基于S7-300的冲击发电机组控制系统研制

陈国平，郭文科

(1.新疆科学技术学院 阿克苏筹建办公室，新疆 阿克苏 843100;2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050)

0 引言

随着社会经济的快速发展，尤其是电力工业迅速发展，电网变换装置如断路器、开关等，也向大容量化、高电压化、大电流化发展［1］。断路器类产品的研制开发，必须通过短路试验来定型，就需要大型冲击发电机来提供这种突然短路的短路电流［2］。

按照国际电工委员会IEC标准，冲击发电机专门用于短路试验，也称为短路试验发电机。冲击发电机的运行工况既特殊、又严酷，它专门用在突然短路工况下运行，短路时间很短，一般是几百毫秒内输出冲击电流，致使发电机本身绕组也要承受巨大的电动力。同时冲击发电机是周期性地以对称和不对称短路运行并输出尽可能大的短路电流，且在工作循环所规定的合闸时间内保持电流的衰减为最小［3］。

甘肃电器科学研究院二期工程大容量试验室的主试验电源为3 200 MVA冲击发电机，由2 500 kW绕线式感应电机拖动。主要进行高压交流断路器、负荷开关、电力变压器、各种高压开关柜等产品的短路试验。该机组启停、调速、励磁、保护等逻辑复杂，研制一套适用于该机组的控制软件很有必要。采用工控机和多PLC以太网通讯的控制方式构成机组监控系统，克服了监控点多、分散、距离长等诸多难题，而且使整个项目的自动化程度得到很大的提高，操作更加方便、合理。

1 冲击发电机组系统组成

1.1 系统组成

冲击发电机组需要控制的系统主要有润滑油系统、水系统、励磁系统、调速系统等。润滑油系统向冲击发电机和拖动电机各轴承提供润滑油以及为顶轴装置提供充足的油源。由主油泵、事故油泵、冷油器、油加热器、排烟装置、顶轴装置、上油箱、下油箱和监控仪表等组成，是冲击发电机组最重要的组成部分之一，它的正常运行是保证发电机正常运行的关键之一。其系统组成如图1所示。

图1 冲击发电机组油系统图

冷却水系统的作用是通过冷却塔冷却温度过高的润滑油，冷却发电机定子铁心，主要由凉水塔、循环水泵、油冷却器、电机冷却器、下水箱和监控仪表等组成。调速系统由50 Hz电动机高压柜、逆变变压器高压柜、整流柜、控制柜、电抗器柜、逆变变压器、滑环短接箱组成。调速采用串级调速原理，改变感应电动机转子串附加电势的大小实现调速，同时通过逆变变压器向电网反馈有功功率，达到调速节能的目的。

励磁系统由励磁电源及其附属设备组成。可分为由励磁功率和励磁调节器两部分。励磁功率是向冲击发电机转子提供励磁电流，励磁调节器是根据控制信号和参数设置以控制励磁功率单元的输出。励磁系统包括励磁变压器及整流器等、自动电压调节器、手动控制单元、灭磁、保护、监视装置和仪表等。

1.2 系统控制对象

在机组启动过程中，对油系统、水系统、调速系统控制和监测;启动完成后，还对励磁系统的控制和监测。主要控制对象是各系统的状态返回信息，如油泵、水泵等的工作状态，一般用开关量返回。除了开关量信息外，还需监控各系统的模拟量信息，如发电机定子铁心和绕组温度、润滑油温度、流量、压力等。

按照分散控制的原则，可把系统控制对象分为6个，即发电机控制室、开关室、发电机大厅、远程控制、励磁调速室、中央控制室。共有输入开关量有192点，输出开关量288点，模拟量58点。

2 硬件设计

2.1 系统设计

为使整个控制系统安全可靠运行，设计遵循分布式控制系统思想，即分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便，系统由现场控制、数据通讯系统、人机接口单元、机柜、电源等部分组成。PLC选用S7-315-2PN/DP，该PLC采用模块化结构设计，含有多种模块，可进行单独组合，使用灵活且易于维护，具有不同的通讯接口。系统通讯采用高速以太网，以SCALANCE X104-2作为PLC之间、PLC和工控机之间、PLC和人机单元之间的通讯中介。该方案是一种经济有效的方案，可以同时连接编程器/PC、人机界面系统和其它的 SIMATIC S7/C7自动化系统［4-5］。

当现场设备控制方式改变时，可方便地修改控制方式和扩充控制设备的I/O点。实现机组的自动控制与操作，减轻运行人员劳动强度，提高操作安全性，增强系统稳定性。

同时该系统的体系结构具备很大的开放性特点，可以提供多层开放数据接口。硬件系统在恶劣的试验环境下具有高度的可靠性、维修方便、工艺先进，非常适宜在电磁环境复杂的高压开断试验室工作。控制系统在功能和物理上真正分散，系统内任一组件发生故障，均不会影响整个系统的工作。系统的参数、报警、自诊断及其他管理功能均在上位机实现。

2.2 硬件组态

系统采用西门子S7-315-2PN/DP系列PLC，由电源单元(PS)、中央处理单元(CPU)、接口模块(IM)、信号模块(SM)等组成。每台PLC根据现场控制和监控设备的具体需要，控制、监测对象和目的而配置不同的输入输出模块进行组态［6］。

3 软件设计

3.1 输入输出点配置

统控制对象分为6个，即发电机控制室、开关室、发电机大厅、远程控制、励磁调速室、中央控制室，都是按照集散控制的原则进行就地分散控制，按照控制对象的要求配置控制设备。如发电机大厅远程控制箱主要控制盘车、顶轴泵、电动机电加热器等的启停，监视它们的状态返回信号，按照表1分配开关量设备和地址。同时对发电机的绕组温度、铁芯温度、油温、水温、油压、水压、轴瓦温度、轴振等模拟量信号进行监测，分配模拟量输入设备和输入地址。

表1 发电机大厅远程控制箱开关量输入输出点分配

3.2 主程序

系统主程序功是机组正常运行和安全保护控制，对发电机、拖动电机、油系统、水系统、励磁调速系统进行协调控制，以保证在满足一定的条件下，能够按照预先设定的逻辑顺序依次执行。比如主程序初始化后，首先判断机组是否符合启动条件，上次停机属于正常停机还是非正常停机，故障是否排除，只有满足启动条件才能进入下一个执行功能模块。主程序逻辑框图如图2所示。

Step7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，其具备强大的编辑处理功能，并提供方便的组态复杂控制系统的能力，易于组态，易于使用。可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作。

3.3 事件处理子程序

事件处理子程序主要处理冲击发电机组系统故障报警，在机组运行过程中，需要对整个系统的故障以及状态进行监控和检测，如润滑油泵、水泵、顶轴泵的正常运行，油温、水温连续监测，润滑油、冷却水的压力、流量监测，机组的振动监测，发电机定子绕组、铁芯温度监测，轴瓦温度监测等等。只要监测到异常情况，就必须根据相应的操作规程进行处理，以免故障扩大，造成不可挽回的损失。

3.4 人机界面

人机界面又称用户界面或使用者界面，是人与控制系统交换信息的媒介和对话接口，是控制系统的重要组成部分，是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介(见图2)。

本系统采用组态王作为上位机人机交互软件，它提供了丰富的、简捷易用的配置界面，提供了大量的图形元素和图库精灵，同时也为用户创建图库精灵提供了简单易用的接口。以组态王为上位机软件开发冲击发电机组系统控制软件是中文界面，具有人机界面友好、结果可视化的优点，能够动态显示主系统图，并且做出形象的立体图，真实反映油、水、励磁系统的现场情况，能实时反映发电机及电动机各点的温度，断路器的位置，各种保护投入、退出的情况，并且对历史数据自动进行存储。

现场采用西门子MP 277触摸屏作为人机界面，具有多种通讯协议以及相应的通讯接口，且可以和多个设备进行通讯，使用方便［7］，可以直观显示发电机绕组、铁芯的温度，润滑油流量、压力、温度，冷却水流量流量、压力、温度，系统报警信息等重要的状态参数，使现场巡查人员及时了解机组运行状态。软件界面如图3所示。

图2 系统主程序逻辑框图

3.5 软件安全设计

容错设计:为了防止因用户的误操作而引起系统的误动作，除去急停功能外，必须对系统进行解锁才能对软件操作，非法的键盘输入和鼠标操作都不会被执行，以保证系统的安全运行。

软件权限设计:本系统用户权限有两种，试验操作人员是最低层用户，可以进行控制机组的启停、查询机组的状态等操作，高级用户需要密码才能进入，不仅具有最低层用户的所有权限，还能对软件进行修改，只供软件设计人员使用。

图3 现场人机界面设备MP277在线监测界面

4 结束语

对冲击发电机组的系统组成进行了分析，构建了以S7-315-2PN/DP为控制核心的冲击发电机组系统组成和系统控制对象，然后对硬件设计和组态，设计了基于组态王的PLC控制主程序和基于组态王的人机界面。经过一年半的运行实践证明，该控制方式克服了监控点多、分散、距离长等诸多难点，是一种方便灵活、可靠、自动化程度高的控制方式。

［1］曹洁，陈国平，秦睿.用改进GM(1，m)多变量模型预测变压器故障［J］.电气自动化，2012，34(4):62-64.

［2］郝明剑.大容量冲击发电机的开发成果［J］.上海大中型电机，2009，52(1):1-3.

［3］汪海波，万德春，洪深.大容量冲击发电机短路电流衰减特性研究［J］.江苏机电工程，2013，32(5):26-29.

［4］西门子(中国)有限公.深入浅出西门子S7-300 PLC［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2004.

［5］潘斌，胡醇.试论PLC在电工电器试验控制系统中的应用［J］.中国机电工业，2012，25(3):120-121.

［6］廖常初.S7-300/400PLC应用技术［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［7］廖常初.西门子人机界面(触摸屏)组态与应用技术［M］.2版.北京:机械工业出版社，2008.