基于S7－315的沖擊發電機組控制系統研究

牛小東 ，謝曉斌 ，謝曉玲

（1.甘肅電器科學研究院，甘肅天水741018；2.甘肅省高低壓電氣研發檢測技術重點實驗室，甘肅天水741018）

1 引言

隨著社會經濟的快速發展，尤其是電力工業迅速發展，電網變換裝置如斷路器、開關等，也向大容量化、高電壓化、大電流方向發展。斷路器類產品的研制開發，必須通過短路試驗來定型，就需要大型沖擊發電機來提供這種突然短路的短路電流來進行測試。沖擊發電機也稱為短路試驗發電機，專門用于短路試驗。

按照國際電工委員會IEC標準，沖擊發電機應稱為短路發電機。沖擊發電機的運行工況既特殊、又嚴酷，專門在突然短路工況下運行，短路時間很短，一般是幾百毫秒內輸出沖擊電流，致使發電機本身繞組也要承受巨大的電動力。沖擊發電機是周期性地以對稱和不對稱短路運行并輸出盡可能大的短路電流，且在工作循環所規定的合閘時間內保持電流的衰減為最小。

在3200MVA沖擊發電機的配套系統中，該機組在國內屬于較大容量的沖擊發電機組，它由一臺2500kW的拖動電機拖動旋轉。主要作為大容量試驗系統的試驗電源，主要檢測高壓交流斷路器、負荷開關、交流金屬封閉開關設備、高低壓熔斷器等產品。該機組啟停、調速、勵磁、保護等邏輯復雜，且非常重要，研制一套適用于該機組的控制軟件很有必要。

2 沖擊發電機組系統組成

2.1 沖擊發電機組系統

沖擊發電機組由沖擊發電機、拖動電機及其輔助的油系統、水系統、勵磁系統、調速系統等組成，如圖1所示。

圖1 沖擊發電機組油系統圖

2.2 控制對象

機組啟動過程中需要對沖擊發電機、拖動電機、油系統、水系統、勵磁系統等控制，控制參數類型包括開關量、模擬量。

3 硬件設計

3.1 系統設計

系統設計遵循分布式控制系統思想，具有分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態方便等優點。系統由 6 臺 S7－315－2PN/DP、SCALANCE X104－2構成，如圖2所示。每臺根據控制、監測目的而配置不同的輸入輸出模塊。該系統有現場控制機、數據通訊系統、人機接口單元（西門子MP277）、機柜、電源等組成。系統具備開放的體系結構，可以提供多層開放數據接口。

硬件系統在惡劣的試驗環境下具有高度的可靠性、維修方便、工藝先進。系統內任一組件發生故障，均不會影響整個系統的工作。系統的參數、報警、自診斷及其他管理功能高度集中，控制系統在功能和物理上真正分散，系統平均無故障時間為10萬小時。

圖2 沖擊發電機組系統設計

3.2 硬件配置

系統采用的 S7－315－2PN/DP 由電源單元（PS）、中央處理單元（CPU）、接口模塊（IM）、信號模塊（SM）組成。本系統采用分布式控制的原則，根據現場控制和監控設備的具體需要對其進行配置。例如在勵磁調速室，DO輸出點28個、DI數字量輸入點32個。

4 軟件設計

4.1 主程序

系統主程序的功能是機組正常運行和安全保護控制，對發電機、拖動電機、油系統、水系統、勵磁調速系統進行協調控制，以保證在滿足一定的條件下，能夠按照預先設定的邏輯順序依次執行。例如主程序初始化后，首先判斷機組是否符合啟動條件，上次停機屬于正常停機還是非正常停機，故障是否排除，只有滿足啟動條件才能進入下一個執行功能模塊。主程序邏輯框圖如圖3所示。

底層軟件平臺采用Step7，具備強大的處理功能，有方便地組態復雜控制系統的能力和用戶自主開發專用高級控制算法的支持能力。易于組態，易于使用。

圖3 系統主程序邏輯框圖

4.2 事件處理子程序

事件處理子程序主要處理沖擊發電機組系統故障報警，在機組運行過程中，需要對整個系統的故障以及狀態進行監控和檢測，如潤滑油泵、水泵、頂軸泵的正常運行，油溫、水溫連續監測，潤滑油、冷卻水的壓力、流量監測，機組的振動監測，發電機定子繞組、鐵芯溫度監測，軸瓦溫度監測等等。只要監測到異常情況，就必須及時處理，以免故障擴大，造成不可挽回的損失。

4.3 人機界面

人機界面又稱用戶界面或使用者界面，是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機系統的重要組成部分。是系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，可以實現信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。

本系統采用組態王作為人機交互軟件，組態王開發監控系統軟件是新型的工業自動控制系統，它提供了豐富的、簡捷易用的配置界面，提供了大量的圖形元素和圖庫精靈，同時也為用戶創建圖庫精靈提供了簡單易用的接口。以組態王為上位機軟件開發的沖擊發電機組系統控制軟件是中文界面，具有人機界面友好、結果可視化的優點，用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業現場和相應的工控設備。圖4所示是機組系統圖。

在現場采用MP 277觸摸屏作為人機界面，MP 277具有多種通訊協議以及相應的通訊接口，且可以和多個設備進行通訊，使用方便。可以直觀顯示發電機繞組、鐵芯的溫度，潤滑油流量、壓力、溫度，冷卻水流量流量、壓力、溫度，系統報警信息等重要的狀態參數，使現場巡查人員及時了解機組運行狀態。軟件界面如圖5所示。

圖4 人機界面（組態王）圖形顯示

圖5 現場人機界面設備MP277圖形顯示

4.3 軟件安全設計

容錯設計，為了防止因用戶的誤操作而引起系統的誤動作，除去急停功能外，必須對系統進行解鎖才能對軟件操作，非法的鍵盤輸入和鼠標操作都不會被執行，以保證系統的安全運行。

軟件權限設計，本系統有2層用戶權限，最低層用戶是試驗操作人員，他們可以隨時控制機組的啟停、查詢機組的狀態等，而高一級的用戶權限需要密碼才能進入，不僅具有最低層用戶的所有權限，還能對軟件進行修改，只供軟件設計人員使用。

5 結束語

通過對沖擊發電機控制系統進行研究，特殊且嚴酷運行工況的沖擊發電機，運行時間很短，一般是在幾百毫秒內輸出短路電流。對沖擊發電機的系統組成進行了分析，根據系統組成特點，構建了基于S7－315可編程控制器的沖擊發電機組控制系統組成和系統控制對象，設計了硬件系統和根據控制對象和控制目標進行硬件組態，最后設計了基于組態王的PLC控制主程序和現場人機界面。經過一年半的運行實踐證明，該控制方式克服了監控點多、分散、距離長等諸多難點，是一種方便靈活、可靠、自動化程度高的控制方式。