基于PLC和觸摸屏的大功率發電機勵磁集控系統

楊 華

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430033）

0 引言

艦船綜合電力系統（Integrated Power System，簡稱 IPS）是一種新型的動力系統，是將艦船原動機能量完全轉化為電能，同時提供推進用電、高能耗用電和全船其它負載用電的電能綜合利用與統一管理系統[1]，代表了未來艦船電力系統的發展趨勢。隨著IPS的不斷發展，艦船電站裝機容量不斷提升，發電機勵磁系統的功率等級隨之提高，需要利用勵磁機為主發電機提供勵磁電源[2]，如圖1所示。為了適應艦船復雜電磁環境并提高操作安全性，選用抗干擾能力強、工作性能穩定、編程靈活的可編程邏輯器件（PLC）作為勵磁系統集控上位機，對現場下位機進行有效監控，并采用觸控屏作為與PLC配套使用的人機交互界面（HMI）。

1 集控系統硬件設計

勵磁機控制系統由位于集控臺的上位機（即集控系統）和位于機旁現場的下位機組成，其中，上位機主要完成操作控制、狀態顯示、數據存儲三大功能，如圖2所示。為了實現上述功能，集控系統采用如圖3所示結構，此外，選用觸控屏作為人機界面，通過串口與PLC通訊傳遞數據和控制信號，完成集控操作和監測。需要說明的是，圖3只顯示了單機集控系統的硬件結構，如需對雙機并聯系統進行監控，可在圖3基礎上進行對稱擴展，即采用1塊CPU和2塊觸控屏，以及相應的通訊和I/O擴展模塊，實現雙機系統的狀態監測、集控操作以及并聯運行控制。

1.1 PLC組件設計

1.1.1 CPU及其底板、擴展通訊模塊的選型

勵磁上位機除需具有正常的監控、通訊功能外，還應具有數據記錄功能，為此，考慮選用ABB公司的PM592-ETH型CPU。該CPU是目前ABB公司AC500系列PLC中功能最強大的一款，具有高速、大內存（4096 kB）、內置閃存（4 GB）等功能。

CPU底板選用ABB公司的TB541-ETH，該底板帶有 4個通訊擴展插槽和兩個串口通訊接口，COM1口帶彈簧接線端子、COM2為SUBD9（9針）型接口。

發電機勵磁上位機需要與勵磁控制器觸摸屏進行串口通訊。此外，為了將發電機的溫度測量信號直接通過硬線方式（PT100）傳給原動機監控單元，同時使上位機顯示發電機內部各測量點溫度，需要讓機組監控單元將監控信號通過通訊的方式傳遞個上位機，因此需要配備串口和CAN擴展通訊模塊，在此分別選用 ABB公司的CM574-RS*和CM578-CN型擴展通訊模塊。

1.1.2 I/O模塊選型

勵磁上位機需要分別與上位機、監控單元和配電板完成勵磁投入、停機與緊急停機、調壓、滅磁、狀態、溫度、故障等信號，為此配置ABB公司的DX522型開關量模塊（每個模塊含8個輸入/8個輸出端口）、AI523型模擬量模塊（每個模塊含 16個模擬量輸入端口）、AX522型模擬量模塊（每個模塊含8個輸入/8個輸出端口），以及TU516型、TU532型I/O模塊底板。

1.1.3 電源模塊選型

上述各模塊均為24 V直流供電，且由于模塊數量不多，所需供電功率也較低，故選用 ABB公司用于PLC供電的CP-E 24/5型開關電源，輸入電壓100-240 V交流，額定輸出直流24 V/5 A（所選用的這款電源模塊可同時向 PLC和觸摸屏供電）。

1.1.4 UPS設計選型

按照設計要求，集控裝置必須備有UPS，以保證電網掉電后能正常運行10 min以上，故可選愛默生單相小功率UPS US11T-0010L，額定功率1 kVA/800 W，具備失電0轉換時間性能。

1.2 觸控屏設計

觸控屏兼具顯示和控制兩種功能，為了獲得較好的顯示效果，采用步科公司（Kinco）的 15寸觸控屏MT5720T。該觸控屏配置32bit 512 MHz RISC CPU，具有16M Flash+32M SDRAM的存儲器，配備 2個 USB接口、1個 SD卡槽、1個10M/100M自適應以太網接口和2個串口通信接口，可通過步科公司自主開發的組態軟件 Kinco HMIware進行組態開發，操作簡便，能夠滿足集控臺的設計要求。

2 軟件設計

2.1 PLC軟件設計

PLC程序開發基于ABB公司的PS501軟件。PS501是用于對ABB公司AC500系列PLC產品進行配置和編程的標準軟件，由管理子軟件Control Builder Plus（CBP）和編程子軟件CoDeSys組成。

CBP負責工程和設備的管理，為 PLC提供CPU、I/O模塊、所有接口和現場總線的配置方案；CoDeSys負責程序的編寫、下載和調試，能夠為編程者提供標準化編程語言、全面的功能塊庫和用戶自定義庫、離線仿真功能、程序測試調試查錯功能、可視化界面與配方管理監視列表。

按照設計要求，勵磁集控系統主要有三種工作狀態。

1）正常狀態

PLC接收來自觸控屏的系統參數和控制參數設定、控制指令（如電機起停、數據采集、緊急滅磁等）下達和工作方式（如單機內環運行、單機外環運行或雙機并聯運行等）選取數據，并將接收數據打包發送給下位機；同時，PLC從勵磁控制器、中壓配電板、機組監控單元獲取采樣數據，并送至觸控屏實時顯示。

2）故障狀態

當檢測到故障信號時，觸控屏顯示故障報警，并提供緊急滅磁信號，控制勵磁系統緊急停機。

3）調試狀態

勵磁系統工作前，通過觸控屏發送測試數據，下位機返回預約數據，以測試通信完好性；此外，可通過觸控屏選擇“故障模式”運行。PLC程序流程見圖4。

2.2 觸控屏組態設計

觸摸屏組態開發基于 Kinco公司的 Kinco HMIware軟件。Kinco HMIware是步科公司為其MT4000/5000系列觸控屏開發的專用 HMI組態編輯軟件，為用戶提供了強大的集成開發環境，廣泛應用于醫療、化工、電力、印刷、紡織、食品、國防、工程機械、智能家居、高速鐵路等領域。該組態軟件能夠實現開關指示、數值/文本輸入與顯示、數據傳輸與存儲、儀表圖表顯示、報警與事件記錄、條件控制與顯示、窗口切換、密碼保護、外部輸入輸出等功能，同時支持基于宏指令的二次模塊開發。

按照設計要求，觸控屏組態采用分頁設計，整個集控系統組態共分為主界面、參數設置、集控顯示、溫度監控、系統設置和歷史查詢六個頁面。如圖5所示。

3 結語

本文介紹了基于ABB公司AC500系列PLC和Kinco公司MT5000系列觸摸屏的勵磁集控系統人機界面設計方法，并按照該方法設計制造了大功率發電機勵磁集控臺，該裝置應用于實際電力系統，運行效果良好，達到了設計要求。

[1]馬偉明. 艦船動力發展的方向—綜合電力系統[J].海軍工程大學學報, 2002, 14(6): 1-5.

[2]戴朝輝, 夏家寬. 充電發電機勵磁系統的設計與研究. 船電技術, 2007, 27(2): 76-79.

[3]周艷平, 胡乃平, 王焱等. PLC和觸摸屏在酚醛預浸布生產線中的應用[J]. 自動化與儀器儀表, 2003, (5):19-20.

[4]周律, 嚴懷釬, 宋錫崢等. PLC及觸摸屏在電動閥開度控制中的應用[J]. 儀表技術與傳感器, 2012, (2):53-54.