統(tǒng)也必須符合電力系統(tǒng)五防功能，從而防止誤操作開關(guān)設(shè)備，確保開關(guān)設(shè)備安全可靠運行。為確保能準(zhǔn)確對開關(guān)設(shè)備進(jìn)行符合五防要求的可靠控制，防止和杜絕電網(wǎng)事故的發(fā)生，研發(fā)一種可靠的智能開關(guān)設(shè)備電動控制系統(tǒng)成為熱門的研究課題。

智能開關(guān)設(shè)備電動控制系統(tǒng)作為開關(guān)設(shè)備控制的智能化，網(wǎng)絡(luò)化是實現(xiàn)電力系統(tǒng)中智能化不可缺少的重要一部分，安全可靠性要求高，發(fā)展智能開關(guān)設(shè)備電動控制系統(tǒng)具有非常重要的實際工程意義和巨大市場價值。endprint

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

針對智能開關(guān)設(shè)備的電動控制系統(tǒng)主要為電動底盤車控制斷路器進(jìn)出控制及電動接地刀控制接地刀閘分合控制，從而實現(xiàn)了智能開關(guān)設(shè)備的底盤車電動控制及接地刀閘電動控制，電動控制系統(tǒng)具備完整的電氣和機械閉鎖的同時還具有過載保護功能。電動控制系統(tǒng)帶MODBUS通信接口支持遠(yuǎn)程控制功能，可組網(wǎng)構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)，分為智能開關(guān)設(shè)備電動控制裝置、電動底盤車控制單元模塊、電動接地刀控制單元模塊等，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

為了實現(xiàn)上述電動控制功能，控制模塊硬件分為電源硬件電路、人機交互硬件電路、RS 485通信接口電路、主CPU控制電路、電動控制邏輯電路和電機正反轉(zhuǎn)電路等。本文主要以具體實現(xiàn)電動控制的硬件電路來闡述。

2.1 主CPU控制電路

主CPU控制電路采用STC12C4052為主控制芯片，電路如圖2所示，其中ED0為停止位/分閘位限位行程開關(guān)輸入，ED1為工作位/合閘位限位行程開關(guān)輸入，HAND為手動優(yōu)先信號輸入，LOCK為閉鎖信號輸入，MI過載過流信號輸入，IO0為前進(jìn)/合刀閘控制輸出，IO1為后退/分刀閘控制輸出，TXD，RXD，DE為RS 485控制收發(fā)及方向控制引腳。主控制器通過檢測這些輸入引腳狀態(tài)來得到當(dāng)前底盤車/接地刀的位置狀態(tài)，閉鎖狀態(tài)，過載過流狀態(tài)，主控制器接收本地按鍵或RS 485發(fā)過來的控制命令的同時結(jié)合這些狀態(tài)量來驅(qū)動輸出引腳IO0和IO1實現(xiàn)對底盤車/接地刀的控制功能。

圖2 主CPU控制電路圖

2.2 電動控制邏輯電路

電動控制邏輯電路是實現(xiàn)電動控制五防聯(lián)鎖的關(guān)鍵電路，如圖3所示。該電路原理主要通過高速邏輯芯片SN74HC04D（非門）及SN74HC08D（與門）搭建的邏輯電路，通過主控制芯片輸出的控制信號IO0及IO1結(jié)合MI過載過流信號，LOCK閉鎖信號，HAND手動優(yōu)先信號，ED0，ED1底盤車/接地刀的位置信號的邏輯來實現(xiàn)可滿足五防聯(lián)鎖功能的可靠的控制動作。該電路具體實現(xiàn)的邏輯功能如圖4所示。由邏輯電路可得RRUN=！HAND & ！LOCK & IO1 & ！IO0 & MI & ED1，即在非手動優(yōu)先狀態(tài)下，滿足閉鎖條件同時無過載過流信號且ED0無前進(jìn)限位且ED1有后退限位信號則可以實現(xiàn)通過輸入信號IO0=0&IO1=1來實現(xiàn)輸出信號RUN=0&RRUN=1的可靠輸出控制后退功能，前進(jìn)控制功能按邏輯關(guān)系同理。

圖3 電動控制邏輯電路圖

圖4 電動控制邏輯電路邏輯功能

2.3 電機正反轉(zhuǎn)電路

電動控制功能本質(zhì)上就是通過12 V繼電器控制220 V電機正反轉(zhuǎn)功能。具體實現(xiàn)電路如圖5所示。當(dāng)RUN=1且RRUN=0時，D10二極管導(dǎo)通，K1繼電器吸合，K1的9腳接到5腳，12腳接到8腳，HALL_OUT為220 V+流進(jìn)MOTO1電機正級經(jīng)過電機后負(fù)極MOTO2流出到220 V-，這樣構(gòu)成回路實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)功能從而實現(xiàn)電動控制前進(jìn)/合刀閘功能；當(dāng)RRUN=1且RUN=0時，D11二極管導(dǎo)通，K2繼電器吸合，K2的9腳接到5腳，12腳接到8腳，HALL_OUT為220 V+流進(jìn)MOTO2電機負(fù)極經(jīng)過電機后正極MOTO1流出到220 V-，這樣構(gòu)成回路實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)功能從而實現(xiàn)電動控制后退/分刀閘功能。由圖4電動控制邏輯電路邏輯功能可以得到可靠的RUN及RRUN的輸出信號，不可能同時出現(xiàn)RUN=1且RRUN=1的情況。

圖5 電機正反轉(zhuǎn)電路圖

3 軟件設(shè)計

由上述電動控制任務(wù)功能描述可得知，控制系統(tǒng)軟件主要為根據(jù)獲取到的底盤車位置狀態(tài)/接地刀閘位置狀態(tài)、過載保護狀態(tài)、閉鎖狀態(tài)結(jié)合接收到本地或遠(yuǎn)程的控制命令來對底盤車實現(xiàn)進(jìn)出控制，對接地刀閘實現(xiàn)分合閘控制功能。

3.1 主程序設(shè)計

電動控制系統(tǒng)軟件按圖6所示流程進(jìn)行，系統(tǒng)初始化，硬件資源初始化后，主循環(huán)軟件通過輸入I/O口線檢測手動優(yōu)先信號、閉鎖信號、過載過流信號、底盤車/接地刀的位置信號等結(jié)合本地按鍵操作或遠(yuǎn)程RS 485發(fā)來的控制命令操作來實現(xiàn)對底盤車或接地刀電動控制操作。

3.2 底盤車推進(jìn)程序設(shè)計

底盤車推進(jìn)軟件采用冗余邏輯分析處理算法，軟件流程如圖7所示，軟件通過檢測過載過流信號、閉鎖信號、底盤車位置信號、電機當(dāng)前狀態(tài)來實現(xiàn)對底盤車的推進(jìn)控制一系列邏輯控制時序，首先啟動電機進(jìn)行推進(jìn)過程直到底盤車到工作位置后再進(jìn)行電機解鎖處理，電機解鎖完成后再進(jìn)行電機停轉(zhuǎn)處理，通過這一系列控制時序來完成電動控制底盤車推進(jìn)電動操作。其他電動控制操作如電動控制底盤車退出操作、電動控制接地刀閘分閘操作、電動控制接地刀閘合閘操作程序流程與底盤車推進(jìn)程序流程一致。

圖6 主程序流程圖

4 系統(tǒng)試驗測試

4.1 聯(lián)鎖及機械壽命試驗

在正常條件和額定工作電壓下，在配有電動控制裝置的智能開關(guān)柜上進(jìn)行聯(lián)鎖及機械壽命試驗。按設(shè)計的機械閉鎖和電氣聯(lián)鎖要求進(jìn)行聯(lián)鎖試驗，測試下來具備可靠電氣聯(lián)鎖且具備過載保護功能，智能柜電動控制底盤車前進(jìn)、后退、急停；控制接地刀閘分閘、合閘、急停功能正常，電動操作過程中沒有發(fā)生誤操作現(xiàn)象，電動控制準(zhǔn)確性100%，整柜機械結(jié)構(gòu)無明顯變形。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 開關(guān)設(shè)備電動控制裝置機械壽命試驗數(shù)據(jù)

4.2 EMC型式試驗

設(shè)計的開關(guān)設(shè)備電動控制裝置通過了上海電氣輸配電試驗中心有限公司的EMC型式試驗，試驗項目如表2所示。試驗結(jié)果合格并取得了試驗報告。

表2 開關(guān)設(shè)備電動控制裝置型式試驗項目

5 結(jié) 語

綜上所述，本文分別從硬件及軟件設(shè)計方面簡述了智能開關(guān)設(shè)備電動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，并且經(jīng)過系統(tǒng)試驗測試滿足實際工程應(yīng)用要求。智能開關(guān)設(shè)備電動控制系統(tǒng)集成了底盤車本地/遠(yuǎn)程控制功能，接地刀閘本地/遠(yuǎn)程控制功能，具備智能五防功能、完備電氣和機械閉鎖功能、過載保護功能，操作上可以根據(jù)用戶需求選擇就地控制操作或遠(yuǎn)程控制操作。電動控制裝置上還具備手動優(yōu)先開關(guān)，可以在電動不可靠的情況下選擇手動優(yōu)先控制底盤車及接地刀閘。該系統(tǒng)抗干擾能力強，聯(lián)鎖可靠，可以顯著提高電力控制系統(tǒng)的安全可靠性，降低電力事故的可能性和人員財產(chǎn)損失，促進(jìn)電力設(shè)備自動化水平提高。

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