低压配电设计与安装实训考核装置设计

　　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。

　　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]

　　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. 2 PLC 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。

　　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].