MB80 PLC 在水電廠自動化系統中的應用

1 引言
隨著水電廠“無人值班”(少人值守)工作的不斷開展，以及電力體制的改革，對水電廠的自動化技術提出了更高的要求。計算機技術、信息技術和現場總線技術的飛速發展給水電廠自動化系統無論在結構上還是功能上，都提供了一個廣闊的發展空間。水電廠自動化系統應該成為一個集計算機、控制、網絡以及多媒體為一體的綜合系統。
當前，計算機監控系統一般采用全分布、開放式結構，設電廠級和現地控制單元級(注:Local Control Unit，在本文中均以LCU表示),其系統結構原理如圖1所示。

圖1 水電站自動化系統原理與結構圖
LCU主要是就地對機組運行實現監視和控制，一般布置在發電機附近，是計算機監控系統較底層的控制部分。原始數據在此進行采集，各種控制調節命令最后都在此發出，因此LCU可以是整個監控系統中重要的、對可靠性要求很高的“一線”控制設備。LCU按照結構和配置來分，可分為單板機—總線型結構LCU、以可編程控制器為基礎的LCU、智能I/O模件配工業實時網構成的LCU等三種，
本文以選用了功能優越、性價比高的MB80 PLC作為電站LCU控制核心。并以此對MB80 PLC的功能特點和MB80 PLC在水電廠自動化系統中的系統結構、功能和應用作一些探討。

2 MB80 PLC功能及特點
MB80系列PLC是南京南瑞集團公司開發的MB系列可編程邏輯控制器家族中的中、高檔產品。該產品采用了工業控制領域的一系列最新成果和最新思想，生產過程中采用先進電子生產工藝。
2.1 MP80 PLC硬件主要特點
(1) 主控模塊CPU MB80 CPU采用486或Pentium等高性能工業微處理器，具有強大的數據處理能力、運算能力及通訊處理能力;軟件采用實時多任務的嵌入操作系統;支持以太網。
(2) I/O模塊全部智能化。模塊自身具有數據處理及自診斷功能，模塊運行出現故障時能夠自動復位并重新啟動;另一個突出優點是所有I/O模件均支持熱插撥。
(3) CPU與I/O模件之間采用CAN現場總線網絡，通訊速率快、抗干擾能力強，且易于擴展。
(4) 串口通訊功能強大。MB80串口通訊模件，獨立完成串口通訊任務，與CPU僅完成數據交換并單獨使用一路CAN網，與I/O模塊CAN網分離，大大減輕了CAN網的通訊負擔，且不占用CPU資源;該模件最大支持8個串口(RS-232/485)，每個串口均可獨立編程。
(5) 開出模件動作可靠，具有輸出保護功能:每組輸出都有保險絲保護，過載時能夠自動保護模塊;密碼鎖功能:每路輸出均采用密碼鎖功能，確保不會誤動及拒動。
(6) MB80 PLC具有靈活的配置,典型的配置一般包括:
●某一型號CPU;
●模塊插箱(最多可擴展7個);
● I/O模塊;
●電源模塊。
另可選配:
●以態網通訊模塊;
●串口通訊模塊;
●同期模塊;
●其它特殊功能模塊。
由以上的配置可組成:雙機雙網系統、單機雙網系統、單機單網系統。
(7) MB80 PLC可方便地與其它設備或系統接口
●控制對象;
●監控軟件、上位機系統;
●需串口通訊的智能設備;
●GPS時鐘;
●觸摸屏等人機界面。
2.2 MP80 PLC編程軟件主要特點
編程軟件MBPRO為MB80 PLC提供了方便、友好的編程環境。MBPRO為全中文操作菜單，符合Windows操作習慣，易學易懂。
(1) 項目管理采用樹型結構，通過目錄樹可以迅速查看硬件配置，子程序及流程;
(2) 兩種編程語言:梯形圖和流程圖;
(3) 直觀的在線監視功能，支持在線修改;
(4) 方便的流程在線調試功能，流程圖調試支持自動執行、調試執行及單步執行;
(5) 便捷的數據庫在線查詢功能，在線可查詢及強制測點值，可查詢SOE事件及流程報警信息;
(6) 支持中文注釋;
(7) 窗口交互編程軟件直觀方便。具體包括菜單欄、系統工具欄、梯形工具欄(或流程工具欄)、目錄欄、信息欄、狀態欄和編輯區，所有界面及操作均為全中文方式，簡單、易學、易操作。
●菜單欄可實現編程軟件的主要功能。參見附表。
附表 菜單功能

●系統工具欄是把操作或編輯過程中經常用到的一些功能以圖標的方式放置在編輯區的上方，便于操作起來方便。它們所實現的功能通過菜單欄操作都可以實現。梯形工具欄是將菜單欄“梯形”中的部分操作和功能模塊以圖標的形式放在編輯區的上方，便于編寫梯形程序時使用。
●流程工具欄是將菜單欄“流程”中的部分操作和功能框以圖標的形式放在編輯區的上方，便于編寫流程時使用。
●目錄欄是將整個文件以樹型目錄的形式進行管理。它分為三個部分:硬件配置、梯形圖和流程圖。
●信息欄可以查詢或修改所有基本I/O測點和虛擬測點(寄存器、定時器、計數器、變量)的信息，包括其測值及各種屬性，通過信息欄下排的按鈕可以在各種測點之間切換。
●狀態欄位于屏幕的最下方。狀態欄右側依次為強制標記、PLC圖標、在線/離線標記。狀態欄左側指示系統工具欄和作圖工具欄的操作內容，例如，將鼠標指向系統工具欄的圖標，狀態欄會顯示“建立新文檔”，表示鼠標按下后執行的操作將是建立一個新的文件。
3 控制核心LCU系統實現及功能
3.1 配置與結構設計
本文以MB80 PLC在四川洪壩水電站LCU的實現為工程背景進行講述。該水電站位于四川省石棉縣境內，電站裝機為二臺50MW的水輪發電機組，多年平均發電量5.088億kW·h，保證出力22.22MW。此電站選用了性價比較高的MB80 PLC作為電站現地控制級主控單元。LCU主要實現數據量采集(數字開關輸入量、模擬輸入量、溫度輸入量等)、設備控制(數字開出量等)、數據通訊(串口通訊、以太網通訊)、人機界面等功能。具體控制結構如圖2:

圖 2 機組LCU系統結構圖

在系統配置中，主控單元主要由智能CPU、智能開關量輸入輸出模件、溫度量輸入模件、模擬量輸入模件、智能通訊模件組成。
主控單元配置方案如圖3所示。

圖3 MB80 PLC配置方案圖

3.2 控制系統核心CPU611
該CPU自帶100Mbps以態網口，支持TCP/IP MODBUS協議，可與后臺計算機通訊，從而實現后臺對對LCU的監控功能，它們之間的通訊選用光纜作為通訊介質，這樣能提高系統的抗干擾能力和數據傳輸速度;配置高性能的32M電子硬盤，32M內存;提供最大開入/開出點數為2048/2048，模擬量點數為1024點;除了能提供位、字寄存器外，突出優點是提供了變量寄存器V，在PLC編程中可以根據需要靈活地定義變量的個數(最大1024)、維數、類型等;CPU提供兩個串口，均支持MODBUS協議，在本工程中其中一個串口與觸摸屏連接，使觸摸屏可以監視PLC采集到的數據，也能控制操作現場設備。
3.3 為串口通訊模塊CPM418
該模塊獨立完成串口通訊任務，與CPU僅完成數據交換且單獨使用一路CAN網，不占用CPU資源，與I/O模塊CAN網分離;共有8個RS-232口，每個串口均可單獨編程，編程語言為C;能夠根據實際需要靈活地與其它智能設備通訊。在本工程中，串口1采用MODBUS協議與交流采集裝置通訊;串口2、3、4分別與調速器、勵磁、機組油壓裝置通訊;這樣PLC通過CPM418的各個串口獲取各個裝置的數據信息，也可以對相關裝置發控制命令。針對水電廠被控制對象分散的特點采用串口通訊方式將分散在現場的智能I/O、智能控制器連成一體，提高了系統的自治性和可靠性，節省了大量的信號電纜和控制電纜。
3.4 SOE型32點中斷開入量模件IIM214
模塊每個測點都具有SOE事件順序記錄功能，輸入信號發生變位時能自動交變位信息及動作時間送至CPU，事件分辯率可達1ms，能準確分辨出信號動作的先后次序，準確分析設備狀態。DIM214、DOM214分別為32點開入量、開出量模件;TIM212、AIM212分別為溫度量、模擬量輸入模件。
所有輸入模件均采用端配板，端配板與模件之間使用專用連接電纜，使連接更可靠，更簡便，占用空間更少，減少了復雜的配線工作，方便維護及查找故障。

4 PLC軟件設計
軟件設計主要需完成數據處理、上位機及外部智能設備的通訊和.水輪機組及其輔助設備的控制兩大功能。對于第一項可以用PLC傳統語言—梯形圖編寫，對于第二項，若要用梯形圖編寫則是一項邏輯簡單但編寫復雜的事情，但MBPro編程軟件的流程編程語言則很好地解決了這一問題:目前國內設計院或用戶提供的順序控制流程或設備操作閉鎖條件都是用梯形圖的形式來表示，MBPro編程軟件的流程編程語言即是基于上述情況所開發的一種新型編程語言。它采用面向對象的方法，提供了直觀的、交互的編程方式來生成順序控制程序。對順序控制來說，它是一個最為自然的語言，只要用流程圖組態出一個控制的全過程，那么相應的控制程序已完成。采用流程圖與梯形圖結合的編程方法則可以完成非順序控制等復雜流程。編程界面見圖4。

圖4 直觀的流程圖編程語言

5 結束語
該LCU控制方案已被國內幾個中型水電廠所采用。從系統日常運行情況來看，系統運行穩定，能準確、實時地反映電站設備的運行狀態和參數，能準確、可靠地控制現場設備;各項性能滿足水電廠自動化系統的要求，且該系統維護簡便，同時也為水電廠的運行、維護減少了工作量及生產成本，為實現現代化水電廠“無人值班”(少人值守)的運行管理模式創造了條件。