S7-200smart西門子PLC在大龍?zhí)栋l(fā)電廠技改中的應(yīng)用

羅紅宇 羅智敏

摘 要：大龍?zhí)栋l(fā)電廠地處云南省昆明市尋甸縣功山鎮(zhèn)，發(fā)電廠建于上世紀(jì)七十年代，調(diào)速器采用YT200型，發(fā)電機(jī)勵磁采用勵磁發(fā)電機(jī)勵磁，同期采用信號燈與整步表組合的并網(wǎng)裝置。2018年8月，云南晨鳴電器有限公司通過采用西門子S7-200 SMART PLC，實(shí)現(xiàn)對大龍?zhí)栋l(fā)電廠發(fā)電機(jī)控制的自動化改造，實(shí)現(xiàn)大龍?zhí)栋l(fā)電廠發(fā)電機(jī)控制升級改造，為電力企業(yè)發(fā)電廠升級改造提供新方法。

關(guān)鍵詞： 發(fā)電廠綜合自動化 PLC WINCC組態(tài)軟件;OPC通信;以太網(wǎng)

1 引言

在科技水平日新月異的今天，發(fā)電機(jī)控制逐漸開始向自動化方向轉(zhuǎn)變。發(fā)電廠的自動化系統(tǒng)能更好的保護(hù)控制發(fā)電機(jī)，提高發(fā)電的可靠性、安全性和發(fā)電效率。本文通過云南晨鳴電器有限公司對大龍?zhí)栋l(fā)電廠發(fā)電機(jī)自動化改造方法的選擇與運(yùn)用，達(dá)到高效經(jīng)濟(jì)解決大龍?zhí)栋l(fā)電廠發(fā)電機(jī)保護(hù)控制的難題，為穩(wěn)步提升小型發(fā)電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供新方法。

大龍?zhí)栋l(fā)電廠現(xiàn)有發(fā)電機(jī)4臺、總裝機(jī)容量1600kW，發(fā)電站現(xiàn)有發(fā)電控制設(shè)備為我國上世紀(jì)七十年代產(chǎn)品，已無法滿足現(xiàn)代電網(wǎng)對發(fā)電站安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。

2 問題提出

近年來，隨著南方電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)對發(fā)電廠的運(yùn)行和管理需求也在不斷地變化，要保證電力生產(chǎn)安全有序進(jìn)行，對大龍?zhí)栋l(fā)電廠發(fā)電機(jī)控制改造也勢在必行。

如何建立一套適應(yīng)大龍?zhí)栋l(fā)電廠安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的發(fā)電自動化系統(tǒng)呢？答案就是：充分利用大龍?zhí)栋l(fā)電廠現(xiàn)有的硬件，以保證電網(wǎng)和發(fā)電安全為目的。逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源、技術(shù)資源、設(shè)備資源共享，有效的節(jié)約維護(hù)成本及系統(tǒng)建設(shè)成本，達(dá)到大龍?zhí)栋l(fā)電廠安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

3 調(diào)度采集傳輸系統(tǒng)建立

3.1大龍?zhí)栋l(fā)電廠現(xiàn)實(shí)情況

（1）大龍?zhí)栋l(fā)電廠建于上世紀(jì)七十年代，調(diào)速器采用YT200型，發(fā)電機(jī)勵磁采用勵磁發(fā)電機(jī)勵磁，同期采用信號燈與整步表組合的并網(wǎng)裝置;

（2）隨著尋甸電網(wǎng)的擴(kuò)大，調(diào)度員需要有更多發(fā)電廠的信息，以便及時掌握發(fā)電廠的運(yùn)行情況;

（3）為提高發(fā)電廠安全性，要求調(diào)度采用更多的遠(yuǎn)方集中反事故措施等;

3.2建立的方法：

如何對大龍?zhí)栋l(fā)電廠進(jìn)行技改呢？既要達(dá)到大龍?zhí)栋l(fā)電廠安全、可靠運(yùn)行，又要達(dá)到經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

提高發(fā)電廠的自動化水平，提高發(fā)電機(jī)的保護(hù)控制水平，提高發(fā)電的可靠性、安全性和發(fā)電效率。

（1）可編程控制器選擇：S7200smart 系列可編程控制器（簡稱PLC） 是西門子公司生產(chǎn)的小型的PLC， 除了其出色的硬件特點(diǎn)， 在性能、體積、重量、指令系統(tǒng)、運(yùn)行速度等方面， 較過去的PLC 有了全面的提高和充實(shí)。它一推出就在各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

（2）S7200smart的可靠性：全新的S7-2 0 0 S M A R T 帶來兩種不同類型的C P U 模塊，標(biāo)準(zhǔn)型和經(jīng)濟(jì)型，全方位滿足不同行業(yè)、不同客戶、不同設(shè)備的各種需求。標(biāo)準(zhǔn)型作為可擴(kuò)展C P U 模塊，可滿足對I / O 規(guī)模有較大需求，邏輯控制較為復(fù)雜的應(yīng)用;

網(wǎng)絡(luò)通信：豐富的通信端口，集成強(qiáng)大的以太網(wǎng)通信S7-200 SMAR T CPU 模塊本體集成1 個以太網(wǎng)接口和1 個RS485 接口，通過擴(kuò)展CM01 信號板，其通信端口數(shù)量最多可增至3 個。可滿足小型自動化設(shè)備連接觸摸屏、變頻器等第三方設(shè)備的眾多需求。

以太網(wǎng)通信所有CPU 模塊標(biāo)配以太網(wǎng)接口，支持西門子S7 協(xié)議、TCP/IP 協(xié)議、有效支持多種終端連接：可作為程序下載端口（使用普通網(wǎng)線即可）與SMART LINE HMI 進(jìn)行通信通過交換機(jī)與多臺以太網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速交互最多支持4 個設(shè)備通信。

（3）工業(yè)控制軟件選擇：經(jīng)過試驗比較組太王、力控、西門子WINCC等3個廠家的工控軟件后。我們采用西門子WINCC監(jiān)控組態(tài)軟件”，WinCC運(yùn)行于Microsoft Windows 下的Windows控制中心，已發(fā)展成為歐洲市場中的領(lǐng)導(dǎo)者，乃至業(yè)界遵循的標(biāo)準(zhǔn)。如果你想使設(shè)備和機(jī)器最優(yōu)化運(yùn)行，如果想最大程度地提高工廠的可用性和生產(chǎn)效率，WinCC當(dāng)是上乘之選。

3.3系統(tǒng)平臺的構(gòu)成：

大龍?zhí)栋l(fā)電廠管理控制平臺，由主站和現(xiàn)場LCU屏兩部分組成。主站設(shè)在控制室，子站設(shè)在發(fā)電機(jī)旁，兩者之間通過光纖通信，以太網(wǎng)技術(shù)在大龍?zhí)栋l(fā)電廠中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)有效地對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)不同終端之間的數(shù)據(jù)交換與共享，發(fā)電廠的管理層還能夠通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時監(jiān)督，從而有效減少人力的消耗，節(jié)約相關(guān)的成本。網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時傳輸各項數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)具有自動數(shù)據(jù)采集、控制、數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時查看和設(shè)備故障及異常報警等功能。發(fā)電廠中的計算機(jī)設(shè)備是通過網(wǎng)絡(luò)與PLC直接相連的.通過計算機(jī)來對其進(jìn)行自動化控制及操作，進(jìn)而對發(fā)電廠的設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控與調(diào)整。其自動化控制及保護(hù)工作主要就是依據(jù)其設(shè)備中電氣參量和熱工參數(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與限制從而對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)，構(gòu)成一個保護(hù)的回路狀態(tài)。

3.3.1發(fā)電廠控制管理系統(tǒng)平臺的構(gòu)成見圖1所示，其主要組成部分如下。

主站層：承擔(dān)系統(tǒng)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控管理任務(wù)，主服務(wù)器、備份服務(wù)器、交換機(jī)、防火墻、數(shù)據(jù)庫、工作站、操作系統(tǒng)、主站工控軟件、打印機(jī)和UPS電源。

網(wǎng)絡(luò)層包括：承擔(dān)與管理層和終端層的通信管理任務(wù)。

子站LCU包括：承擔(dān)就地單元的采集、保護(hù)、控制任務(wù)。

3.3.2 配置

（1）管理層：工控機(jī)、顯示器、打印機(jī)、不間斷電源、24口HUB、當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)軟件、調(diào)試培訓(xùn)軟件、規(guī)約轉(zhuǎn)換軟件。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：1/8多串口卡、光纖收發(fā)器。

（3）終端層：就地采集控制PLC裝置、Autony系列保護(hù)裝置及其他站內(nèi)原有設(shè)備。

大龍?zhí)栋l(fā)電廠整個程序由主程序、自動開機(jī)子程序、停機(jī)子程序（包括事故、緊急事故停機(jī)）三部分組成，如圖1。機(jī)組開機(jī)或停機(jī)過程中相關(guān)設(shè)備的操作是分步進(jìn)行的，前一設(shè)備的操作命令發(fā)出后，機(jī)組控制程序確定其已完成的條件下，才發(fā)出下一設(shè)備的操作命令。這是典型的順序控制，因此在軟件編程的時候我采用了狀態(tài)法編程的思想：即對于復(fù)雜的控制過程，將之分解為一個個的小狀態(tài)，分別對每一個小狀態(tài)編程后，再依這些小狀態(tài)的聯(lián)系將小狀態(tài)連接起來以實(shí)現(xiàn)總的控制任務(wù)。也就是說，將機(jī)組的開機(jī)和停機(jī)過程分解為一個個小狀態(tài)，再依據(jù)這些狀態(tài)間的聯(lián)系將它們聯(lián)系起來，這樣的設(shè)計方法像是模塊化設(shè)計一樣，無論是邏輯上，還是查找錯誤都變得很容易。

大龍?zhí)栋l(fā)電廠自動發(fā)電控制功能包括功率控制、按給定水位控制發(fā)電二個部分組成。功率控制：大龍?zhí)栋l(fā)電廠操作人員根據(jù)調(diào)度要求，通過監(jiān)控軟件界面輸入。操作人員也可以根據(jù)實(shí)際需要確定功率給定值，發(fā)送給各機(jī)組LCU，從而控制機(jī)組出力。給定水位發(fā)電：按給定大龍?zhí)端话l(fā)電，水電廠操作人員設(shè)定電廠運(yùn)行的龍?zhí)端恢担{(diào)節(jié)整個水電廠的出力，使得水電廠在設(shè)定的水頭下運(yùn)行。同時，考慮在給定龍?zhí)端恢迪?，盡可能地多發(fā)電，提高電廠的經(jīng)濟(jì)效益。給定龍?zhí)端恢涤呻姀S操作人員手動輸入，當(dāng)實(shí)際水位運(yùn)行在給定水頭值的誤差允許范圍內(nèi)運(yùn)行時，機(jī)組在一定時期內(nèi)以恒定負(fù)荷運(yùn)行;當(dāng)水位偏離給定水頭值允許區(qū)間時，按給定水位發(fā)電程序迅速調(diào)節(jié)機(jī)組出力，首先將實(shí)際水位重新調(diào)節(jié)到給定水位附近，然后重新調(diào)整機(jī)組出力，找到使電廠的進(jìn)水量與出水量相平衡的機(jī)組出力值，在一定時期內(nèi)維持機(jī)組出力值不變，從而維持水位的平衡。

4 建立后的效果

2013年2月，首先對大龍?zhí)栋l(fā)電廠進(jìn)行了技改，改造時間為90天。改造完成后，經(jīng)過3個月時間的試運(yùn)行，發(fā)電穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計要求，同時有效提升發(fā)電廠的運(yùn)行狀況及相關(guān)的管理水平，還能夠極大程度地減少水資源的消耗，進(jìn)而有效地提升發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。在發(fā)電廠中應(yīng)用電氣自動化技術(shù)，不僅可以有效提升發(fā)電廠的運(yùn)行狀況及相關(guān)的管理水平，同時還能夠極大程度地減少相關(guān)資源的浪費(fèi)與消耗 ，進(jìn)而有效地提升電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

5 運(yùn)行效果如下

5.1對發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控

實(shí)現(xiàn)值班人員實(shí)時監(jiān)視發(fā)電機(jī)的周波、電壓、潮流、負(fù)荷與主設(shè)備的位置狀況等方面的數(shù)據(jù)，通過控制使發(fā)電機(jī)參數(shù)符合規(guī)定，保證發(fā)電質(zhì)量。

5.2提高電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度

調(diào)度員根據(jù)電網(wǎng)數(shù)據(jù)在確保電網(wǎng)安全運(yùn)行和滿足生產(chǎn)要求的基礎(chǔ)上，以現(xiàn)有的設(shè)備不變?yōu)榍疤幔ㄟ^優(yōu)化調(diào)整負(fù)載的分配、擇優(yōu)選取發(fā)電廠的運(yùn)行方式，最大限度地降低發(fā)電機(jī)的電能損耗。加強(qiáng)對發(fā)電廠上網(wǎng)負(fù)荷監(jiān)視，包括電壓、電流、功率因數(shù)、功率等，及時指揮調(diào)整發(fā)電廠上網(wǎng)電壓、電流、功率因數(shù)、功率等。保證電網(wǎng)的平衡、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

5.3實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)運(yùn)行安全分析和事故處理

調(diào)度數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對電廠數(shù)據(jù)的監(jiān)控、顯示、存儲。為電網(wǎng)運(yùn)行，事故分析，提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)，為調(diào)度員及時預(yù)測、判斷或處理電網(wǎng)故障提供數(shù)據(jù)支持。也為防止電網(wǎng)瓦解崩潰，造成大面積停電，給用戶帶來經(jīng)濟(jì)損失，提供相應(yīng)的監(jiān)控手段。

5.4提高電網(wǎng)規(guī)劃的預(yù)見性與經(jīng)濟(jì)性

通過電廠數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)薄弱點(diǎn)，針對電網(wǎng)薄弱點(diǎn)及時分析總結(jié)并上報，為以后調(diào)度工作及電網(wǎng)規(guī)劃改造提供預(yù)見性的前期工作。

5.5降低電網(wǎng)損耗

通過調(diào)度員合理調(diào)度，降低變壓器的電能損耗、線路損耗、電網(wǎng)故障跳閘次數(shù)，提高電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，為電網(wǎng)用戶提供更好的服務(wù)。

5.6改造后的運(yùn)行情況

改造完成至今，發(fā)電廠尚未發(fā)生任何誤傳，誤跳，控制保護(hù)可靠。

5.7改造及運(yùn)行費(fèi)用

大龍?zhí)栋l(fā)電廠系統(tǒng)改造費(fèi)用總計為60萬余元，其中工控電腦二臺，配套軟件WINCC二套，LCU發(fā)電控制屏四臺，發(fā)電機(jī)勵磁屏四臺，直流屏一套，斷路器柜四臺。

5.8經(jīng)濟(jì)效益分析

改造大龍?zhí)栋l(fā)電廠市場價格：一個站大約為160萬元，其中工控電腦二臺，配套軟件WINCC二套，LCU發(fā)電控制屏四臺，發(fā)電機(jī)勵磁屏四臺，直流屏一套，斷路器柜四臺。

改造一個發(fā)電站總計60萬。而改造大龍?zhí)栋l(fā)電廠市場價格：一個站大約為160萬元，通過對比就發(fā)現(xiàn)節(jié)省太多。

6 結(jié)束語

發(fā)電廠的電氣綜合自動化系統(tǒng)已經(jīng)成為一種發(fā)展的方向與趨勢，做好電氣綜合自動化系統(tǒng)的建設(shè)能夠有效提升發(fā)電廠的運(yùn)行效率與經(jīng)濟(jì)效益。同時，應(yīng)用電氣綜合自動化系統(tǒng)還能夠有效地減少相關(guān)資源的消耗，進(jìn)而降低發(fā)電廠的運(yùn)行成本，提升其在市場競爭中的地位。通過改造改善電站的運(yùn)行條件，減少人力物力，是水電站實(shí)現(xiàn)“無人值班，少人值守”的基礎(chǔ)，為進(jìn)一步提高尋甸電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供可能。

作者簡介：

羅紅宇（1968.2-）男，漢，云南昆明，大專，高級電氣工程師，總工，研究方向：電氣自動化。

（1.云南晨鳴電器有限公司 云南 昆明 650041;2.華中科技大學(xué) 湖北 武漢 430000）