西门子模块6ES7231-7PD22-0XA8技术支持

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本文简要介绍了电气化铁路串联补偿装置的工作原理及晶闸管交流电子开关的作用。重点介绍了1600A1000V 晶闸管交流电子开关中可编程控制器(PLC) 系统的硬件和软件及其在该装置中所发挥的作用。后就该装置的技术性能做了简要的总结。
1 概述
电气化铁路( 以下简称电铁)的谐波问题是一个关系到公用电网电能质量和电铁顺利建设的重大问题, 我国从80 年代处就开始致力研究、解决这一问题。串联补偿装置可以在一定程度上解决这一问题, 而且由于其技术难度低、投资小、易于实现, 因而在单线电铁的复线改造工程中显示出了极大的优越性。
串联补偿装置的工作原理是在电铁供电线路负荷较重、线路感抗损耗严重时通过投入事先串联在回路中的电容器, 改变电路负载类型, 从而达到提升网压和改善功率因数的作用。如图1 所示。由于电铁负荷是一个运动负荷, 负荷的大小不仅与机车的数量有关, 而且还与机车的载重、机车的运行状态、线路的坡度等因素密切相关。电容器的投切操作也相当频繁。如果使用机械( 有触点) 开关, 由于其投切时刻相对于网压相位的随即性, 触头在非过零点吸合时会因短路电力电容器而受到很大的电流冲击, 其电气寿命通常只有几十次。因此在串联补偿装置中必须采用晶闸管交流电子开关来实现对电力电容器的过零投切。

2晶闸管交流电子开关对控制系统的要求及PLC的选用
 

晶闸管交流电子开关的主电路由两个反并联晶闸管支路构成,每个支路分别由两只晶闸管并联组成, 共使用四只晶闸管( 联接方式如图2 所示) 。按照电气化工程设计的要求, 晶闸管交流电子开关安装于牵引变压器附近的移动房屋内, 结合应用工况该装置对控制系统有如下要求:
(1) 应具有高度的可靠性, 以适应电铁供电网长期处于运行状态的客观要求;
(2) 应具有完善的事故报警系统, 发生故障后应该指示出故障类型, 无故障运行时应指示出电力电容器的投切状态;
(3) 应具有完善的逻辑控制和自动保护功能;
(4) 应确保晶闸管在电压过零点触发;
(5) 应具有良好的电磁兼容性能, 能够适应牵引变电站现场复杂的电磁环境。
完成电子开关的控制功能可以通过三种途径: ①使用集成电路开发专用控制电路板; ②使用单片机和外围电路开发专用控制电路板; ③使用PLC 和扩展模块开发专用控制系统。由于PLC 具有控制可靠、组态灵活、体积小、功能强、速度快、扩展性好、维修方便等特点,不仅减少了系统的硬件接线, 提高了可靠性, 而且通过修改程序可适应新的要求, 因此1600A1000V 晶闸管交流电子开关中选用了西门子公司的小型机S7—200 系列的PLC 作为其控制系统的核心部件。
3 PLC 控制系统的构成及其在交流电子开关中的作用
(1) 硬件构成及其作用

在本装置的PLC 控制系统中,选用了西门子小型机S7—200 系列的CPU222、模拟量扩展模块EM231 和文本显示器TD200。可用硬件系统资源分配图如下表所示:

 
CPU222 是PLC 控制系统中的CPU 单元, 负责接收所有的开关量和经过A/D 转换后的模拟量输入,并根据控制逻辑输出控制信号;EM231 负责对主电路的电压、电流信号进行A/D 转换, 并将转换结果输送给CPU 单元; 文本显示器TD200 负责监视CPU 单元的输出状态, 根据各个输出量的组合情况指示出晶闸管电子开关的运行状态和故障类型。
(2) 软件构成及其功能
在本装置的PLC 控制系统中,软件有两部分: 文本显示软件和逻辑控制软件。文本显示软件中存储着文本显示器所要显示的全部文本内容和CPU 单元输出量组合情况的对应关系。
逻辑控制软件包含了晶闸管电子开关的所有控制逻辑, 在软件结构上由1 个主程序、2 个子程序、2 个定时中断程序构成。它的主要功能是: 根据控制要求, 实现对电压、电流的检测,适时的发出触发信号, 以及对过压、过流、风机、电源等诸类故障的检测, 并及时发出报警信号, 实现保护功能。该软件实现的流程图如图4 所示。
 

 
4 晶闸管的控制策略
晶闸管交流电子开关是串连补偿装置的核心部件, 晶闸管的控制策略则是晶闸管交流电子开关的关键技术。要实现对晶闸管的过零触发必须依赖于对主电路电压相位的同步, 而在该装置中一旦晶闸管导通, 同步信号就会消失, 这是设计晶闸管触发电路时必须注意的问题之一。另外, 晶闸管未导通时, 其承受的电压与电力电容器承受的电压同相, 而导通后由于电路结构的变化, 电路会发生一个过渡过程, 这也是设计晶闸管触发电路时必须注意的问题之一。
5 结束语
由于PLC 集成度高, 抗干扰能力强, 编程简单, 系统便于开发、维护和升级等优点, 加之文本显示器可以清楚明了的指示出晶闸管的导通、截止状态以及显示出各类故障状态, 因此使用PLC 控制系统的晶闸管交流电子开关结构简单、维护方便, 且具有较高的可靠性、可维护性和灵活性。

目前，国内用户选用的可编程控制器(PLC)仍以国外产品为主，造成这种局面的一个重要原因是欧、美、日等发达工业国家掌握了高端PLC的核心技术，其硬软件技术对应用者来说完全是封闭的，使用者只能从应用的角度学习PLC，而不能参与PLC的开发[1-2]。近年来，IEC61131-3的颁布和实施为各PLC生产厂家提供了统一的软件开发准则，开放的高性能单片机技术的发展，为硬件开发提供了有效的物质基础[3]。在这样的背景下，研制开放的PLC系统无论对于科学研究还是促进PLC行业的发展都有积极的现实意义。

　PLC是一种专用于工业控制的计算机，其硬件主要由中央处理器、存储器、输入/输出接口等组成[4]，其硬件结构如图1所示。

1 开放式可编程控制器

　开放式PLC硬件结构采用CPU+外围模块+接口构成，各个接口都按标准设计，大大提高了PLC的开放性，使其能方便地与大系统连接。编程语言遵循IEC61131-3，并将基于PC的编程软件作为PLC编程工具。系统硬件部分采用高性能51内核处理器STC89C51，其为模块化设计，采用滤波、隔离电路，以降低成本。主要电路有：微控制器STC89C51RC、开关量输入电路、继电器输出电路、晶体管输出电路、RS232通信接口电路、电源电路、时钟复位电路和USB通信接口电路等，PLC硬件系统框图如图2所示，软件采用Borland公司集成开发软件C++ Builder，通过集成平台对51内核处理器指令集进行解释、编译，使梯形图语言转换为能被51内核处理器识别的代码。

2 系统硬件设计

　可编程控制器单片机部分电路图如图3所示。

　USB通信部分选择Philips公司的PDIUSBD12[5]芯片作为系统的USB接口器件，片内集成了高性能USB接口电路、SIE、FIFO存储器、收发器以及电压调整器等，可与任何外部控制器或微处理器实现高速并行通信，其速率为2 Mb/s，完全能够满足设计所要求的数据传输速度。USB通信接口模块电路如图4所示。