基于S7－315的沖擊發(fā)電機組控制系統(tǒng)研究

牛小東 ，謝曉斌 ，謝曉玲

（1.甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅天水741018；2.甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測技術(shù)重點實驗室，甘肅天水741018）

1 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，尤其是電力工業(yè)迅速發(fā)展，電網(wǎng)變換裝置如斷路器、開關(guān)等，也向大容量化、高電壓化、大電流方向發(fā)展。斷路器類產(chǎn)品的研制開發(fā)，必須通過短路試驗來定型，就需要大型沖擊發(fā)電機來提供這種突然短路的短路電流來進行測試。沖擊發(fā)電機也稱為短路試驗發(fā)電機，專門用于短路試驗。

按照國際電工委員會IEC標(biāo)準(zhǔn)，沖擊發(fā)電機應(yīng)稱為短路發(fā)電機。沖擊發(fā)電機的運行工況既特殊、又嚴(yán)酷，專門在突然短路工況下運行，短路時間很短，一般是幾百毫秒內(nèi)輸出沖擊電流，致使發(fā)電機本身繞組也要承受巨大的電動力。沖擊發(fā)電機是周期性地以對稱和不對稱短路運行并輸出盡可能大的短路電流，且在工作循環(huán)所規(guī)定的合閘時間內(nèi)保持電流的衰減為最小。

在3200MVA沖擊發(fā)電機的配套系統(tǒng)中，該機組在國內(nèi)屬于較大容量的沖擊發(fā)電機組，它由一臺2500kW的拖動電機拖動旋轉(zhuǎn)。主要作為大容量試驗系統(tǒng)的試驗電源，主要檢測高壓交流斷路器、負(fù)荷開關(guān)、交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備、高低壓熔斷器等產(chǎn)品。該機組啟停、調(diào)速、勵磁、保護等邏輯復(fù)雜，且非常重要，研制一套適用于該機組的控制軟件很有必要。

2 沖擊發(fā)電機組系統(tǒng)組成

2.1 沖擊發(fā)電機組系統(tǒng)

沖擊發(fā)電機組由沖擊發(fā)電機、拖動電機及其輔助的油系統(tǒng)、水系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 沖擊發(fā)電機組油系統(tǒng)圖

2.2 控制對象

機組啟動過程中需要對沖擊發(fā)電機、拖動電機、油系統(tǒng)、水系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)等控制，控制參數(shù)類型包括開關(guān)量、模擬量。

3 硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計遵循分布式控制系統(tǒng)思想，具有分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便等優(yōu)點。系統(tǒng)由 6 臺 S7－315－2PN/DP、SCALANCE X104－2構(gòu)成，如圖2所示。每臺根據(jù)控制、監(jiān)測目的而配置不同的輸入輸出模塊。該系統(tǒng)有現(xiàn)場控制機、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、人機接口單元（西門子MP277）、機柜、電源等組成。系統(tǒng)具備開放的體系結(jié)構(gòu)，可以提供多層開放數(shù)據(jù)接口。

硬件系統(tǒng)在惡劣的試驗環(huán)境下具有高度的可靠性、維修方便、工藝先進。系統(tǒng)內(nèi)任一組件發(fā)生故障，均不會影響整個系統(tǒng)的工作。系統(tǒng)的參數(shù)、報警、自診斷及其他管理功能高度集中，控制系統(tǒng)在功能和物理上真正分散，系統(tǒng)平均無故障時間為10萬小時。

圖2 沖擊發(fā)電機組系統(tǒng)設(shè)計

3.2 硬件配置

系統(tǒng)采用的 S7－315－2PN/DP 由電源單元（PS）、中央處理單元（CPU）、接口模塊（IM）、信號模塊（SM）組成。本系統(tǒng)采用分布式控制的原則，根據(jù)現(xiàn)場控制和監(jiān)控設(shè)備的具體需要對其進行配置。例如在勵磁調(diào)速室，DO輸出點28個、DI數(shù)字量輸入點32個。

4 軟件設(shè)計

4.1 主程序

系統(tǒng)主程序的功能是機組正常運行和安全保護控制，對發(fā)電機、拖動電機、油系統(tǒng)、水系統(tǒng)、勵磁調(diào)速系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制，以保證在滿足一定的條件下，能夠按照預(yù)先設(shè)定的邏輯順序依次執(zhí)行。例如主程序初始化后，首先判斷機組是否符合啟動條件，上次停機屬于正常停機還是非正常停機，故障是否排除，只有滿足啟動條件才能進入下一個執(zhí)行功能模塊。主程序邏輯框圖如圖3所示。

底層軟件平臺采用Step7，具備強大的處理功能，有方便地組態(tài)復(fù)雜控制系統(tǒng)的能力和用戶自主開發(fā)專用高級控制算法的支持能力。易于組態(tài)，易于使用。

圖3 系統(tǒng)主程序邏輯框圖

4.2 事件處理子程序

事件處理子程序主要處理沖擊發(fā)電機組系統(tǒng)故障報警，在機組運行過程中，需要對整個系統(tǒng)的故障以及狀態(tài)進行監(jiān)控和檢測，如潤滑油泵、水泵、頂軸泵的正常運行，油溫、水溫連續(xù)監(jiān)測，潤滑油、冷卻水的壓力、流量監(jiān)測，機組的振動監(jiān)測，發(fā)電機定子繞組、鐵芯溫度監(jiān)測，軸瓦溫度監(jiān)測等等。只要監(jiān)測到異常情況，就必須及時處理，以免故障擴大，造成不可挽回的損失。

4.3 人機界面

人機界面又稱用戶界面或使用者界面，是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。是系統(tǒng)和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，可以實現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)采用組態(tài)王作為人機交互軟件，組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它提供了豐富的、簡捷易用的配置界面，提供了大量的圖形元素和圖庫精靈，同時也為用戶創(chuàng)建圖庫精靈提供了簡單易用的接口。以組態(tài)王為上位機軟件開發(fā)的沖擊發(fā)電機組系統(tǒng)控制軟件是中文界面，具有人機界面友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點，用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應(yīng)的工控設(shè)備。圖4所示是機組系統(tǒng)圖。

在現(xiàn)場采用MP 277觸摸屏作為人機界面，MP 277具有多種通訊協(xié)議以及相應(yīng)的通訊接口，且可以和多個設(shè)備進行通訊，使用方便?？梢灾庇^顯示發(fā)電機繞組、鐵芯的溫度，潤滑油流量、壓力、溫度，冷卻水流量流量、壓力、溫度，系統(tǒng)報警信息等重要的狀態(tài)參數(shù)，使現(xiàn)場巡查人員及時了解機組運行狀態(tài)。軟件界面如圖5所示。

圖4 人機界面（組態(tài)王）圖形顯示

圖5 現(xiàn)場人機界面設(shè)備MP277圖形顯示

4.3 軟件安全設(shè)計

容錯設(shè)計，為了防止因用戶的誤操作而引起系統(tǒng)的誤動作，除去急停功能外，必須對系統(tǒng)進行解鎖才能對軟件操作，非法的鍵盤輸入和鼠標(biāo)操作都不會被執(zhí)行，以保證系統(tǒng)的安全運行。

軟件權(quán)限設(shè)計，本系統(tǒng)有2層用戶權(quán)限，最低層用戶是試驗操作人員，他們可以隨時控制機組的啟停、查詢機組的狀態(tài)等，而高一級的用戶權(quán)限需要密碼才能進入，不僅具有最低層用戶的所有權(quán)限，還能對軟件進行修改，只供軟件設(shè)計人員使用。

5 結(jié)束語

通過對沖擊發(fā)電機控制系統(tǒng)進行研究，特殊且嚴(yán)酷運行工況的沖擊發(fā)電機，運行時間很短，一般是在幾百毫秒內(nèi)輸出短路電流。對沖擊發(fā)電機的系統(tǒng)組成進行了分析，根據(jù)系統(tǒng)組成特點，構(gòu)建了基于S7－315可編程控制器的沖擊發(fā)電機組控制系統(tǒng)組成和系統(tǒng)控制對象，設(shè)計了硬件系統(tǒng)和根據(jù)控制對象和控制目標(biāo)進行硬件組態(tài)，最后設(shè)計了基于組態(tài)王的PLC控制主程序和現(xiàn)場人機界面。經(jīng)過一年半的運行實踐證明，該控制方式克服了監(jiān)控點多、分散、距離長等諸多難點，是一種方便靈活、可靠、自動化程度高的控制方式。