摘要 介紹了西門子S7-300系列CPU 315¬-2DP和CPU 313C¬-2DP的PLC控制系統在五強溪電廠泄洪系統集中控制系統改造中的應用，探討基于SIMATIC WinCC的人機界面系統。 關鍵詞 五強溪電廠 集控 WinCC 人機界面 上位機 　　 0 引言 1998年，五強溪水電廠對泄洪弧門集中控制系統進行過改造，完成了集中控制系統與現地9個表孔的通信聯網，實現了對現地表孔啟閉機的集中控制。泄洪弧門集中控制系統原采用西門子S5-135U的PLC控制系統，在設計上通過L2網與9個表孔、中央控制室OP35操作面板實現聯網，以實現對現地表孔的啟閉控制。當時由于中、底孔啟閉機采用常規繼電器控制，并沒有對中、底孔的集中控制進行改造。 表孔弧門集中控制系統在改造完畢投入運行不久，程序方面出現故障，造成與現地設備的通信聯網中斷，無法實現對表孔弧門啟閉機的集中控制，至今無法正常投運。 　　 1 項目改造PLC硬件系統概述 為了確保泄洪弧門的正常運行，真正實現“無人值班”（少人值守）的自動化控制體系，五強溪水電廠自2000年始，對泄洪系統進行了集中控制改造的系列工作。 　　 1.1 中孔和底孔閘門系統 2000年將中、底孔啟閉機的常規繼電器控制模式改造成PLC S7-300+電阻器調速控制，電機轉子繞組串電阻四級啟動。 PLC控制系統采用核心CPU 315¬-2DP，48K字節RAM，集成具有用于數據通信的分散式外設PROFIBUS-DP主/從接口和用于編程器上裝程序的多點MPI接口，PLC的I/O接口為2通道模擬量輸入模塊SM331，32點數字量輸入模塊SM321，8點數字量輸出模塊SM322。PLC控制系統DI、DO模塊實現中、底孔弧門的啟門、閉門的自動控制，并對啟、閉門過程中出現的故障進行監控。此外通過模擬量輸入AI模塊SM331處理閘門開度傳感器轉變的模擬量輸入信號，模擬量輸入模塊采用四線制4-20mA電流輸入。 　　 1.2 表孔閘門系統 2003年始，開始對表孔S5-135U的PLC控制系統改造成PLC S7-300控制系統，同時將SL16-01絕對式編碼器改造成帶SSI接口的絕對型多轉輸出編碼器，編碼器可以達到25位（213＊212）串行數據輸出，即閘門的位置參數對應編碼器上固定的某點。 PLC控制系統采用核心CPU 313C¬-2DP，32K字節RAM，集成具有用于數據通信的分散式外設PROFIBUS-DP主/從接口和用于編程器上裝程序的多點MPI接口，PLC的I/O接口為8通道模擬量輸入模塊SM331，4通道模擬量輸出模塊SM332，32點數字量輸入模塊SM321，32點和8點數字量輸出模塊SM322，3通道位置輸入模塊SM338（POS-INPUT）。 PLC控制系統DI、DO模塊實現表孔弧門啟門、閉門的自動控制，并對啟、閉門過程中出現的故障進行監控，同時通過模擬量輸入AI模塊SM331處理開、關門時液壓系統油缸無桿腔和有桿腔的油壓模擬量輸入信號，以供上位機監控液壓系統運行情況。SM338（POS-INPUT）內集成有閉環控制功能模塊PID控制器，通過SSI接口將絕對型多轉輸出編碼器輸出的閘門左右側位置信號進行計算處理，并通過模擬量輸出AO模塊SM332將閘門實際位置以及閘門左右側位置偏差傳輸至閘門位置和閘門偏差的顯示儀表，同時AO模塊SM332將處理的位置信號輸出到VICKERS的P1、P2兩塊功率放大板，功放板根據閘門左右側位置信號，輸出相應的0-10VDC電壓信號，從而到達控制相應油缸的電磁比例閥閥芯位置，用以實現閘門左右油缸的同步運行。VICKERS功放板輸出電壓值的整定主要是通過調節死區補償電位器，輔調節增益電位器，微調節閥芯加速/減速電位器。 　　 1.3 集控計算機功能描述 集控上位機在此次集控改造系統中所起的作用主要如下： （1） 數據采集 接收各現地控制單元發送的有關數據并存入數據庫，用于顯示器畫面更新、控制調節、記錄檢索、操作指導及故障記錄分析。故障報警信號優先傳送，并登錄故障發生的時間。 　　 （2） 數據處理 　　• 數據變碼、校驗傳遞誤差、誤碼分析及數據傳輸誤差控制； 　　• 生成各種數據庫，供顯示、刷新、打印、檢索使用； 　　• 事件順序記錄，及時處理生產過程中發生的每一個事件，記錄每個事件發生的時間和事件性質，事件包括正常操作和故障； 　　• 將相關數據送至電站計算機監控系統以及水情自動測報系統。 　　 （3）運行監視、控制和調節 水工樓集中控制室設置1臺21′LCD顯示器，用于監視各表孔弧門液壓啟閉機和中、底孔設備的運行工況。運行操作人員能通過上位機，對閘門開度和啟閉機進行控制和監視。主要內容如下： 　　•閘門啟閉控制，可編程設定； 　　•閘門開度整定值和限值的設定； 　　•圖形、表格、參數限值、報警信息、狀態量變化等畫面和表格的選擇與調用； 　　•在主控制級進行操作時，在屏幕上可顯示整個操作過程中的每一個步驟和執行情況。 　　 （4） 記錄、報告、統計制表 對所有監控對象的操作、報警事件及實時參數報表等進行記錄，對故障信號進行事件順序記錄，并能在LCD上顯示，打印機上按預定表格打印出來。打印記錄分為定時打印、事件故障打印、操作及參數修改記錄打印、工作日程修改打印、越限打印、維修報告記錄及召喚打印記錄等工作方式。 　　 記錄、報告的內容包括： 　　• 操作事件記錄：自動順序記錄所有的操作過程，包括操作對象、操作指令、操作開始時間、執行過程、執行結果及操作完成的時間、操作員的姓名等。 　　•報警事件記錄：自動將各種報警事件按時間順序記錄其發生的時間、內容和項目，生成報警事件匯總表。 　　• 歷史數據記錄 　　 （5） 通信控制 與各現地控制單元通信，向各現地控制單元發送指令，并接受現地控制單元上送的各種信息。 　　 （6） 系統自診斷 系統設備硬件故障診斷包括對計算機、外圍設備、通信接口、通道等的運行情況進行在線和離線診斷，故障點可診斷到各模板。在系統進行在線診斷時，不應影響計算機系統對各設備的監控功能。 公司CP5611網卡，通過表孔各現地站已有的PROFIBUS總線電纜與9個表孔現地站PLC CPU 313C¬-2DP聯網通信，監控和操作控制各表孔弧門運行。并從#1表孔向中孔和底孔敷設一條PROFIBUS電纜，把底孔和中孔的PLC CPU 315¬-2DP通信口與監控計算機連接，加入網絡中，用以監控和操作控制中孔和底孔弧門的運行。 同時，電廠中控室與泄洪閘門集控系統之間，除了通過PROFIBUS-DP總線電纜從表孔#1弧門的RS485-Repeater（中繼器）與9個表孔、5個底孔和1個中孔工作站進行通信聯網，并能對泄洪閘門系統進行監控和操作。此外，從水工樓上位機到電廠中控室之間，還敷設了通信光纜，建立了工業以太網，用以系統數據資源的共享。 　　 2 項目改造軟件系統概述 　　 2.1 監控軟件 監控軟件采用西門子公司先進的人機界面系統SIMATIC WinCC，WinCC 是在 Windows 操作系統下運行的基于 PC 的人機界面系統。WinCC 提供廣泛的特性以用于實現自動化解決方案，比如：通過冗余技術保證過程控制的可靠性與數據完整性；基本系統組態包括滿足事件信號發送，測量數據歸檔，所有過程與組態數據記錄，用戶管理和可視化等工業需求的功能。 該系統與其他 SIMATIC 元件共同提供附加的功能，如過程診斷與維護。當組態這些功能時，所有的 SIMATIC 工程工具都可以相互作用。WinCC 提供許多其功能允許為相關應用進行單獨組態的編輯器與接口，如WinCC Explorer用于快速存取所有項目數據和中央設定值的中央項目管理；圖形編輯器圖形系統用于通過像素圖形對象的可自由設計可視化與操作，其所有的性能是動態的等。 集控計算機通過WinCC人機界面系統的圖形編輯器，在上位機設計模擬泄洪閘門系統畫面，WinCC CS（Configuration Software）和RS（Runtime Software）根據現地工作站PLC I/O地址分配，于上位機模擬系統畫面分配相應操作鍵的對應地址，通過PROFIBUS-DP總線用以實現上位機對現地工作站的監測和控制功能。 　　 2.2 工具軟件 PLC標準工具軟件是STEP7可編程序控制器標準軟件，它的主要功能是： 　　• 對系統硬件配置進行組態和參數設置。例如，S7-300的I/O模板的地址分配，完全用STEP 7來進行自由組態的，既不依賴于槽位，板上也沒有硬件跳線開關； 　　• 編程，使用的編程語言有語句表（STL），梯形圖（LAD）和功能塊圖（FBD）。可以離線編程，以及在線修改程序； 　　• 進行文件和建檔處理，生成符號地址表及程序的交叉地址表；在調試程序中實現操作和診斷，進行程序測試和維護功能；對通信進行定義及設置參數。 STEP7是一種模塊化編程的軟件。它將所有用戶編寫的程序和程序所需的數據放置在模塊中。在一個模塊內，在塊與塊之間，有進行子程序調用的功能，這樣使用戶程序結構化成為可能。這將顯著增加PLC程序的組織透明性、可理解性和易維護性。 五強溪水電廠泄洪閘門PLC控制系統綜合STEP7工具軟件的梯形圖、語句表和功能塊圖來實現閘門系統的控制功能要求，并建立DB10數據塊，用以上位機的遠程監測和控制。 　　 3 結束語 2005年五強溪水電廠對泄洪系統進行了全面的更新改造，改造除了將原有PLC S5控制系統改造成PLC S7-300外，還針對表孔弧門開度儀傳感器的低分辨率問題進行了技術改進。在集中控制技術上首次采用透明度及組態功能強大的SIMATIC WinCC人機界面系統，并將此集控系統接入五凌公司水情梯調自動測報系統，為公司實現梯級調度提供了技術支持。本次系統改造自4月20日投入運行，從2005年汛期系統運行檢測分析，運行工況穩定性達到設計要求。