可編程控制器在地鐵直流牽引供電系統(tǒng)
非電量保護(hù)中的應(yīng)用
1 引言北京地鐵自20世紀(jì)60年代末建成通車的全國第一條地鐵線路即“一線地鐵”和80年代建成通車“環(huán)線地鐵”，其直流牽引系統(tǒng)二次保護(hù)系統(tǒng)，都是由傳統(tǒng)的電磁式繼電器所構(gòu)成。到90年代末，北京地鐵建成通車的“復(fù)—八線”，它的直流牽引系統(tǒng)的二次保護(hù)，也只是在電量保護(hù)中引進(jìn)了國外的微機(jī)綜合保護(hù)裝置，而非電量保護(hù)仍然沿用電磁式繼電保護(hù)方式。
在這種保護(hù)系統(tǒng)中，使用了大量的中間繼電器、時間繼電器、重合閘繼電器等分立元器件。由于使用的元器件數(shù)量和品種多，使得系統(tǒng)接線復(fù)雜，給系統(tǒng)調(diào)試以及修改接線帶來困難。因其潛在故障點(diǎn)多，故降低了整個系統(tǒng)的安全可靠性。同時，還由于對各種繼電器每年必須進(jìn)行動作值、返回值、動作時間等項(xiàng)目的校驗(yàn)，維護(hù)時還要打磨繼電器接點(diǎn)、并檢測接點(diǎn)的開閉特性、檢查和清掃二次線等，因而維護(hù)、計(jì)表工作十分繁重。
從以上的情況可以看出產(chǎn)生這些問題的關(guān)鍵是使用了大量的電磁式繼電器，如果我們能找到一種先進(jìn)而又成熟的技術(shù)產(chǎn)品，并結(jié)合工程技術(shù)人員多年的設(shè)計(jì)、運(yùn)營和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，從而替代目前使用的各種傳統(tǒng)的電磁式繼電器，并結(jié)合已有的電量保護(hù)裝置組成具有地鐵特色的、全新的直流保護(hù)系統(tǒng)，就能順利地解決這些問題，進(jìn)而加快地鐵保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)備改造和技術(shù)進(jìn)步，提高整個保護(hù)系統(tǒng)的安全可靠性。
當(dāng)前，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的電力、機(jī)械、輕紡、冶金、化工等行業(yè)中，廣泛地應(yīng)用了可編程控制器這種先進(jìn)技術(shù)。可編程控制器是一種具有控制能力強(qiáng)、操作方便靈活、價格便宜、可靠性高的面向生產(chǎn)過程和邏輯控制的專用計(jì)算機(jī)。它不僅可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，還可構(gòu)成復(fù)雜的過程控制網(wǎng)絡(luò)。
可編程控制器作為一種工控產(chǎn)品在工業(yè)自動化領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，在地鐵/輕軌環(huán)控系統(tǒng)(BAS)中也有大量的應(yīng)用，但是在直流牽引供電系統(tǒng)中，如何根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，用可編程控制器實(shí)現(xiàn)非電量保護(hù)并與電量保護(hù)裝置有機(jī)地結(jié)合起來組成完善的保護(hù)系統(tǒng)，還是一個嶄新的課題，本文將根據(jù)北京地鐵的特點(diǎn)，論述可編程控制器在舊線改造和新線建設(shè)中的具體應(yīng)用。
2 可編程控制器的發(fā)展及特點(diǎn)
隨著微電子技術(shù)和集成電路的迅速發(fā)展，微處理器和微型計(jì)算機(jī)經(jīng)過不斷地開發(fā)和改進(jìn)，軟、硬件資源和技術(shù)已經(jīng)十分完善，價格也很低廉，因而滲透到各個領(lǐng)域。可編程控制器就是吸收了微型計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，引入了微處理器和其它大規(guī)模集成電路的制造技術(shù)，并綜合了計(jì)算機(jī)與自動化技術(shù)而開發(fā)的新一代自動過程控制裝置。
按照IEC可編程控制器國際標(biāo)準(zhǔn)的定義，可編程序控制器又稱PC或PLC，它是以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的一種用于工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的數(shù)字式電子系統(tǒng)。這種系統(tǒng)用可編程序存儲面向用戶指令的內(nèi)部寄存器，完成規(guī)定的功能，如邏輯、順序、定時、記數(shù)、數(shù)字運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理等，通過數(shù)字量或模擬量的輸入、輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。
第一個PLC應(yīng)用實(shí)例是1970年由美國的通用汽車公司應(yīng)用于汽車制造過程中。PLC的早期目的是為了取代過去的繼電器順序邏輯電路，而實(shí)現(xiàn)順序邏輯控制功能。通過用軟件來實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，從而大大提高了靈活性，特別是在修改時只需改變軟件而不用再改變繼電器組合和接線，節(jié)約了技術(shù)人員大量的時間和系統(tǒng)成本，因此PLC在邏輯控制中迅速獲得了廣泛應(yīng)用。
早期的PLC的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、功能簡單、速度快、采用專用處理器技術(shù)、可靠性高、價格低。但隨著微計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和IPC技術(shù)與開放軟件技術(shù)的發(fā)展，PLC也在不斷提高自己的性能并不斷擴(kuò)展自己的應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)今的PLC具有以下特點(diǎn)：
1) 功能豐富
當(dāng)今的PLC已不再限于完成順序邏輯控制功能。多數(shù)的PLC采用通用的高性能處理器(有的PLC采用Pentium處理器，有的采用Alpha處理器芯片等)，采用實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)，在保證快速完成順序邏輯運(yùn)算的前提下，普遍增加了回路調(diào)節(jié)功能、代數(shù)計(jì)算功能等。當(dāng)今的PLC已經(jīng)走出了原來的設(shè)備邏輯控制應(yīng)用領(lǐng)域，而向連續(xù)過程控制領(lǐng)域和批量控制領(lǐng)域滲透。
2) 網(wǎng)絡(luò)功能增強(qiáng)
過去的PLC一般限于設(shè)備級的邏輯控制，提供簡單的慢速的通信功能(只支持RS232、485，通信速率一般在幾千字節(jié)/秒到幾十千字節(jié)/秒之間)，目的是將系統(tǒng)的控制狀態(tài)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)傳給一些監(jiān)視設(shè)備(如顯示終端或PC機(jī))供操作員監(jiān)視或?qū)⒉僮鲉T的修改指令傳遞到PLC。一般情況下，PLC自身完成所有的控制功能，即使通信和監(jiān)視設(shè)備都不工作，PLC仍繼續(xù)其邏輯控制工作。當(dāng)今的PLC都提供了高速的通信網(wǎng)絡(luò)(如Ethernet等)，有的PLC還支持快速現(xiàn)場總線通信(Modbus Plus、Profibus、DeviceNet、SDS等)。PLC+網(wǎng)絡(luò)+PC+SCADA軟件已形成了一種非常流行的應(yīng)用方式。
3) 開放圖形軟件
過去的PLC提供的顯示功能極其簡單，多數(shù)采用數(shù)值列表方式或簡單的線圖顯示。現(xiàn)在，一大批的專業(yè)監(jiān)控(SCADA)軟件廠商(如Intellution，Wonderware等)在Windows系統(tǒng)平臺上開發(fā)了許多功能非常強(qiáng)的監(jiān)控軟件，這些軟件一般支持多種PLC連接，具有豐富的圖形顯示功能，歷史數(shù)據(jù)記錄與趨勢顯示功能，狀態(tài)報警顯示功能，PLC圖形組態(tài)功能等，使得今天的PLC再也不是一個順序邏輯控制黑匣子，而是變成了一個集邏輯控制、調(diào)節(jié)控制、網(wǎng)絡(luò)通信和圖形監(jiān)視于一體的綜合自動化系統(tǒng)。
4) 編程標(biāo)準(zhǔn)化
過去的PLC編程一般是由各廠家提供的LADDER圖編程語言。它們形狀相似，卻不兼容。現(xiàn)在PLC正在向開放性發(fā)展。在開放方面，最大的進(jìn)步當(dāng)屬PLC編程語言的標(biāo)準(zhǔn)化。自從IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)推出以來，各PLC廠商積極向該標(biāo)準(zhǔn)靠攏。IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)是為PLC編程標(biāo)準(zhǔn)化所制定的一套歐洲標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了五種不同的控制編程語言：梯形圖、順序功能圖(SFC)、功能塊圖、結(jié)構(gòu)文本語言和指令表。
5) 小型化和微型化
當(dāng)今PLC市場除了呈現(xiàn)高性能和網(wǎng)絡(luò)功能競爭特征之外，另一個顯著特征就是小型再小型，價格一降再降。幾年前，微型PLC才大量上市，許多廠家又推出了超微型PLC(具有16或更少的I/O點(diǎn))。一些微型PLC具有超微型PLC的體積，卻有更強(qiáng)的功能，如Omron公司的SRM1體積只有一疊撲克牌大小，卻支持可到256點(diǎn)的I/O能力(分散I/O方式)；Schneider公司的Modicon TSX Micro PLC支持多組超微型PLC的分散I/O，還提供PID調(diào)節(jié)功能。微型的PLC一般采用分散結(jié)構(gòu)：控制器體積很小，完成綜合邏輯處理和運(yùn)算功能，而I/O采集和處理則在現(xiàn)場模塊中實(shí)現(xiàn)。
PLC作為一種先進(jìn)而又成熟的技術(shù)，目前被廣泛地應(yīng)用在電力、機(jī)械、冶金、化工、輕紡等各個領(lǐng)域。它不僅可以替代繼電器系統(tǒng)，使硬件軟化，提高工作可靠性和系統(tǒng)靈活性，它還具有運(yùn)算、計(jì)數(shù)、調(diào)節(jié)、通信、聯(lián)網(wǎng)的功能。
PLC與傳統(tǒng)的繼電器邏輯相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1) 由于采用了大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)，因此可靠性高、邏輯功能強(qiáng)，且體積很小。
2) 在需要大量中間繼電器以及時間繼電器和計(jì)數(shù)繼電器的場合，PLC無需增加硬件設(shè)備，利用微處理器及存儲器的功能，就可以很容易地完成這些邏輯組合和運(yùn)算，大大降低了控制成本。
3) 由于PLC采用軟件編程來完成控制任務(wù)，所以隨著要求的變更對程序進(jìn)行修改顯得十分方便，而這對于布線邏輯的繼電器邏輯控制則難以辦到。
PLC雖然采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)和微處理器，但是與計(jì)算機(jī)相比又有以下特點(diǎn)：
1) PLC是在惡劣的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行的，因此它的設(shè)計(jì)著眼于可靠、高抗干擾、密封及堅(jiān)固。它不需要一般計(jì)算機(jī)必需具備的環(huán)境要求。
2) PLC一般具有模塊結(jié)構(gòu)，可以針對不同的對象進(jìn)行組合和擴(kuò)展，以滿足工業(yè)控制的需要，因此具有很好的性能價格比。
近年P(guān)LC的發(fā)展更加迅猛，可編程控制器市場應(yīng)用的主要趨勢是占領(lǐng)中、小型分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System，DCS)市場，DCS作為一種有效的控制方式為越來越多的人們所接受，在造紙、食品和飲料、石油化工、醫(yī)藥、電力和公用事業(yè)等領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用，而由PLC組成的DCS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢越來越強(qiáng)勁。據(jù)美國權(quán)威機(jī)構(gòu)推薦，按以下準(zhǔn)則選擇：當(dāng)模擬量多于128路，且開關(guān)量少于128點(diǎn)時，選擇儀表型DCS；當(dāng)模擬量多于128路，且開關(guān)量多于256點(diǎn)時，選擇PLC與儀表型DCS；當(dāng)模擬量少于64路，且開關(guān)量多于256點(diǎn)時，應(yīng)選擇PLC構(gòu)成的DCS。當(dāng)然，這個準(zhǔn)則僅供參考。
3 地鐵供電系統(tǒng)
3.1 地鐵供電系統(tǒng)
地鐵的動力來自電力，供電系統(tǒng)在地鐵中的重要性是不言而喻的。地鐵供電系統(tǒng)是指輸電、變電、配電及用電設(shè)備的總和，是國家電力系統(tǒng)的一部分，也稱為國家電力系統(tǒng)的用戶或負(fù)荷。它一般包括直流牽引供電系統(tǒng)、動力照明系統(tǒng)和高/中壓交流供電系統(tǒng)三部分。高/中壓交流供電系統(tǒng)和動力照明系統(tǒng)在電力網(wǎng)中屬于配電系統(tǒng)，與一般的廠礦配電系統(tǒng)沒有太大的區(qū)別。牽引供電系統(tǒng)可分為交流牽引和直流牽引兩種，在世界鐵道電力牽引中，直流牽引約占55%以上。北京地鐵采用的是直流牽引供電系統(tǒng)，直流牽引供電系統(tǒng)直接為地鐵列車提供電力，它既不同于一些廠礦的直流電力(如煉鋼廠)系統(tǒng)，也不同于鐵路的直流牽引，具有地鐵獨(dú)特的特性，這將是本文論述的中心。
3.2 直流牽引供電系統(tǒng)
一般來講，地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的主要一次設(shè)備是牽引變壓器和整流器(這兩種設(shè)備一般稱為牽引機(jī)組或機(jī)組)、直流斷路器和直流電動隔離開關(guān)，國內(nèi)地鐵系統(tǒng)標(biāo)稱電壓主要有750V和1500V兩種；主接線形式較多，主要分為帶備用母線及其備用閘開關(guān)和不帶備用母線及其備用閘開關(guān)兩種；進(jìn)線柜有些城市設(shè)斷路器(如北京)，有些城市不設(shè)斷路器(如上海、廣州)；但是有一點(diǎn)是幾乎所有的地鐵都相同的：即同一供電區(qū)間的接觸軌或接觸網(wǎng)由相鄰的兩個牽引變電所相對應(yīng)的饋出開關(guān)同時供電，這種供電方式又稱為雙邊供電。
北京地鐵一線、環(huán)線和在建的新線直流牽引供電系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓均是750V，牽引網(wǎng)形式也同為下部接觸軌饋電，走行軌回流，但它們的主接線的形式卻不盡相同，如圖1為北京地鐵“復(fù)八線”牽引降壓混合變電所的典型主接線。
直流牽引供電具有速度范圍大、調(diào)速方便、易于控制車輛啟制動平穩(wěn)、牽引接觸網(wǎng)簡單、投資省、電壓質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著牽引變電站設(shè)備復(fù)雜、電網(wǎng)諧波、電腐蝕、電磁干擾等缺陷，并且給電器保護(hù)帶來相當(dāng)?shù)碾y度。目前北京地鐵直流750V保護(hù)系統(tǒng)中設(shè)有電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、接地保護(hù)和微機(jī)綜合保護(hù)，以及機(jī)組開關(guān)故障跳閘聯(lián)跳總閘開關(guān)、總閘開關(guān)故障跳閘聯(lián)跳分閘開關(guān)、分閘開關(guān)故障跳閘聯(lián)跳對側(cè)分閘開關(guān)，分閘開關(guān)自動重合閘、緊急停電等保護(hù)。微機(jī)綜合保護(hù)中含有瞬時過電流(Imax)、電流增量保護(hù)(ΔI)、電流上升率瞬時臨界值保護(hù)(di/dt)、能量積分保護(hù)(Icp)。上述諸多保護(hù)種類又可以分為電量保護(hù)和非電量保護(hù)兩大類。
3.3.1 電量保護(hù)
北京地鐵從1996年開始引進(jìn)國外的用于直流供電系統(tǒng)保護(hù)的微機(jī)綜合保護(hù)裝置，如現(xiàn)已裝備于一線、環(huán)線和復(fù)八線各個牽引變電站的俄羅斯的BZ-M型微機(jī)綜合保護(hù)裝置。在此之前，北京地鐵一線、環(huán)線直流牽引供電系統(tǒng)使用的電量保護(hù)，主要是直流快速斷路器自身的電流速斷保護(hù)，以及由電磁式電流繼電器、電壓繼電器等分立元件組成的過電流保護(hù)和接地保護(hù)等，并使用至今。
目前，國內(nèi)尚沒有成熟的直流牽引供電系統(tǒng)的微機(jī)型電量保護(hù)裝置，而國外已有很多種先進(jìn)而成熟的饋線微機(jī)綜合保護(hù)裝置，如德國Siemens公司的DPU 96、瑞士Secheron公司的SEPCOS和德國ADtranz公司的DCP 106，以及在北京地鐵投入運(yùn)行的俄羅斯的BZ-M。這些饋線微機(jī)綜合保護(hù)裝置中含有的電量保護(hù)種類如下：
短路保護(hù)包括：
過電流保護(hù)
電流變化保護(hù)
過電流保護(hù)包括：
限時過電流保護(hù)
熱過負(fù)荷保護(hù)
其它系統(tǒng)保護(hù)：
供電電纜監(jiān)視
電壓監(jiān)視
其中，DPU 96、SEPCOS和DCP 106還提供了Profibus、Modbus或Modbus Plus等工業(yè)現(xiàn)場總線接口，因而具備了與電力SCADA系統(tǒng)，利用通訊的方式直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的能力。從上述幾種饋線微機(jī)綜合保護(hù)裝置所包含的電量保護(hù)種類，可以看出，它們中的任何一種產(chǎn)品，都可以滿足地鐵目前電量保護(hù)的需要。在不久的將來，地鐵保護(hù)系統(tǒng)中的電量保護(hù)將會逐步過渡到微機(jī)綜合保護(hù)裝置。
3.3.2 非電量保護(hù)
機(jī)組聯(lián)跳總閘保護(hù)、總閘聯(lián)跳分閘保護(hù)、相鄰變電所間的聯(lián)跳保護(hù)、緊急停電、重合閘功能，以及直流斷路器和直流電動隔離開關(guān)之間的聯(lián)鎖等，所有通過開關(guān)量實(shí)現(xiàn)的邏輯保護(hù)和邏輯閉鎖功能，都屬于非電量保護(hù)的范疇。前文已經(jīng)提到，地鐵供電系統(tǒng)的一次主接線形式多種多樣，因而，非電量保護(hù)的種類也會隨著主接線的形式而有所不同，以適應(yīng)不同的主接線方式。非電量保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)就是開關(guān)量(或數(shù)字量)的邏輯組合。為了實(shí)現(xiàn)這種邏輯組合關(guān)系，在傳統(tǒng)的方法中是使用大量的電磁式繼電器進(jìn)行搭建，其弊端在本文的引言中已經(jīng)指出，同時對此我們也提出了自己的解決方案，即采用先進(jìn)且成熟的可編程控制器技術(shù)實(shí)現(xiàn)非電量保護(hù)。
