陳國平，郭文科

(1.新疆科學(xué)技術(shù)學(xué)院 阿克蘇籌建辦公室，新疆 阿克蘇 843100;2.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，尤其是電力工業(yè)迅速發(fā)展，電網(wǎng)變換裝置如斷路器、開關(guān)等，也向大容量化、高電壓化、大電流化發(fā)展［1］。斷路器類產(chǎn)品的研制開發(fā)，必須通過短路試驗(yàn)來定型，就需要大型沖擊發(fā)電機(jī)來提供這種突然短路的短路電流［2］。

按照國際電工委員會(huì)IEC標(biāo)準(zhǔn)，沖擊發(fā)電機(jī)專門用于短路試驗(yàn)，也稱為短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)。沖擊發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況既特殊、又嚴(yán)酷，它專門用在突然短路工況下運(yùn)行，短路時(shí)間很短，一般是幾百毫秒內(nèi)輸出沖擊電流，致使發(fā)電機(jī)本身繞組也要承受巨大的電動(dòng)力。同時(shí)沖擊發(fā)電機(jī)是周期性地以對(duì)稱和不對(duì)稱短路運(yùn)行并輸出盡可能大的短路電流，且在工作循環(huán)所規(guī)定的合閘時(shí)間內(nèi)保持電流的衰減為最?。?］。

甘肅電器科學(xué)研究院二期工程大容量試驗(yàn)室的主試驗(yàn)電源為3 200 MVA沖擊發(fā)電機(jī)，由2 500 kW繞線式感應(yīng)電機(jī)拖動(dòng)。主要進(jìn)行高壓交流斷路器、負(fù)荷開關(guān)、電力變壓器、各種高壓開關(guān)柜等產(chǎn)品的短路試驗(yàn)。該機(jī)組啟停、調(diào)速、勵(lì)磁、保護(hù)等邏輯復(fù)雜，研制一套適用于該機(jī)組的控制軟件很有必要。采用工控機(jī)和多PLC以太網(wǎng)通訊的控制方式構(gòu)成機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)，克服了監(jiān)控點(diǎn)多、分散、距離長等諸多難題，而且使整個(gè)項(xiàng)目的自動(dòng)化程度得到很大的提高，操作更加方便、合理。

1 沖擊發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)組成

沖擊發(fā)電機(jī)組需要控制的系統(tǒng)主要有潤滑油系統(tǒng)、水系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等。潤滑油系統(tǒng)向沖擊發(fā)電機(jī)和拖動(dòng)電機(jī)各軸承提供潤滑油以及為頂軸裝置提供充足的油源。由主油泵、事故油泵、冷油器、油加熱器、排煙裝置、頂軸裝置、上油箱、下油箱和監(jiān)控儀表等組成，是沖擊發(fā)電機(jī)組最重要的組成部分之一，它的正常運(yùn)行是保證發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵之一。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 沖擊發(fā)電機(jī)組油系統(tǒng)圖

冷卻水系統(tǒng)的作用是通過冷卻塔冷卻溫度過高的潤滑油，冷卻發(fā)電機(jī)定子鐵心，主要由涼水塔、循環(huán)水泵、油冷卻器、電機(jī)冷卻器、下水箱和監(jiān)控儀表等組成。調(diào)速系統(tǒng)由50 Hz電動(dòng)機(jī)高壓柜、逆變變壓器高壓柜、整流柜、控制柜、電抗器柜、逆變變壓器、滑環(huán)短接箱組成。調(diào)速采用串級(jí)調(diào)速原理，改變感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串附加電勢的大小實(shí)現(xiàn)調(diào)速，同時(shí)通過逆變變壓器向電網(wǎng)反饋有功功率，達(dá)到調(diào)速節(jié)能的目的。

勵(lì)磁系統(tǒng)由勵(lì)磁電源及其附屬設(shè)備組成?？煞譃橛蓜?lì)磁功率和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩部分。勵(lì)磁功率是向沖擊發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是根據(jù)控制信號(hào)和參數(shù)設(shè)置以控制勵(lì)磁功率單元的輸出。勵(lì)磁系統(tǒng)包括勵(lì)磁變壓器及整流器等、自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器、手動(dòng)控制單元、滅磁、保護(hù)、監(jiān)視裝置和儀表等。

1.2 系統(tǒng)控制對(duì)象

在機(jī)組啟動(dòng)過程中，對(duì)油系統(tǒng)、水系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)控制和監(jiān)測;啟動(dòng)完成后，還對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制和監(jiān)測。主要控制對(duì)象是各系統(tǒng)的狀態(tài)返回信息，如油泵、水泵等的工作狀態(tài)，一般用開關(guān)量返回。除了開關(guān)量信息外，還需監(jiān)控各系統(tǒng)的模擬量信息，如發(fā)電機(jī)定子鐵心和繞組溫度、潤滑油溫度、流量、壓力等。

按照分散控制的原則，可把系統(tǒng)控制對(duì)象分為6個(gè)，即發(fā)電機(jī)控制室、開關(guān)室、發(fā)電機(jī)大廳、遠(yuǎn)程控制、勵(lì)磁調(diào)速室、中央控制室。共有輸入開關(guān)量有192點(diǎn)，輸出開關(guān)量288點(diǎn)，模擬量58點(diǎn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為使整個(gè)控制系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)遵循分布式控制系統(tǒng)思想，即分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活、組態(tài)方便，系統(tǒng)由現(xiàn)場控制、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、人機(jī)接口單元、機(jī)柜、電源等部分組成。PLC選用S7-315-2PN/DP，該P(yáng)LC采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，含有多種模塊，可進(jìn)行單獨(dú)組合，使用靈活且易于維護(hù)，具有不同的通訊接口。系統(tǒng)通訊采用高速以太網(wǎng)，以SCALANCE X104-2作為PLC之間、PLC和工控機(jī)之間、PLC和人機(jī)單元之間的通訊中介。該方案是一種經(jīng)濟(jì)有效的方案，可以同時(shí)連接編程器/PC、人機(jī)界面系統(tǒng)和其它的 SIMATIC S7/C7自動(dòng)化系統(tǒng)［4-5］。

當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備控制方式改變時(shí)，可方便地修改控制方式和擴(kuò)充控制設(shè)備的I/O點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自動(dòng)控制與操作，減輕運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高操作安全性，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

同時(shí)該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)具備很大的開放性特點(diǎn)，可以提供多層開放數(shù)據(jù)接口。硬件系統(tǒng)在惡劣的試驗(yàn)環(huán)境下具有高度的可靠性、維修方便、工藝先進(jìn)，非常適宜在電磁環(huán)境復(fù)雜的高壓開斷試驗(yàn)室工作?？刂葡到y(tǒng)在功能和物理上真正分散，系統(tǒng)內(nèi)任一組件發(fā)生故障，均不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。系統(tǒng)的參數(shù)、報(bào)警、自診斷及其他管理功能均在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。

2.2 硬件組態(tài)

系統(tǒng)采用西門子S7-315-2PN/DP系列PLC，由電源單元(PS)、中央處理單元(CPU)、接口模塊(IM)、信號(hào)模塊(SM)等組成。每臺(tái)PLC根據(jù)現(xiàn)場控制和監(jiān)控設(shè)備的具體需要，控制、監(jiān)測對(duì)象和目的而配置不同的輸入輸出模塊進(jìn)行組態(tài)［6］。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 輸入輸出點(diǎn)配置

統(tǒng)控制對(duì)象分為6個(gè)，即發(fā)電機(jī)控制室、開關(guān)室、發(fā)電機(jī)大廳、遠(yuǎn)程控制、勵(lì)磁調(diào)速室、中央控制室，都是按照集散控制的原則進(jìn)行就地分散控制，按照控制對(duì)象的要求配置控制設(shè)備。如發(fā)電機(jī)大廳遠(yuǎn)程控制箱主要控制盤車、頂軸泵、電動(dòng)機(jī)電加熱器等的啟停，監(jiān)視它們的狀態(tài)返回信號(hào)，按照表1分配開關(guān)量設(shè)備和地址。同時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)的繞組溫度、鐵芯溫度、油溫、水溫、油壓、水壓、軸瓦溫度、軸振等模擬量信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測，分配模擬量輸入設(shè)備和輸入地址。

表1 發(fā)電機(jī)大廳遠(yuǎn)程控制箱開關(guān)量輸入輸出點(diǎn)分配

3.2 主程序

系統(tǒng)主程序功是機(jī)組正常運(yùn)行和安全保護(hù)控制，對(duì)發(fā)電機(jī)、拖動(dòng)電機(jī)、油系統(tǒng)、水系統(tǒng)、勵(lì)磁調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以保證在滿足一定的條件下，能夠按照預(yù)先設(shè)定的邏輯順序依次執(zhí)行。比如主程序初始化后，首先判斷機(jī)組是否符合啟動(dòng)條件，上次停機(jī)屬于正常停機(jī)還是非正常停機(jī)，故障是否排除，只有滿足啟動(dòng)條件才能進(jìn)入下一個(gè)執(zhí)行功能模塊。主程序邏輯框圖如圖2所示。

Step7是用于SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，其具備強(qiáng)大的編輯處理功能，并提供方便的組態(tài)復(fù)雜控制系統(tǒng)的能力，易于組態(tài)，易于使用?？墒褂锰菪螆D邏輯、功能塊圖和語句表進(jìn)行編程操作。

3.3 事件處理子程序

事件處理子程序主要處理沖擊發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)故障報(bào)警，在機(jī)組運(yùn)行過程中，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的故障以及狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和檢測，如潤滑油泵、水泵、頂軸泵的正常運(yùn)行，油溫、水溫連續(xù)監(jiān)測，潤滑油、冷卻水的壓力、流量監(jiān)測，機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測，發(fā)電機(jī)定子繞組、鐵芯溫度監(jiān)測，軸瓦溫度監(jiān)測等等。只要監(jiān)測到異常情況，就必須根據(jù)相應(yīng)的操作規(guī)程進(jìn)行處理，以免故障擴(kuò)大，造成不可挽回的損失。

3.4 人機(jī)界面

人機(jī)界面又稱用戶界面或使用者界面，是人與控制系統(tǒng)交換信息的媒介和對(duì)話接口，是控制系統(tǒng)的重要組成部分，是系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介(見圖2)。

本系統(tǒng)采用組態(tài)王作為上位機(jī)人機(jī)交互軟件，它提供了豐富的、簡捷易用的配置界面，提供了大量的圖形元素和圖庫精靈，同時(shí)也為用戶創(chuàng)建圖庫精靈提供了簡單易用的接口。以組態(tài)王為上位機(jī)軟件開發(fā)沖擊發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)控制軟件是中文界面，具有人機(jī)界面友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn)，能夠動(dòng)態(tài)顯示主系統(tǒng)圖，并且做出形象的立體圖，真實(shí)反映油、水、勵(lì)磁系統(tǒng)的現(xiàn)場情況，能實(shí)時(shí)反映發(fā)電機(jī)及電動(dòng)機(jī)各點(diǎn)的溫度，斷路器的位置，各種保護(hù)投入、退出的情況，并且對(duì)歷史數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行存儲(chǔ)。

現(xiàn)場采用西門子MP 277觸摸屏作為人機(jī)界面，具有多種通訊協(xié)議以及相應(yīng)的通訊接口，且可以和多個(gè)設(shè)備進(jìn)行通訊，使用方便［7］，可以直觀顯示發(fā)電機(jī)繞組、鐵芯的溫度，潤滑油流量、壓力、溫度，冷卻水流量流量、壓力、溫度，系統(tǒng)報(bào)警信息等重要的狀態(tài)參數(shù)，使現(xiàn)場巡查人員及時(shí)了解機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。軟件界面如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)主程序邏輯框圖

3.5 軟件安全設(shè)計(jì)

容錯(cuò)設(shè)計(jì):為了防止因用戶的誤操作而引起系統(tǒng)的誤動(dòng)作，除去急停功能外，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解鎖才能對(duì)軟件操作，非法的鍵盤輸入和鼠標(biāo)操作都不會(huì)被執(zhí)行，以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

軟件權(quán)限設(shè)計(jì):本系統(tǒng)用戶權(quán)限有兩種，試驗(yàn)操作人員是最低層用戶，可以進(jìn)行控制機(jī)組的啟停、查詢機(jī)組的狀態(tài)等操作，高級(jí)用戶需要密碼才能進(jìn)入，不僅具有最低層用戶的所有權(quán)限，還能對(duì)軟件進(jìn)行修改，只供軟件設(shè)計(jì)人員使用。

圖3 現(xiàn)場人機(jī)界面設(shè)備MP277在線監(jiān)測界面

4 結(jié)束語

對(duì)沖擊發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)組成進(jìn)行了分析，構(gòu)建了以S7-315-2PN/DP為控制核心的沖擊發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)組成和系統(tǒng)控制對(duì)象，然后對(duì)硬件設(shè)計(jì)和組態(tài)，設(shè)計(jì)了基于組態(tài)王的PLC控制主程序和基于組態(tài)王的人機(jī)界面。經(jīng)過一年半的運(yùn)行實(shí)踐證明，該控制方式克服了監(jiān)控點(diǎn)多、分散、距離長等諸多難點(diǎn)，是一種方便靈活、可靠、自動(dòng)化程度高的控制方式。

［1］曹潔，陳國平，秦睿.用改進(jìn)GM(1，m)多變量模型預(yù)測變壓器故障［J］.電氣自動(dòng)化，2012，34(4):62-64.

［2］郝明劍.大容量沖擊發(fā)電機(jī)的開發(fā)成果［J］.上海大中型電機(jī)，2009，52(1):1-3.

［3］汪海波，萬德春，洪深.大容量沖擊發(fā)電機(jī)短路電流衰減特性研究［J］.江蘇機(jī)電工程，2013，32(5):26-29.

［4］西門子(中國)有限公.深入淺出西門子S7-300 PLC［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［5］潘斌，胡醇.試論P(yáng)LC在電工電器試驗(yàn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.中國機(jī)電工業(yè)，2012，25(3):120-121.

［6］廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［7］廖常初.西門子人機(jī)界面(觸摸屏)組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)［M］.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.