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一、項(xiàng)目介紹
廣西羅城寶壇水電站工程位于廣西壯族自治區(qū)羅城仫佬族自治縣境內(nèi)的寶壇河上。寶壇電站為一、二、三級(jí)同時(shí)開(kāi)發(fā)，寶壇電站三級(jí)站位于寶壇鄉(xiāng)府附近，距羅城縣城58km；一二級(jí)站廠房距三級(jí)站約23km，公路可直通廠址。一級(jí)站裝機(jī)2×630kW臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，二級(jí)站裝機(jī)2×3200kW臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，一二級(jí)站共用一個(gè)廠房及35kV升壓站，以35kV一級(jí)電壓接入系統(tǒng)，35kV出線2回，其中1回備用。
二、系統(tǒng)配置
現(xiàn)地控制單元為電站監(jiān)控系統(tǒng)全分布式結(jié)構(gòu)中的智能控制設(shè)備，由它實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與電站設(shè)備的接口，完成監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)電站設(shè)備的監(jiān)控。它可以作為所屬設(shè)備的獨(dú)立監(jiān)控裝置運(yùn)行，當(dāng)現(xiàn)地控制單元與主控級(jí)失去聯(lián)系時(shí)，由它獨(dú)立完成對(duì)所屬設(shè)備的監(jiān)控，包括在現(xiàn)地由操作人員實(shí)行的監(jiān)控及由現(xiàn)地控制單元對(duì)設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)控。
2.1 機(jī)組現(xiàn)地控制單元
機(jī)組現(xiàn)地控制單元每臺(tái)機(jī)組配置JNLCS-200一套，分別編號(hào)為1#LCU、2#LCU、3#LCU、4#LCU。屏上配有觸摸屏、PLC模塊、交流量智能變送器，每套機(jī)組現(xiàn)地控制單元采用溫度變送器及智能溫度巡檢裝置兩種方式采集機(jī)組各測(cè)溫點(diǎn)的溫度。溫度巡檢裝置經(jīng)通信接口與本單元進(jìn)行通信。相關(guān)的備用、調(diào)相、發(fā)電、故障和事故等狀態(tài)指示，以及開(kāi)停機(jī)、緊停、過(guò)速保護(hù)等功能按鈕及連片。
機(jī)組現(xiàn)地控制單元的PLC采用西門(mén)子S7-200 CN可編程控制器（PLC）模塊。該系列PLC 適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200 CN系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200 CN 系列具有極高的性能/價(jià)格比。
根據(jù)系統(tǒng)要求，PLC配置如下：
① 中央處理模塊（CPU）：選用CPU226（24點(diǎn)DI/16點(diǎn)DO）。
② 數(shù)字量輸入模塊（DI）：選用EM221，共2塊（16點(diǎn)DI/塊）。
③ 數(shù)字量輸入輸出模塊（DI/DO）：選用EM223，1塊（16點(diǎn)DI/16點(diǎn)DO）。
④ 溫度量輸入模塊（RTD）：選用EM231，共2塊（8點(diǎn)/塊）
⑤ PROFIBUS-DP接口模塊：EM277，1塊。
⑥ PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)連接器1個(gè)。
觸摸屏配置
觸摸屏采用西門(mén)子K-TP178micro觸摸屏。該屏是西門(mén)子專門(mén)針對(duì)中國(guó)中小型自動(dòng)化產(chǎn)品用戶需求而設(shè)計(jì)的全新觸摸屏。通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接（PPI或者MPI）完成和S7-200CN控制器的連接，整個(gè)系統(tǒng)渾然一體，具有良好的穩(wěn)定性和抗干擾性。通信速率可達(dá)187.5kbaud。它的操作界面非常友好，不但可以通過(guò)觸摸屏來(lái)執(zhí)行操作，更可以通過(guò)面板上的6個(gè)按鍵來(lái)執(zhí)行操作。此外該屏采用了32位ARM7的CPU處理芯片，同時(shí)擁有超大的內(nèi)存空間使操作響應(yīng)更加快速。
2.2公用及開(kāi)關(guān)站現(xiàn)地控制單元
公用及開(kāi)關(guān)站現(xiàn)地控制單元配置JNLCS-200一套，編號(hào)為5#LCU，配置西門(mén)子PLC模塊、溫度采集模塊、CM-320B多對(duì)象微機(jī)準(zhǔn)同期裝置、交流量智能變送器、西門(mén)子K-TP178micro觸摸屏、開(kāi)出繼電器、交流采樣裝置等相關(guān)器件。主要對(duì)全廠公用的油、氣、水輔助系統(tǒng)，廠用交流電源系統(tǒng)，直流電源系統(tǒng)及開(kāi)關(guān)站等監(jiān)控對(duì)象的數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)控制。
根據(jù)系統(tǒng)要求，PLC配置如下：
① 中央處理模塊（CPU）：選用CPU226（24點(diǎn)DI/16點(diǎn)DO）。
② 數(shù)字量輸入模塊（DI）：選用EM221，共2塊（16點(diǎn)DI/塊）。
③ 數(shù)字量輸入輸出模塊（DI/DO）：選用EM223，1塊（16點(diǎn)DI/16點(diǎn)DO）。
④ 溫度量輸入模塊（RTD）：選用EM231，共2塊（8點(diǎn)/塊）
⑤ 模擬量輸入模塊（AI）：選用EM231，1塊（4點(diǎn)AI）。
⑥ PROFIBUS-DP接口模塊：EM277，1塊。
⑦ PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)連接器1個(gè)。
2.3現(xiàn)地控制單元系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能：
2.3.1數(shù)據(jù)采集與處理
收集電廠內(nèi)機(jī)組現(xiàn)地控制單元（LCU）采集的模擬量、數(shù)字量（包括狀態(tài)量、順序事件數(shù)字量、脈沖量、報(bào)警數(shù)字量）。
對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、計(jì)算，形成主站各種監(jiān)控及管理功能所需的數(shù)據(jù)。
對(duì)一些數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)予以記錄、整理和保存。
2.3.2安全運(yùn)行監(jiān)視
安全運(yùn)行監(jiān)視包括全廠運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視及參數(shù)在線修改、狀變監(jiān)視、越限檢查、過(guò)程監(jiān)視、趨勢(shì)分析和監(jiān)控系統(tǒng)異常監(jiān)視。
2.3.3控制與調(diào)節(jié)
機(jī)組現(xiàn)地控制單元能自動(dòng)完成開(kāi)、停機(jī)操作和有功、無(wú)功功率的調(diào)節(jié)，而不需依賴于電站控制中心。在接受電站控制中心命令后，工況轉(zhuǎn)換及調(diào)節(jié)能自動(dòng)完成，也能分步自動(dòng)完成。機(jī)組現(xiàn)地控制單元也能執(zhí)行現(xiàn)地人機(jī)接口發(fā)出的現(xiàn)場(chǎng)命令。
機(jī)旁設(shè)控制權(quán)切換開(kāi)關(guān)（上行信息不受切換開(kāi)關(guān)位置影響）。開(kāi)關(guān)置于“中控室”時(shí)，則機(jī)組僅受控于電站控制中心，置于“現(xiàn)地”時(shí)則僅可由運(yùn)行人員通過(guò)現(xiàn)地控制單元對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制。
機(jī)組控制單元順序控制
機(jī)組同步并網(wǎng)
機(jī)組輔助設(shè)備的自動(dòng)控制、監(jiān)視
① 事件檢測(cè)和發(fā)送
自動(dòng)檢測(cè)本單元所屬的設(shè)備、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的動(dòng)作情況，當(dāng)發(fā)生狀變時(shí)，將事件的性質(zhì)依次檢測(cè)、歸類存檔，并上送電站控制中心。
2.3.4數(shù)據(jù)通信
完成與電站控制中心的數(shù)據(jù)交換，實(shí)時(shí)上送電站控制中心所需的過(guò)程信息，接收電站控制中心的控制和調(diào)節(jié)命令。
機(jī)組現(xiàn)地控制單元接收電站控制中心所用的同步時(shí)鐘信息以保持同電站控制中心同步。
與電能計(jì)量裝置及其他承包商提供的微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、微機(jī)調(diào)速器、微機(jī)繼保裝置、微機(jī)測(cè)速裝置、溫度巡檢裝置等之間通信，進(jìn)行信息交換，提供接口軟件。
2.3.5系統(tǒng)診斷
機(jī)組現(xiàn)地控制單元硬件故障診斷：可在線或離線自檢設(shè)備的故障，故障診斷能定位到模塊。
軟件故障診斷：應(yīng)用軟件運(yùn)行時(shí)，若遇故障能自動(dòng)給出故障性質(zhì)及部位，并提供相應(yīng)的軟件診斷工具。
在線運(yùn)行時(shí)，當(dāng)診斷出故障，能自動(dòng)閉鎖控制出口或切換到備用系統(tǒng)，并將故障信息上送電站控制中心以便顯示、打印和報(bào)警。
系統(tǒng)配備上位機(jī)一臺(tái)，該機(jī)還兼做語(yǔ)音報(bào)警服務(wù)器。
2.4上位機(jī)配置
① 服務(wù)器 (DELL P4 2.8G處理器、512MB內(nèi)存、80GB的硬盤(pán))。
② 彩色顯示器 (DELL 21寸彩色顯示器)。
③ 語(yǔ)音報(bào)警設(shè)備 (多媒體聲卡、音箱)。
④ CP5611網(wǎng)卡
⑤ SIMATIC NET 6.0。
⑥ WINCC 5.1。
上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用西門(mén)子WinCC人機(jī)接口軟件，該軟件可以很好的支持S7系列CPU，且具有強(qiáng)大的畫(huà)面組態(tài)、報(bào)警設(shè)置、數(shù)據(jù)存檔、報(bào)表設(shè)計(jì)等功能。此外還集成了多種網(wǎng)絡(luò)連接方式，使其與自動(dòng)化系統(tǒng)連接起來(lái)更加方便。
2.5上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能：
2.5.1數(shù)據(jù)采集與處理；
主控級(jí)自動(dòng)采集和處理各現(xiàn)地控制單元的各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和處理電站設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，采集的數(shù)據(jù)及處理量主要有以下幾種：① 電氣量：主控級(jí)收集由現(xiàn)地控制單元采集的各電氣量：② 模擬量溫度：機(jī)組上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)、推力軸承的瓦溫、油溫、冷卻水溫、轉(zhuǎn)子線圈、定子線圈和鐵芯的溫度及變壓器油溫等。③ 數(shù)字量：各現(xiàn)地控制單元將采集到的數(shù)字量上送主控級(jí)進(jìn)行處理或現(xiàn)地處理④ 脈沖量：各現(xiàn)地控制單元對(duì)采集到的脈沖量進(jìn)行累計(jì)，換算成相應(yīng)的電度量后，上送主控級(jí)進(jìn)行全廠日、月、年發(fā)電量累加處理。⑤ 數(shù)據(jù)壓縮精簡(jiǎn)：對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行篩選整理，去掉無(wú)用的數(shù)據(jù)后，將“壓縮”了的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。
2.5.2安全運(yùn)行監(jiān)視；
安全運(yùn)行監(jiān)視包括全廠運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視及參數(shù)在線修改、狀變監(jiān)視、越限檢查、過(guò)程監(jiān)視、趨勢(shì)分析和監(jiān)控系統(tǒng)異常監(jiān)視。
① 全廠運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視及參數(shù)在線修改：運(yùn)行值班人員通過(guò)顯示器對(duì)全廠各主設(shè)備及輔助設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視控制及在線修改參數(shù)。對(duì)職責(zé)不同的各級(jí)運(yùn)行人員，其操作權(quán)限的內(nèi)容也各不相同。對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控的所有設(shè)備，具有一定操作權(quán)限的運(yùn)行值班人員能在線修改運(yùn)行參數(shù)。
② 狀變監(jiān)視：狀變分成兩類。一類為自動(dòng)狀變即自動(dòng)控制或保護(hù)裝置動(dòng)作所導(dǎo)致的狀變，如斷路器事故跳閘，機(jī)組的自動(dòng)起動(dòng)等，另一類為受控狀變，即由來(lái)自人工控制的命令所引起的狀變。發(fā)生這兩種狀變時(shí)，均可在顯示器上顯示。狀變量以數(shù)字量形式采入。
③ 越限檢查：檢查設(shè)備異常狀態(tài)并發(fā)出報(bào)警，異常狀態(tài)信號(hào)在顯示器上顯示并記錄。
④ 過(guò)程監(jiān)視：監(jiān)視機(jī)組各種運(yùn)行工況（發(fā)電、調(diào)相、停機(jī)）的轉(zhuǎn)換過(guò)程所經(jīng)歷的各主要操作步驟，并在顯示器上顯示；當(dāng)發(fā)生過(guò)程阻滯時(shí)，在顯示器上給出阻滯原因，并由機(jī)組現(xiàn)地控制單元將機(jī)組轉(zhuǎn)換到安全狀態(tài)或停機(jī)。
⑤ 趨勢(shì)分析：分析機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障征兆，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性。
⑥ 間歇運(yùn)行的輔助設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)視和分析：監(jiān)視機(jī)組及電站各間歇運(yùn)行的輔助設(shè)備（如壓油泵、技術(shù)供水泵、空壓機(jī)等）起動(dòng)次數(shù)、運(yùn)行時(shí)間和間歇時(shí)間。在機(jī)組及電站不同運(yùn)行方式下，其起動(dòng)及運(yùn)行間隔有一定的規(guī)律，通過(guò)分析這些規(guī)律的變化情況，監(jiān)視間歇運(yùn)行設(shè)備及其對(duì)應(yīng)的主設(shè)備是否異常。
⑦ 監(jiān)控系統(tǒng)異常監(jiān)視：監(jiān)控系統(tǒng)的硬件或軟件發(fā)生事故則立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并在顯示器及打印機(jī)上顯示記錄，指示故障部位。
2.5.3實(shí)時(shí)控制和調(diào)整；
2.5.4監(jiān)視、記錄、報(bào)告；
在中控室裝有彩色顯示器，用于顯示電站的運(yùn)行情況。全廠所有監(jiān)控對(duì)象的操作、報(bào)警事件及實(shí)時(shí)參數(shù)報(bào)表等可記錄下來(lái)，并能以中文格式在顯示器上顯示，在打印機(jī)上打印。打印記錄分為定時(shí)打印記錄、事故故障打印記錄、操作打印記錄及召喚打印記錄等工作方式。
2.5.5事件順序記錄；
在電站發(fā)生事故時(shí)，由各現(xiàn)地控制單元采集繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置及電站主設(shè)備的狀態(tài)量，并上送電站控制中心，完成事件順序排列，顯示、打印和存檔。每個(gè)事件的記錄和打印包括點(diǎn)名稱、狀變描述和時(shí)標(biāo)，記錄的分辨率不大于5ms。
2.5.6事故追憶和相關(guān)量記錄；
記錄在事故發(fā)生前5s和后20s時(shí)間里重要實(shí)時(shí)參數(shù)的變化情況。追憶量包括35kV線路的有功及無(wú)功功率，三相電流，35kV線路電壓及頻率、機(jī)組線電壓、三相電流和有功、無(wú)功功率等。采樣周期為1s。追憶量除了打印外還可以用曲線在顯示器上顯示。
相關(guān)量記錄：自動(dòng)記錄與事故、故障有關(guān)的參數(shù)。當(dāng)機(jī)組某一參數(shù)越限時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)顯示打印其相關(guān)參數(shù)的對(duì)應(yīng)數(shù)值。
2.5.7正常操作指導(dǎo)和事故處理操作指導(dǎo)；① 正常操作：操作順序提示，能根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)判斷設(shè)備是否允許操作并給出相應(yīng)的標(biāo)志，如操作是不允許的，則提示其閉鎖原因并盡可能提出相應(yīng)的處理辦法；操作票編輯、顯示、打印；運(yùn)行報(bào)表顯示、打印等。② 事故處理：在出現(xiàn)故障征兆或發(fā)生事故時(shí)，由監(jiān)控系統(tǒng)提出事故處理和恢復(fù)運(yùn)行的指導(dǎo)性意見(jiàn)。
2.5.8數(shù)據(jù)通訊；① 與地調(diào)、水情測(cè)報(bào)等系統(tǒng)的通信。② 與各現(xiàn)地控制單元通信，向各現(xiàn)地控制單元發(fā)送指令，并接收各現(xiàn)地控制單元上送的各種信息。
2.5.9屏幕顯示；
畫(huà)面顯示是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能之一，畫(huà)面調(diào)用將允許以自動(dòng)或召喚方式實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)方式是指當(dāng)有事故發(fā)生時(shí)或進(jìn)行某些操作時(shí)有關(guān)畫(huà)面能夠自動(dòng)推出，召喚方式則指操作某些功能鍵或以菜單方式調(diào)用所需畫(huà)面。畫(huà)面種類包括各種系統(tǒng)圖、棒形圖、曲線、表格、提示語(yǔ)句等。畫(huà)面清晰穩(wěn)定、構(gòu)圖合理、刷新速度快且操作簡(jiǎn)單。
2.5.10電站設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理；
積累電站運(yùn)行數(shù)據(jù)，為提高電站運(yùn)行、維護(hù)水平提供依據(jù)。
2.5.11系統(tǒng)診斷；
電站控制中心系統(tǒng)設(shè)備如工作站、通訊網(wǎng)絡(luò)、主站外設(shè)等設(shè)備的故障自診斷，故障時(shí)發(fā)出信號(hào)，并將結(jié)果記錄和打印。
2.5.12軟件開(kāi)發(fā)；
離線進(jìn)行系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)與編輯，包括畫(huà)面、報(bào)表、數(shù)據(jù)庫(kù)等的編輯，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的管理、維護(hù)與升級(jí)。
2.5.13仿真培訓(xùn)；
上位機(jī)系統(tǒng)可具備培訓(xùn)仿真功能，使用戶技術(shù)人員能夠全面掌握系統(tǒng)功能及原理。
三、關(guān)鍵技術(shù)的使用
3.1 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
隨著制造業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化中分散化結(jié)構(gòu)的迅速增長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用日益廣泛，現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)了數(shù)字和模擬輸入/輸出模塊、智能信號(hào)裝置和過(guò)程調(diào)節(jié)裝置與可編程邏輯控制（PLC）和PC之間的數(shù)據(jù)傳輸，把I/O通道分散到實(shí)際需要的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附近，從而使整個(gè)系統(tǒng)的工程費(fèi)用、裝配費(fèi)用、硬件成本、設(shè)備調(diào)試和維修成本減少到最少。PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線滿足了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可存取性的重要要求，一方面它覆蓋了傳感器/執(zhí)行器領(lǐng)域的通信需求，另一方面又具有單元級(jí)領(lǐng)域的所有網(wǎng)絡(luò)通信功能。
在寶壇一、二級(jí)站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中各控制單元之間通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線連接。裝有CP5611網(wǎng)卡的上位機(jī)作主站，各控制單元以PROFIBUS-DP從站的方式接入上位機(jī)
編程時(shí)，首先要配置CP5611網(wǎng)卡。像配置S7-300站一樣將其組態(tài)為PROFIBUS主站（DP-MASTER），將其下載到硬件中。WinCC側(cè)的組態(tài)，在WinCC程序中添加PROFIBUS-DP協(xié)議，并設(shè)置其系統(tǒng)參數(shù)。在DP連接協(xié)議下添加新的連接及變量即可。
3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)軟件Sybase
數(shù)據(jù)庫(kù)軟件采用了Sybase公司的Sybase服務(wù)器軟件，利用Sybase數(shù)據(jù)庫(kù)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)引擎，確保各個(gè)電站子控制系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)和操作、報(bào)警記錄的迅速而準(zhǔn)確的記錄，同時(shí)保證各個(gè)電站子控制系統(tǒng)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的報(bào)表統(tǒng)計(jì)、查詢等功能的實(shí)現(xiàn)。并為將來(lái)和MIS系統(tǒng)的連接作好預(yù)留手段。
3.3 S7-200與PMAC通訊
系統(tǒng)采用的S7-200系列226CPU模塊上具有兩個(gè)可編程的自由通訊口， PMAC采用標(biāo)準(zhǔn)的485通訊方式，支持PROFIBUS通訊協(xié)議。我們將PMAC的485+極接入CPU一個(gè)通訊口的3腳，485-極接入8腳，用STEP 7-Micro/WIN軟件對(duì)通訊口進(jìn)行編程。
編程時(shí)在項(xiàng)目文件中創(chuàng)建一個(gè)子程序，如下圖中的“pmac_com”,程序的具體語(yǔ)句如下圖。
圖中語(yǔ)句將該通訊口定義為PROFIBUS通訊方式，這樣只需要在主程序main中調(diào)用該子程序，即可實(shí)現(xiàn)PLC與PMAC的通訊。
四、結(jié)束語(yǔ)
寶壇一、二級(jí)站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工程的實(shí)施及成功完成，有效的提高了電站綜合自動(dòng)化水平，方便了對(duì)電站生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)，為實(shí)現(xiàn)電站的“少人職守”創(chuàng)造了有利的條件。
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