低压电器试验监控系统设计与通用平台开发

一、概述
SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，即数据采集与监视控制系统，是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。
目前，SCADA系统已经广泛应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。 由于各个应用领域对SCADA的要求不同，所以不同应用领域的SCADA系统发展也不完全相同。
在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它作为能量管理系统（EMS系统）的一个最主要的子系统，有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为电力调度不可缺少的工具。它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动化与现代化，提高调度的效率和水平中方面有着不可替代的作用。
然而，尽管在电力系统应用中，SCADA行业日趋成熟，国内外如国Ge FUNC公司的iFix，Simens公司的WinCC，Wonderware公司的Intouch，Citect公司的Citect SCADA，亚控公司的组态王，紫金桥公司的紫金桥监控组态软件，图灵开物公司的ControX等种类繁多特性不一的各种监控组态软件占据市场，然而，大部分SCADA软件都采用了通用的模板，虽然应用面广泛，但专门针对电力系统特性设计的却少之又少，而这些针对电力系统的SCADA软件，面对的对象也大多是电站与变电站，而没有专门针对低压电器试验设计的。
与普通电站相比，低压电器试验站设备操作次数要频繁很多，操作人员出入操作区域的次数也相应增加，因此对设备的可靠性与系统的安全性都提出了更高的要求，另外，在部分低压电器的试验中，需要精确控制试验时间，采集试验数据，这些功能是传统的SCADA软件与PLC配合组成的系统所无法完成的，因此，需要时序控制器、数采设备等的配合。
我们采用Citect公司的CitectSCADA软件与施耐德Modicon的Premium系列PLC为核心搭建控制平台，并配合软硬件安全连锁系统、时序发生器、时间电流保护单元与数采装置，形成了一套完备的试验平台，在设计中，除了考虑到普通电力系统的特点外，还充分考虑了低压电器试验站的特点与平台的通用性、可扩展性。目前,该套设计已经在施耐德低压电器试验站短路试验平台上进行应用且运行良好.
二、低压电器试验监控系统结构
低压电器试验监控系统分为监控计算机及监控软件、可编程序控制器（ PLC）、可编程时序控制器、安全连锁系统和数据采集系统五部分。其中：工控计算机及监视控制软件完成对设备及试验过程的控制和状态监视；可编程序控制器用于实现试验线路的静态控制和安全连锁；时序控制器用于实现试验过程的精确顺序控制；安全连锁系统负责通过软硬件连锁保证试验在安全条件下进行；数据采集系统由数据采集显示器和数据采集柜组成，主要包含数据隔离放大器、数据采集系统及计算机，实现试验过程中的电流、电压采集。
监控软件用CitectSCADA开发，具有开放式人机界面，支持多种标准的通信方式及网络通信协议，各种控制设备仪表可以方便引入系统。WEB网关功能使用户能在任何地方通过INTERNET 访问数据。系统具有良好可靠性。用户可以通过鼠标选择试验方式、试验类型、开关动作顺序等。经Ethernet实现对可编程序控制器系统的试验参数设定、设备控制和状态显示。
监控软件主要功能： （1） 试验线路准备及输入试验参数，包括试品型式、试验参数、试验类型、试品位置、试验线路、动作开关、通电时间和试验循环次数等等。（2） 满足必要安全连锁条件下进行各种电动开关的自动或手动控制。（3） 显示试验主电路的单线模拟线路图，通过不同颜色和形状动态模拟开关设备的状态及试验过程。包括设备状态、试验状态、异常状态等等。（4） 显示主要回路的设备带电状况。（5）控制试验启停并记录试验进行时间。（6） 显示安全连锁及必要的试验条件（7） 检查安全连锁和必要的试验条件。自动运行下，为了能正常的启动试验，需检查相关的状态。如果相关的状态都正常，才能启动试验。所有这些信息都由无源触点实现。如果任何一个状态不正常，则程序控制器将终止运行，并有提示信息显示。
可编程序控制器选用ModiconTSX Premium 系列PLC实现，经Ethernet通过基于TCP/IP协议的XIP协议与监控计算机交换信息。系统设置了一套试验用手动选择开关和开关设备控制开关，这些开关信号均引入PLC开关量入口。PLC负责采集中压断路器状态、低压断路器状态、合闸开关状态、接地开关状态、试品状态、各个试验房间门状态、系统报警信号、各设备的准备情况的信号，在手动情况下，还可控制各个断路器等设备以满足调试需要。在对时间精度要求不太高（50ms以上）时，还可通过可编程序控制器来控制试验顺序，而在对时间精度要求很高的短路系统中，则引入了可编程的时序控制器来完成试验顺序控制功能。
可编程时序控制器用来控制与试验时序有关的设备，精度高于+/-2ms。采用美国Nicolet公司产品，整个系统硬件集中布置在控制柜内，与可编程控制器的信息交换为无源接点，可通过人机界面设定并显示通道参数，包括通道输出开始时间、通道输出持续时间等。
安全连锁系统分为软硬件两部分，软件部分包含在监控软件中，通过监控软件从PLC上获得的信息来自动判断是否满足试验进行的条件，硬件部分则由串联干结点、安全门锁、安全模块及时间电流保护单元四部分组成。串联干结点即将需要连锁的设备辅助触点与被连锁条件限制的设备操作回路串联，从而实现设备间的硬件连锁；安全门锁采用法国进口的安全锁系统，只有在安全条件满足的情况下才能从控制台的钥匙盒中取钥匙开门，在有门打开的情况下将无法进行试验，进一步确保了试验人员的人身安全；安全模块采用了Modicon safety module模块，提供独立于上述部分之外的又一层硬件保护；时间电流单元用于在试验过程中发现问题时及时断开系统，保证设备安全，它也采用了一套独立的硬件来确保安全。
数据采集系统包括电流电压传感器、信号隔离通道、数据采集系统、数据采集软件、计算机硬件、计算机报告处理打印软件系统。
三、系统特点及进一步开发的建议
在设计中，我们考虑到平台的通用性与可移植性，因此从一开始就根据系统特点设计了包含断路器、变压器、合闸开关等主要设备的元件库，包含设备的参数、故障信号、位置、状态等信息，虽然这部分工作对单一项目来说过于复杂，但随着元件库的一步步丰富，以后的设计工作会逐渐简化为“搭积木” 般的过程，而这也正是建设低压电器试验系统通用平台所要的效果。
PLC程序设计的模块化封装也是考虑到低压电器试验系统通用平台的建设需要而进行的，我们试图逐渐把低压电器常用的试验序列程序封装为彼此独立的标准的模块，并在此基础上逐渐建立完善试验序列程序库，在后续的工作中，只需选择相应的程序并输入接口的参数就可以方便的使用。
监控软件的开放性也是本系统的一个特色，我们提供了友好的界面供用户二次开发使用，如修改系统参数、修改试验回路等功能。在不影响软件系统安全性的情况下，用户可以根据试验需要对程序进行部分调整。这种二次开发的开放性界面，可以作为建设通用平台界面模式的一个开始，为低压电器试验通用平台的界面设计提供一些参考性的信息。
如前所述，四重的硬件连锁与软件连锁相配合，充分的安全性设计也是本系统的一个特点。本着以人为本的原则，安全性的重要作用无论对人身还是设备都不容忽视。因此，系统的设计在满足功能性要求的同时，特别强调了安全第一这个设计原则。针对低压电器试验站操作频繁的特点，多重的安全考虑实在是保证做到了有备无患。
目前，在压电器试验站项目短路试验平台上的成功应用给低压电器试验通用平台的建设工作提供了一个良好的开始，在进一步的工作中，这个平台还需要在以下几个方面进行不断的完善和充实：
数据库需要进一步扩充，不同项目有不同的特点，希望通过一个项目建设起来的数据库就能满足所有项目的需求显然不可能，因此，无论是元件库还是试验程序的数据库，都需要在今后的项目中不断完善和充实，才能最终达到实用效果。
将当前的数据库移植为更通用的数据库，也是一件亟待解决的问题，目前，元件库还只能应用于CitectSCADA监控软件上，而PLC程序模块也只能用UnityPro编程软件才能进行进一步的编辑和开发。而在以后的项目中都采用这两种软件开发显然是不太可能的。因此，在下一步的工作中，把元件库中各个元件移植为ActiveX这种适用于任何监控软件开发平台的模块是必须的。而PLC程序模块也需要进一步移植为符合IEC61131并适用于各种PLC系统的标准模块。
四、小结
本文通过施耐德 低压电器试验站项目短路平台的设计，初步建成了监控组态软件低压电器试验站通用平台，并为该平台以后的完善与扩展作好了充分的准备，为填补监控组态软件在低压电器试验站项目中的空白提供了参考材料。

作者单位：中机国际（西安）技术发展有限公司工程部 　
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