西门子6ES7223-1BL22-0XA8功能介绍
随着水电厂计算机监控技术的快速发展，以PLC 为基础的LCU 成为了一种主流模式，在水电厂得到了广泛的应用。本文以东北太平湾长甸电站二号机为例，介绍水电机组控制程序编制，根据指令程序自动完成工况装换，程序设计模块化、智能化，同时建立MB+通讯局域网络，与各个调节单元和测量装置有效地融为一体。
关键词 ：水电机组;计算机监控系统;PLC;程序设计
水电厂现场环境较差，有较大的电磁干扰、潮湿、振动，而PLC 是专门为工业环境设计，可靠性高，一些大型的高端PLC 具备直接上网功能、中断功能，为以PLC 为基础的LCU 在水电厂应用提供了基础，成为一种主流模式。LCU 结构配置基本类似，但是在PLC 程序编制方面，由于设备不同型号、不同电厂、不同的编程人员，PLC 程序也不尽相同。本文以东北太平湾发电厂长甸电站二号机为例，介绍用Schneider 公司QUANTUM 可编程控制器(PLC)编制机组控制程序。
1 PLC程序功能
在以PLC 为基础的LCU 设计中，PLC 主要有三方面的功能，PLC 程序编制也主要围绕这些功能进行。首先是完成机组控制功能，包括开停机流程，事故停机流程，AGC 的有功、无功闭环调节功能;其次是建立通信功能，包括与上位机通讯，传输机组实施数据，建立MB+局域网络与励磁、电调、测温、保护、百超表装置通讯，充分利用通讯功能，尽可能多的上传机组数据;第三是解决人机界面，用触摸屏配合显示机组开停机流程、故障和事故光子牌、电气接线图(包括相应电气量)、温度量、模拟量，用指示灯显示机组状态和开关位置，同时设置故障复归按钮和事故停机按钮。
2 设计原则
(1)明确程序设计思路，理清控制对象，主次分明，以安全可靠为，做到技术先进，维护方便，简洁、干净，闭锁条件明了，环环相扣。
(2)在开停机程序中设置醒目标识，如：机组状态、开停机条件、发电条件，方便维护人员编程和识读，使控制程序井然有序。
(3)软件功能模块化，能清晰表明LCU 各个部分的功能，如开停机模块、报警模块、SOE(中断量)模块、MB+网通讯模块。
3 控制程序编制
针对机组的不同工况，标识4种状态：停机态，空转态，空载态，发电态，其余为不定态，机组状态识别要求有效、准确，机组的开机、停机、并网、解列操作就是为了完成4种工况的转换(工况转换如图1)，操作可以分为上位机操作和机旁手动操作。
运行人员可按照预先设定的流程进行全自动开、停机操作，或者单步操作，如停机到空载，空载到发电等。在程序执行中到达某一步时，在流程退出前，运行人员也可以通过现场手动操作来干预相应步骤。不论在非停机态的何种工况优先执行事故停机流程，中断其他程序，保证机组安全。
在程序编制中，为了编程方便，设置开机条件，空载至发电条件，空载至停机条件，开机条件以不影响机组开机和开机后动作为原则，闭锁条件来自于机组方面;空载至发电条件以相关开关刀闸位置为闭锁条件，同时判断机组在空载态;空载至停机条件需要判断机组在运行，但是出口开关和高压侧开关已经有一侧解列。
在程序中还设置了一些中间量，如空载至发电控制完成，空载至发电控制流程退出，空载至发电控制完成，低压开关同期失败，高压开关同期失败等。用来迫使相应流程中断，复归开机、停机、并网等相应的操作指令，同时向上位机上报信息。
以开机到空载程序为例(如图2)，介绍程序编制过程，为了顺利开机，保证开机过程和开机后设备可靠动作，在程序中设置了开机条件，动作步骤分为六大步。每一步操作均进行自检，当某一步操作失败，则上报信息，超时流程退出，不论停机到空载流程完成或者退出，中断开机程序，复归开机令。
4 MB+局域网
在局域网通讯中采用MB+网，该网络的一个显著特点是允许网上的任意节点可随时自由地进网或退网，在一个节点退网时，网络协议会自动地将其绕过。
该程序在功能块图表FBD 中进行相应程序编制，每一个功能模块代表一个网设通讯操作，编程和调试非常直观，如：Bitronics 电力智能仪表实时循环显示机组和线路的电流、电压、有功、无功等，并将数据通过MB+网送入PLC 模块，在FBD 图表中用MBP_MSTR 功能块表示，温度巡检、励磁、电调由于采用RS485 或RS232 通讯，不能直接接入MB+网，通过BM85 网桥将实时数据送入MB+网，通过read_REG 功能块使能开关，每隔0.5 s 轮流访问BM85 网桥相应连接的串行口自动化设备一次，由Modbusp_ADDR功能块进行读取相应数据。
FBD中机组百抄表和220 kV百抄表功能块图4充分利用局域网络的功能，实行调速器功率调节，减小电厂AGC 功率调节死区。上位机给相应操作数，调速器进入功率调节模式，由PLC 将在百超表读取机组有功功率赋值给调速器，上位机通过PLC向电调进行功率设定。了解更多PLC技术、资讯、分析报告文章，请点击查看http://plc.jlck.cn/ 2011年PLC企业“爆”团，新鲜技术全接触。
0 引言
煤矿井下低压电网遍布井下采、掘、装、运各个生产环节,低压漏电故障约占低压电网各种电气故障总概率的70～80 % ,是导致人身触电伤亡、引发瓦斯、煤尘爆炸,或发展为短路事故、电火灾事故的主要原因,所以漏电保护意识是井下“三大保护”之一。为了保证供电的可靠性和连续性,要求采用有选择性的漏电保护系统。选择性漏电保护装置动作具有选择性,对于辐射式电网的多条配出线,只切除有漏电故障线路的电源,从而缩小了停电范围。
然而,由于低压选漏技术难度太大,直到现在国内各种防爆开关中所使用的选漏保护器或综合保护中选漏单元的实用效果仍不理想,选漏保护的误选、错选、落选情况严重,经常形成无选择性跳总开关,不仅造成大面积停电停产,而且由于总检漏延时300 ms 左右使总开关断电,且现有选漏系统因采用零序功率方向原理而普遍删除零序电抗器补偿电容电流功能,从而进一步加大了人身触电伤亡和引燃瓦斯爆炸的危险性。因此,研制可靠型的选择性漏电保护装置是十分必要的。
由零序电流方向构成的选择性漏电保护,其所需的零序电流和零序电压数值较小,动作仅取决于它们的方向,保护灵敏度高,选择性好。因此,笔者基于零序电流方向构成的选择性漏电保护原理,采用PLC 技术设计了一种矿用智能低压馈电开关选择性漏电保护系统,为井下低压电网的漏电保护提供了一种新的解决方案。
1 系统选择性漏电保护原理
矿用低压馈电开关选择性漏电保护系统的漏电保护原理主要是结合了附加直流电源检测原理和零序电流方向性保护原理,不仅利用零序电压和零序电流的幅值大小判断供电系统内部是否发生漏电和哪条支路发生漏电,同时还利用各支路零序电压和零序电流的相位关系来判断漏电支路。这样做既达到了很好的选择性目的,又能利用三重判断防止误动作。系统首先判断零序电压是否超出动作整定值,若超出,则要判断每条支路的零序电流是否超出该支路动作整定值,若还超出,则再判断零序电流和零序电压的相位差是否在动作整定的相位差范围之内,如果相位差在设定的范围之内,则可判断该支路必定发生漏电故障,进而发生漏电保护动作。在相位差的计算中增加对零序电流及电压信号的过零点趋势判断方法,进一步降低了谐波及其它干扰引起的误动作。
2 系统硬件设计
目前国内馈电开关综合保护系统一般是由分立元器件或单片机组成控制核心,结构复杂,安装调试困难;抗干扰能力差,故障率高,经常出现误动和拒动现象,漏电动作时间常常满足不了30 ms 的要求,尤其在供电距离短、电压高或供电距离长、电压低的情况下,在1 kΩ 漏电时动作时间更长。另外,由于元器件的限制,开关缺少良好的人机界面,给故障判断和排除带来不便。国外同类产品普遍采用PLC作为控制核心,工艺水平较国内高。但是一旦出现故障,则维修较困难,影响生产。另外,国外产品价格极高,是国内同类产品的十倍以上。
针对上述情况,笔者采用和利时PLC 中的馈电开关专用控制器LM3108 K 和人机界面(文本显示器及设置键盘) 构成低压馈电开关选择性漏电保护系统,来完成矿井低压电网的二级选择性漏电、对称短路、不对称短路、断相、过载和过电压等保护功能。该系统由基于附加直流检测的总漏电保护和基于零序电流方向判断的分支漏电保护组成,既可完成井下低压电网单相漏电时横向选择性和纵向选择性功能,又能保证电网对称漏电时保护动作电阻值的稳定性,使馈电开关既可靠又安全。
系统硬件组成框图如图1 所示。LM3108 K 首先接收来自现场(经过现场侧一级变换) 的三相交流信号、零序信号,经IO 板上的通道处理模块放大处理后进入DSP 进行信号采集,采集的信号经板间连接器进入CPU 板,之后送上位机显示;上位机的相关配置参数首先下发到CPU 板,再由CPU 板下发到IO 板;电源板输入为24 V DC 信号,经过防护处理之后转换为+ 5 V 送入馈电模块使用,馈电模块中用到的其它内部电压也都由+ 5 V 转换后得到。IO 板和CPU 板分别以TI 公司生产的DSP 芯片TMS320L F2407A 和Infineon 公司生产的C164单片机为核心,二者之间数据通信由SPI 口完成。
信号采集原理如图2 所示, TA0 为零序电流互感器、TA1 - 3 为400 A/ 1 V 的电流互感器、T2 为馈电三相电抗器、T3 为1 140 V、660 V/ 10 V 的零序变压器。
系统采集的三相电流、零序电流、三相线电压、零序电压、系统电压、绝缘电阻等信号不需要转换成直流标准信号,而是直接进入PLC 中的模数转换芯片,后PLC 根据采集到的信号来控制断路器的合分闸;漏电和短路保护动作采用硬件中断方式,大大缩短了信号采集和故障发生时执行保护动作的时间,保证分开关保护的动作时间小于30 ms ,总开关保护动作时间小于200 ms ;增加了PLC 根据电网分布电容的大小和电网电压的高低来自动整定选择性漏电保护特性和动作参数的功能,提高了保护系统的智能性。此外,该系统还建立了良好的人机界面,文本显示器在开关合闸前循环显示电网的绝缘状态、动作整定值和开关的工作状态。开关合闸后,正常工作时循环显示电网的工作参数和对地的绝缘水平,故障跳闸后循环显示故障参数和故障状态,从而大大提高了判断故障和排除故障的效率。
3 系统软件设计
系统软件设计主要包括PLC 控制程序设计和文本显示器监控界面设计2 个部分。其中PLC 控制程序在和利时专用的PowerPro V4 编程软件环境下完成,主要包括硬件配置及参数设置、通信定义和用户程序的编写等。PLC 控制程序主要由主程序、信号采集程序、信号滤波程序、信号比较程序、保护输出程序等子程序构成,其中漏电判断程序流程如图3 所示。
文本显示器监控界面利用通用工控组态软件eview 开发,主要设计了参数输入界面、开关参数显示界面、报警显示界面等,可实现控制系统的工况显示、参数设定、保护方式选择、报警显示等功能。
4 系统在井下供电设备中的应用
该智能低压馈电开关选择性漏电保护系统已成功应用于煤矿现场,其开关配置如图4 所示,包括1 台总馈电开关、6 台分支馈电开关,电网额定电压为1 140 V 。
总开关漏电保护闭锁值为42. 8 kΩ ,动作值为43 kΩ ,经实际测试,保护时间在200 ms 左右。分开关漏电保护闭锁值为42. 7 kΩ ,动作值为44 kΩ ,经实际测试,保护时间在30 ms 左右。
5 结语
本文提出的基于PLC 的矿用智能低压馈电开关选择性漏电保护系统不仅有稳定的动作值,而且还能实现电网横向选择性漏电保护和纵向漏电保护。在采用了一系列抗干扰措施后,系统工作的可靠性更为提高。该系统以PLC 为中央处理单元,不仅增强了保护的灵活性和快速性,而且建立了良好的人机互动界面,提高了判断故障和排除故障的效率。现场运行结果表明,该系统能够可靠、快速地实现选择性漏电保护,提高了煤矿井下供电的安全性、可靠性和连续性,具有广阔的推广应用前景。
在钢铁厂的薄钢板生产中，不论是轧制过程还是终成品阶段，对薄钢板的尺寸精度和外形轮廓都有较高的要求. 为了达到佳的轧制效果和收得率，检测薄钢板的垂直度和切割精度就变得尤为重要. 薄钢板通过横切机剪切完成后，相邻的边通常不会完全垂直，但是人眼无法识别这其中微小的差异，而要验证切割后的薄钢板是否合格，就需要一种精密的测量设备对切割精度进行效验.
为此，本文设计和开发了一套用于薄钢板切割精度效验的测量装置. 出于对整个系统可靠性的考虑，选用了西门子公司的S7-300 PLC(315-2DP)，该控制器具有体积小、速度快、网络通信能力强，以及可靠性高等优点.
1 切割精度的定义及数学描述
钢铁行业中所规定的板长偏差和对角线偏差从本质上说就是对横切机切割的加工精度，即切割精度提出的要求. 切割精度中的板长偏差是指切割完成后薄钢板的实际测量长度L′与薄钢板的设定长度L 之间的差值. 它反映了薄钢板的实际板长偏离设定要求的程度. 若以ΔL 来表示板长偏差，即
切割精度中的对角线偏差是指薄钢板对角线的实际测量长度D′1或D′2与薄钢板的理论对角线长度D 之间的差值. 它反映了薄钢板接近矩形的程度. 薄钢板理论对角线长度D 指的是以薄钢板的设定长度L 和薄钢板的带净宽H 分别为长和宽的矩形对角线的长度. 若以ΔD 来表示对角线偏差，则
式中，
工程上通常采用D′1与D′2的差值来表示对角线偏差，即
2 计算模型设计
根据切割精度的定义及数学描述，设计实现的薄钢板切割精度测量的计算模型如图1 所示.
图1 中，虚线标识的是标准板，通过运行测量装置的标准板校验功能可以获得一组标准板的探规读数xi，这一组参数与6 个探规之间的距离yi一起作为系统的初始化结构参数. 图1 中实线标识的是待测薄钢板，通过运行测量装置的测量功能可以获得一组待测板的探规读数xi ′，则待测板和标准板差值的值为
式中，i = 1，2，3，4，5，6.固定在测量平台右侧面的3 个探规所测量得到的待测板和标准板差值的值dxi总是满足dx1 < dx2 < dx3，而测量平台上部可移动的3 个探规所测量得到的dxi存在两种情况. 因此，计算模型可分为两种情况:计算模型1 的条件是dx4
图1 为计算模型1 的情况，待测板和标准板差值的值dxi可通过式(4) 计算得到，∠b 和∠c 可通过式(5)和式(6)计算得到.
根据三角形的余弦定理和勾股定理可计算得到AE 和GE，即
AE 即作为待测板的实际板高.
由勾股定理可得对角线AG 和PF，即
因此，待测板的对角线偏差为AG - PF，高度为AE，斜切率为tan b.当dx6 < dx5 < dx4时，计算模型2 的计算与上述计算模型1 的计算类同.
3 测量装置的硬件设计
3. 1 系统总体设计
根据薄钢板切割精度的测量要求( 高度偏小于1 mm，对角线偏差的值小于1 mm)，选用了西门子的S7-300，变频器CU310DP，伺服电机SIMATIC S120，触摸屏TP270，GIVI 光栅尺，Sony 多轴探规接口模块MG20-DT 和6 个探规DT12P 等组成了测量装置. 薄钢板切割精度效验装置的系统总体结构如图2 所示.
本系统上位机选用触摸屏TP270 对系统进行控制和监测，将下位机S7-300 PLC 作为主控制器. 在整个测量过程中，PLC 根据编制的程序来控制电机的速度和移动方向，按照Profubus 通信协议，将速度命令信号发送给变频器CU310DP. 变频器获得命令信号后执行动作并反馈运行状态和故障报警信号给PLC. 测量装置通过西门子的高速计数器模块FM350-1 和光栅尺的配合来完成电机的定位功能，从而实现对移动的3 个探规进行准确定位. 探规DT12P 通过气阀伸缩完成对位移量的测量，所测位移数据上传给多轴探规接口模块MG20-DT，PLC 通过串口与MG20-DT 通信获得探规DT12P 所测量的6 个位移数据，然后通过计算模型可得到待测薄钢板的实际高度、对角线差和斜切率，并判断待测薄钢板的切割精度是否在允许误差范围之内，并将测量结果显示在触摸屏上. 触摸屏TP270 同样通过Profibus 总线和PLC 进行实时通信，并可对整个系统进行监控，操作人员也可通过触摸屏直接进行操作.
3. 2 PLC 选型以及输入输出点分配
校验装置选用了西门子S7-300 PLC，整个系统中所需要的I /O 点数主要有:输入信号有1 个光栅尺计数清零限位开关，1 个上部保护限位开关，一个下部保护限位开关，1 个紧急停车和1 个脚踩测量信号共5 个输入点;输出信号有6 个气阀的启动信号，用于驱动探规.
根据所需要的I /O 点数以及整个系统所要实现的功能，进行了PLC 的选型，所选的模块如下:
(1)CPU 模块S7-300 的CPU 315-2 DP，型号为6ES7 315-2AG10-0AB0;
(2)通信模块CP 340-RS232C，型号为6ES7340-1AH02-0AE0;
(3)输入模块DI16* DC24V，型号为6ES7321-1BH02-0AA0;
(4) 输出模块DO16 * DC24V/0. 5A，型号为6ES7 322-1BH01-0AA0;
(5) 计数模块FM350 COUNTER，型号为6ES7 350-1AH03-0AE0;
(6) 电源模块DC24V/2A 电源，型号为6ES7 307-1BA00-0AA0.
CPU 模块、通讯模块、输入模块、输出模块和计数模块通过背板总线进行连接，电源模块用来提供PLC 工作所需要的24 V 电源.
4 测量装置的功能和软件设计
4. 1 测量装置功能
本校验装置通过对切割后的薄钢板对角线差、斜切率和高度进行测量，来判断产品是否合格. 为了达到这个目的，在设计中必须要实现如下基本功能:
(1)零位校准通过在机械平台上侧装上限位开关，每次上电前，电机控制移动机械臂触碰限位开关后，FM350-1 计数器模块清零，以保证每次开机后测量数据的准确性;
(2)标准板校准测量装置应每隔3 个月进行一次标准板的校验，以避免标准板因使用时间过长而造成系统误差，这项校准设置了用户权限，需要密码进入;
(3)系统复位系统零位校准后恢复至测量状态，每次测量后系统自动复位;
(4)系统调试用于设计人员对测量装置进行现场调试，设置用户权限，需要密码进入;
(5)传感器调试用于检测传感器是否正常运行，设置用户权限;
(6)开始测量把待测钢板放在工作台上，通过触摸屏输入薄板规格以及所需要的测量精度，然后给系统发出指令，PLC 通过伺服电机控制3 个水平探规的位置，并且通过气阀控制6 个探规的伸缩，将数据读出后，通过算法模块计算得到相应的数据，用来判断产品是否合格，并在触摸屏上显示出结果;
(7)脚踩测量开关方便现场操作人员使用;
(8)紧停开关当现场工作人员操作失误或仪器发生异常致使电机不能正常停车时，可直接将电机关闭，并且复位系统所有信号.
4. 2 PLC 程序设计和上位机组态
4. 2. 1 PLC 程序设计
测量装置中的PLC 控制程序流程见图3.
为保证测量精度，测量装置上电之后必须进行零位校准. 而测量装置每隔一个季度或半年应进行一次标准板的校验，这样可以避免因探规使用时间过长造成探规特性改变而引起的系统误差. 在触摸屏控制面板上输入所测薄钢板的规格参数后开始测量，此时，控制面板会显示出所测薄钢板的测量参数，并显示产品是否合格. 测量结束后，系统会自动复位，以准备下一次的测量. 在测量过程中出现异常或操作失误时，可通过紧急停止开关强行关掉系统，并进行系统复位.
测量装置中下位机程序设计使用STEP 7V5. 3 软件平台进行PLC 程序的编写，STEP 7V5. 3可支持梯形图、SIMATIC 指令和功能图的程序编写，且具有指令丰富、结构清晰、编程方便等优点.
4. 2. 2 上位机组态
选用西门子的OP 操作监视站(TP270)，并运用WinCC 软件进行上位机的组态设计. SIMATICWinCC flexible 工程软件集控制技术、数据库技术、人机界面技术、网络技术和图形技术于一身，包含动态显示、报警、控件、趋势及网络通信等组件，提供友好的人机界面，便于用户在不需要编写程序代码的情况下便可生成自己需要的应用软件. TP270 通过Profibus 总线与下位机PLC 进行通讯，主要显示以下3 种界面.
(1)主画面主画面上设有开始测量和系统校验.
(2)测量界面测量界面上需要人工输入操作员的工号，所测薄板的规格和要求的误差精度，输入完成后，点击测量按钮，系统完成测量，显示所测得的参数，并判断产品是否合格. 见图4.
