基于PLC和触摸屏的大功率发电机励磁集控系统

2014-09-21杨华

船电技术 2014年1期

杨华

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033）

0 引言

舰船综合电力系统（Integrated Power System，简称 IPS）是一种新型的动力系统，是将舰船原动机能量完全转化为电能，同时提供推进用电、高能耗用电和全船其它负载用电的电能综合利用与统一管理系统[1]，代表了未来舰船电力系统的发展趋势。随着IPS的不断发展，舰船电站装机容量不断提升，发电机励磁系统的功率等级随之提高，需要利用励磁机为主发电机提供励磁电源[2]，如图1所示。为了适应舰船复杂电磁环境并提高操作安全性，选用抗干扰能力强、工作性能稳定、编程灵活的可编程逻辑器件（PLC）作为励磁系统集控上位机，对现场下位机进行有效监控，并采用触控屏作为与PLC配套使用的人机交互界面（HMI）。

1 集控系统硬件设计

励磁机控制系统由位于集控台的上位机（即集控系统）和位于机旁现场的下位机组成，其中，上位机主要完成操作控制、状态显示、数据存储三大功能，如图2所示。为了实现上述功能，集控系统采用如图3所示结构，此外，选用触控屏作为人机界面，通过串口与PLC通讯传递数据和控制信号，完成集控操作和监测。需要说明的是，图3只显示了单机集控系统的硬件结构，如需对双机并联系统进行监控，可在图3基础上进行对称扩展，即采用1块CPU和2块触控屏，以及相应的通讯和I/O扩展模块，实现双机系统的状态监测、集控操作以及并联运行控制。

1.1 PLC组件设计

1.1.1 CPU及其底板、扩展通讯模块的选型

励磁上位机除需具有正常的监控、通讯功能外，还应具有数据记录功能，为此，考虑选用ABB公司的PM592-ETH型CPU。该CPU是目前ABB公司AC500系列PLC中功能最强大的一款，具有高速、大内存（4096 kB）、内置闪存（4 GB）等功能。

CPU底板选用ABB公司的TB541-ETH，该底板带有 4个通讯扩展插槽和两个串口通讯接口，COM1口带弹簧接线端子、COM2为SUBD9（9针）型接口。

发电机励磁上位机需要与励磁控制器触摸屏进行串口通讯。此外，为了将发电机的温度测量信号直接通过硬线方式（PT100）传给原动机监控单元，同时使上位机显示发电机内部各测量点温度，需要让机组监控单元将监控信号通过通讯的方式传递个上位机，因此需要配备串口和CAN扩展通讯模块，在此分别选用 ABB公司的CM574-RS*和CM578-CN型扩展通讯模块。

1.1.2 I/O模块选型

励磁上位机需要分别与上位机、监控单元和配电板完成励磁投入、停机与紧急停机、调压、灭磁、状态、温度、故障等信号，为此配置ABB公司的DX522型开关量模块（每个模块含8个输入/8个输出端口）、AI523型模拟量模块（每个模块含 16个模拟量输入端口）、AX522型模拟量模块（每个模块含8个输入/8个输出端口），以及TU516型、TU532型I/O模块底板。

1.1.3 电源模块选型

上述各模块均为24 V直流供电，且由于模块数量不多，所需供电功率也较低，故选用 ABB公司用于PLC供电的CP-E 24/5型开关电源，输入电压100-240 V交流，额定输出直流24 V/5 A（所选用的这款电源模块可同时向 PLC和触摸屏供电）。

1.1.4 UPS设计选型

按照设计要求，集控装置必须备有UPS，以保证电网掉电后能正常运行10 min以上，故可选爱默生单相小功率UPS US11T-0010L，额定功率1 kVA/800 W，具备失电0转换时间性能。

1.2 触控屏设计

触控屏兼具显示和控制两种功能，为了获得较好的显示效果，采用步科公司（Kinco）的 15寸触控屏MT5720T。该触控屏配置32bit 512 MHz RISC CPU，具有16M Flash+32M SDRAM的存储器，配备 2个 USB接口、1个 SD卡槽、1个10M/100M自适应以太网接口和2个串口通信接口，可通过步科公司自主开发的组态软件 Kinco HMIware进行组态开发，操作简便，能够满足集控台的设计要求。

2 软件设计

2.1 PLC软件设计

PLC程序开发基于ABB公司的PS501软件。PS501是用于对ABB公司AC500系列PLC产品进行配置和编程的标准软件，由管理子软件Control Builder Plus（CBP）和编程子软件CoDeSys组成。

CBP负责工程和设备的管理，为 PLC提供CPU、I/O模块、所有接口和现场总线的配置方案；CoDeSys负责程序的编写、下载和调试，能够为编程者提供标准化编程语言、全面的功能块库和用户自定义库、离线仿真功能、程序测试调试查错功能、可视化界面与配方管理监视列表。

按照设计要求，励磁集控系统主要有三种工作状态。

1）正常状态

PLC接收来自触控屏的系统参数和控制参数设定、控制指令（如电机起停、数据采集、紧急灭磁等）下达和工作方式（如单机内环运行、单机外环运行或双机并联运行等）选取数据，并将接收数据打包发送给下位机；同时，PLC从励磁控制器、中压配电板、机组监控单元获取采样数据，并送至触控屏实时显示。

2）故障状态

当检测到故障信号时，触控屏显示故障报警，并提供紧急灭磁信号，控制励磁系统紧急停机。

3）调试状态

励磁系统工作前，通过触控屏发送测试数据，下位机返回预约数据，以测试通信完好性；此外，可通过触控屏选择“故障模式”运行。PLC程序流程见图4。

2.2 触控屏组态设计

触摸屏组态开发基于 Kinco公司的 Kinco HMIware软件。Kinco HMIware是步科公司为其MT4000/5000系列触控屏开发的专用 HMI组态编辑软件，为用户提供了强大的集成开发环境，广泛应用于医疗、化工、电力、印刷、纺织、食品、国防、工程机械、智能家居、高速铁路等领域。该组态软件能够实现开关指示、数值/文本输入与显示、数据传输与存储、仪表图表显示、报警与事件记录、条件控制与显示、窗口切换、密码保护、外部输入输出等功能，同时支持基于宏指令的二次模块开发。