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来建立电气逻辑控制关系。继电器虽然廉价但较易损坏，还存在触点抖动、线路复杂和数据发送困难等问题。利用ABB公司PLC能够彻底地解决上述问题，要点如下：
在智能开关柜内建立总线系统，彻底解决四遥前端信号的采集、传递的通道问题
利用智能仪表采集各种电参量，以数字信息通过信息交换的方式传递给上位系统
系统中设置手动和自动操作模式，方便电力工作人员的操作控制
控制程序对所采集各种电参量进行解读、分析和处理，除供自身使用外，还可将各种信息加上SOE时间标签后发送给上位系统
利用PLC可以建立冗余的控制逻辑、冗余的总线体系和冗余的通信管理体系，极大地提升了系统的智能化程度及可靠性程序
3.1 应用案例一：组建PC动力配电中心－－-三进线两母联智能型低压开关柜
3．1．1．固件配置
图 7 三进线两母联智能型低压开关柜固件配置
通信管理中心及人机界面等设备安装在母联回路中；其中逻辑控制单元采用AC31系列07KR51，远程单元采用ICMK14F1，通信单元为07KP53，通信管理中心采用AC500系列PM581-ETH，人机界面为CP450-ETH。
通信管理中心将所有电力信息通过以太网发送给上位电力监控系统。
现场总线采用RS485/MODBUS-RTU接口和规约。
各路进线和母联采用框架断路器，其中进线的电力仪表采用EM-PLUS，母联的电力仪表采用EM。进线回路采集的电参量包括：U/I/P/Q/PF/F/KWh/KVarh以及谐波分量。
对各段母线中的馈电回路配置RSI32、RCM32、和RCU16实施测控，对电容回路的测控仪表采用RVT。
馈电回路需要测控的量包括：开关状态和保护动作状态、单相电流、执行遥控分闸操作。
系统中配置了发电机进线断路器。当任两路市电失压时启动发电机对系统供电，当两路以上市电恢复后则恢复由市电对系统供电，同时关闭发电机。发电机的起停由备自投程度负责。
3．1．2．组建现场通信网络
系统中配置了2套07KR51和07KP53组合，2套PLC组合分别被命名为1CCU和2CCU。其系统原理拓朴图见图8所示。
图 8 现场通信网络拓朴图
1CCU的COM2被设置为RS485/CS31总线接口。COM2连接了远程扩展单元ICMK14F1，由此将4台进线回路断路器和2台母联回路断路器的所有备自投操作互相关联起来。
1CCU的COM3和COM4连接了重要的电力测量仪表并且形成环状通信总线网络，从而将通信链路的可靠性提到最高。重要的电力测量仪表包括：EM-PLUS、EM、RVT等等。
1CCU的COM1通信接口连接到通信管理中心PM581-ETH。
2CCU的COM2、COM3和COM4连接了馈电回路的开关量监测单元、模拟量监测单元和遥控继电器单元，2CCU的COM1通信接口连接到通信管理中心PM581-ETH。
通信管理中心PM581-ETH的COM1与2套07KR51的COM1通信接口连接起来并交换信息，PM581-ETH的COM2通信接口连接到人机界面CP450-ETH，PM581-ETH的RJ45接口连接到以太网的交换机上与DCS/SCADA/BA等电力监控系统交换信息。
1CCU的COM3/COM4构成的环状通信总线从07KP53的COM3开始，经过各种智能仪表后返回到07KP53的COM4。由于BZT已经将COM3设置为主用接口而COM4设置为备用接口，所以COM4接口处于高阻态而完全不影响通信环路的正常工作，此时的环状总线实质为起始于COM3的链状总线；当BZT侦测到COM3通信接口发生通信故障后，立即将COM3设置为备用接口，同时将COM4设置为主用接口。这样，环状通信总线改变为起始于COM4的链状总线；当通信换路的中间发生断路时，BZT还可将COM3/COM4同时设置为主用，形成两条分别起始于COM3和COM4的链状总线与子站交换信息。
以环状通信总线方式组建的通信网络能够实现最高的可靠性。
系统中的现场链路通信速率为19.2Kbps，而07KR51与PM581-ETH通信链路的通信速率在9600bps至750 Kbps间可选。
1CCU的COM2接口设置为RS485/CS31总线，其通信速率为187.5 Kbps。
三进线两母联智能型低压开关柜元器件配置见表4
表 4 三进线两母联智能型低压开关柜元器件配置表
3.2 应用案例二：组建MCC电动机控制中心智能型低压开关柜
MCC电动机控制中心与馈电控制中心PC不同之处在于以下2点：
MCC的重点在电动机综保单元MCU与通信管理中心CCU的信息处理和信息交换上，而PC的重点在备自投控制上。
在MCC的通信组网中，更加注重于如何使大量的MCU单元与CCU单元实现快速信息交换；在PC的通信组网中，则更注重于可靠地获取信息及下达各种控制命令，对通信速率要求则不高。
以下将利用ABB的M102-M/M102-P电动机综保装置配套PLC和人机界面，按MODBUS总线方案和PROFIBUS-DP总线方案构建MCC电动机控制中心的智能化系统。
3.2.1 使用MODBUS总线的网络结构
系统有3个工作层面：上位监控系统层面、通信管理中心层面和MCC开关柜现场层面。系统网络拓朴图如图9所示。
图 9 MODBUS总线的网络结构拓朴图
上位监控系统层面
上位监控系统层面包括过程控制系统DCS和配电站电力监控系统SCADA。上位监控系统从通信管理中心通过以太网获取信息，经过处理后提供给工程师工作站的操作人员，同时接收操作命令并下发到通信管理中心。
通信管理中心层面
通信管理中心层面的任务是：将来自MCC开关柜现场层面的各种数据用MODBUS-TCP通信规约通过冗余的以太网打包传输给SCADA和DCS，同时，将来自SCADA和DCS的控制信息发送到相关的MCC开关柜现场层面。
在通信管理中心层面中，CCU的主要由ABB公司的中型PLC：PM581-ETH及其附件构成。其中CCU主站和CCU从站分别被命名为MASTER-CCU和SLAVE-CCU。
AC500的以太网通迅接口与SCADA和DCS进行数据交换，通信协议是MODBUS-TCP，传输速率为10－100Mbps。
上位监控系统在以太网上通过IP地址区分MASTER-CCU和SLAVE-CCU，CCU主站和CCU从站构成了完全独立的上行冗余配置。
人机界面也通过以太网连接到MASTER-CCU和SLAVE-CCU。
MCC开关柜现场层面
MCC开关柜现场层面的任务是：建立冗余的信息访问通道，通过M1CCU/S1CCU对MCU单元的循环访问和信息交换使得CCU系统获得信息资料。
AC31主机07KR51增加通信扩展单元07KP53后共有4套RS485/MODBUS通信接口，其中COM1与AC500进行信息交换，COM1的通信速率为750Kbps；通信接口COM2、COM3和COM4分别接MCU，其通信速率为19.2Kbps。
若按照每条通信链路通道挂接16个MCU来计算，由M1CCU/S1CCU组成的系统总共可挂接48个MCU模块。若每个MCU信息帧的数据区为20个字，当通信速率为19.2Kbps时，M1CCU/S1CCU访问单个MCU需时25.8毫秒。考虑到系统等待的时间，则M1CCU/S1CCU遍历访问某通道内16个MCU需时不大于0.6秒。因为M1CCU/S1CCU对3个RS485通道的信息交换是并行的，即3个通道的数据交换可以同时进行，所以M1CCU/S1CCU遍历访问48个MCU需时也不大于0.6秒。
每条通信链路上挂接的MCU数量上限是25个，两套AC31总共可挂接75个MCU，此时通信遍历时间将增大到0.79秒。
MASTER-CCU/SLAVE-CCU连接M1CCU/S1CCU的最大数量是25套。
使用MODBUS总线的网络结构组建智能型低压开关柜元器件配置见表5
表 5 使用MODBUS总线的网络结构组建智能型低压开关柜元器件配置表
3.2.2 使用PROFIBUS-DP总线的网络结构
与MODBUS方案类似，在PROFIBUS-DP方案中也有3个工作层面：上位监控系统层面、通信管理层面和MCC开关柜现场层面。其网络拓朴图如图10所示。
图 10 PROFIBUS-DP总线的网络结构拓朴图
PROFIBUS-DP方案的上位监控层面与MODBUS方案完全类似，此处予以忽略。
通信管理中心层面
为了连接PROFIBUS-DP总线， AC500的底板中增加了2块CM572-DP通信扩展单元作为2套RS485/PROFIBUS-DP的主站。
PROFIBUS方案的CCU单元与MODBUS方案类似,，但取消了中间环节M1CCU和S1CCU。
MCC低压开关柜现场层面
MCC低压开关柜现场层面的任务是为MCU建立PROFIBUS链路。若被连接的MCU采用DPV0数据格式，则每条链路最多可挂接MCU的数量为64套；若被连接的MCU采用DPV1数据格式，则每条链路上最多可挂接MCU的数目为32套。
本方案中PROFIBUS-DP总线的传输速率为1.5Mbps。PROFIBUS方案的CCU与MCU之间的访问机制与MODBUS方案类似，此处不再叙述。使用PROFIBUS-DP总线的网络结构组建智能型低压开关柜元器件配置见表6
表 6 使用PROFIBUS-DP总线的网络结构组建智能型低压开关柜元器件配置表
4. ABB PLC 在低压智能开关柜中应用的程序案例
依据电力系统的状态进行断路器等的投退操作，主要包括以下程序段：
【输入信息处理】处理各种开关量输入信息的延迟判误操作。
【时钟和计时管理】处理PLC内部时钟对时，管理年、月、日、时、分、秒和毫秒计时。
【通信接口管理和驱动】对串口的ID地址、通信接口规约、发送字节格式、数据区地址等操作进行管理。
【模拟量处理】处理来自智能仪表的模拟量信息，对三相电压、电流等信息进行与或处理和越限操作处理。
【手动操作管理和控制】当选择手动操作模式时，当系统出现低电压时执行跳闸操作。
【自动操作管理和控制】当选择自动操作模式时，进行自投自复、自投手复、手投自复操作。
【出口继电器驱动程序】执行出口操作任务，具有脉冲输出功能。
【数据包打包和发送管理】对发送到SCADA的数据进行打包处理，数据存放在固定的数据区；
管理和编制向SCADA发送的信息字，解读和执行SCADA发送的遥控
命令字。
【冗余通信环路管理与驱动】建立冗余通信环路和通信机制。
图 11 低压智能开关柜程序流程
以下是程序流程中的其中一个程序段范例——时间标签程序段(SOE),其它程序段类似，此处不再叙述。
SOE是对断路器发生变位的时间进行记录。SOE需要PLC提供一个时钟，程序中的时钟为UHR软件模块：
在图12中，模块UHR的右侧即为时钟输出的秒、分、时、日、月、年和星期。图中所示的UHR时钟日期和时间记录为：星期日、06年7月23日17时44分30秒。
程序将时钟记录整理为当前日期和时间，分别为当前年月CURRENT_YY_MM、当前日时CURRENT_DD_HH、当前分秒CURRENT_MM_SS。
当QF1发生变位时，其上跳沿和下跳沿分别触发相应的边沿检测软件模块I+和I-，而后启动QF1_SOE转移程序进行QF1的变位SOE记录。程序如图13所示。
图 12 时间程序段
图13 SOE记录程序
从图13中可以看出，QF1变位的日期和时间是：06年7月23日17时59分41秒。
SOE中的数据保持到下一次发生变位，同时，当SCADA读取SOE数据后可将SOE数据清零。
SOE清零程序如图14所示：
图14 SOE清零程序
SCADA发出SOE清零命令后启动转移程序CANCAL_SOE，在CANCAL_SOE程序中将K0=0传递给SOE记录达到清零的目的。SOE清零完毕后退出CANCAL_SOE程序返回到主程序。
程序对QF1到QF5的断路器状态和保护动作状态都进行SOE记录。
5. 结语
当PLC应用在MCC智能型低压开关柜中时，低压开关柜对PLC组件的要求如下：
在MCC开关柜中，主要利用PLC强大的通信功能，而对DI/DO等信息几乎没有需求。
在MCC开关柜中，一般都要求建立冗余的通信网络和冗余的主从通信控制机制。
与DCS主从无缝冗余切换不同的是：当某CCU主机发生故障时，系统要求在数秒内切换至CCU从机即可，并不要求PLC主从机之间进行无缝冗余切换。
主从无缝冗余切换是指：当发生切换时，其程序运行指针、寄存器等运行参变量均在一个指令期间进行了平行移动，外部系统仅仅从报警信息中知道发生了主从切换，控制端和受控端在任何操作进程中都完全感觉不到主从切换操作。
冗余切换方式被称为“主从逻辑冗余切换”。ABB的AC500系列PLC属于中型机，其强大的控制功能和技术指标能够恰到好处地实现主从逻辑冗余切换。
现场总线要求和通信速率要求
往往MCC智能型低压开关柜中的总线体系是根据DCS的现场总线一致的，且对通信速率有一定的要求。本文介绍的RS485/MODBUS总线方式和RS485/PROFIBUS-DP总线方式能够满足大多数场合的使用。
