SIEMENS SIMATIC S7-200 PLC在小型水電廠自動化監控系統中的應用

廣西羅城寶壇水電站工程位于廣西壯族自治區羅城仫佬族自治縣境內的寶壇河上。寶壇電站為一、二、三級同時開發，寶壇電站三級站位于寶壇鄉府附近，距羅城縣城58km；一二級站廠房距三級站約23km，公路可直通廠址。一級站裝機2×630kW臥軸混流式水輪發電機組，二級站裝機2×3200kW臥軸混流式水輪發電機組，一二級站共用一個廠房及35kV升壓站，以35kV一級電壓接入系統，35kV出線2回，其中1回備用。

現地控制單元為電站監控系統全分布式結構中的智能控制設備，由它實現監控系統與電站設備的接口，完成監控系統對電站設備的監控。它可以作為所屬設備的獨立監控裝置運行，當現地控制單元與主控級失去聯系時，由它獨立完成對所屬設備的監控，包括在現地由操作人員實行的監控及由現地控制單元對設備的自動監控。

配置如下：

機組現地控制單元每臺機組配置JNLCS-200一套，分別編號為1#LCU、2#LCU、3#LCU、4#LCU。屏上配有觸摸屏、PLC模塊、交流量智能變送器，每套機組現地控制單元采用溫度變送器及智能溫度巡檢裝置兩種方式采集機組各測溫點的溫度。溫度巡檢裝置經通信接口與本單元進行通信。相關的備用、調相、發電、故障和事故等狀態指示，以及開停機、緊停、過速保護等功能按鈕及連片。

PLC配置

機組現地控制單元的PLC采用西門子S7-200 CN可編程控制器（PLC）模塊。該系列PLC 適用于各行各業，各種場合中的檢測、監測及控制的自動化。S7-200 CN系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現復雜控制功能。因此S7-200 CN 系列具有極高的性能/價格比。

根據系統要求，PLC配置如下：

① 中央處理模塊（CPU）：選用CPU226（24點DI/16點DO）。

② 數字量輸入模塊（DI）：選用EM221，共2塊（16點DI/塊）。

③ 數字量輸入輸出模塊（DI/DO）：選用EM223，1塊（16點DI/16點DO）。

④ 溫度量輸入模塊（RTD）：選用EM231，共2塊（8點/塊）

⑤ PROFIBUS-DP接口模塊：EM277，1塊。

⑥ PROFIBUS-DP網絡連接器1個。

觸摸屏配置

觸摸屏采用西門子K-TP178micro觸摸屏。該屏是西門子專門針對中國中小型自動化產品用戶需求而設計的全新觸摸屏。通過點對點連接（PPI或者MPI）完成和S7-200CN控制器的連接，整個系統渾然一體，具有良好的穩定性和抗干擾性。通信速率可達187.5kbaud。它的操作界面非常友好，不但可以通過觸摸屏來執行操作，更可以通過面板上的6個按鍵來執行操作。此外該屏采用了32位ARM7的CPU處理芯片，同時擁有超大的內存空間使操作響應更加快速。

公用及開關站現地控制單元配置JNLCS-200一套，編號為5#LCU，配置西門子PLC模塊、溫度采集模塊、CM-320B多對象微機準同期裝置、交流量智能變送器、西門子K-TP178micro觸摸屏、開出繼電器、交流采樣裝置等相關器件。主要對全廠公用的油、氣、水輔助系統，廠用交流電源系統，直流電源系統及開關站等監控對象的數據采集及實時控制。

根據系統要求，PLC配置如下：

① 中央處理模塊（CPU）：選用CPU226（24點DI/16點DO）。

② 數字量輸入模塊（DI）：選用EM221，共2塊（16點DI/塊）。

③ 數字量輸入輸出模塊（DI/DO）：選用EM223，1塊（16點DI/16點DO）。

④ 溫度量輸入模塊（RTD）：選用EM231，共2塊（8點/塊）

⑤ 模擬量輸入模塊（AI）：選用EM231，1塊（4點AI）。

⑥ PROFIBUS-DP接口模塊：EM277，1塊。

⑦ PROFIBUS-DP網絡連接器1個。

2.3.1數據采集與處理

收集電廠內機組現地控制單元（LCU）采集的模擬量、數字量（包括狀態量、順序事件數字量、脈沖量、報警數字量）。

對采集來的數據進行分析、處理、計算，形成主站各種監控及管理功能所需的數據。

對一些數據作為歷史數據予以記錄、整理和保存。

2.3.2安全運行監視

安全運行監視包括全廠運行實時監視及參數在線修改、狀變監視、越限檢查、過程監視、趨勢分析和監控系統異常監視。

2.3.3控制與調節

機組現地控制單元能自動完成開、停機操作和有功、無功功率的調節，而不需依賴于電站控制中心。在接受電站控制中心命令后，工況轉換及調節能自動完成，也能分步自動完成。機組現地控制單元也能執行現地人機接口發出的現場命令。

機旁設控制權切換開關（上行信息不受切換開關位置影響）。開關置于“中控室”時，則機組僅受控于電站控制中心，置于“現地”時則僅可由運行人員通過現地控制單元對機組進行控制。

機組控制單元順序控制

機組同步并網

機組輔助設備的自動控制、監視

① 事件檢測和發送

自動檢測本單元所屬的設備、繼電保護和自動裝置的動作情況，當發生狀變時，將事件的性質依次檢測、歸類存檔，并上送電站控制中心。

2.3.4數據通信

完成與電站控制中心的數據交換，實時上送電站控制中心所需的過程信息，接收電站控制中心的控制和調節命令。

機組現地控制單元接收電站控制中心所用的同步時鐘信息以保持同電站控制中心同步。

與電能計量裝置及其他承包商提供的微機勵磁調節器、微機調速器、微機繼保裝置、微機測速裝置、溫度巡檢裝置等之間通信，進行信息交換，提供接口軟件。

2.3.5系統診斷

機組現地控制單元硬件故障診斷：可在線或離線自檢設備的故障，故障診斷能定位到模塊。

軟件故障診斷：應用軟件運行時，若遇故障能自動給出故障性質及部位，并提供相應的軟件診斷工具。

在線運行時，當診斷出故障，能自動閉鎖控制出口或切換到備用系統，并將故障信息上送電站控制中心以便顯示、打印和報警。

系統配備上位機一臺，該機還兼做語音報警服務器。

① 服務器 (DELL P4 2.8G處理器、512MB內存、80GB的硬盤)。

② 彩色顯示器 (DELL 21寸彩色顯示器)。

③ 語音報警設備 (多媒體聲卡、音箱)。

④ CP5611網卡

⑤ SIMATIC NET 6.0。

⑥ WINCC 5.1。

上位機監控系統采用西門子WinCC人機接口軟件，該軟件可以很好的支持S7系列CPU，且具有強大的畫面組態、報警設置、數據存檔、報表設計等功能。此外還集成了多種網絡連接方式，使其與自動化系統連接起來更加方便。

2.5.1數據采集與處理；

主控級自動采集和處理各現地控制單元的各類實時數據和處理電站設備的運行參數，采集的數據及處理量主要有以下幾種：

① 電氣量：主控級收集由現地控制單元采集的各電氣量：

② 模擬量

溫度：機組上導、下導、水導、推力軸承的瓦溫、油溫、冷卻水溫、轉子線圈、定子線圈和鐵芯的溫度及變壓器油溫等。

③ 數字量：各現地控制單元將采集到的數字量上送主控級進行處理或現地處理

④ 脈沖量：各現地控制單元對采集到的脈沖量進行累計，換算成相應的電度量后，上送主控級進行全廠日、月、年發電量累加處理。

⑤ 數據壓縮精簡：對實時數據和歷史數據按要求進行篩選整理，去掉無用的數據后，將“壓縮”了的數據存入數據庫。

2.5.2安全運行監視；

安全運行監視包括全廠運行實時監視及參數在線修改、狀變監視、越限檢查、過程監視、趨勢分析和監控系統異常監視。

① 全廠運行實時監視及參數在線修改：運行值班人員通過顯示器對全廠各主設備及輔助設備的運行狀態進行實時監視控制及在線修改參數。對職責不同的各級運行人員，其操作權限的內容也各不相同。對監控系統監控的所有設備，具有一定操作權限的運行值班人員能在線修改運行參數。

② 狀變監視：狀變分成兩類。一類為自動狀變即自動控制或保護裝置動作所導致的狀變，如斷路器事故跳閘，機組的自動起動等，另一類為受控狀變，即由來自人工控制的命令所引起的狀變。發生這兩種狀變時，均可在顯示器上顯示。狀變量以數字量形式采入。

③ 越限檢查：檢查設備異常狀態并發出報警，異常狀態信號在顯示器上顯示并記錄。

④ 過程監視：監視機組各種運行工況（發電、調相、停機）的轉換過程所經歷的各主要操作步驟，并在顯示器上顯示；當發生過程阻滯時，在顯示器上給出阻滯原因，并由機組現地控制單元將機組轉換到安全狀態或停機。

⑤ 趨勢分析：分析機組運行參數的變化，及時發現故障征兆，提高機組運行的安全性。

⑥ 間歇運行的輔助設備的運行監視和分析：監視機組及電站各間歇運行的輔助設備（如壓油泵、技術供水泵、空壓機等）起動次數、運行時間和間歇時間。在機組及電站不同運行方式下，其起動及運行間隔有一定的規律，通過分析這些規律的變化情況，監視間歇運行設備及其對應的主設備是否異常。

⑦ 監控系統異常監視：監控系統的硬件或軟件發生事故則立即發出報警信號，并在顯示器及打印機上顯示記錄，指示故障部位。

2.5.3實時控制和調整；

2.5.4監視、記錄、報告；

在中控室裝有彩色顯示器，用于顯示電站的運行情況。全廠所有監控對象的操作、報警事件及實時參數報表等可記錄下來，并能以中文格式在顯示器上顯示，在打印機上打印。打印記錄分為定時打印記錄、事故故障打印記錄、操作打印記錄及召喚打印記錄等工作方式。

2.5.5事件順序記錄；

在電站發生事故時，由各現地控制單元采集繼電保護、自動裝置及電站主設備的狀態量，并上送電站控制中心，完成事件順序排列，顯示、打印和存檔。每個事件的記錄和打印包括點名稱、狀變描述和時標，記錄的分辨率不大于5ms。

2.5.6事故追憶和相關量記錄；

記錄在事故發生前5s和后20s時間里重要實時參數的變化情況。追憶量包括35kV線路的有功及無功功率，三相電流，35kV線路電壓及頻率、機組線電壓、三相電流和有功、無功功率等。采樣周期為1s。追憶量除了打印外還可以用曲線在顯示器上顯示。

相關量記錄：自動記錄與事故、故障有關的參數。

當機組某一參數越限時，監控系統同時顯示打印其相關參數的對應數值。

2.5.7正常操作指導和事故處理操作指導；

① 正常操作：操作順序提示，能根據當前的運行狀態判斷設備是否允許操作并給出相應的標志，如操作是不允許的，則提示其閉鎖原因并盡可能提出相應的處理辦法；操作票編輯、顯示、打印；運行報表顯示、打印等。

② 事故處理：在出現故障征兆或發生事故時，由監控系統提出事故處理和恢復運行的指導性意見。

2.5.8數據通訊；

① 與地調、水情測報等系統的通信。

② 與各現地控制單元通信，向各現地控制單元發送指令，并接收各現地控制單元上送的各種信息。

2.5.9屏幕顯示；

畫面顯示是計算機監控系統的主要功能之一，畫面調用將允許以自動或召喚方式實現。自動方式是指當有事故發生時或進行某些操作時有關畫面能夠自動推出，召喚方式則指操作某些功能鍵或以菜單方式調用所需畫面。畫面種類包括各種系統圖、棒形圖、曲線、表格、提示語句等。畫面清晰穩定、構圖合理、刷新速度快且操作簡單。

2.5.10電站設備運行維護管理；

積累電站運行數據，為提高電站運行、維護水平提供依據。

2.5.11系統診斷；

電站控制中心系統設備如工作站、通訊網絡、主站外設等設備的故障自診斷，故障時發出信號，并將結果記錄和打印。

2.5.12軟件開發；

離線進行系統軟件的開發與編輯，包括畫面、報表、數據庫等的編輯，從而實現對系統的管理、維護與升級。

2.5.13仿真培訓；

上位機系統可具備培訓仿真功能，使用戶技術人員能夠全面掌握系統功能及原理。

隨著制造業自動化和過程自動化中分散化結構的迅速增長，現場總線的應用日益廣泛，現場總線實現了數字和模擬輸入/輸出模塊、智能信號裝置和過程調節裝置與可編程邏輯控制（PLC）和PC之間的數據傳輸，把I/O通道分散到實際需要的現場設備附近，從而使整個系統的工程費用、裝配費用、硬件成本、設備調試和維修成本減少到最少。PROFIBUS現場總線滿足了生產過程現場數據可存取性的重要要求，一方面它覆蓋了傳感器/執行器領域的通信需求，另一方面又具有單元級領域的所有網絡通信功能。

在寶壇一、二級站計算機監控系統中各控制單元之間通過PROFIBUS現場總線連接。裝有CP5611網卡的上位機作主站，各控制單元以PROFIBUS-DP從站的方式接入上位機

編程時，首先要配置CP5611網卡。像配置S7-300站一樣將其組態為PROFIBUS主站（DP-MASTER），將其下載到硬件中。WinCC側的組態，在WinCC程序中添加PROFIBUS-DP協議，并設置其系統參數。在DP連接協議下添加新的連接及變量即可。

數據庫軟件采用了Sybase公司的Sybase服務器軟件，利用Sybase數據庫強大的數據引擎，確保各個電站子控制系統的歷史數據和操作、報警記錄的迅速而準確的記錄，同時保證各個電站子控制系統對歷史數據的報表統計、查詢等功能的實現。并為將來和MIS系統的連接作好預留手段。

系統采用的S7-200系列226CPU模塊上具有兩個可編程的自由通訊口， PMAC采用標準的485通訊方式，支持PROFIBUS通訊協議。我們將PMAC的485+極接入CPU一個通訊口的3腳，485-極接入8腳，用STEP 7-Micro/WIN軟件對通訊口進行編程。

編程時在項目文件中創建一個子程序，如下圖中的“pmac_com”,程序的具體語句如下圖。

圖中語句將該通訊口定義為PROFIBUS通訊方式，這樣只需要在主程序main中調用該子程序，即可實現PLC與PMAC的通訊。

寶壇一、二級站計算機監控系統工程的實施及成功完成，有效的提高了電站綜合自動化水平，方便了對電站生產過程的監視、控制和調節，為實現電站的“少人職守”創造了有利的條件。