西門子PLC及配電產(chǎn)品在電站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
一、引言
電站二次自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)其功能通常劃分為以下幾類產(chǎn)品：監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)速器、保護(hù)裝置、勵(lì)磁裝置和配電控制系統(tǒng)。其中監(jiān)控系統(tǒng)和配電系統(tǒng)一般由通用元器件，如斷路器、刀閘、PLC、人機(jī)界面產(chǎn)品及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。由于采用通用元器件，控制方案和器件的選擇就顯得尤為重要。
二、電站自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
根據(jù)電廠生產(chǎn)的實(shí)際情況，其自動(dòng)控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
1)設(shè)備的可靠性要求高。一方面，根據(jù)電廠容量的不同，一臺(tái)機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)將帶來幾萬到幾十萬元不等的損失，另一方面，不可靠的設(shè)備也是潛在的事故源，可能造成更大的損失。
2)具有較高自動(dòng)化程度。電力系統(tǒng)部頒規(guī)定要求水電廠具備“無人值班（少人值守）”條件。一個(gè)中型電站，日常運(yùn)行管理人員正常配備在三人以下，設(shè)備的自動(dòng)化程度就顯得至關(guān)重要。
3)控制工藝相對(duì)復(fù)雜，所采集數(shù)據(jù)點(diǎn)（模擬量、開關(guān)量、溫度量）較多，控制對(duì)象多種多樣，如斷路器、刀閘、水，油泵、風(fēng)機(jī)、閥門、閘門等。
4)通信處理相對(duì)復(fù)雜。由于電站所采用的設(shè)備供貨商較多，通信方式五花八門，常見的有以太網(wǎng)通信、串行口通信，相關(guān)的協(xié)議包括電力調(diào)度規(guī)約(101、103等)、MODBUS協(xié)議、Profibus協(xié)議、智能儀表自定義協(xié)議、UNIX通信協(xié)議等。如何采用多種通信接口與采用各種通信協(xié)議的設(shè)備通信，是實(shí)現(xiàn)全廠自動(dòng)化的重要保證。
三、西門子解決方案及典型項(xiàng)目簡(jiǎn)介
1．西門子產(chǎn)品的特點(diǎn)
西門子全集成自動(dòng)化解決方案能夠很好地滿足電站控制系統(tǒng)的要求，西門子產(chǎn)品具有以下特色：
1)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分類清晰，用戶易于整體把握。
2)西門子產(chǎn)品線十分豐富，能提供從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到管理級(jí)的各種解決方案。
3)產(chǎn)品可靠性高，硬件故障率低，控制器、網(wǎng)絡(luò)及軟件冗余技術(shù)進(jìn)一步提高了可靠性。
4)硬軟件產(chǎn)品具有良好的開放性，具備多種通訊接口，用戶也可以通過靈活的編程方式實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的接口。
5)軟件開發(fā)工具成熟且易于使用，WinCC、SIMATIC NET、PROTOOL、STEP7、MICROWIN和LOGO SOFT COMFORT等軟件為快速開發(fā)和維護(hù)提供了保證。
2．典型項(xiàng)目介紹
葛洲壩大江沖砂閘是葛洲壩電廠的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著葛洲壩水利樞紐汛期泄洪和航道沖砂等重要作用。我們所采用的控制系統(tǒng)由大江沖砂閘9孔弧門啟閉機(jī)控制系統(tǒng)、大江400V變電系統(tǒng)組成。改造后的控制系統(tǒng)由現(xiàn)地控制單元、網(wǎng)絡(luò)及上位機(jī)管理層組成。技術(shù)要求如下：
1)系統(tǒng)要求能夠24h連續(xù)運(yùn)行，平均無故障時(shí)間大于10 000h。
2)弧門開度控制精度小于0.05m，顯示開度值精確到O.Olm。
3)控制網(wǎng)絡(luò)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由管理層和現(xiàn)地控制層組成。
4)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求能夠接入已改造的二江泄水閘控制系統(tǒng)和未來的三江沖砂閘控制系統(tǒng)。
5)現(xiàn)地控制層采用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的開放式現(xiàn)場(chǎng)總線。
6)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和系統(tǒng)符合達(dá)到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
7)系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力和防雷擊能力。
經(jīng)過項(xiàng)目考察及與同類型產(chǎn)品分析比較，我們采用了西門子整體解決方案，網(wǎng)絡(luò)層分別采用工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUSDP總線，控制器采用西門子S7系列控制器，弧門開度采集采用SM338編碼器模塊實(shí)現(xiàn)開度的精確采集，電量采集采用具備PROFIBUS DP接口的西門子SIMEASP交流采樣裝置。
低壓配電系統(tǒng)選用西門子3VF和3WN系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有理想的電氣壽命和機(jī)械壽命，其絕緣水平和分?jǐn)嗄芰軡M足現(xiàn)場(chǎng)要求。
3．該項(xiàng)目采用的西門子產(chǎn)品
1)西門子工控機(jī)。
2) OP7人機(jī)界面。
3) MP270人機(jī)界面。
4) WinCC組態(tài)軟件。
5) ESM工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。
6) PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)電纜、中繼器和終端元件。
7) s7-400可編程控制器。
8) s7-300可編程控制器。
9) SIMES P電量采集裝置（DP接口）。
10) 3VF空氣開關(guān)。
11) 3WN6斷路器。
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖見附圖1。
四、應(yīng)用分析
通常閘門開度采集采用模擬量采集4～20mA信號(hào)，根據(jù)該項(xiàng)目的特點(diǎn)，我們采用具備同步串行接口( SSI)的P+F絕對(duì)型編碼器，SM338模塊采集，大大提高了采集的精度和穩(wěn)定性。但在應(yīng)用中應(yīng)該注意編碼器信號(hào)電纜采用專用屏蔽電纜，否則在電機(jī)起動(dòng)瞬間SM338模塊可能會(huì)受到干擾而報(bào)錯(cuò)。
電量采集裝置可以實(shí)時(shí)采集電流、電壓、功率、頻率和功率因素等信號(hào)，但普通的電量采集裝置采用自定義協(xié)議通信方式，組網(wǎng)成本較高且通信速率較低。該項(xiàng)目采用具有PROFIBUS DP接口的裝置，有效提高了通信速率，保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
在壩面組網(wǎng)應(yīng)該特別注意到網(wǎng)絡(luò)雷擊的可能，由于大壩是電站的最高水工建筑，易于誘發(fā)雷擊。有類似的系統(tǒng)在運(yùn)行初期曾經(jīng)因?yàn)槔讚舳鴮?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)WinCC給安全運(yùn)行PLC患。因此在此類網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該特別注意網(wǎng)絡(luò)防雷措施。
該方案的選擇體現(xiàn)了控制系統(tǒng)先進(jìn)性和可靠性，由于采用了標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，組網(wǎng)；作量大大減少，西門子人機(jī)界面產(chǎn)品（操作面板、WinCC）等能夠與PLC無縫連接，j需要為接口數(shù)據(jù)的定義大費(fèi)苦心。
軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，怎樣快速搭建一個(gè)系統(tǒng)以及如何實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，保{的延續(xù)性和可移植性，也是一個(gè)重要的問題。針對(duì)西門子控制系統(tǒng)在電站控制系統(tǒng)中的f人員將數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行有效規(guī)劃，將控制功能模塊化和參數(shù)化，PLC程序設(shè)計(jì)了功率調(diào)節(jié)模塊、事件記錄模塊、SOE模塊、控制接口模塊、各種流程執(zhí)行模塊等。通過這些工作，針對(duì)同類或j工程就不再進(jìn)行重復(fù)開發(fā)，僅僅需要輸入標(biāo)準(zhǔn)工程進(jìn)行二次組態(tài)即可。而所有這一切，；想的軟件開發(fā)平臺(tái)作支持。西門子軟件的強(qiáng)大滿足了這一要求，設(shè)計(jì)者通過學(xué)習(xí)和應(yīng)用這些軟件也將深深體會(huì)到西門子軟件的靈活性。
該系統(tǒng)于2005年5月一次投運(yùn)成功，現(xiàn)已經(jīng)受了汛期嚴(yán)峻考驗(yàn)，閘門調(diào)度成功率達(dá)到100%。
五、結(jié)束語
隨著西門子公司不斷推出新的工控產(chǎn)品和理念，給自控領(lǐng)域注入了活力，也給用戶和設(shè)計(jì)者帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。相信在電站控制領(lǐng)域，也將會(huì)有更多的用戶認(rèn)同西門子產(chǎn)品，喜歡西門子產(chǎn)品，與西門子共舞！
電站二次自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)其功能通常劃分為以下幾類產(chǎn)品：監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)速器、保護(hù)裝置、勵(lì)磁裝置和配電控制系統(tǒng)。其中監(jiān)控系統(tǒng)和配電系統(tǒng)一般由通用元器件，如斷路器、刀閘、PLC、人機(jī)界面產(chǎn)品及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。由于采用通用元器件，控制方案和器件的選擇就顯得尤為重要。
二、電站自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
根據(jù)電廠生產(chǎn)的實(shí)際情況，其自動(dòng)控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
1)設(shè)備的可靠性要求高。一方面，根據(jù)電廠容量的不同，一臺(tái)機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)將帶來幾萬到幾十萬元不等的損失，另一方面，不可靠的設(shè)備也是潛在的事故源，可能造成更大的損失。
2)具有較高自動(dòng)化程度。電力系統(tǒng)部頒規(guī)定要求水電廠具備“無人值班（少人值守）”條件。一個(gè)中型電站，日常運(yùn)行管理人員正常配備在三人以下，設(shè)備的自動(dòng)化程度就顯得至關(guān)重要。
3)控制工藝相對(duì)復(fù)雜，所采集數(shù)據(jù)點(diǎn)（模擬量、開關(guān)量、溫度量）較多，控制對(duì)象多種多樣，如斷路器、刀閘、水，油泵、風(fēng)機(jī)、閥門、閘門等。
4)通信處理相對(duì)復(fù)雜。由于電站所采用的設(shè)備供貨商較多，通信方式五花八門，常見的有以太網(wǎng)通信、串行口通信，相關(guān)的協(xié)議包括電力調(diào)度規(guī)約(101、103等)、MODBUS協(xié)議、Profibus協(xié)議、智能儀表自定義協(xié)議、UNIX通信協(xié)議等。如何采用多種通信接口與采用各種通信協(xié)議的設(shè)備通信，是實(shí)現(xiàn)全廠自動(dòng)化的重要保證。
三、西門子解決方案及典型項(xiàng)目簡(jiǎn)介
1．西門子產(chǎn)品的特點(diǎn)
西門子全集成自動(dòng)化解決方案能夠很好地滿足電站控制系統(tǒng)的要求，西門子產(chǎn)品具有以下特色：
1)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分類清晰，用戶易于整體把握。
2)西門子產(chǎn)品線十分豐富，能提供從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到管理級(jí)的各種解決方案。
3)產(chǎn)品可靠性高，硬件故障率低，控制器、網(wǎng)絡(luò)及軟件冗余技術(shù)進(jìn)一步提高了可靠性。
4)硬軟件產(chǎn)品具有良好的開放性，具備多種通訊接口，用戶也可以通過靈活的編程方式實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的接口。
5)軟件開發(fā)工具成熟且易于使用，WinCC、SIMATIC NET、PROTOOL、STEP7、MICROWIN和LOGO SOFT COMFORT等軟件為快速開發(fā)和維護(hù)提供了保證。
2．典型項(xiàng)目介紹
葛洲壩大江沖砂閘是葛洲壩電廠的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著葛洲壩水利樞紐汛期泄洪和航道沖砂等重要作用。我們所采用的控制系統(tǒng)由大江沖砂閘9孔弧門啟閉機(jī)控制系統(tǒng)、大江400V變電系統(tǒng)組成。改造后的控制系統(tǒng)由現(xiàn)地控制單元、網(wǎng)絡(luò)及上位機(jī)管理層組成。技術(shù)要求如下：
1)系統(tǒng)要求能夠24h連續(xù)運(yùn)行，平均無故障時(shí)間大于10 000h。
2)弧門開度控制精度小于0.05m，顯示開度值精確到O.Olm。
3)控制網(wǎng)絡(luò)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由管理層和現(xiàn)地控制層組成。
4)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求能夠接入已改造的二江泄水閘控制系統(tǒng)和未來的三江沖砂閘控制系統(tǒng)。
5)現(xiàn)地控制層采用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的開放式現(xiàn)場(chǎng)總線。
6)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和系統(tǒng)符合達(dá)到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
7)系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力和防雷擊能力。
經(jīng)過項(xiàng)目考察及與同類型產(chǎn)品分析比較，我們采用了西門子整體解決方案，網(wǎng)絡(luò)層分別采用工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUSDP總線，控制器采用西門子S7系列控制器，弧門開度采集采用SM338編碼器模塊實(shí)現(xiàn)開度的精確采集，電量采集采用具備PROFIBUS DP接口的西門子SIMEASP交流采樣裝置。
低壓配電系統(tǒng)選用西門子3VF和3WN系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有理想的電氣壽命和機(jī)械壽命，其絕緣水平和分?jǐn)嗄芰軡M足現(xiàn)場(chǎng)要求。
3．該項(xiàng)目采用的西門子產(chǎn)品
1)西門子工控機(jī)。
2) OP7人機(jī)界面。
3) MP270人機(jī)界面。
4) WinCC組態(tài)軟件。
5) ESM工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。
6) PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)電纜、中繼器和終端元件。
7) s7-400可編程控制器。
8) s7-300可編程控制器。
9) SIMES P電量采集裝置（DP接口）。
10) 3VF空氣開關(guān)。
11) 3WN6斷路器。
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖見附圖1。
四、應(yīng)用分析
通常閘門開度采集采用模擬量采集4～20mA信號(hào)，根據(jù)該項(xiàng)目的特點(diǎn)，我們采用具備同步串行接口( SSI)的P+F絕對(duì)型編碼器，SM338模塊采集，大大提高了采集的精度和穩(wěn)定性。但在應(yīng)用中應(yīng)該注意編碼器信號(hào)電纜采用專用屏蔽電纜，否則在電機(jī)起動(dòng)瞬間SM338模塊可能會(huì)受到干擾而報(bào)錯(cuò)。
電量采集裝置可以實(shí)時(shí)采集電流、電壓、功率、頻率和功率因素等信號(hào)，但普通的電量采集裝置采用自定義協(xié)議通信方式，組網(wǎng)成本較高且通信速率較低。該項(xiàng)目采用具有PROFIBUS DP接口的裝置，有效提高了通信速率，保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
在壩面組網(wǎng)應(yīng)該特別注意到網(wǎng)絡(luò)雷擊的可能，由于大壩是電站的最高水工建筑，易于誘發(fā)雷擊。有類似的系統(tǒng)在運(yùn)行初期曾經(jīng)因?yàn)槔讚舳鴮?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)WinCC給安全運(yùn)行PLC患。因此在此類網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該特別注意網(wǎng)絡(luò)防雷措施。
該方案的選擇體現(xiàn)了控制系統(tǒng)先進(jìn)性和可靠性，由于采用了標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，組網(wǎng)；作量大大減少，西門子人機(jī)界面產(chǎn)品（操作面板、WinCC）等能夠與PLC無縫連接，j需要為接口數(shù)據(jù)的定義大費(fèi)苦心。
軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，怎樣快速搭建一個(gè)系統(tǒng)以及如何實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，保{的延續(xù)性和可移植性，也是一個(gè)重要的問題。針對(duì)西門子控制系統(tǒng)在電站控制系統(tǒng)中的f人員將數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行有效規(guī)劃，將控制功能模塊化和參數(shù)化，PLC程序設(shè)計(jì)了功率調(diào)節(jié)模塊、事件記錄模塊、SOE模塊、控制接口模塊、各種流程執(zhí)行模塊等。通過這些工作，針對(duì)同類或j工程就不再進(jìn)行重復(fù)開發(fā)，僅僅需要輸入標(biāo)準(zhǔn)工程進(jìn)行二次組態(tài)即可。而所有這一切，；想的軟件開發(fā)平臺(tái)作支持。西門子軟件的強(qiáng)大滿足了這一要求，設(shè)計(jì)者通過學(xué)習(xí)和應(yīng)用這些軟件也將深深體會(huì)到西門子軟件的靈活性。
該系統(tǒng)于2005年5月一次投運(yùn)成功，現(xiàn)已經(jīng)受了汛期嚴(yán)峻考驗(yàn)，閘門調(diào)度成功率達(dá)到100%。
五、結(jié)束語
隨著西門子公司不斷推出新的工控產(chǎn)品和理念，給自控領(lǐng)域注入了活力，也給用戶和設(shè)計(jì)者帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。相信在電站控制領(lǐng)域，也將會(huì)有更多的用戶認(rèn)同西門子產(chǎn)品，喜歡西門子產(chǎn)品，與西門子共舞！
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