基于WinCC的變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李長(zhǎng)華,齊向東

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院,太原 030024)

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基于WinCC的變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李長(zhǎng)華,齊向東*

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院,太原 030024)

摘要:傳統(tǒng)的大型油浸式變壓器冷卻系統(tǒng)控制一般采用各種繼電器、接觸器、開(kāi)關(guān)元器件等來(lái)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)此方式存在的控制回路復(fù)雜、可靠性低、維護(hù)工作量大等問(wèn)題。提出了一種基于WinCC組態(tài)軟件的變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,系統(tǒng)由變頻器、可編程控制器、上位計(jì)算機(jī)等組成。該系統(tǒng)在華北某變電站進(jìn)行了試運(yùn)行,其降溫效果明顯,大大提高了變壓器系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,減少了系統(tǒng)的維護(hù)量,同時(shí)也提高了工廠自動(dòng)化管理的水平。對(duì)變壓器安全、可靠運(yùn)行有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞:監(jiān)控系統(tǒng);變壓器;冷卻器;組態(tài)軟件;可編程控制器

在變電站中,大型油浸式變壓器一般采用強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷式變壓器冷卻系統(tǒng)。目前,這種冷卻系統(tǒng)一般采用繼電器接觸器開(kāi)關(guān)控制線路進(jìn)行控制。在這種控制模式下,冷卻系統(tǒng)易頻繁啟動(dòng),繼電開(kāi)關(guān)易腐蝕、老化而出現(xiàn)故障,且無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動(dòng)化通信,經(jīng)常出現(xiàn)故障,大大降低了變壓器系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,嚴(yán)重地影響了電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。

針對(duì)以上存在的問(wèn)題,同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化的變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng),本文以強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)為被控對(duì)象,把WinCC組態(tài)技術(shù)、PLC技術(shù)和變頻技術(shù)三者結(jié)合在一起,設(shè)計(jì)出一套變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用S7-200系列PLC與WinCC組態(tài)軟件作為冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的主控制器和監(jiān)控界面設(shè)計(jì)工具,給出一個(gè)兩臺(tái)220 kV變壓器的冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案,系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,技術(shù)方案正確,操作方便,人機(jī)交互性好,基本滿(mǎn)足了變電站的實(shí)際運(yùn)行需要,為實(shí)現(xiàn)一個(gè)變電站的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)。可以廣泛應(yīng)用在變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)中。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文的基本設(shè)計(jì)思想是以強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)為被控對(duì)象,以PLC為自動(dòng)遠(yuǎn)程控制的主控制器,將專(zhuān)家的控制經(jīng)驗(yàn)及推理過(guò)程納入系統(tǒng)當(dāng)中,通過(guò)變頻器來(lái)控制變壓器冷卻裝置,設(shè)計(jì)出一套新型的變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)。

隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展,新一代的變壓器冷卻系統(tǒng)必將向著信息化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。為方便對(duì)變壓器冷卻系統(tǒng)的管理,變壓器的上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮加入冷卻系統(tǒng)監(jiān)控部分[1]。在設(shè)計(jì)中,上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,采用觸摸屏對(duì)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控,選用已在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用的組態(tài)軟件WinCC作為上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。下位機(jī)控制系統(tǒng)是由西門(mén)子公司的S7-200系列PLC為核心構(gòu)建的系統(tǒng)。除此之外,利用開(kāi)放性的通訊平臺(tái)OPC,實(shí)現(xiàn)WinCC和S7-200系列PLC的數(shù)據(jù)交換。以WinCC組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互界面,有較高的變量刷新速度,充分體現(xiàn)了WinCC組態(tài)軟件的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　監(jiān)控系統(tǒng)框圖

2　冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)硬件構(gòu)成

強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷式變壓器冷卻系統(tǒng)硬件組成的功能設(shè)計(jì)與架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要由上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)模塊、就地控制與顯示模塊、可編程控制器、信息采集監(jiān)控模塊、通訊模塊、變頻器、潛油泵和冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇等構(gòu)成。

圖2　控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

(1)上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控模塊(主控制器)負(fù)責(zé)與其他控制模塊進(jìn)行信息交流與協(xié)調(diào),是中央處理系統(tǒng),以滿(mǎn)足變壓器實(shí)際運(yùn)行需要。上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采用的是研華工控機(jī),其具有高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力等特點(diǎn)。

(2)可編程邏輯控制器是冷卻系統(tǒng)的控制核心,主要負(fù)責(zé)對(duì)冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。采用在工控行業(yè)內(nèi)享有盛名的西門(mén)子公司的S7-200系列PLC,S7-200系列PLC是針對(duì)低性能要求的中小型PLC,具有適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、功能強(qiáng)大、智能化、在線時(shí)間長(zhǎng)、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),非常適用于中小型工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)[2]。型號(hào)為CPU224XP。

(3)通訊模塊。通過(guò)PLC上的RS485口與遠(yuǎn)方的上位計(jì)算機(jī)的RS232相連接,PLC通過(guò)采取OPC通訊標(biāo)準(zhǔn)與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

(4)信息采集監(jiān)控模塊。可編程邏輯控制器通過(guò)此模塊對(duì)變壓器頂層油溫及負(fù)荷電流等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

(5)變頻器模塊。PLC主控程序?qū)⒖刂菩盘?hào)傳輸給變頻器,再由變頻器驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇運(yùn)動(dòng),本系統(tǒng)采用西門(mén)子MM440變頻器。

(6)控制系統(tǒng)的執(zhí)行核心采用多功能固態(tài)繼電器來(lái)取代機(jī)電繼電器作為控制回路的控制元件,固態(tài)繼電器相比于傳統(tǒng)的機(jī)電繼電器具有使用壽命長(zhǎng)、可靠性好、靈敏度高、控制功率小、電磁兼容性好、轉(zhuǎn)換快速、電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn),且集過(guò)載、過(guò)壓、斷相、欠壓、故障自診斷等功能于一身,是一種應(yīng)用非常廣泛的電子元器件。

該站有兩臺(tái)220 kV變壓器,每臺(tái)變壓器配備有兩臺(tái)1.5 kW潛油泵,4臺(tái)0.75 kW冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇。4臺(tái)冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇沿變壓器油箱周?chē)鶎?duì)稱(chēng)分布,對(duì)變壓器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行冷卻。

2.2風(fēng)冷系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)

冷卻系統(tǒng)采用兩組獨(dú)立電源供電,工作時(shí)互為備用。同時(shí)系統(tǒng)的油泵和風(fēng)扇電機(jī),均設(shè)有過(guò)負(fù)荷、短路、過(guò)壓、欠壓等運(yùn)行保護(hù)。

本系統(tǒng)利用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī),用西門(mén)子WinCC V6.2組態(tài)軟件作為上位機(jī)軟件平臺(tái)和PLC為下位機(jī)處理器,OPC為通信標(biāo)準(zhǔn)組成一個(gè)變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)。用WinCC組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互界面,包括用戶(hù)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢(xún)等功能,以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)冷卻系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)以變壓器負(fù)荷電流、頂層油溫溫差為模糊控制輸入量,采用Mamdani模糊控制算法,通過(guò)PLC程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)變頻器輸出頻率的控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇的控制,確保對(duì)變壓器運(yùn)行中溫度的控制。

工作過(guò)程中,變壓器的工況油溫設(shè)定為55 ℃,PLC主控程序?qū)⒖刂菩盘?hào)傳輸給變頻器,變頻器驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)采用西門(mén)子MM440變頻器,PLC通過(guò)RS485接口,使用USS通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制,包括對(duì)變頻器的起/停、故障檢測(cè)/復(fù)位、輸出頻率大小的控制。

3　WinCC組態(tài)監(jiān)控軟件的開(kāi)發(fā)

組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)SCADA(Supervisor Control and Data Acquisition)的軟件平臺(tái)工具,具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目,使用方式靈活,功能強(qiáng)大[3]。西門(mén)子公司的WinCC是Windows Control Center(視窗監(jiān)控中心)的簡(jiǎn)稱(chēng)。是世界上第1個(gè)集成的人機(jī)界面(HMI)軟件系統(tǒng),它集成了SCADA、組態(tài)、腳本(Script)語(yǔ)言和OPC等先進(jìn)技術(shù),可以很方便地生成人機(jī)界面,建立完整的過(guò)程監(jiān)控解決方案。

為方便對(duì)變壓器冷卻系統(tǒng)的管理,變壓器的上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)時(shí)加入了冷卻系統(tǒng)監(jiān)控部分。本系統(tǒng)上位機(jī)用西門(mén)子公司的WinCC V6.2組態(tài)軟件作為軟件程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)。利用WinCC組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)出集生動(dòng)、友好的人機(jī)交互界面、參數(shù)設(shè)置、報(bào)表打印、數(shù)據(jù)歸檔、報(bào)警等多項(xiàng)功能于一體的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1軟件總體設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,WinCC的組態(tài)非常重要。其組態(tài)過(guò)程主要遵循以下步驟:

(1)啟動(dòng)組態(tài)軟件,建立一個(gè)新的組態(tài)項(xiàng)目。在變量管理器(Tag Management)中選擇添加PLC通訊驅(qū)動(dòng)程序(本系統(tǒng)中為OPC.CHN);

(2)在OPC Groups協(xié)議中新建一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序連接并組態(tài)邏輯連接參數(shù);

(3)在設(shè)置好的連接中加入外部變量并設(shè)置變量屬性;

(4)繪制組態(tài)畫(huà)面,在組態(tài)軟件的圖形編輯器中設(shè)計(jì)并制作系統(tǒng)運(yùn)行和控制界面;

(5)設(shè)置參數(shù)設(shè)置、報(bào)表打印、數(shù)據(jù)歸檔、報(bào)警等功能。根據(jù)控制要求,對(duì)畫(huà)面中的構(gòu)件進(jìn)行屬性設(shè)置。將內(nèi)、外部變量及控制點(diǎn)屬性一一對(duì)應(yīng)起來(lái),從而在HMI界面上實(shí)現(xiàn)監(jiān)視,進(jìn)而控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)擁有用戶(hù)管理,實(shí)時(shí)監(jiān)控,參數(shù)設(shè)置,報(bào)表打印,數(shù)據(jù)歸檔,實(shí)時(shí)報(bào)警及歷史報(bào)警查詢(xún)等多項(xiàng)功能。軟件的總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3　監(jiān)控軟件總體架構(gòu)框圖

3.2主控界面的設(shè)計(jì)

根據(jù)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)施方案,在主控界面上應(yīng)該包括冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài),系統(tǒng)工況操作按鈕,參數(shù)設(shè)置等[4]。主控界面如圖4所示。

圖4　主監(jiān)控界面

在冷卻系統(tǒng)主畫(huà)面中,分別展示了1#、2#變壓器冷卻器組的主電源、就地/遠(yuǎn)程、自動(dòng)/手動(dòng)、運(yùn)行等工況的指示狀態(tài),及其變壓器頂層油溫等參數(shù)。在趨勢(shì)曲線畫(huà)面中顯示了實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)曲線。報(bào)警信息和報(bào)表輸出分別在相應(yīng)的畫(huà)面中展示。通過(guò)報(bào)表管理界面我們可以對(duì)報(bào)表進(jìn)行存儲(chǔ)、打印等操作。畫(huà)面中的切換按鈕能夠使我們輕松地實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻系統(tǒng)的就地與遠(yuǎn)程、自動(dòng)與手動(dòng)切換。

操作者通過(guò)點(diǎn)擊畫(huà)面頂部的按鈕實(shí)現(xiàn)畫(huà)面間的跳轉(zhuǎn)。

3.3變量的管理與存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)庫(kù)是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁,在WinCC畫(huà)面運(yùn)行時(shí),它含有全部數(shù)據(jù)變量的當(dāng)前值[5]。在進(jìn)行項(xiàng)目組態(tài)時(shí),變量管理是非常重要的一環(huán)。WinCC通過(guò)對(duì)監(jiān)控點(diǎn)連接的變量賦予不同的外部變量值的方法。根據(jù)系統(tǒng)要采集的外部變量建立相應(yīng)的內(nèi)部變量,而內(nèi)部變量與畫(huà)面上的監(jiān)控點(diǎn)對(duì)象通過(guò)屬性連接建立對(duì)應(yīng)關(guān)系,將控制現(xiàn)場(chǎng)的PLC控制系統(tǒng)和上位計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接起來(lái),形成完美的監(jiān)控畫(huà)面。

WinCC變量包括內(nèi)部變量、外部變量、系統(tǒng)變量和腳本變量。外部變量是外部存儲(chǔ)的區(qū)域,需要建立通信驅(qū)動(dòng)程序和通道,然后在建好的通道下面建立變量,選擇變量地址。內(nèi)部變量沒(méi)有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序和通道單元,所以不需要給它們?cè)O(shè)置連接,通常用來(lái)存儲(chǔ)過(guò)程變量的中間值或者預(yù)備值。系統(tǒng)所有的變量記錄都存儲(chǔ)在SQL2005 for WinCC中。變量歸檔分為過(guò)程值歸檔和壓縮歸檔。歸檔變量的歷史記錄查看如圖5所示。

圖5　歸檔變量歷史曲線圖

3.4報(bào)警系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者錯(cuò)誤操作時(shí),WinCC可以聲音和畫(huà)面的方式提示工作人員并且記錄這些報(bào)警事件,并進(jìn)行歸檔[6]。組態(tài)報(bào)警時(shí)我們先打開(kāi)報(bào)警記錄的編輯器,逐步的對(duì)報(bào)警系統(tǒng)導(dǎo)向進(jìn)行設(shè)置,直至完成對(duì)報(bào)警消息和報(bào)警消息文本的組態(tài)。

變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)警功能由實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史報(bào)警查詢(xún)兩部分組成。分別通過(guò)報(bào)警組態(tài)的報(bào)警長(zhǎng)期歸檔和報(bào)警短期歸檔來(lái)實(shí)現(xiàn),在圖形編輯器中由長(zhǎng)期歸檔窗口和短期歸檔窗口來(lái)顯示。

4　結(jié)束語(yǔ)

本變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-200系列PLC與WinCC組態(tài)軟件作為自動(dòng)遠(yuǎn)程控制的主控制器和監(jiān)控界面設(shè)計(jì)工具,他綜合了計(jì)算機(jī)與PLC的優(yōu)點(diǎn)。上位機(jī)提供良好的人機(jī)界面,進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)控與管理,下位機(jī)以PLC為控制核心,對(duì)底層控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。該系統(tǒng)在華北某變電站進(jìn)行了試運(yùn)行,經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明,運(yùn)用此監(jiān)控系統(tǒng),既能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況的監(jiān)視,又能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置的控制,且監(jiān)控效果較為理想。對(duì)變壓器安全、可靠運(yùn)行有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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李長(zhǎng)華(1986-),男,河北唐山人,碩士研究生,從事電力電子與電力傳動(dòng)方面的研究,lichanghua_sunny@163.com;

齊向東(1967-),男,山西原平人,副教授,從事電氣自動(dòng)化控制,鐵路機(jī)車(chē)設(shè)備研制,舞美特效自動(dòng)控制等方面的研究,曾主持并完成殘奧會(huì)閉幕式CB草坪,國(guó)慶50、60周年山西國(guó)慶彩車(chē)等項(xiàng)目,13703511103@163.com。

DesignofMonitoringSystemofTransformerBasedonWinCC

LIChanghua,QIXiangdong*

(School of Electronics and Information Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China)

Abstract:Traditional control of large oil-immersed transformer cooling system is archieved by various using a variety of components such as relays,contactors,switches.For this way,there exist problems such as complex,low reliability difficult maintenance,and so on.A design of monitoring system of transformer was proposed based on WinCC.This system composed of frequency converters,programmable controllers,host computer,and other components.Trial operation of the system perfected a good cooling effect in a transformer substation in North China,which improves the reliability of the transformers,decreases difficulty of maintenance and a more efficient factory automation management has be achieved consequently.which has an important practical significance for safe and reliable operation of transformers.

Key words:control system;transformers;cooler;configuration software;PLC

doi:EEACC:835010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.039

中圖分類(lèi)號(hào):TM411

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)04-0763-04

收稿日期:2013-07-17修改日期:2013-08-25