RMP 電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李培培，李宏

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

電源監(jiān)控系統(tǒng)近幾年高速發(fā)展，從我們所熟知的三遙（遙測、遙信、遙控）功能和報(bào)警功能，發(fā)展到現(xiàn)在比較完善的管理功能系統(tǒng)[1]。在電源不斷的發(fā)展過程中，人們對電源監(jiān)控系統(tǒng)也有了更加深入的了解，并且在電源監(jiān)控方面加大了資金投入和研發(fā)力度?，F(xiàn)在的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無人值守與電源設(shè)備集中管理模式，從而提高了管理效率、降低了管理成本并延長了工作時(shí)間。RMP 電源監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC 和上位機(jī)相結(jié)合的控制方式，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性[2]。

RMP 電源是給真空室內(nèi)布置的共振磁擾動(dòng)（Resonant Magnetic Perturbation，RMP）線圈供電的。一套（2組：L 組和 U 組）RMP 電源系統(tǒng)由 8 個(gè) 6 脈波三相全控橋、2 個(gè)平衡電抗器、3 個(gè)直流刀開關(guān)及其相應(yīng)的附屬設(shè)備組成，單個(gè)整流柜輸出8kA/650V。由于單個(gè)晶閘管容量的限制，每個(gè)三相整流橋橋臂并聯(lián)兩個(gè)晶閘管，每個(gè)晶閘管串聯(lián)一個(gè)快速熔斷器。每個(gè)整流柜由兩個(gè)三相橋并聯(lián)使用24 個(gè)晶閘管構(gòu)成，L 組由兩個(gè)整流柜并聯(lián)構(gòu)成，U 組同L 組相同。因此，一套RMP 電源模塊共使用96 個(gè)快速熔斷器，加上元件排與快熔排過熱檢測溫度信號，每套RMP 電源模塊共有母排溫度檢測信號近40 個(gè)，另外每個(gè)整流柜的其他控制量和報(bào)警開關(guān)量數(shù)量繁多，構(gòu)造復(fù)雜、體積大，維修和維護(hù)十分不便，所以對RMP 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控保護(hù)就顯得非常必要。

1 RMP電源的監(jiān)控信號

為保障RMP 電源能夠安全、正常的運(yùn)行，開發(fā)的RMP 電源監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下3 個(gè)要求：可靠性、快速性和靈活性[3]。RMP 測量與保護(hù)系統(tǒng)要接受監(jiān)控室指令，根據(jù)控制連鎖邏輯對電源進(jìn)行相應(yīng)的聯(lián)鎖保護(hù)?？刂票Ｗo(hù)柜采集同一套（2 組）RMP 電源電氣柜內(nèi)的熔斷器、溫度等信號，并對相應(yīng)信號進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。一套（2 組）電源的信號列表如表1 所示。

表1 一套（2 組）電源信號列表

2 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

RMP 電源監(jiān)控總體原理框圖如圖1 所示。RMP電源實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)能夠完成數(shù)據(jù)的采集與顯示、計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制以及對運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行分析。以PLC S7-200 SMART CPU SR60 作為主要控制單元，WinCC 7.3作為上位機(jī)組態(tài)軟件，完成系統(tǒng)程序的編寫。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障檢測、故障判斷和報(bào)警等功能。監(jiān)控系統(tǒng)通過巧妙的程序設(shè)計(jì)和合理的外圍硬件電路設(shè)計(jì)，完成對整個(gè)RMP 電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控。RMP 電源監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，包含熔斷器故障、電源輸出過電壓、整流橋交流過電流、高壓合/分閘、橋臂溫度過熱、晶閘管失效等故障時(shí)的保護(hù)、報(bào)警以及停機(jī)/啟動(dòng)等。

圖1 RMP電源監(jiān)控系統(tǒng)總體原理框圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信設(shè)計(jì)

S7-200 SMART 型號的 PLC 自帶一個(gè) SB CM01 信號板，可以組態(tài)為RS-485/RS-232 通信端口，還集成一個(gè)以太網(wǎng)端口。WinCC 與PLC 通信采用以太網(wǎng)通信，但由于上位機(jī)WinCC 軟件自身沒有集成的PPI 協(xié)議，上位機(jī)組態(tài)軟件WinCC 需通過OPC 服務(wù)軟件PC Access 來訪問 S7-200 SMART 數(shù)據(jù)[4]，實(shí)現(xiàn) WinCC 與 S7-200 SMART 的連接。因PPI 協(xié)議是專門為S7-200 系列的PLC 而開發(fā)的一個(gè)專用協(xié)議，故與PLC 通信的其他設(shè)備選用PPI 協(xié)議。PLC 與各個(gè)相連接設(shè)備間服從的通信協(xié)議如表2 所示。

表2 通信協(xié)議表

3.2 程序流程設(shè)計(jì)

PLC 編程軟件選用STEP 7-Micro/WIN SMART，通過簡明的程序設(shè)計(jì)，完成對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。RMP 電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了主程序和相應(yīng)的子程序，在進(jìn)行控制時(shí)可以調(diào)用所需要的子程序，RMP 電源的PLC 主程序流程如圖2（a）所示。程序的運(yùn)行邏輯如下：先初始化封鎖脈沖，判斷電源是否有缺相故障，判斷設(shè)定值是否為零，然后進(jìn)行高壓合閘判斷，檢測到高壓合閘后就解封鎖脈沖，按給定輸入調(diào)節(jié)電流的大小，并檢測實(shí)際電流電壓，判斷是否有故障信號，若存在故障信號則調(diào)用故障檢測子程序，檢測相應(yīng)的故障，故障子程序流程如圖2（b），進(jìn)行故障報(bào)警并封鎖脈沖；若不存在故障信號，則檢測后再判斷有無停機(jī)信息，若有停機(jī)信息，則進(jìn)行封鎖脈沖。

圖2 系統(tǒng)主程序和故障子程序流程圖

RMP 電源系統(tǒng)快速熔斷器使用數(shù)量繁多，在判斷快熔報(bào)警時(shí)采用矩陣方式，能夠很大程度上節(jié)省對PLC 輸入輸出口的占用量，使PLC 以較高的速度運(yùn)行。矩陣的具體實(shí)現(xiàn)方式為：先定義列報(bào)警和行報(bào)警，列報(bào)警是同一個(gè)母排的快速熔斷器常閉點(diǎn)串聯(lián)起來，行報(bào)警是三相橋橋臂相同序號的快速熔斷器常開點(diǎn)串聯(lián)起來，這樣就組成了一個(gè)有行有列的矩陣，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，只需同矩陣一般確定是哪行哪列就可以唯一確定快速熔斷器故障的位置。

3.3 RRMMPP監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的畫面設(shè)計(jì)是組態(tài)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，簡潔明了的監(jiān)控畫面能夠方便快捷的發(fā)現(xiàn)故障，而且工作人員還可以通過上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀況。RMP 線圈電源的監(jiān)控系統(tǒng)主畫面如下圖3 所示[5]，主畫面有各個(gè)畫面的鏈接，包括控制畫面、曲線畫面等。整流柜由L 柜和U 柜組成，控制畫面實(shí)時(shí)顯示L 柜和U 柜的直流電壓、直流電流、變壓器溫度和母排溫度，能夠?qū)崟r(shí)顯示各種故障信息。當(dāng)RMP 電源出現(xiàn)故障，如橋臂過熱、母排溫度過高、過壓和欠壓等，監(jiān)控畫面進(jìn)行報(bào)警顯示，相應(yīng)的圖標(biāo)變紅且蜂鳴器發(fā)出悅耳的聲音進(jìn)行報(bào)警，使工作人員盡快發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)并處理相應(yīng)故障。

圖3 RMP電源監(jiān)控系統(tǒng)主畫面圖

4 調(diào)試效果

上位機(jī)監(jiān)控界面包括曲線界面、報(bào)警界面、控制界面和報(bào)表界面。對該系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，控制界面可以設(shè)定系統(tǒng)的過壓、過流和溫度過高等的門檻值[5]。首先人為地使系統(tǒng)出現(xiàn)溫度過高的情況，系統(tǒng)發(fā)生故障，蜂鳴器發(fā)出悅耳的聲音進(jìn)行報(bào)警，上位機(jī)同時(shí)進(jìn)行報(bào)警記錄顯示，上位機(jī)顯示報(bào)警記錄如圖4 所示。然后等工作人員排除故障，最后按下復(fù)位鍵，蜂鳴器報(bào)警停止，監(jiān)控界面恢復(fù)正常。其他欠流、溫度過低、過流、正負(fù)橋環(huán)流和變壓器重瓦斯等故障點(diǎn)的試驗(yàn)與此類似。從現(xiàn)場的試驗(yàn)效果看，該監(jiān)控系統(tǒng)通信效果良好，能很好地對RMP 電源系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)時(shí)電流監(jiān)控曲線如圖5 所示。

圖4 報(bào)警記錄

圖5 電流監(jiān)控曲線圖

5 結(jié)語

通過對RMP 電源系統(tǒng)的分析和調(diào)試應(yīng)用效果的介紹，我們可以得到以下結(jié)論：RMP 電源實(shí)時(shí)智能監(jiān)控系統(tǒng)達(dá)到了良好的監(jiān)控效果，監(jiān)控界面簡潔明了，實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化，極大減少了工作人員的工作量，明顯提高了工作效率。應(yīng)用效果證明：達(dá)到了很好的監(jiān)控效果，可以回放故障信息，能夠?qū)崟r(shí)、高效、直觀地對RMP電源系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。