低压配电设计与安装实训考核装置的研究

曾礼光

(柳州铁道职业技术学院 电子技术学院，广西 柳州 545616)

·仪器设备研制、改进、维护·

低压配电设计与安装实训考核装置的研究

曾礼光

(柳州铁道职业技术学院 电子技术学院，广西 柳州 545616)

低压配电设计与安装实训考核装置采用西门子S7-200系列PLC作为系统的控制中心，结合数字锁存与数据选通技术，将配电作业平台、LED矩阵显示与支路负荷控制器有机结合在一起，实现了在作业平台显示建筑平面图和对支路负荷进行控制的功能。利用该实训考核装置，可以完成小型建筑低压配电项目的设计、设备选择、安装与调试的全部工作。

低压配电；设计；安装；考核装置

本文以创建真实的低压配电设计与安装情境为思路，根据国家职业技能标准：“维修电工(四级)、照明设计师”的相关要求，同时参照国家机械工业部“低压设计规范GB50054-95”，遵循模块化结构的原则，采用物理仿真的方法[1]，将低压配电系统的方案设计、负荷功率与电流的计算、导线与开关的选择、布线安装与调试、整理与汇编设计文件等功能集于一体，设计低压配电设计与安装实训考核装置。该装置可以作为各种职业教育中供配电技术课程“做中学”的实训配套设备。

1 设计的基本思路

低压配电设计与安装实训考核装置的设计思路，以创建真实的工作情境为指导思想，遵循模块化结构的原则，按照10×6(网格)或12×6(网格)或12×8(网格)的结构模式，上下两个网格组成一个七段显示单元，通过CPU控制LED显示不同作业对象的建筑平面图；同时，通过电脑显示相应建筑平面详图及用电负荷的数据，作业者依据平面图及用电负荷的配置，对供配电对象进行系统的设计、安装与调试作业[2]。

低压配电设计与安装作业平台的构造，以实训室(教室)内某一墙面作为背景，采用∠5#角钢，按800 mm×800 mm或700 mm×700 mm的规格，以网格化的结构模式，制作一个与墙体面积大体相当的网格化钢架；然后，使用膨胀螺钉将钢架与地面和墙体固定在一起，作为布线与安装作业的基本平台。在此基础上，采用嵌入式安装技术，将与钢架网孔相同规格的布线与显示模块安装在钢架的网孔内。

布线与显示模块的结构采用∠3#角钢，按照基本作业平台的钢架网孔的规格制成一个矩形框架，在矩形框架角钢平面一侧按15～20 mm距离安装Φ5规格的高亮度发光二极管，矩形框架内安装2.5～3.5 mm厚的金属网孔板，用于导线及线槽的安装。

2 系统的组成及其功能

该系统是根据项目教学法的需要而研制。所谓项目教学是指“面对一个实践性的、真实或接近真实的任务，学生们独立地(相对于教师控制而言)确定目标要求，制定具体计划，逐步实施并且检查和评价整个过程”[3]。该实训项目在完成基本理论教学之后进行，通常以下达任务书的形式开始项目作业。作业的条件是小型建筑平面结构图以及所配置的用电设备的名称、型号、额定功率和数量，要求在规定时间内完成从配电方案设计、负荷计算、设备选择，到模拟安装和调试的全部作业。

低压配电设计与安装实训考核装置主要由控制中心、LED矩阵显示、作业平台和电源等部分组成，如图1所示。其中，控制中心由PLC控制器、支路负荷控制器、数据选通与三态锁存器等单元组成。

图1 低压配电设计与安装实训考核装置的组成方框图

系统的主要功能有：(1)通过低压配电设计与安装作业平台实时显示建筑平面结构简图，并提供用电设备的额定参数。(2)能对所选择的开关设备、导线规格合理性做出判断，如果所选择的设备与负载相符，则判其设计方案可行，否则判为不合格。其功能是通过“支路负荷控制器”[4]模块来实现的。(3)为低压配电提供模拟安装作业平台。

3 电路设计

3.1 支路负荷控制器的设计

该考核装置最大的特点是具有识别和判断配电设备选型是否合理的功能。在实际考核过程中，评价学生的设计方案，不仅要看设计方案的可靠性，而且要对低压配电系统所选用的配电设备和导线的选型合理性作出判断。设计的思路是将学生计算的参数送入系统中与标准的数据进行比对，两个数据一致，控制器接通向负载供电；反之，控制器断开，说明配电设备的选型不能满足有关设计规范的要求。

为了实现预设的控制功能，在控制中心内必须建立标准化数据库，包括：用电设备组额定功率及其相应的额定电流，其有功功率计算及额定电流的计算方法[5]

PJS=Kx·Pe

(1)

式中：PJS为计算有功功率，kW；Kx为需要系数；Pe为设备容量，kW。

220/380 V三相平衡负荷的计算电流

(2)

式中：IJS为三相平衡负荷的计算电流，A；Ue为三相用电设备的额定电压，0.38kV。

220V单相负荷计算电流

IJSD=PJS/Ued·cosφ≈4.55PJS/cosφ

(3)

式中：IJSD为单相负荷的计算电流，A；Ued为单相用电设备的额定电压，0.22kV。

低压断路器动作电流的整定[6]，用于长延时过负荷保护时，其动作电流应按躲过最大负荷电流进行整定，即：

Iop(1)≥1.1I30

(4)

式中：Iop(1)为长延时热脱扣器的整定动作电流；I30为半小时最大负荷计算电流。

对于瞬时脱扣器动作电流的整定，则应躲过配电线路上的尖峰电流，即：

Iop(2)≥KreIpk

(5)

式中：Iop(2)为瞬时或短延时过电流脱扣器的动作电流；Kre为可靠系数，不同类型的断路器其可靠系数不同；Ipk为线路的尖峰电流，一般按额定电流的4～7计算。

根据系统设计方案，将各种用电设备的相关参数及其算法预先输入到控制中心的标准数据库中，以实现对低压配电系统中开关和导线规格的识别与判断功能。

3.2PLC的I/O接线图

控制器选用基本单元加扩展型PLC。它是一种由整体结构、固定I/O点数的基本单元、可选择扩展I/O模块构成的小型PLC[7]。PLC的I/O配置如表1所示，此处省略了PLC的I/O接线图。

PLC控制器选用西门子S7-200PLC的CPU226XM模块，该模块的I/O点数为24入/16出，其点数无法满足LED矩阵显示屏的控制要求，因此，增加一个扩展模块EM223DC，其输入和输出的点数为16入/16出，扩展后总点数为40入/32出，总点数达到72点。

表1 PLC的I/O配置表

3.2.1 电路元器件的选择

U1-U30锁存器选用CD4508双4BIT三态寄存器；U31-U34数据选择芯片选择CC4067B 16选1单电源通用COMS开关；支路负荷控制器是由继电器或固态继电器组成的多通道模拟开关，继电器触点电流2～10 A。

3.2.2 支路负荷控制器的通道设计

负荷控制器通道的数量要与低压配电系统接线方式相适应。常用的低压配电系统接线方式有单回路放射式、单回路树干式、环式和链式等[8]。根据一般小型建筑供配电系统的负荷规模，低压母线上所汇集的供电支线在5～20条之间，具体由系统负载的数量、功率及其分布情况决定。为适应各种建筑供配电的需要，负荷控制器的通道数量以18条为宜。由于PLC输出端口资源有限，CPU只能提供Q3.6和Q3.7，不足部分可使用Q1.0-Q1.7、Q2.0-Q2.7，这部分输出端口是LED矩阵显示模块使用的，它们之间属于不同的程序段，而且这两个任务模块不在同一时间执行，因此可以重复使用。

3.2.3 矩阵显示的工作过程

当启动考核题库并按下相应考题号按钮时，主程序即调用相应子程序，并给出该建筑平面图的编码信息，通过CPU226的输出端口Q0.0-0.7传输到锁存器数据输入端D1-D8。每一只锁存器对应一个七段数码显示单元，该考核装置设计有30个显示单元，因此需要30只锁存器，锁存器输入端之间并联。当无编码信息输入时，锁存器处于高阻态，悬挂在数据总线上，LED矩阵显示执行机构无动作，数码显示单元关闭；当CPU有编码信息输出时，数据选择电路按顺序扫描的方式，从第一显示单元开始，顺序选通锁存器，被选通的锁存器即进入直通态，即Q=D。此时CPU输出的编码信息瞬间传输到锁存器的Q端，随后CPU送出一个锁存脉冲，将锁存器的Q端锁定，并通过LED矩阵显示执行机构，接通显示要素，使LED处于工作状态。

3.3 LED矩阵显示单元电路

LED矩阵显示单元由相邻上下两个规格为800 mm×800 mm或700 mm×700 mm的显示模块组成，构成一个七段数码管，可以分别显示a、b、c、d、e、f、g等七段码，每一个段称为一个显示要素。以10×6的矩阵为例，共组成30个七段数码管单元，编号的规则：从左上角开始，按U字形排列，分别为DS1，DS2，…，DS30，每个显示要素则由40个红色高亮度发光LED串联构成，数码管电路采用共阴极的接法。元件的选择：LED选用Φ5红色高亮度发光二极管，额定工作电流为10～20 mA。元件的安装方法：先在“布线与显示模块”外框中线使用Φ5的钻头钻孔，用于安装发光二极管，再使用仪表胶将其固定。

3.4 LED驱动电路

LED矩阵显示单元各段由40只红色LED串联组成，每个显示要素的驱动电路相同。对于每个显示要素，红色发光二极管工作时的正向压降VF约为1.8～2.4 V，40只串联组成的电路总的电压降为72～96 V。因此，选用220/110 V变压器，通过桥式整流、滤波所得的直流电压约为155 V，可以作为LED矩阵显示单元的驱动电源。为保护发光二极管因电源波动或其他原因导致电流过大而损坏，设计了由可控硅和电阻串联组成的保护电路，当流过二极管的电流大于额定值时，检测电阻上的压降随之上升，可控硅被触发导通，导通的角度与检测电阻上的压降成正比，从而对电路的电流进行分流，使LED支路近似工作于恒流状态，避免LED因瞬间高压而损坏。

4 软件设计

低压配电设计与安装实训考核装置的系统控制，以西门子S7-200的CPU226XM为核心，采用结构化程序，在程序中通过主程序不断地调用子程序，从而完成整个系统的控制任务[9]。

4.1 主程序流程图

主程序按32题的规模进行编程，每个考核题编写一个子程序，根据不同的考核题由主程序调用不同的子程序，以实现该考核题建筑平面图的实时显示功能。其主程序流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

主程序在运行过程中不停地扫描输入端的输入状态，当采样到有考核题提出请求时，主程序即调用相应题序的子程序，并运行该子程序，输出建筑平面图的显示代码，通过驱动电路完成建筑平面图的显示任务。当LED显示被锁定后，从子程序退出并返回主程序继续进行循环扫描，执行其他任务。当采集到有设备选择数据输入时，程序自动对输入的数据与内置数据库中的标准数据进行比对，即对开关、导线规格选择的合理性进行识别，识别合格即接通支路负荷控制器，向负载供电，否则将其关闭，等待用户重新输入正确的数据。

4.2 LED矩阵显示电路控制流程图

LED矩阵显示电路控制程序的设计难点在于如何解决显示要素多而CPU的I/O点数不足的矛盾。按上述设计方案，一个10×6网格的矩阵显示屏，可构成30个七段数码管单元，显示要素数为210段。以显示一套四室两厅两卫的居家建筑平面图为例，仅墙体所需的显示要素数就达到85段，而CPU总的控制点数仅有72点，显然采用一对一的控制方法是行不通的。为解决这个问题，本方案采取了数据锁存与选通技术，使用锁存器与LED矩阵显示单元连接，按时序控制方式工作，如此只需占用CPU的Q0.0～Q0.7端口，在软件的控制下，按顺序选通各显示要素。其控制流程图如图4所示。

图4 LED矩阵显示电路控制流程图

4.3 支路负荷控制流程图

支路负荷控制器安装在供配电系统的供电支路上，受CPU的控制，只有满足选择的配电设备与所带负荷相匹配时，支路负荷控制器才会接通向负载供电。因此，在低压配电设计方案完成后的模拟安装阶段，需要将用电设备或用电设备组的功率(同时要考虑不同设备和使用环境的需要系数)、各支路在额定负荷下的额定电流(同时考虑各设备的功率因数)等设备参数值，通过数据输入控制器依次录入系统，按照先选择低压断路器(也称空气开关)后选择支路导线的原则，依次对配电设计方案进行识别和确认。只有低压断路器参数录入正确，才能进行支路导线参数的录入，两次参数输入正确，支路控制器的开关才能接通，向用电负荷供电。

编程的关键是将各种低压配电设计规范规定的数据标准，预先存入CPU的存储器中，与所输入的参数值进行对比，以决定是否向负载供电，其控制流程图如图5所示。

图5 支路负荷控制器流程图

5 结束语

低压配电设计与安装实训考核装置是一个基于项目导向的融低压配电设计、安装与调试于一体的综合训练平台，是供配电技术课程考核方法与手段的技术创新。它以完成小型建筑低压配电系统的设计、安装与调试为依托，开展项目式的课程教学，实现真正的“做中学”。该实训考核装置有两个创新点：一是根据设计对象实时显示建筑平面图，为低压配电的设计与安装提供一个高仿真的实训环境；二是配电设备与导线的智能识别技术。这一技术是通过支路负荷控制器对所输入的数据与系统内储存的标准数据进行反复对比来实现的。这一技术有效解决了低压配电实训中普遍存在的一个问题，即只能考核电路是否接通，而设计过程中，所选择的配电设备与负荷是否相匹配，则往往被忽视。

[1] 顾秀萍.供配电实训仿真系统的开发与应用[J].机械工程与自动化，2011(6):165.

[2]曾礼光，张永格，李翠翠，等.智能型低压供配电实训系统：中国，ZL 2013 2 0190902.7[P].2013-11-06.

[3]姜大源，吴全全.当代德国职业教育主流教学思想研究-理论、实践与创新[M].北京：清华大学出版社，2007：238-239.

[4] 曾礼光，莫振栋，雷声勇，等.配电支路负荷控制器：中国，ZL 2013 2 0190905.0[P].2013-11-06.

[5] 黄铁兵，戴瑜兴，梁志超.民用建筑电气照明设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2010：927-976.

[6] 付艮秀，王邦林，王志军，等.工厂供电技术[M].北京：北京师范大学出版社，2006：160-161.

[7] 高安邦，田敏，俞宁. 西门子S7-200PLC工程应用设计[M].北京：机械工业出版社，2011：35-39.

[8] 翁双安.供配电工程设计指导[M]. 北京：机械工业出版社，2012：78-82.

[9] 姜建芳. 西门子S7-200PLC工程应用技术教程[M]. 北京：机械工业出版社，2010：200-245.

Research on Examination Equipment of Design and Installation of Low Voltage Power Distribution

ZENG Liguang

(Institute of Electronic Technology, Liuzhou Railway Vocational and Technical College, Liuzhou 545616, China)

Examination equipment of design and installation of low voltage power distribution combined with digital latch with data strobe technology takes Siemens S7-200 series PLC as control center. The examination equipment is made up of distribution platforms, LED matrix display and tributary load controller. Design of small construction low voltage distribution project, equipment selection, and installation and commissioning work can be done in the examination equipment. Floor plan can be shown in the operating platform, and tributary load can be controlled.

low-voltage distribution; design; installation; examination equipment

2014-10-27；修改日期: 2014-11-09

2012年广西高校教学改革工程基金资助项目(2012JGA414)。

曾礼光(1958-)，男，大学本科，讲师，研究方向：电气自动化技术。

TM726.2

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.062