SIEMENS SIMATIC S7-200 PLC在小型水电厂自动化监控系统中的应用

一、项目介绍
广西罗城宝坛水电站工程位于广西壮族自治区罗城仫佬族自治县境内的宝坛河上。宝坛电站为一、二、三级同时开发，宝坛电站三级站位于宝坛乡府附近，距罗城县城58km；一二级站厂房距三级站约23km，公路可直通厂址。一级站装机2×630kW卧轴混流式水轮发电机组，二级站装机2×3200kW卧轴混流式水轮发电机组，一二级站共用一个厂房及35kV升压站，以35kV一级电压接入系统，35kV出线2回，其中1回备用。

二、系统配置

现地控制单元为电站监控系统全分布式结构中的智能控制设备，由它实现监控系统与电站设备的接口，完成监控系统对电站设备的监控。它可以作为所属设备的独立监控装置运行，当现地控制单元与主控级失去联系时，由它独立完成对所属设备的监控，包括在现地由操作人员实行的监控及由现地控制单元对设备的自动监控。
配置如下：


2.1  机组现地控制单元

机组现地控制单元每台机组配置JNLCS-200一套，分别编号为1#LCU、2#LCU、3#LCU、4#LCU。屏上配有触摸屏、PLC模块、交流量智能变送器，每套机组现地控制单元采用温度变送器及智能温度巡检装置两种方式采集机组各测温点的温度。温度巡检装置经通信接口与本单元进行通信。相关的备用、调相、发电、故障和事故等状态指示，以及开停机、紧停、过速保护等功能按钮及连片。
PLC配置
机组现地控制单元的PLC采用西门子S7-200 CN可编程控制器（PLC）模块。该系列PLC 适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200 CN系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200 CN 系列具有极高的性能/价格比。
根据系统要求，PLC配置如下：
①       中央处理模块（CPU）：选用CPU226（24点DI/16点DO）。
②       数字量输入模块（DI）：选用EM221，共2块（16点DI/块）。
③       数字量输入输出模块（DI/DO）：选用EM223，1块（16点DI/16点DO）。
④       温度量输入模块（RTD）：选用EM231，共2块（8点/块）
⑤       PROFIBUS-DP接口模块：EM277，1块。
⑥       PROFIBUS-DP网络连接器1个。
触摸屏配置
触摸屏采用西门子K-TP178micro触摸屏。该屏是西门子专门针对中国中小型自动化产品用户需求而设计的全新触摸屏。通过点对点连接（PPI或者MPI）完成和S7-200CN控制器的连接，整个系统浑然一体，具有良好的稳定性和抗干扰性。通信速率可达187.5kbaud。它的操作界面非常友好，不但可以通过触摸屏来执行操作，更可以通过面板上的6个按键来执行操作。此外该屏采用了32位ARM7的CPU处理芯片，同时拥有超大的内存空间使操作响应更加快速。
2.2公用及开关站现地控制单元


公用及开关站现地控制单元配置JNLCS-200一套，编号为5#LCU，配置西门子PLC模块、温度采集模块、CM-320B多对象微机准同期装置、交流量智能变送器、西门子K-TP178micro触摸屏、开出继电器、交流采样装置等相关器件。主要对全厂公用的油、气、水辅助系统，厂用交流电源系统，直流电源系统及开关站等监控对象的数据采集及实时控制。
根据系统要求，PLC配置如下：
①  中央处理模块（CPU）：选用CPU226（24点DI/16点DO）。
②  数字量输入模块（DI）：选用EM221，共2块（16点DI/块）。
③  数字量输入输出模块（DI/DO）：选用EM223，1块（16点DI/16点DO）。
④       温度量输入模块（RTD）：选用EM231，共2块（8点/块）
⑤  模拟量输入模块（AI）：选用EM231，1块（4点AI）。
⑥  PROFIBUS-DP接口模块：EM277，1块。
⑦       PROFIBUS-DP网络连接器1个。

2.3现地控制单元系统实现的功能：

2.3.1数据采集与处理
收集电厂内机组现地控制单元（LCU）采集的模拟量、数字量（包括状态量、顺序事件数字量、脉冲量、报警数字量）。
对采集来的数据进行分析、处理、计算，形成主站各种监控及管理功能所需的数据。
对一些数据作为历史数据予以记录、整理和保存。
2.3.2安全运行监视
安全运行监视包括全厂运行实时监视及参数在线修改、状变监视、越限检查、过程监视、趋势分析和监控系统异常监视。
2.3.3控制与调节
机组现地控制单元能自动完成开、停机操作和有功、无功功率的调节，而不需依赖于电站控制中心。在接受电站控制中心命令后，工况转换及调节能自动完成，也能分步自动完成。机组现地控制单元也能执行现地人机接口发出的现场命令。
机旁设控制权切换开关（上行信息不受切换开关位置影响）。开关置于“中控室”时，则机组仅受控于电站控制中心，置于“现地”时则仅可由运行人员通过现地控制单元对机组进行控制。
机组控制单元顺序控制
机组同步并网
机组辅助设备的自动控制、监视
①       事件检测和发送
自动检测本单元所属的设备、继电保护和自动装置的动作情况，当发生状变时，将事件的性质依次检测、归类存档，并上送电站控制中心。
2.3.4数据通信
完成与电站控制中心的数据交换，实时上送电站控制中心所需的过程信息，接收电站控制中心的控制和调节命令。
机组现地控制单元接收电站控制中心所用的同步时钟信息以保持同电站控制中心同步。
与电能计量装置及其他承包商提供的微机励磁调节器、微机调速器、微机继保装置、微机测速装置、温度巡检装置等之间通信，进行信息交换，提供接口软件。
2.3.5系统诊断
机组现地控制单元硬件故障诊断：可在线或离线自检设备的故障，故障诊断能定位到模块。
软件故障诊断：应用软件运行时，若遇故障能自动给出故障性质及部位，并提供相应的软件诊断工具。
在线运行时，当诊断出故障，能自动闭锁控制出口或切换到备用系统，并将故障信息上送电站控制中心以便显示、打印和报警。
系统配备上位机一台，该机还兼做语音报警服务器。

2.4上位机配置

①  服务器 (DELL P4 2.8G处理器、512MB内存、80GB的硬盘)。
②  彩色显示器 (DELL 21寸彩色显示器)。
③       语音报警设备 (多媒体声卡、音箱)。
④       CP5611网卡
⑤  SIMATIC NET 6.0。
⑥  WINCC 5.1。
上位机监控系统采用西门子WinCC人机接口软件，该软件可以很好的支持S7系列CPU，且具有强大的画面组态、报警设置、数据存档、报表设计等功能。此外还集成了多种网络连接方式，使其与自动化系统连接起来更加方便。

2.5上位机监控系统实现的功能：

2.5.1数据采集与处理；
主控级自动采集和处理各现地控制单元的各类实时数据和处理电站设备的运行参数，采集的数据及处理量主要有以下几种：
①  电气量：主控级收集由现地控制单元采集的各电气量：
②  模拟量
温度：机组上导、下导、水导、推力轴承的瓦温、油温、冷却水温、转子线圈、定子线圈和铁芯的温度及变压器油温等。
③  数字量：各现地控制单元将采集到的数字量上送主控级进行处理或现地处理
④  脉冲量：各现地控制单元对采集到的脉冲量进行累计，换算成相应的电度量后，上送主控级进行全厂日、月、年发电量累加处理。
⑤  数据压缩精简：对实时数据和历史数据按要求进行筛选整理，去掉无用的数据后，将“压缩”了的数据存入数据库。
2.5.2安全运行监视；
安全运行监视包括全厂运行实时监视及参数在线修改、状变监视、越限检查、过程监视、趋势分析和监控系统异常监视。
①  全厂运行实时监视及参数在线修改：运行值班人员通过显示器对全厂各主设备及辅助设备的运行状态进行实时监视控制及在线修改参数。对职责不同的各级运行人员，其操作权限的内容也各不相同。对监控系统监控的所有设备，具有一定操作权限的运行值班人员能在线修改运行参数。
②  状变监视：状变分成两类。一类为自动状变即自动控制或保护装置动作所导致的状变，如断路器事故跳闸，机组的自动起动等，另一类为受控状变，即由来自人工控制的命令所引起的状变。发生这两种状变时，均可在显示器上显示。状变量以数字量形式采入。
③  越限检查：检查设备异常状态并发出报警，异常状态信号在显示器上显示并记录。
④  过程监视：监视机组各种运行工况（发电、调相、停机）的转换过程所经历的各主要操作步骤，并在显示器上显示；当发生过程阻滞时，在显示器上给出阻滞原因，并由机组现地控制单元将机组转换到安全状态或停机。
⑤  趋势分析：分析机组运行参数的变化，及时发现故障征兆，提高机组运行的安全性。
⑥  间歇运行的辅助设备的运行监视和分析：监视机组及电站各间歇运行的辅助设备（如压油泵、技术供水泵、空压机等）起动次数、运行时间和间歇时间。在机组及电站不同运行方式下，其起动及运行间隔有一定的规律，通过分析这些规律的变化情况，监视间歇运行设备及其对应的主设备是否异常。
⑦  监控系统异常监视：监控系统的硬件或软件发生事故则立即发出报警信号，并在显示器及打印机上显示记录，指示故障部位。
2.5.3实时控制和调整；
2.5.4监视、记录、报告；
在中控室装有彩色显示器，用于显示电站的运行情况。全厂所有监控对象的操作、报警事件及实时参数报表等可记录下来，并能以中文格式在显示器上显示，在打印机上打印。打印记录分为定时打印记录、事故故障打印记录、操作打印记录及召唤打印记录等工作方式。
2.5.5事件顺序记录；
在电站发生事故时，由各现地控制单元采集继电保护、自动装置及电站主设备的状态量，并上送电站控制中心，完成事件顺序排列，显示、打印和存档。每个事件的记录和打印包括点名称、状变描述和时标，记录的分辨率不大于5ms。
2.5.6事故追忆和相关量记录；
记录在事故发生前5s和后20s时间里重要实时参数的变化情况。追忆量包括35kV线路的有功及无功功率，三相电流，35kV线路电压及频率、机组线电压、三相电流和有功、无功功率等。采样周期为1s。追忆量除了打印外还可以用曲线在显示器上显示。
相关量记录：自动记录与事故、故障有关的参数。
当机组某一参数越限时，监控系统同时显示打印其相关参数的对应数值。
2.5.7正常操作指导和事故处理操作指导；
①  正常操作：操作顺序提示，能根据当前的运行状态判断设备是否允许操作并给出相应的标志，如操作是不允许的，则提示其闭锁原因并尽可能提出相应的处理办法；操作票编辑、显示、打印；运行报表显示、打印等。
②  事故处理：在出现故障征兆或发生事故时，由监控系统提出事故处理和恢复运行的指导性意见。
2.5.8数据通讯；
①  与地调、水情测报等系统的通信。
②  与各现地控制单元通信，向各现地控制单元发送指令，并接收各现地控制单元上送的各种信息。
2.5.9屏幕显示；
画面显示是计算机监控系统的主要功能之一，画面调用将允许以自动或召唤方式实现。自动方式是指当有事故发生时或进行某些操作时有关画面能够自动推出，召唤方式则指操作某些功能键或以菜单方式调用所需画面。画面种类包括各种系统图、棒形图、曲线、表格、提示语句等。画面清晰稳定、构图合理、刷新速度快且操作简单。
2.5.10电站设备运行维护管理；
积累电站运行数据，为提高电站运行、维护水平提供依据。
2.5.11系统诊断；
电站控制中心系统设备如工作站、通讯网络、主站外设等设备的故障自诊断，故障时发出信号，并将结果记录和打印。
2.5.12软件开发；
离线进行系统软件的开发与编辑，包括画面、报表、数据库等的编辑，从而实现对系统的管理、维护与升级。
2.5.13仿真培训；
上位机系统可具备培训仿真功能，使用户技术人员能够全面掌握系统功能及原理。


WinCC控制画面

三、关键技术的使用

3.1 PROFIBUS现场总线技术
随着制造业自动化和过程自动化中分散化结构的迅速增长，现场总线的应用日益广泛，现场总线实现了数字和模拟输入/输出模块、智能信号装置和过程调节装置与可编程逻辑控制（PLC）和PC之间的数据传输，把I/O通道分散到实际需要的现场设备附近，从而使整个系统的工程费用、装配费用、硬件成本、设备调试和维修成本减少到最少。PROFIBUS现场总线满足了生产过程现场数据可存取性的重要要求，一方面它覆盖了传感器/执行器领域的通信需求，另一方面又具有单元级领域的所有网络通信功能。
在宝坛一、二级站计算机监控系统中各控制单元之间通过PROFIBUS现场总线连接。装有CP5611网卡的上位机作主站，各控制单元以PROFIBUS-DP从站的方式接入上位机


WinCC连接PROFIBUS-DP从站

    编程时，首先要配置CP5611网卡。像配置S7-300站一样将其组态为PROFIBUS主站（DP-MASTER），将其下载到硬件中。WinCC侧的组态，在WinCC程序中添加PROFIBUS-DP协议，并设置其系统参数。在DP连接协议下添加新的连接及变量即可。
3.2 数据库软件Sybase
数据库软件采用了Sybase公司的Sybase服务器软件，利用Sybase数据库强大的数据引擎，确保各个电站子控制系统的历史数据和操作、报警记录的迅速而准确的记录，同时保证各个电站子控制系统对历史数据的报表统计、查询等功能的实现。并为将来和MIS系统的连接作好预留手段。
3.3 S7-200与PMAC通讯
系统采用的S7-200系列226CPU模块上具有两个可编程的自由通讯口， PMAC采用标准的485通讯方式，支持PROFIBUS通讯协议。我们将PMAC的485+极接入CPU一个通讯口的3脚，485-极接入8脚，用STEP 7-Micro/WIN软件对通讯口进行编程。
编程时在项目文件中创建一个子程序，如下图中的“pmac_com”,程序的具体语句如下图。




    图中语句将该通讯口定义为PROFIBUS通讯方式，这样只需要在主程序main中调用该子程序，即可实现PLC与PMAC的通讯。

四、结束语

    宝坛一、二级站计算机监控系统工程的实施及成功完成，有效的提高了电站综合自动化水平，方便了对电站生产过程的监视、控制和调节，为实现电站的“少人职守”创造了有利的条件。