PLC 在水電廠中的應(yīng)用探討

谷忠平

（北京京能清潔能源電力股份有限公司西南分公司，四川 成都 611500）

1 研究背景

水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)旨在通過水力發(fā)電及其輔助設(shè)備和輔助設(shè)備收集和處理水力發(fā)電的信息。其可以根據(jù)電網(wǎng)的要求優(yōu)化穩(wěn)定的工作，實(shí)現(xiàn)自動識別、控制、監(jiān)管和保護(hù)每個單元，并進(jìn)一步提高電力質(zhì)量。通過對當(dāng)?shù)厮娬究刂茊卧谋O(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測和控制水電站部件的生產(chǎn)過程，以確保正常工作和安全。

本文主要研究PLC 在水電廠機(jī)組控制單元的應(yīng)用，水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)旨在通過水力發(fā)電及其輔助設(shè)備收集和處理水力發(fā)電的信息。

2 基于PLC 的水電廠機(jī)組控制單元

2.1 現(xiàn)地控制單元概況

現(xiàn)地控制單元（Local Control Unit，LCU）作為企業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的局部控制層，將不同的數(shù)據(jù)和事件信息發(fā)送到企業(yè)一級調(diào)度中心，得到空間站級別聯(lián)配電中心的命令，控制設(shè)備的級聯(lián)配電中心可以獨(dú)立于發(fā)電廠和級聯(lián)配電中心的工作。

2.2 現(xiàn)地控制單元的組成

現(xiàn)地控制單元組成部分包括：數(shù)據(jù)收集與處理、功能監(jiān)控和事件信號，人機(jī)接觸和操作條件、自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）、自動電壓控制（Automatic Voltage Control，AVC）、輸電線路功率監(jiān)視與限制，數(shù)據(jù)傳輸功能，系統(tǒng)時(shí)鐘同步裝置。

2.3 PLC 可編程控制器

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種基于微計(jì)算機(jī)的數(shù)字邏輯控制器，用于實(shí)時(shí)自動控制。

2.4 PLC 控制方案設(shè)計(jì)

在本文討論的本地控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選擇了兩門子S7-400PLC。S7-400 是多功能PLC，可以擴(kuò)展到300 個模塊。

水力發(fā)電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以分為2 部分：①所有工廠設(shè)備集中管理的一部分，稱為電站級監(jiān)控系統(tǒng)。②水輪發(fā)電機(jī)，交換站和其他稱為本地控制系統(tǒng)的設(shè)備的樓層控制部分。S7-400 系統(tǒng)模塊示意圖如圖1 所示。

圖1 S7-400 系統(tǒng)模塊

3 基于PLC 的機(jī)組現(xiàn)地控制單元設(shè)計(jì)

3.1 硬件組態(tài)

要設(shè)計(jì)塊LCU 控制系統(tǒng)，必須基于I/O 和屬性和系統(tǒng)所需的點(diǎn)數(shù)及控制系統(tǒng)的功能要求來確定系統(tǒng)的硬件配置。每個LCU 位置正確之后，必須在STEP7 中完成硬件配置。硬件配置可用于配置硬件和參數(shù)化自動化項(xiàng)目。

水力發(fā)電廠的計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)通常由本地控制單元和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成，負(fù)責(zé)從設(shè)備發(fā)送和收集操作信息并將其發(fā)送到企業(yè)管理級別。通過本地監(jiān)測子設(shè)備。LCU 和上位機(jī)通常由網(wǎng)絡(luò)連接。從發(fā)電廠的主控主機(jī)發(fā)送信息和命令需要網(wǎng)絡(luò)連接。硬件組態(tài)的任務(wù)是創(chuàng)建一個與真實(shí)硬件系統(tǒng)相同的系統(tǒng)，并與WinCC組態(tài)軟件集成在一起，完成監(jiān)控任務(wù)。

3.1.1 SIMATIC Manager

第四，要建立健全獎懲制度，對違反會計(jì)準(zhǔn)則的人員進(jìn)行相應(yīng)的處罰，對表現(xiàn)優(yōu)異的人員進(jìn)行一定的獎勵，這樣可以對財(cái)務(wù)人員起到激勵作用，從而提高財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

該系統(tǒng)的主要功能是：在SIMATIC 管理器中選擇一個硬件機(jī)架，為機(jī)架選擇的模塊選擇所需的位置，并以相同的方式配置分布式I/O 和中央I/O。CPU 可以設(shè)置模塊的各種屬性。屏幕用戶可以設(shè)置和配置所有硬件模塊的參數(shù)，包括功能模塊（Functional Module，F(xiàn)M）和通信處理器（Central Processor，CP），而無須設(shè)置DIP 開關(guān)。CPU 啟動時(shí)，可以將參數(shù)自動分配給模塊。

3.1.2 硬件組態(tài)

創(chuàng)建新項(xiàng)目后，需要配置特定的模塊化機(jī)架、電源、CPU、信號模塊、通信模塊和接口模塊。

（1）機(jī)架選擇。選擇SIMATIC400 站，在新項(xiàng)目中，雙擊工作區(qū)中的硬件圖標(biāo)，打開HWconfig 窗口，然后將其插入ur1 機(jī)架中。

（2）相應(yīng)主模塊的選擇。在2 中顯示了電源模塊的選擇。將兩個PS40710a 電源插入選定的ur1 機(jī)架的相應(yīng)插槽1 和3 中。插入電源模塊后，可以分別設(shè)置輸入電源模塊、訂單號和MPI 地址。除了配置電源模塊外，還必須配置電源模塊、CPU 模塊、信號模塊、通信模塊和主模塊的接口模塊，如圖2 所示。

圖2 電源模塊選擇

（3）參數(shù)設(shè)置。可以通過STEP7 編程軟件來設(shè)置S7-400 中每個模塊的參數(shù)。以CPU 模塊的參數(shù)設(shè)置為例。在步驟STEP7 SIMATIC 管理器中進(jìn)入“硬件配置”屏幕后，雙擊CPU 模塊以在彈出的屬性窗口中設(shè)置相應(yīng)的屬性。在CPU 模塊參數(shù)中可以設(shè)置時(shí)間中斷、周期中斷、診斷/小時(shí)、保護(hù)、一般啟動、內(nèi)存/小時(shí)、保存、內(nèi)存和中斷模塊。如安裝了這面旗幟，若沒有插入到相應(yīng)插槽中，或?qū)嶋H插入的插槽中的模塊不符合配置模塊，則CPU 仍將繼續(xù)運(yùn)行。

3.2 PLC 的機(jī)組現(xiàn)地控制單元監(jiān)控系統(tǒng)

3.2.1 機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)

水力發(fā)電站的操作員通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）控制，監(jiān)視和控制水力發(fā)電站的設(shè)備，并接收有關(guān)該設(shè)備的操作信息和其他信息。本地控制單元使用西門子TP270 觸摸屏，可使用WinCC 項(xiàng)目管理器對其進(jìn)行組態(tài)。TP270 通過DP 連接到PLC。

要根據(jù)本地控制單元監(jiān)視系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)HMI 監(jiān)視系統(tǒng)，必須遵循以下步驟。

（1）在WinCC 項(xiàng)目管理器中創(chuàng)建一個新的HMI 監(jiān)視項(xiàng)目。

（2）在控制面板（觸摸屏）與PLC 和PC 之間建立了用于設(shè)置的通信通道。MPI 用于觸摸屏和PLC 之間的通信，以太網(wǎng)用于觸摸屏和PC 之間的通信。

（3）要定義變量，本地控制單元的監(jiān)視系統(tǒng)必須通過變量與操作面板進(jìn)行交互，以便將有關(guān)生產(chǎn)線的信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)接|摸屏。外部變量在控制器中定義，并影響存儲塊。HMI 設(shè)備和PLC可以訪問外部變量。內(nèi)部標(biāo)簽存儲在HMI 設(shè)備中，只有HMI 設(shè)備可以訪問它們。

（4）配置監(jiān)控界面。必須根據(jù)本地控制單元的監(jiān)視系統(tǒng)，主監(jiān)視界面，單元控制，油壓系統(tǒng)，供水系統(tǒng)回路，溫度傳感器和勵磁屏幕進(jìn)行配置[1]。

（5）警報(bào)信息設(shè)置。單元控制系統(tǒng)將發(fā)生故障，并且警報(bào)可用于指示事件和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2.2 監(jiān)控主畫面

在主屏幕上，每個模塊都會創(chuàng)建一個用于控制參數(shù)的菜單，即用于切換到其他圖像的功能按鈕。工作人員可以單擊主屏幕上的任何模塊，直接將其他模塊輸入監(jiān)視系統(tǒng)。主接線圖如圖3所示。

圖3 主接線

3.2.3 機(jī)組控制畫面

（1）開機(jī)流程畫面的設(shè)計(jì)。監(jiān)視系統(tǒng)可以基于當(dāng)前鎖定狀態(tài)的操作狀態(tài)來確定當(dāng)前設(shè)備是否可以工作。當(dāng)設(shè)備開始工作時(shí)，單擊監(jiān)視系統(tǒng)主屏幕上的“開始進(jìn)程”按鈕，系統(tǒng)將自動顯示一個窗口，該窗口顯示是否執(zhí)行該命令。單擊“是”按鈕，確認(rèn)下載過程已完成，然后自動進(jìn)入下載過程屏幕；按“no”按鈕取消命令并自動返回到LCP 監(jiān)視器主屏幕。

（2）功率調(diào)節(jié)畫面的設(shè)計(jì)。收到功率調(diào)整控制命令后，設(shè)備將進(jìn)入功率控制界面。在功率控制工作界面上，可設(shè)置有功和無功功率。以有功功率調(diào)節(jié)為例，可以通過圖左操作模塊“增加有功”“減少有功”進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，也可在“有功功率給定值”中輸入有功數(shù)值完成自動調(diào)節(jié)。

（3）報(bào)警信息畫面的設(shè)計(jì)。監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)警界面設(shè)置警報(bào)按鈕。在事故發(fā)生時(shí)，警報(bào)按鈕將繼續(xù)閃爍，提醒操作員發(fā)生事故。值班人員可通過報(bào)警界面了解機(jī)組是哪里發(fā)生了故障，提供了事故處理依據(jù)。

4 結(jié)語

本次主要研究PLC 在水電廠機(jī)組控制單元的應(yīng)用，水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)旨在通過水力發(fā)電及其輔助設(shè)備收集和處理水力發(fā)電的信息。它可以根據(jù)電網(wǎng)的要求優(yōu)化穩(wěn)定的工作，實(shí)現(xiàn)自動識別、控制、監(jiān)管和保護(hù)每個單元，并進(jìn)一步提高電力質(zhì)量。對PLC 水電廠機(jī)組控制單元組成、設(shè)計(jì)原則、控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出基于PLC 的機(jī)組現(xiàn)地控制單元的設(shè)計(jì)，主要包括PLC 硬件功能選擇、機(jī)組LCU 其他器件選擇、硬件組態(tài)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)置及基于PLC 的機(jī)組現(xiàn)地控制單元控制系統(tǒng)。