S7-400系列可編程控制器在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

【摘要】葛洲壩水力發(fā)電廠改造后的機(jī)組現(xiàn)地控制單元(Lcu)以SIEMENS PLC為核心，文章著重介紹監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式。

【關(guān)鍵詞】 監(jiān)控系統(tǒng)$7-400系列可編程控制器

1 概述

葛洲壩水力發(fā)電廠2號(hào)機(jī)組擬于2003年底大修，其機(jī)組現(xiàn)地控制單元(LCU)已經(jīng)過(guò)兩代產(chǎn)品，最老式的模擬電路及單板機(jī)系統(tǒng)，但由于前兩種產(chǎn)品硬件故障多，軟件編程復(fù)雜，在2號(hào)機(jī)組大修時(shí)更換為能達(dá)公司設(shè)計(jì)制造的監(jiān)控系統(tǒng)。現(xiàn)已通過(guò)硬件和軟件調(diào)試。

2 LCU裝置特點(diǎn)

采用標(biāo)準(zhǔn)化的硬件平臺(tái)： (西門(mén)子$7-400系列可編程控制器)，硬件水平成熟、可靠，軟件環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)放，產(chǎn)品具有延續(xù)性，可編程控制器采用雙電源模塊，具備冗余電源無(wú)擾動(dòng)切換的功能，提高了電源部分的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)控制層采用標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)放的Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，LCU與輔助設(shè)備、溫度測(cè)控裝置、交流量采集裝置、調(diào)速器、勵(lì)磁等均采用Profibus-DP的通訊方式，通訊速率最高可以達(dá)到12Mbps，大大提高了現(xiàn)地單元與其他智能設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換能力，現(xiàn)地單元人機(jī)界面采用TP270-10彩色觸摸屏，觸摸屏與可編程控制器之間采用187，5Kbps的通訊速率，提高了畫(huà)面的數(shù)據(jù)刷新率，避免因通訊速率低導(dǎo)致的數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間停頓現(xiàn)象；軟件設(shè)計(jì)工具靈活多樣，可以采用梯形圖、語(yǔ)句表、功能塊、高級(jí)語(yǔ)言(SCL)、流程圖(S7－GRAPH)等編程語(yǔ)言，而且具備仿真功能，程序能夠獨(dú)立于硬件環(huán)境進(jìn)行調(diào)試，增強(qiáng)了設(shè)備調(diào)試的可靠性與成功率。

3 LCU裝置的基本功能

3.1 數(shù)據(jù)采集及處理功能

LCU裝置對(duì)數(shù)據(jù)采集及處理的要求：自動(dòng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行品質(zhì)辨別；對(duì)采集的數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)庫(kù)；自動(dòng)生成模擬量數(shù)據(jù)越限報(bào)警和記錄、開(kāi)入點(diǎn)變位記錄、開(kāi)出點(diǎn)動(dòng)作記錄、SOE記錄等，記錄緩沖區(qū)能保持最新的512個(gè)記錄；LCU對(duì)所有開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)、開(kāi)出點(diǎn)動(dòng)作記錄、模擬信號(hào)以及以上各種記錄向上位機(jī)傳送；LCU與上位機(jī)能自動(dòng)對(duì)時(shí)，并在觸摸屏上動(dòng)態(tài)顯示LCU時(shí)間。各種變位記錄及報(bào)表的時(shí)間應(yīng)具有統(tǒng)一時(shí)間參照。

(1)開(kāi)關(guān)量采集及處理

LCU裝置對(duì)開(kāi)關(guān)量采集分為狀態(tài)量與SOE量，SOE量以S7-400PLC開(kāi)關(guān)量輸入硬件中斷的形式采集，分辨率達(dá)到2ms，并產(chǎn)生事件記錄，所有開(kāi)入量均有指示燈指示，并采取光電耦合隔離等其他必要抗干擾措施。

(2)有功、無(wú)功電度量采集及處理

LCU電度量處理由交流量采集裝置將采集到的電度量數(shù)據(jù)通過(guò)通訊送人LCU。

(3)模擬量的采集及處理

模擬量定義為除溫度量以外的所有電量和非電量。LCU能對(duì)所采集的模擬量進(jìn)行越／復(fù)限比較，每點(diǎn)模擬量可設(shè)置高高限、高限、低限、低低限四種限值，可設(shè)置越、復(fù)限死區(qū)和刷新死區(qū)，并能作出報(bào)警或事故處理。電氣模擬量采用交流采樣，電壓范圍0～150V，電流范圍0～5A，對(duì)主要模擬量應(yīng)能快速采集，快速采集分辨率不大于0.5s，采集點(diǎn)數(shù)不少于16點(diǎn)。所有模擬量輸入均采取隔離、濾波等抗干擾措施。

(4)溫度量的采集及處理

溫度的感溫元件為電阻，機(jī)組有3種鍘溫電阻，對(duì)應(yīng)形式為：50～71.4Q對(duì)應(yīng)0～100度、53～75.9對(duì)應(yīng)0～100℃及PT100電阻。溫度量共有96點(diǎn)，分為單、雙號(hào)兩組，分別接入LCU，兩套溫度檢測(cè)裝置通過(guò)通訊與LCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。以上兩種方式能設(shè)置高限、高高限、越／復(fù)限死區(qū)，且可用軟件對(duì)溫度電阻進(jìn)行補(bǔ)償。

當(dāng)某一點(diǎn)溫度異常時(shí)，LCU能對(duì)其進(jìn)行追憶，并做出趨勢(shì)預(yù)測(cè)。對(duì)溫度的追憶測(cè)點(diǎn)數(shù)不少于8點(diǎn)，并能在離線方式下人為地定義追憶點(diǎn)。LCU對(duì)上述單、雙號(hào)兩組溫度量中的軸承溫度點(diǎn)分別進(jìn)行保護(hù)處理，任意一組滿足啟動(dòng)溫度保護(hù)的條件，且溫度保護(hù)功能投切壓板投入，則進(jìn)行溫度保護(hù)動(dòng)作停機(jī)。溫度監(jiān)測(cè)裝置與LCU通訊故障或裝置本身故障時(shí)，LCU退出該裝置對(duì)應(yīng)的溫度測(cè)點(diǎn)。當(dāng)機(jī)組溫度越上限或上上限時(shí)，LCU能作出報(bào)警處理。

機(jī)組三部軸承溫度測(cè)點(diǎn)又分別分為上導(dǎo)、水導(dǎo)、推力三組，當(dāng)同一組中的任意兩點(diǎn)溫度越上上限，另一套溫度監(jiān)測(cè)裝置任意兩點(diǎn)溫度越上上限，且自檢溫度正常，啟動(dòng)事故停機(jī)流程進(jìn)行停機(jī)并報(bào)警。LCU溫度保護(hù)停機(jī)功能的投退通過(guò)一個(gè)壓板進(jìn)行。溫度監(jiān)測(cè)裝置能獨(dú)立工作。當(dāng)機(jī)組溫度越上限時(shí)，溫度檢測(cè)裝置輸出報(bào)警接點(diǎn)并擴(kuò)充3付空接點(diǎn)發(fā)信號(hào)；溫度檢測(cè)裝置的停機(jī)出口經(jīng)過(guò)擴(kuò)充后的1付接點(diǎn)接入繼電器事故停機(jī)回路，并采用壓板投退。溫度檢測(cè)裝置有顯示窗口，能定點(diǎn)和巡回顯示溫度點(diǎn)值，并能設(shè)置和顯示高限、高高限等各種參數(shù)。

溫度保護(hù)的組態(tài)參數(shù)可通過(guò)調(diào)試終端進(jìn)行設(shè)置。LCU可實(shí)現(xiàn)溫度梯度報(bào)警，各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)可保存四個(gè)值(三個(gè)歷史值T1、T2、T3，一個(gè)現(xiàn)時(shí)值T4)，各歷史值保存時(shí)間間隔可自由設(shè)定，但各歷史值保存時(shí)間間隔相同。各點(diǎn)溫度的梯度報(bào)警起始值和梯度報(bào)警值可自由設(shè)定，當(dāng)溫度值超過(guò)梯度報(bào)警起始溫度值后，且AT1=T2－T1、AT2=T3-T2、AT3=T4－T3均超過(guò)梯度報(bào)警值(△T)時(shí)才出口報(bào)警。LCU能對(duì)上導(dǎo)、水導(dǎo)、推力、定子熱風(fēng)、定子冷風(fēng)等部位的測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行最高溫度、最低溫度、平均溫度的實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示。 溫度監(jiān)測(cè)裝置采樣周期不大于3s，測(cè)量精度0.5％。

3.2 順序控制功能

順序控制包括開(kāi)停機(jī)、升壓、并網(wǎng)等控制，在實(shí)際運(yùn)行中由于控制對(duì)象多，如果出現(xiàn)條件檢查不滿足時(shí)，如鍘點(diǎn)退出、測(cè)值非法、設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換不到位等，而維護(hù)人員又不在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，定會(huì)影響操作的順利進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)拖延機(jī)組并入系統(tǒng)時(shí)間，造成嚴(yán)重后果。在LCU裝置投運(yùn)近三年里，已出現(xiàn)幾次類(lèi)似現(xiàn)象，因此在整個(gè)控制程序里增加了單對(duì)象控制操作功能。當(dāng)機(jī)組發(fā)生事故時(shí)，LCU自動(dòng)記錄相關(guān)模擬量數(shù)值，進(jìn)行事件追憶。對(duì)事件追憶，應(yīng)能追憶故障前后各10s的記錄，模擬量的采集速度不大于0.5s，追憶點(diǎn)數(shù)不少于16個(gè)模擬量點(diǎn)。

3.3 機(jī)組有功、無(wú)功的負(fù)荷調(diào)節(jié)功能

LCU裝置有功P、無(wú)功Q調(diào)節(jié)以LCU觸摸屏設(shè)置或上位機(jī)設(shè)置，其尸、Q給定值為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組有功P在給定值正負(fù)5 MW范圍、無(wú)功Q在給定值正負(fù)3 Mvar范圍運(yùn)行，調(diào)節(jié)規(guī)律為PID調(diào)節(jié)，P、Q調(diào)節(jié)的PID參數(shù)按我廠水頭波動(dòng)范圍分為七組，以實(shí)現(xiàn)不同水頭情況下機(jī)組最佳P、Q調(diào)節(jié)品質(zhì)。輸出采用定頻調(diào)寬輸出方式，調(diào)節(jié)脈沖均采用光隔輸出給微機(jī)調(diào)速器(WT)和微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(WLT)，在P、Q調(diào)節(jié)過(guò)程中已設(shè)立發(fā)電機(jī)電壓、電流，轉(zhuǎn)子電流、DL跳閘，調(diào)節(jié)超時(shí)，P、Q負(fù)荷差等23種調(diào)節(jié)保護(hù)，以確保P、Q調(diào)節(jié)在正常情況下進(jìn)行。

3.4 與上位機(jī)及其他輔助設(shè)備的通訊功能

LCU直接聯(lián)100Mbps以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并將所有開(kāi)關(guān)量、模擬量、SOE事件及開(kāi)出動(dòng)作記錄LCU狀態(tài)字、計(jì)算量及標(biāo)志等向上位機(jī)傳送。上位機(jī)或調(diào)試機(jī)能對(duì)所有溫度量和模擬量限值進(jìn)行修改及加載。LCU與輔助設(shè)備均采用Profibus-DP的通訊方式，通訊速率最高可以達(dá)到12Mbps。

3.5 人機(jī)接口功能

LCU通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口，完成以下功能：觸摸屏應(yīng)具備以太網(wǎng)或總線通訊功能；顯示采集的機(jī)組運(yùn)行信息；顯示機(jī)組的事故、故障信息一覽表；操作員輸入，包括控制命令、定值設(shè)置、測(cè)點(diǎn)投退、修改參數(shù)整定值；脫機(jī)狀態(tài)時(shí)鐘設(shè)置；操作過(guò)程顯示；控制操作密碼設(shè)置，觸摸屏畫(huà)面響應(yīng)速度應(yīng)快速、流暢，軟件編制簡(jiǎn)潔；觸摸屏與LCU應(yīng)有對(duì)時(shí)功能，并在觸摸屏上動(dòng)態(tài)顯示LCU時(shí)間、顯示畫(huà)面、開(kāi)機(jī)順控圖、停機(jī)順控圖、輔設(shè)監(jiān)視圖表、頂蓋監(jiān)視圖、軸承測(cè)溫圖、模擬量顯示圖(電氣量、非電量等)、定子鍘溫圖、故障、事故監(jiān)視圖、光字一覽表。

4 LCU裝置的控制操作

通過(guò)上位機(jī)或LCU觸摸屏可對(duì)機(jī)組及其輔助設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制及點(diǎn)控操作，也可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行手動(dòng)操作。上位機(jī)和LCU能監(jiān)視機(jī)組所有輔助設(shè)備的運(yùn)行方式(自動(dòng)、備用、應(yīng)急等)及相應(yīng)操作把手按鈕的操作，并能在上位機(jī)或LCU上進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行方式的人工設(shè)置及設(shè)備倒換操作，同時(shí)三個(gè)輔助設(shè)備PLC的控制操作結(jié)果上送LCU，LCU處理后送上位機(jī)。LCU裝置的控制主要控制操作包括：機(jī)組正常開(kāi)停機(jī)控制、機(jī)組緊急停機(jī)控制、自動(dòng)緊急停機(jī)控制、手動(dòng)緊急停機(jī)功能、調(diào)速器控制、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制、同期控制、斷路器無(wú)壓合閘、轉(zhuǎn)速測(cè)量及出口控制等。

5 監(jiān)控程序系統(tǒng)軟件及結(jié)構(gòu)

LCU監(jiān)控系統(tǒng)基于WIN98或WIN2000操作系統(tǒng)采用SIMATIC STEP7編程軟件。TP270-10彩色觸摸屏采用PROTOOL6，0按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行方式進(jìn)行編制。監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)如圖1所示。

硬件組態(tài)環(huán)節(jié)主要采用了SIMATIC$7-400可編程控制器中電源模板、CPU模板、通訊處理器、數(shù)字量輸入／輸出模板、模擬量輸入模板，分為二層機(jī)架構(gòu)建。 監(jiān)控程序采用梯型圖的方式編制。 數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)即在程序中，按實(shí)際工況要求編制相應(yīng)的DB塊主要分為：開(kāi)關(guān)量的輸入輸出、模擬量的輸入、輔設(shè)的通訊、溫度量越復(fù)限一覽表、模擬量越復(fù)限一覽表、事故追憶等。最后進(jìn)行機(jī)組流程的組態(tài)主要包括：?jiǎn)慰亓鞒?、順控流程、輔設(shè)倒換流程、通訊處理流程、PQ調(diào)節(jié)、PID控制等。

6 結(jié)束語(yǔ)

S7-400可編程控制器具有硬件的高可靠性和軟件的多靈活性的特點(diǎn)，應(yīng)用于機(jī)組現(xiàn)地控制單元能直接提高發(fā)電廠的運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)效益。