基于以太网的水电站卷扬式启闭机控制系统的设计

2019-07-10胡美玲赵雪瑞赵耀丽

综合智慧能源 2019年6期

胡美玲，赵雪瑞，赵耀丽

(1.华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450046； 2.河南省工业规划设计院，郑州 450000)

0 引言

随着自动化技术和计算机控制技术的发展，卷扬式启闭机的控制系统得到了极大的改善，可编程逻辑控制器(PLC)控制技术和总线通信技术已经逐步应用到卷扬式启闭机的控制系统中来。本文介绍一种水电站卷扬式启闭机的控制方案，该方案采用基于以太网通信的“上位机+下位机”控制方式，通过PROFINET总线及时、准确采集现场数据并向现地设备传送控制命令，实现水电站卷扬式启闭机在中控、集控和现地的分层级控制。这种控制模式可实现远程少人操作，操作功能完备，设备故障率低，人机交互性好，将逐步成为水电站卷扬式启闭机控制系统设计的主流。

1 系统设计原则

1.1 安全可靠性

通过采用成熟技术和高质量的输入输出元器件，合理配置PLC硬件和软件资源，并充分利用PLC内部软元件设计、PLC控制系统故障检测与诊断程序，对关键元器件实行软、硬双重保护，确保控制系统安全、可靠地运行。

1.2 兼容性与可扩展性

本系统采用的工业控制器为SIMATIC S7-1200(以下简称S7-1200)和SIMATIC S7-1500 PLC(以下简称S7-1500)， 2个系统的通信环境、硬件环境、软件环境相互兼容。随着应用需求的发展，系统能灵活扩充，且在保证技术专业化程度的同时，对各种应用系统有较好的通用性能，可以适应日益提高的安全生产要求。

图1 水电站卷扬式启闭机控制系统Fig.1 Winch hoist control systems for hydropower stations

1.3 易维护性

本设计方案操作、维护简单，系统采用模块化设计及安装，并采用全中文的控制界面，图形界面友好，满足操作者正常操作和远程监控设备运行要求。

2 控制系统总体方案

本设计方案依托项目水电站大坝共13孔闸门，由13台固定卷扬式启闭机控制闸门开度调节流量。该控制系统采用基于以太网的闸门控制系统，分3级控制，由13个独立的现地控制子站系统、集控室集中控制主站和中控室上位机远程控制系统组成[1]。控制系统如图1所示。

2.1 PLC控制系统

本系统主站PLC选用S7-1500，子站PLC选用 S7-1200，主站S7-1500与13个子站S7-1200之间采用PROFINET 以太网通信。由于现地控制系统与集控系统距离较远，故每套现地控制系统配备一个光纤收发器，主从站之间通过光缆传输信号。

S7-1500做控制主站，具有以下卓越的控制性能[2]。(1)处理速度：S7-1500 的信号处理速度更为快速，可极大地缩短系统响应时间，进而提高生产效率。(2)高速背板总线：新型背板总线技术采用高波特率和高效传输协议，以实现信号的快速处理。(3)通信：S7-1500带有3个PROFINET接口，通过 PROFINET IRT，可定义响应时间并确保高度精准的设备性能。(4)集成 Web Server：无需亲临现场即可通过Internet浏览器随时查看CPU状态。

S7-1200做控制从站，支持通过RS232，RS485实现点对点通信，支持ASCП，USS，Modbus，TCP/IP通信协议，可以与S7-200，S7-300，S7-1500等系列PLC通信。同时，S7-1200还可支持最多8个扩展信号模块和3个通信模块，使系统各部分既可有机地融合，又有相对的独立性，系统的结构、容量、通信和处理能力等方面都为日后系统的升级扩展和设备更新留有余地。

2.2 通信方式介绍

工业以太网一般使用IEEE 802.3中定义的以太网标准，针对自动化系统的网络节点辅助采用了服务质量(QOS)机制[3]。该控制系统方案中主站S7-1500和子站S7-1200之间，主站S7-1500与上位机之间均采用工业以太网进行通信。

PROFINET作为工业以太网之一，采用了3种不同的协议栈来实现。这样既满足了普通以太网的需求，又满足了工业系统对不同应用的实时性要求。PROFINET使用以太网和TCP/IP协议作为通信基础[4]，以微软OLE，COM，DCOM为技术核心，最大限度地实现开放性和可扩展性，并向下兼容传统工控系统，使分散的智能设备组成的自动化系统向着模块化的方向跨进了一大步。PROFINET网络可以采用星形结构、树形结构、总线型结构和环形结构，本方案网络结构采用树形结构，如图1所示。

2.3 现地控制子站

现场控制子系统共13个子站，用于完成13个闸门的本地控制，控制柜布置在现地启闭机室内。

卷扬式启闭机现场控制子系统分别由带PROFINET接口的S7-1200 PLC、闸门开度传感器、闸门开度主令开关、称重传感器、机械载荷限制器等组成,其提升电机为三相交流变频电动机，通过ACS880系列变频器进行启动和调速控制。上升和下降速度分别设有1挡、2挡和3挡。现场控制子系统通过本地操作或接收远方动作指令完成闸门的上升、下降和停止,并设置零位保护、超载保护、闸门全开、闸门全关和电动机过流保护等保护功能。

S7-1200 PLC作为现地控制系统的核心，完成设备运行状态和参数的采集、计算，控制各个执行机构的动作。中央处理器(CPU)选用6ES7214-1HG40-0XB0，另外选配有数字量输入模块6ES7221-1BH32-0XB0、数字量输出模块6ES7222-1HF32-0XB0、模拟量输入模块6ES7231-4HD32-0XB0和模拟量输出模块6ES7232-4HD32-0XB0。

2.4 集中主站控制

集中主站控制系统采用S7-1500系列PLC，负责处理各个现地子站上传的数据和参数，并将数据上传至中控室的上位机，方便中控室进行远程监控。集中控制主站系统配备工业级光纤交换机，与子站S7-1200和中控室上位机进行连接，实现工业以太网的通信。CPU选用6ES7511-1AK00-0AB0，另外选配有数字量输入模块6ES7521-1BH10-0AA0、数字量输出模块6ES7522-1BH10-0AA0和模拟量输入模块6ES7531-7QD00-0AB0。

集中主站控制系统配备工业触摸一体机，显示每个闸门的运行状态，包括合闸状态、分闸状态、闸门全开状态、闸门全关状态、载荷和开度的显示等；同时具备远程控制闸门动作的功能，包括系统的合闸、分闸，闸门的上升、下降等控制功能。

2.5 中控室上位机远程控制

中控室设置有上位机1台，用于显示现地设备的运行状态和过程参数，进行各运行方式的选择和切换，进行远程自动远程操作，同时还具有模拟量参数显示、棒图显示、声光报警、打印报表等功能。

上位机配置参数如下：CPU，P4 2.4 GHz；硬盘，500 GB、固态硬盘；内存，DDR 2 GB；显卡，AGP；网卡，10/100 Mbit/s自适应网卡；显示器，24英寸(60.96 cm)液晶彩色显示器，分辨率为1 600×1 024，刷新率为85 Hz，X射线满足国际安全标准。

3 控制模式

该水电站卷扬式启闭机的控制方案有3种控制模式,分别是现地控制、集中控制和远程控制。这3种控制模式具有互锁及连锁控制功能，实现水电站13孔闸门的现地手动控制及远程自动控制功能。在每台启闭机的现地控制柜上可以对相应闸门进行控制，并显示该闸门的载荷、开度和故障等状态。在集中控制室主站控制柜，可以对13孔闸门中任何一个闸门进行手动或远程自动控制，并在控制柜触摸屏上对13孔闸门的运行状态进行显示。在水电站中控室上位机可以对13孔闸门中任何一个闸门进行手动或远程自动控制，并对13孔闸门的运行状态、过程参数及报警状态进行显示，同时还具有故障查询、打印报表等功能。

在集中控制和远程控制方式时，可以实现闸门的自动控制。根据现场采集参数，如闸门载荷值、闸门开度值、闸门前后水位和水流速度等模拟量，该系统自动运算并判断闸门是否下滑，是否需要开启闸门降低水位，并根据设定水位要求自动控制闸门提升或者下降。而且在自动控制方式下，允许同时操作的闸门数量可以设置，当超过设置数量时闸门操作无效，闸门不能动作。该方案控制流程框图如图2—5所示。