基于PLC与WinCC的电站远程自动监控系统设计_颜文俊

收稿日期:2004-08-16 修订日期:2004-10-21

作者简介:颜文俊(1965-),男,浙江温岭人,教授,博士,研究方向:工业过程建模和控制、电气自动化等方面的研究。

基于PLC 与W i n CC 的电站远程自动监控系统设计

颜文俊,毛雪珍

(浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027)

摘 要:介绍了基于S7-200系列PLC 和W i n CC 人机界面设计工具,对小型水电站的橡胶坝实现远程自动监控系统。该系统集成了自动控制和远程监控的优点,并保留现场的手动电气控制和机械控制功能,使橡胶坝升降运行更加灵活、稳定、安全,用户管理更加简单方便,并且进一步提高

了发电效率。

关键词:橡胶坝;水电站;PLC ;W i n CC ;自动控制;监控系统;远程控制中图分类号:TP273+

.5 文献标识码:A

文章编号:1001-4551(2005)3-0033-04

Pow er St ation Auto m atic R e m ote M onitor Syste m D esign Based on PLC andW i n CC

YAN W en-j u n ,MAO Xue -zhen

(Electrical E ngineer i ng C olle ge ,Zhej i ang Un i ver sit y,H angzhou,310027)

Abstrac t :Th is paper presen ts a re m ote au t om atic mon it o r and contro l syste m of s m allw ater power stati on rubber da m,based on S7-200se ries PLC and W i nCC HM I too.l T he syste m takes the bo t h advantages of autom atic contro l and re m o te contro l and re m a i ns t he loca l m anua l electrical or m echan ica l contro l f uncti on .Itm akes t he wo rk o f rubber dam mo re ro -bust ,stable and sa fe ,facilitates the users m ore flex i ble and i m proves t he pow er generati on effic i ency .

K ey word s :PLC ;W ater P o w er Station ;W i nCC ;R ubbe r D am ;A ut om atic Contro ;l M on it o r Syste m

橡胶坝是一种随着高分子合成材料和现代橡胶

工业的高速发展而出现的一种新型水工建筑物,它具有节省材料、结构简单、投入少、成本回收周期短、运用管理方便灵活等优点[1]

。橡胶坝具有蓄水发电、灌溉、防洪等功能。为了提高橡胶坝的安全运行和优化运行程度,进一步发挥水电站的经济效益,采用西门子PLC 为现场控制器和W inCC 为监控软件,开发了橡胶坝远程自动控制系统。该系统具有远程控制功能,这为以后扩展网络实时控制打下了基础。

该橡胶坝位于水库的溢流道上,由于水质较好,水源充足,故采用充水式。橡胶坝高4.5m,坝长100m ,采用机充、自排和机排的充、排水方式,控制室为地下式泵房。橡胶坝另外一边还有一个阀门用来在泄洪或者紧急情况下排水。水电站的发电水源从明渠引入,汇集平水池,形成水势落差,通过发电机组产生电能。现在水电站的控制室已配备操作站,并装有W inCC 软件。自动监控系统完成后,所有工作将移至控制室的操作站进行,这样可以大大

减轻工作人员的劳力,提高系统工作效率。整体项目工程示意如图1

所示。

图1 工程示意图

从图1可以看出,该橡胶坝除了用于蓄水灌溉,最重要的作用是为小型水电站提供水能,所以橡胶坝运行状况直接影响水电站发电的稳定性和效率。

1 监控系统硬件组成

泵房里的阀与水泵安装示意图见图2。当打开阀1和阀3,并水泵A 启动,为机充,水泵B 备用;当打开阀3和阀4,水泵A 、B 均停止,为自排;当打开阀2和阀4,并水泵A 启动,为机排,水泵B 备用。当遇到洪峰时,可以双机排,即水泵A 、B 均启动,为加快速度排水,亦可同时打开阀5(见图1)。止回阀的作用是保护水泵,防止水从橡胶坝倒回而打坏水泵

[1]

。

图2 泵房中阀与水泵的工作原理

PLC 控制系统由CP U 、数字量输入/输出、模拟量输入/输出和通信模块组成。CPU 模块为具有14个输入/10个输出的CPU224AC /DC /继电器。由

于系统的数字量输入超过14个,数字量输出大于10个,故还得扩展数字量输入/输出模块。扩展的数字量模块为具有8个输入/8个输出的E M 223。系统有7个模拟量输入,故需要2块具有4个模拟量输入的模拟量模块E M 231。CP U 224和E M 223负责5个阀门、2个水泵的数字量状态输入和控制输出,E M 231负责7个模拟量输入,见图1。因工程地理位置所限,PLC 系统和W inCC 监控系统有300米左右距离,为能可靠、稳定的传输和通信,采用Pro f-i bus -DP 通信传输协议。故通信模块选择具有该传输协议的E M 277模块,整体功能框架如图3

所示。

图3 PLC 控制系统组成示意图

2 远程自动监控系统的设计和实现

自动控制系统设置了3套相对独立的控制系统。一套是PLC 自动控制系统,一套是W i n CC 远程控制系统,另外一套是手动电气控制或者机械控制系统。

(1)由PLC 程序做出控制决策,并且设定值为程序中默认值,这个系统为PLC 自动控制系统。

(2)若有W i n CC 的监控界面实现,并设定值为用户通过界面设定而传输给PLC ,而PLC 仍然要做出控制决策,则为W i n CC -PLC 远程自动控制系统;若用户通过W i n CC 监控界面直接手动作出控制决策,而PLC 仅起到处理而非控制作用时,为W i n CC -PLC 远程手动控制系统。

(3)若W i n CC 仅起到显示测量值的作用,PLC 亦不作控制,而是由用户手动通过按钮控制阀和水

泵,则为现场手动电气或者机械控制系统。

有这3套相对独立系统的互补作用,使整个控制系统更加稳定和鲁棒。若当W inCC 监控界面出现问题,或者通信出错时,而PLC 正常时,可以用第(1)套系统;若PLC 也有故障时,则可用第(3)套系统;在排除所有问题后,正常情况下运行第(2)套系统中的远程自动控制,这样使工作人员更加轻松,橡胶坝升降运行更加灵活、稳定,而电站的发电效率也更高;在遇到紧急情况或者需要用户亲自作出决定时,可以用第(2)套系统的远程手动控制。2.1 PLC 控制程序的开发

[2,3]

根据观察和经验分析,橡胶坝的运行情况分为:(1)正常情况下坝袋内压与外压和上游水位(即水库水位)都维持一定的数值。

(2)若上游水位持续升高时,应当自排;而自排过程中水位没有显著下降,则机排。

(3)上游水位在短时间内显著升高,或接到有关通知要求泄洪,此时应当机排。

(4)自排之后上游水位下降到正常范围内,或者泄洪完毕,则机充至正常运行高度。

(5)橡胶坝在正常运行中还会出现以下情况:①坝顶的少量溢流有时能够引起谐振,使坝袋与坝体的水泥基础之间摩擦加剧,从而导致坝袋破损。根据运行人员实践经验,应当自排少量坝袋中的水。

②由于种种原因(自排、泄漏、热胀冷缩等),坝

袋内部和外部的压力之比会超出橡胶坝技术规范所规定的数值;或者因坝袋高度不够,使溢流增大,影响发电落差,此时应及时进行机充。

自动控制给定值可由用户通过界面给定,亦可用PLC 程序中的默认值。主要的控制给定值为:正常坝高;达到自排的上游水位;达到机排的上游水位;坝袋内压最大限度;达到充水的上游水位;泄洪时的时间;起坝拦水时的上游与尾水水位之差。这些参数在编程中起到决定是否需要充、排水的参考作用,因此用户设置时应根据实际情况慎重选择。自动控制主程序的流程图如图4所示。正常情况下,系统一直处于PLC 自动控制,W i n CC 界面实时显示模拟量和阀、水泵状态的监控状态。PLC 自动控制子程序的流程如图5所示。当出现紧急情况例如需要泄洪时,可以手动远程控制,其子程序的流程图如图6

所示。

图4

主程序的流程图

图5 自动控制的流程图

但当PLC 自动控制和手动远程控制都出现故障时,可以让系统处于现场手动电气控制状态,橡胶坝继

续得到有效的人为控制。现场控制的控制面板上按

图6 手动控制子程序的流程图

钮分布如图7所示,内部为驱动阀、水泵的接触器连接,和水泵电机的星-

三角启动电路。

图7 电气柜操作示意图

2.2 PLC 与W inCC 通信实现

PLC 与W i n CC 的通信在远程控制中非常重要。但由于S7-200系列的PLC 开发的较早,不能和W i n CC 直接进行通信,我们经过多个通信方案的试验和实践,发现利用OPC 技术设置服务器可以实现两者的通信,而且非常有效。OPC 技术规范了接口函数,不管数据源以何种形式存在,客户都以统一的

方式去访问,从而保证软件对客户的透明性,使得用户完全从底层的开发中解脱出来。利用OPC 技术实现要实现项目中所需的通信,需要的软硬件有:W i n CC V5,SI M AT I C N et So ft w are 软件,PC 机、SETP7_M i c ro w in3.2PLC 编程软件,S7-200系列PLC 、CP5611板卡、E M 277Pr o fi b us DP 模块、Pro fi b us 电缆及接头。具体组态参考文献[4]。2.3 W i n CC 监控界面的设计

W inCC(W i n do w s Con tro l Center)是由德国西门子公司与微软共同开发的软件系统,是世界上第一个集成的人机界面(HM I)软件系统,将W i n dow s NT 应用程序的现代体系结构与使用方便的图形设计程

序结合在一起,可以很方便地生成人机界面,建立完整的过程监控解决方案。

在开发监控系统过程中发现,W i n CC 的组态非常重要。W i n CC 软件的组态过程遵循以下步骤:(1)启动W i n CC ,建立一个新的W i n CC 项目; 在变量管理器 中选择添加通讯驱动程序(OPC .C HN );

(2)在OPC Groups(OPC HN Un it#1)协议中新建一个驱动程序连接并组态逻辑连接参数;(3)在连接中加入外部变量(即过程变量)并设置变量(设置包括变量名、数据类型、变量地址等项);(4)在图形编辑器中制作监控画面;(5)制作报表、数据归档、报警以及用户管理和项目安全等功能。变量分为外部和内部变量,内部变量与PLC 无关,一般起数值传递和实现画面动态的作用。外部变量是对应于存在PLC 或外部应用的存储器地址中数据的变量,这种变量可以通过PLC 存储器地址的一一对应来访问,这样可建立W i n CC 与过程通信所要监视的对象。

W i n CC 包括六个主要的功能编辑器;图形设计编辑器、全局脚本编辑器、报警存档编辑器、变量存档编辑器、报表设计编辑器、用户管理和项目安全编辑器。其中以图形设计编辑器和全局脚本编辑器最为重要和关键

[5,6]

。整个监控界面主要有五个部分

组成,如图8所示。

(1)模拟量和橡胶坝运行状态显示;(2)

数据表

图8 W i nCC 监控界面中各功能块示意图

与趋势图显示、保存和打印;(3)报警处理;(4)用户管理;(5)自动控制参数设置和手动控制动作连锁。

为使各种用户行使他们的权限,一开始进入监控界面时设有浏览用户、操作用户和管理员3种等级的用户。管理员具有最高权限,可以增加和删减操作用户。浏览用户系统给他guest 名字和guest 密码,而操作用户可以自行修改密码。为编程简单,本项目中这些用户信息以文本形式存于硬盘中,并加以保护。

3 结束语

系统采用S7-200系列PLC 与W i n CC 组态软件作为自动远程控制的主控制器和监控界面设计工具,不仅缩短了工程的开发和维护周期,提高了系统的可靠性和稳定性,并节省了工程的开发费用。该橡胶坝自动控制系统已于2004年3月全线试用成功。系统投入运行后,水泵和阀门工作准确率高,大大减轻了橡胶坝监护人员和电站工作人员的工作压力。同时这也为国内小型水电站的橡胶坝自动远程控制提供了先例,具有很好的参考价值。

参考文献:

[1] 橡胶坝技术规范[S].中华人民共和国水利部,1999.[2] 郭宗仁,等.可编程序控制器应用系统设计及通信网

络技术[M ].北京:人民邮电出版社,2002.

[3] SI M AT IC S7-200可编程序控制器系统手册,2000.3.[4] W i nCC 通讯手册,Sie m ens ,1999.9.[5]

W i nCC 组态手册,Sie m ens ,1999.9.

平面磨床发展趋势:向成形磨转变

当今平磨的发展趋势是转向成形、台阶、切入、快速抖动、三维空间曲线表面磨削加工。我国平磨制造厂应跳出传统的平面磨削的思维,转到曲线或轮廓等非平面磨削加工的思路上进一步发展,以形成自己特色的技术和产品。

平面磨床发展趋势,主要特点是:

(1)从规格上看,以小型平磨为主,在全部平磨展品中,台面宽200mm 以下的几乎占50%,小规格机床的运输及布展比较方便;国外平磨不分普通、精密、高精度的精度等级,相对小规格机床,精度容易做得很高;在国际市场上,中、小规格平磨的潜在需求很大。

(2)从控制上看,70%以上的平磨展品为数控型,有单

轴、双轴及三轴数控,最多达五轴控制,尤其是400以上的大规格机型,全为数控型。由于技术水平的发展导致功能变化,平磨已从传统的平面磨向成形磨转变,常规控制已难以实现功能的要求。数控平磨已形成一个市场潮流。

(3)从功能上看,50%以上的平磨不仅仅用于水平平面加工,而且转向成形、台阶、切入、快速抖动、三维空间曲线等表面磨削加工,如ELB 、BLM 公司以平磨为基础变化而成的五轴联动磨削中心,可实现非平面型复杂曲面的磨削;U n-i son 、T rutech 公司的柔性磨削系统,可实现成形、无心、外圆、工具、轮廓等磨削工艺;裕福、P arker 等公司的快速抖动磨等,反映出平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型。