西门子模块6ES7235-0KD22-0XA8大量库存

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【摘 要】文章从我国水资源概况入手，详细阐述水电站自动化的作用、内容，进一步探讨水电站自动化技术的发展方向，水电站综合监控系统的构成、特点和功能及其在水资源开发利用过程中，水利枢纽工程建设中的应用。
【关键词】可编程序控制器（PLC）；智能I/0 ；综合监控系统；SOE 点；自动发电控制AGC；自动电压控制AVC

我国具有得天独厚的水能资源，理论上全国蕴藏总量量为6.76 亿kW，技术可开发量为3.78 亿kW，年发电量19200亿kW.h，占世界总量的13.22%，居世界首位。据统计，2000年我国水电装机容量为7500 万kW，开发率仅为19.8%。与其它发达国家相比，我国水能资源开发利用水平还很低，水电站自动化程度还很落后。如何逐渐加大开发力度，利用好丰富的水能资源，对于我国的现代化建设和可持续发展战略的实施，具有十分重大的意义。

（一）水电站自动化概述

1.水电站自动化的作用
水电站自动化就是要使水电站生产过程的操作、控制和监视，能够在无人（或少人）直接参与的情况下，按预定的计划或程序自动地进行。水电站自动化程度是水电站现代化水平的重要标志，同时，自动化技术又是水电站安全经济运行必不可少的技术手段。水电站自动化的作用主要表现在以下几个方面：
（1）tigao工作的可靠性：水电站实现自动化后，一方面可通过各种自动装置快速、准确、及时地进行检测、记录和报警，既可防止不正常工作状态发展成事故,又可使发生事故的设备免遭更严重的损坏，从而tigao了供电的可靠性。另一方面，通过各种自动装置来完成水电站的各项操作和控制（如开停机操作和并列），不仅可以大大减少运行人员误操作的可能，从而也减少了发生事故的机会；而且还可大大加快操作或控制的过程，尤其在发生事故的紧急情况下，保证系统的安全运行和对用户的正常供电，具有非常重大的意义。
（2）tigao运行的经济性：水电站实现自动化后，可根据系统分配给电站的负荷和电站的具体条件，合理地进行调度，保持高水头运行，同时合理选择开机台数，使机组在高效率区运行，以获得较好的经济效益。如何实现各电站合理优调度，避免不必要的弃水，充分利用好水力资源，对于梯级电站来说尤为重要。此外，水电站通常是水力资源综合利用的一部分，要兼顾电力系统、航运、灌溉、防洪等多项要求，经济运行条件复杂，单凭人工控制很难实现，实现自动化以后，将有助于电站经济运行任务的实现。特别是对于具有调节能力的水电站，应用电子计算机不但可对水库来水进行预报计算，还可综合水位、liuliang、系统负荷和各机组参数等参量，按经济运行程序进行自动控制，大大tigao运行的经济性。
（3）保证电能质量：我们知道，电压和频率作为衡量电能质量好坏两项基本指标。电压正常偏移不超过额定值的±5%，频率正常偏移不超过额定值的±0.2～0.5 HZ。电压或频率的的稳定主要取决于电力系统中无功功率和有功功率的平衡。因此要维持系统电压和频率在规定范围内，就必须迅速而又准确地调节有关发电机组发出的有功和无功功率。特别是在发生事故的情况下，快速的调节或控制对迅速恢复电能质量具有决定性的意义，而这个过程，单纯靠手动操作，无论在速度方面还是在精度方面都是难于实现的，只能借助于自动装置来完成。可见，tigao水电站的自动化水平，是保证电力系统电能质量的重要措施之一。
（4）tigao劳动生产率、改善劳动条件：水电站大多地处偏僻山区，远离城镇，职工长期生活在较差的环境之中。水电站实现自动化后，很多工作都是由各种自动装置按一定的程序自动完成，用计算机监控系统来代替人工操作及定时巡回检查、记录等繁杂劳动，大大改善运行人员的工作和生活环境，减轻了劳动强度，tigao了运行管理水平。同时还可减少运行人员，实现无人值班（或少人值守），tigao劳动生产率，降低运行费用和电能成本。

2.水电站自动化的内容
水电站自动化的内容，与水电站的规模及其在电力系统中的地位和重要性、水电站的型式和运行方式、电气主接线和主要机电设备的型式和布置方式等有关。总的来说，水电站自动化包括以下几个方面：
（1）完成对水轮发电机组运行方式的自动控制：一方面，实现开停机和并列、发电转调相和调相转发电等的自动化，使得上述各项操作按设定的程序自动完成；另一方面，自动维持水轮发电机组的经济运行，根据系统要求和电站的具体条件自动选择佳运行机组数，在机组间实现负荷的经济分配，根据系统负荷变化自动调节机组的有功和无功功率等。此外，在工作机组发生事故或电力系统频率降低时，可自动起动并投入备用机组；系统频率过高时，则可自动切除部分机组。
（2）完成对水轮发电机组及其辅助设备运行工况的监视：如对发电机定子和转子回路各电量的监视，对发动机定子绕组和铁芯以及各部轴承温度的监视，对机组润滑和冷却系统工作的监视，对机组调速系统工作的监视等。出现不正常工作状态或发生事故时，迅速而自动地采取相应的保护措施，如发出信号或紧急停机。
（3）完成对辅助设备的自动控制：包括对各种油泵、水泵和空压机等的控制，并发生事故时自动地投入备用的辅助设备。
（4）完成对主要电气设备（如变压器、母线及输电线路等）的控制、监视和保护。
（5）完成对水工建筑物运行工况的控制和监视：如闸门工作状态的控制和监视，拦污栅是否堵塞的监视，上下游水位的测量监视，引水压力管的保护（指引水式电站）等。

（二）水电站自动化技术的发展
随着科学技术的高速发展，电子计算机在各个领域得到广泛应用，一种模块化的基于现场总线的水电站计算机监控系统出现，逐步取代了传统的以常规控制、人工操作为主的控制模式，大大tigao水电站的自动化程度，实现水电站“无人值班，少人值守”。
1.系统构成：采用了计算机、可编程序控制器（PLC）或智能I/0、微机继电保护装置和专用智能测控装置，通过标准以太网、现场总线将主控机与各个现地控制站、智能装置等有机连接在一起，构成了按功能分工协作的分层分布式综合监控系统。
2.系统的主要特点：（1）开放式体系结构，层次分明，具有良好的扩展性。（2）分层分布式系统，可以根据监控对象、功能进行配置，具有很好的分散性、开放性和灵活性。（3）采用冗余配置，具有很高的可靠性。（4）用中文bbbbbbs 操作系统和智能通信等先进技术，便于系统升级。（5）灵活的组态界面，人机接口能力强，界面友善，易于掌握，方便设计、调试和现场运行。
3.系统主要功能：（1）对电站设备实现自动监视与记录：计算机监控系统自动完成电站设备数据的采集、处理以及设备运行状况的自动监视与记录，包括开关量信息监视，模拟量信息监视，故障/事故报警、记录与显示，SOE 点记录与显示。（2）对电站实现自动控制：根据上级调度要求和电站自身的具体情况，对电站设备进行操作或调节，包括机组的自动开停和并列以及运行工况的自动转换、机组有功和无功负荷的自动调节、自动发电控制AGC、自动电压控制AVC、断路器操作等。（3）对发电机、主变、线路等主要设备及辅助设备进行保护与监控。（4）实现电站运行管理的自动化：实现运行报表的自动生成，运行操作的自动记录，电站设备参数或整定值的记录与保存，所有报表均可自动或召唤打印以及运行人员仿真培训等。（5）系统通讯：实现与上级调度、水情测报系统、办公自动化网络等计算机系统之间通信，达到信息资源共享，充分发挥整个系统的综合效益。

（三）水电站自动化技术的应用
福建省漳州市诏安龙潭水利枢纽工程是福建省“十五”规划重点建设项目，总投资1.16 亿元，由我院进行勘测设计,电站总装机容量1.26 万kw，由两台6300kw 机组组成,水电站计算机监控系统采用长沙华能自控集团有限公司生产的MTC-3S 型微机综合自动化系统。

1.系统构成：由1 号工作站、2 号工作站、1＃机组LCU、2＃机组LCU、公用LCU 同期屏、机组保护期屏、主变线路保护屏、故障滤波系统屏和GPS（卫星时钟）等，通过标准以太网构成。系统图如下：

2.系统主要配置：见系统图。
3.系统通讯：采用TCP/IP 协议，通讯方式为竞争式，接口为RS485，接口标准IEEE802.3,传输介质为网络铜轴电缆/双绞线，节点数大于等于255，数据传输速率为10/100Mbps，通讯接口及通道误码率小于10－6。
4.系统特点：系统集保护、遥控、遥测、遥信、遥调五大功能于一身，具有保护可靠、自动化程度高、并网快、精度高等优点。
该工程建成投产后，缓解了福建省紧张的电力供应状况，改善该县城乡居民人畜饮水条件，计算机监控系统在运行中完全能满足水电站综合自动化要求，取得了较好的经济效益。

（四）结束语
水电站采用综合自动化系统后不仅tigao水电站运行的经济性和工作的可靠性、保证电能质量；而且tigao劳动生产率、改善劳动条件和减少运行人员，从而tigao电站运行的效益，例如利用计算机系统监控水库来水和中长期预报在内的优化运行，曲线绘制及科学调度，多发峰电等，每年可增加发电量2%左右；同时采用计算机监控电站各种参量及运行工况后，及时发现并排除事故隐患，事故后能及时处理事故，避免事故扩大，尽快恢复供电使系统事故率下降，处理事故时间减少，如此每年增加发电量1%左右；另外采用计算机监控在减少人员的同时也减少了相应的生活办公设备和工资支出，因而能产生巨大的经济效益。可见，水电站综合自动化系统与水电站的生产、效益密切相关，随着国家能源结构的调整，水资源开发利用程度的加大，水电站综合自动化系统在越来越多的水利枢纽工程中得到更广泛的应用，发挥更大的作用。

而且备件货源逐步枯竭。随着设备存续周期的临近，不排除出现大面积故障的可能，进而直接导致控制系统的局部或整体瘫痪。在这种严峻形势下，对PLC自控系统进行改造势在必行。

　　地表水厂担当着石家庄市供水任务的半壁江山，只有改造工程成功完成，才能保证地表水厂生产顺利进行。从某种意义上讲，工程的顺利与否是关乎国计民生的大事；同时将为水行业自控系统的改造开辟成功的先河。

　　改造工程选用稳定性、扩充性、先进性和兼容性俱佳的罗克韦尔公司的ControlLogix系列PLC产品作为本次改造的主力自控产品。目前改造工程取得了前所未有的成效，开创了多项技术创新先河。在送水泵房实现了变频调速恒压供水的设计要求，在保证供水管网压力恒定的前提下，仅节电一项一年就可以为水厂节约开支约70万元。同时成功地实现了ControlLogix系统与第三方设备的Modbus通讯，特别是远程的两个取水管理站与中控室之间的数据通讯，采用无线Modbus的方式实现ControlLogix系统与第三方设备之间的通讯，成为整个工程的亮点。改造过程中新PLC系统与旧PLC系统（SquareD自控设备）之间的数据交换采用OPC服务器的方式加以实现，这样既保证了整个水厂的日常制水生产不被中断，又为用户节省了采用过渡硬件设备所需要的投资。两套自控系统自始至终保证数据互联互通，在一般的技术改造工程中是很少见的。使用这种技术，可以保证两套系统真正实现无缝割接。

2PLC自动控制系统的组成

(1)系统简介

　　根据水厂生产工艺及管理要求，在系统设计时以原系统的站点结构为依据,保留原有的6个主站、9个子站。6个主站采用ControlLogix系列PLC；9个子站采用CompactLogix系列PLC，厂区内主干网以及主站与子站之间均采用ControlNet冗余网络，上位机及触摸屏均挂在ControlNet冗余网络上。为保证信号的稳定和介质的抗干扰性，在伴有高电压及大电流的区段选用光纤作为网络介质。厂区中控室与岗南取水管理站和黄壁庄取水管理站数据传输采用无线通讯的方式实现。

(2)系统拓扑结构

图1为八水厂自控系统拓扑图。

图1 八水厂自控系统拓扑图

3变频调速恒压供水系统

　　石家庄地表水厂清水泵房配备三台定速泵，三台变频调速泵。送水泵将两个清水池内的水通过两个出水管线输送到供水管网，原则上保持管网压力恒定。原PLC自控系统，由于未成功完成对变频调速泵的PID参数整定，调速泵的泵速未实现自动调节；加之其配泵方案的设计不适合国情，清水泵房的原PLC自控系统实际只完成数据采集功能，主要设备——送水泵一度处于手动状态，使变频调速恒压供水成为泡影。

　　改造后的清水泵房采用变频调速的运行方式，系统可根据实际设定水压自动调节调速泵电机的转速或加减泵，使供水系统管网中的压力始终保持在给定值，实现了大限度的节能、节水、节支，并使系统处于可靠的运行状态。恒压供水的实现一方面归功于先进合理的工艺设计，根据实际的生产和设备情况重新进行工艺整定，为地表水厂量身定做的配泵方案，使恒压供水、自动配泵终得以实现。另一方面依托ControlLogix系列PLC的强大功能，特别是智能jingque的PID调节功能，使管网压力的控制精度达到0.5%，远远超过工艺要求，仅高效节能一项直接为地表水厂年节约资金约70万元，带来的隐性效益更是不可估量。

4ControlLogix系统与第三方产品的Modbus通讯

　　由于配电室的中压配电柜控制和数据传输系统选用SEPAM2000，该设备使用Modbus协议，通过SY/NET协议转换器SPE4连接到原有的PLC自控系统。显然在新系统投入使用之后，SPE4已经失去存在的意义了。在这里需要特别提出针对配电室的改造思路。在去掉SPE4之后，SEPAM2000的数据在出口端是使用Modbus协议的。ControlLogix系列PLC有第三方的通讯模块MVI56-MCM来支持对Modbus网络的通讯。我们所要做的工作是在新PLC系统中通过MVI56-MCM模块实现新PLC系统与SEPAM2000的通讯。与使用MODBUS协议的其余第三方设备的通讯与此类似。

　　这种数据流动方式如下图2所示：

图2 数据流动方式

5ControlLogix系统中的无线通讯设计

　　由于岗南水库取水管理站和黄壁庄水库取水管理站的自控系统相对独立，相当于水厂控制系统的两块飞地。水厂中控室只要求实时掌握管理站的运行情况，并没有在系统内向管理站下达任何控制指令。因此管理站的改造工作不受水厂自控系统的影响，新系统投运后采用无线通讯的方式将管理站内的现场数据传输到水厂控制系统。

　　岗南水库取水管理站的自控系统不在改造范围之内，使用MOTOROLA公司的MOSCAD系列RTU来完成现场设备的监控和数据传输工作，上位软件选用PCSOFT公司的WIZCON组态软件，使用的是MDLC通讯协议。如何通过无线通讯的方式实现ControlLogix系统与第三方设备的互联互通，是工程设计、实施中的一个难点。

　　根据岗南水库、黄壁庄水库和地表水厂之间的特殊的地理、地形情况，在三方组成的无线通讯网络中，黄壁庄水库取水管理站设计为主站，地表水厂中控室为1号从站，岗南水库取水管理站为2号从站。由黄壁庄水库取水管理站读取岗南水库取水管理站的数据，会同自身的数据一同写到地表水厂中控室。无线通讯网络各站点之间采用MODBUS通讯协议，各PLC站点的ControlLogix系统通过MODBUS通讯模块MVI56-MCM的RS232口与无线通讯网络之间进行数据交换。黄壁庄水库取水管理站的ControlLogix系统通过MODBUS通讯模块MVI56-MCM的RS485口与使用MODBUS协议的第三方设备——liuliang计进行数据通讯。

　　无线通讯网络的拓扑结构如下图3所示：

图3 无线通讯网络的拓扑结构

6新系统与旧系统的软件兼容

　　由于地表厂自控系统的改造工作不能影响整个供水生产的正常进行，因此改造工作应该是分步骤实施的。这种阶段式改造必然导致新系统与原系统长期共存。那么，两套系统的互联互通就是该项目的又一难点。

　　新旧系统的兼容是暂时行为，在总体投资上不应该过分加大，因此我们选用比较经济的软件兼容方式，即使用第三方的OPC服务器作为两个系统数据交换的桥梁。新自控系统将已改造站点的数据按照原系统的数据格式写入原自控系统，从而保证原自控系统的显示完整。为了完成这一目的，新自控系统增加OPC服务器，同时原自控系统内的PLC程序将做必要的改动以适应这种运行模式。

　　实现兼容的方式如下图4所示：

图4 实现兼容的方式

7结束语

　　ControlLogix系统在石家庄地表水厂运行稳定，以其先进的技术充分满足了水厂自控系统的要求。变频调速恒压供水的实现展示了PLC的强大功能，与MODBUS第三方产品的通讯和兼容证明了系统的可扩展性和开放性强，进一步扩展了罗克韦尔自动化的PLC应用的空间和灵活性。

1、系统概述

　　CARGOPRO系统主要有四个相对独立的子系统组成，包括：液位遥测系统、阀门遥控系统、独立高位及高高位报警系统和大舱进水报警系统，能对全船的货控系统进行监测及报警，是全船电气系统的重要组成部分。该系统有大量数字量和模拟量的测量点，且这些测量点种类多，分布广，因此对系统的安全性，可靠性及通信能力有较高的要求。我们采用GE Fanuc 90-30、VersaMax Micro等系列的PLC作为系统的控制单元，VersaMax Remote I/O作为远程站进行信号采集，Genius Bus、Mod Bus、Profibus等通用总线协议作为内部通信协议，并通过TCP/IP网络协议与工控软件iFix通信，实现人机对话。

2、系统解决方案

　　整套CARGOPRO系统的系统图如图1所示：

图1 CARGOPRO系统图

　　2.1 液位遥测系统

　　液位遥测系统采用分散采集，集中控制的设计理念，对相应舱室的液位，液货舱的温度以及四角吃水等进行检测与报警。由于所需采集的信号分布广，数量与种类多，因此所有的信号都通过安装在各个采集箱中的GE VersaMax Remote I/O模块进行采集，保证所采集信号的准确性。GE VersaMax Remote I/O模块通过GE的Genius Bus总线协议与安装在货控台的PLC主站通信，将所采集的信号发送到PLC的CPU模块。CPU经过运算将控制信号经Genius Bus发送到GE VersaMax Remote I/O模块，实现远程控制。

　　上位机部分包括一台工控机、一台交换机以及打印机和软件。工控机通过TCP/IP协议与PLC主站通信，实现监控软件HMI/SCADA iFix与PLC之间的信息交换。操作者通过iFix软件可以实现对所有测量点的实时监测以及对报警信息的处理。

　　2.2 独立高位及高高位报警系统

　　该系统通过采集独立的报警信号，对液货舱、污水舱、压载水舱等舱室的高液位及高高液位信号进行报警。采用独立的VersaMax Micro系列PLC作为控制器，QuickPanel View系列的触摸屏作为HMI，构成了一个相对独立的控制系统，实现相应报警信号的显示和控制。

　　作为HMI的触摸屏与PLC控制器之间通过Mod Bus总线协议通信，所有报警信号的显示以及操作员对系统的操作在一个触摸屏上完全实现，使得整个系统极为精简。

　　2.3 大舱进水报警系统

　　系统利用压力式液位测量原理，将压力信号转换成4-20mA电流信号，送至货控台上的VersaMax Micro系列PLC控制站，PLC控制站与QuickPanel View系列的触摸屏通过TCP/IP通信，实现报警信号的现实与控制。整套系统可以实现独立的液位显示，报警显示及控制。

　　2.4 阀门遥控系统

　　阀门遥控系统由货控台GE Fanuc 90-30系列PLC控制主站、电磁阀 Remote I/O PLC采集控制站、阀门遥控专用工控机、液压动力泵站、电磁阀箱（包括应急阀块）、液动阀门、手摇泵、应急手摇泵组成。阀门遥控装置采用电—液型驱动装置来控制电磁阀的动作以达到遥控操纵货油及压载舱管路阀门的打开和关闭。阀门的开闭操作及阀位指示都在货控台上阀门遥控专用显示屏上。

　　在货控台的 PLC 控制主站处可对液动遥控阀进行开关操作。开关阀的开关指示，红色指示阀门关闭，绿色指示为阀门打开;开度阀具有开度指示及控制。电磁阀箱 PLC 控制站通过 Genius Bus与货控台 PLC 主站连接，根据货控台 PLC控制站的操作要求，控制相应的电磁阀，通过电磁阀的瞬间通电换向并锁位功能，控制油路进出方向，达到开关阀门的目的;所有遥控阀的阀位指示及开度控制信号均送到电磁阀箱 PLC 控制站，通过 Genius Bus发送至货控台 PLC 控制站接收。

　　上位机部分包括一台工控机、一台交换机以及打印机和软件。工控机通过 TCP/IP 协议与 PLC 主站通信，实现监控软件 HMI/SCADA iFix 与 PLC 之间的信息交换，实现阀门的控制及状态的显示及报警历史记录与查询。

3、系统特点

　　采用GE的PLC作为控制和信号采集模块，大限度保证了系统运行的稳定性和安全性; 分散采集，集中控制的设计，使得各种信号的采集与控制准确、方便；兼容多种通用的总线协议，如：Genius Bus，Mod Bus，ProfiBus等，大大扩展了系统的适用范围；先进的模块化打包设计，使得各子系统之间相对独立，可以单独运行，同时各子系统之间也可以无缝连接，协调工作，能满足根据客户的特殊需要，实现个性化的组合；多种人机界面，如：IPC、触摸屏、MIMIC板等，确保了操作人员能方便，快捷地获取信息并实现控制。

4、结束语

　　CARGOPRO系统具有极高的安全行和稳定性，人机界面友好，通信稳定，且目前已在多艘船上得到了应用，并通过了多家船级社的船检。