MB80 PLC 在水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言
隨著水電廠“無(wú)人值班”(少人值守)工作的不斷開(kāi)展，以及電力體制的改革，對(duì)水電廠的自動(dòng)化技術(shù)提出了更高的要求。計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的飛速發(fā)展給水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)無(wú)論在結(jié)構(gòu)上還是功能上，都提供了一個(gè)廣闊的發(fā)展空間。水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)該成為一個(gè)集計(jì)算機(jī)、控制、網(wǎng)絡(luò)以及多媒體為一體的綜合系統(tǒng)。
當(dāng)前，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)一般采用全分布、開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，設(shè)電廠級(jí)和現(xiàn)地控制單元級(jí)(注:Local Control Unit，在本文中均以LCU表示),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 水電站自動(dòng)化系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)圖
LCU主要是就地對(duì)機(jī)組運(yùn)行實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制，一般布置在發(fā)電機(jī)附近，是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)較底層的控制部分。原始數(shù)據(jù)在此進(jìn)行采集，各種控制調(diào)節(jié)命令最后都在此發(fā)出，因此LCU可以是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中重要的、對(duì)可靠性要求很高的“一線”控制設(shè)備。LCU按照結(jié)構(gòu)和配置來(lái)分，可分為單板機(jī)—總線型結(jié)構(gòu)LCU、以可編程控制器為基礎(chǔ)的LCU、智能I/O模件配工業(yè)實(shí)時(shí)網(wǎng)構(gòu)成的LCU等三種，
本文以選用了功能優(yōu)越、性價(jià)比高的MB80 PLC作為電站LCU控制核心。并以此對(duì)MB80 PLC的功能特點(diǎn)和MB80 PLC在水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和應(yīng)用作一些探討。

2 MB80 PLC功能及特點(diǎn)
MB80系列PLC是南京南瑞集團(tuán)公司開(kāi)發(fā)的MB系列可編程邏輯控制器家族中的中、高檔產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用了工業(yè)控制領(lǐng)域的一系列最新成果和最新思想，生產(chǎn)過(guò)程中采用先進(jìn)電子生產(chǎn)工藝。
2.1 MP80 PLC硬件主要特點(diǎn)
(1) 主控模塊CPU MB80 CPU采用486或Pentium等高性能工業(yè)微處理器，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、運(yùn)算能力及通訊處理能力;軟件采用實(shí)時(shí)多任務(wù)的嵌入操作系統(tǒng);支持以太網(wǎng)。
(2) I/O模塊全部智能化。模塊自身具有數(shù)據(jù)處理及自診斷功能，模塊運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)能夠自動(dòng)復(fù)位并重新啟動(dòng);另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是所有I/O模件均支持熱插撥。
(3) CPU與I/O模件之間采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，通訊速率快、抗干擾能力強(qiáng)，且易于擴(kuò)展。
(4) 串口通訊功能強(qiáng)大。MB80串口通訊模件，獨(dú)立完成串口通訊任務(wù)，與CPU僅完成數(shù)據(jù)交換并單獨(dú)使用一路CAN網(wǎng)，與I/O模塊CAN網(wǎng)分離，大大減輕了CAN網(wǎng)的通訊負(fù)擔(dān)，且不占用CPU資源;該模件最大支持8個(gè)串口(RS-232/485)，每個(gè)串口均可獨(dú)立編程。
(5) 開(kāi)出模件動(dòng)作可靠，具有輸出保護(hù)功能:每組輸出都有保險(xiǎn)絲保護(hù)，過(guò)載時(shí)能夠自動(dòng)保護(hù)模塊;密碼鎖功能:每路輸出均采用密碼鎖功能，確保不會(huì)誤動(dòng)及拒動(dòng)。
(6) MB80 PLC具有靈活的配置,典型的配置一般包括:
●某一型號(hào)CPU;
●模塊插箱(最多可擴(kuò)展7個(gè));
● I/O模塊;
●電源模塊。
另可選配:
●以態(tài)網(wǎng)通訊模塊;
●串口通訊模塊;
●同期模塊;
●其它特殊功能模塊。
由以上的配置可組成:雙機(jī)雙網(wǎng)系統(tǒng)、單機(jī)雙網(wǎng)系統(tǒng)、單機(jī)單網(wǎng)系統(tǒng)。
(7) MB80 PLC可方便地與其它設(shè)備或系統(tǒng)接口
●控制對(duì)象;
●監(jiān)控軟件、上位機(jī)系統(tǒng);
●需串口通訊的智能設(shè)備;
●GPS時(shí)鐘;
●觸摸屏等人機(jī)界面。
2.2 MP80 PLC編程軟件主要特點(diǎn)
編程軟件MBPRO為MB80 PLC提供了方便、友好的編程環(huán)境。MBPRO為全中文操作菜單，符合Windows操作習(xí)慣，易學(xué)易懂。
(1) 項(xiàng)目管理采用樹(shù)型結(jié)構(gòu)，通過(guò)目錄樹(shù)可以迅速查看硬件配置，子程序及流程;
(2) 兩種編程語(yǔ)言:梯形圖和流程圖;
(3) 直觀的在線監(jiān)視功能，支持在線修改;
(4) 方便的流程在線調(diào)試功能，流程圖調(diào)試支持自動(dòng)執(zhí)行、調(diào)試執(zhí)行及單步執(zhí)行;
(5) 便捷的數(shù)據(jù)庫(kù)在線查詢功能，在線可查詢及強(qiáng)制測(cè)點(diǎn)值，可查詢SOE事件及流程報(bào)警信息;
(6) 支持中文注釋;
(7) 窗口交互編程軟件直觀方便。具體包括菜單欄、系統(tǒng)工具欄、梯形工具欄(或流程工具欄)、目錄欄、信息欄、狀態(tài)欄和編輯區(qū)，所有界面及操作均為全中文方式，簡(jiǎn)單、易學(xué)、易操作。
●菜單欄可實(shí)現(xiàn)編程軟件的主要功能。參見(jiàn)附表。
附表 菜單功能

●系統(tǒng)工具欄是把操作或編輯過(guò)程中經(jīng)常用到的一些功能以圖標(biāo)的方式放置在編輯區(qū)的上方，便于操作起來(lái)方便。它們所實(shí)現(xiàn)的功能通過(guò)菜單欄操作都可以實(shí)現(xiàn)。梯形工具欄是將菜單欄“梯形”中的部分操作和功能模塊以圖標(biāo)的形式放在編輯區(qū)的上方，便于編寫(xiě)梯形程序時(shí)使用。
●流程工具欄是將菜單欄“流程”中的部分操作和功能框以圖標(biāo)的形式放在編輯區(qū)的上方，便于編寫(xiě)流程時(shí)使用。
●目錄欄是將整個(gè)文件以樹(shù)型目錄的形式進(jìn)行管理。它分為三個(gè)部分:硬件配置、梯形圖和流程圖。
●信息欄可以查詢或修改所有基本I/O測(cè)點(diǎn)和虛擬測(cè)點(diǎn)(寄存器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變量)的信息，包括其測(cè)值及各種屬性，通過(guò)信息欄下排的按鈕可以在各種測(cè)點(diǎn)之間切換。
●狀態(tài)欄位于屏幕的最下方。狀態(tài)欄右側(cè)依次為強(qiáng)制標(biāo)記、PLC圖標(biāo)、在線/離線標(biāo)記。狀態(tài)欄左側(cè)指示系統(tǒng)工具欄和作圖工具欄的操作內(nèi)容，例如，將鼠標(biāo)指向系統(tǒng)工具欄的圖標(biāo)，狀態(tài)欄會(huì)顯示“建立新文檔”，表示鼠標(biāo)按下后執(zhí)行的操作將是建立一個(gè)新的文件。
3 控制核心LCU系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及功能
3.1 配置與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本文以MB80 PLC在四川洪壩水電站LCU的實(shí)現(xiàn)為工程背景進(jìn)行講述。該水電站位于四川省石棉縣境內(nèi)，電站裝機(jī)為二臺(tái)50MW的水輪發(fā)電機(jī)組，多年平均發(fā)電量5.088億kW·h，保證出力22.22MW。此電站選用了性價(jià)比較高的MB80 PLC作為電站現(xiàn)地控制級(jí)主控單元。LCU主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量采集(數(shù)字開(kāi)關(guān)輸入量、模擬輸入量、溫度輸入量等)、設(shè)備控制(數(shù)字開(kāi)出量等)、數(shù)據(jù)通訊(串口通訊、以太網(wǎng)通訊)、人機(jī)界面等功能。具體控制結(jié)構(gòu)如圖2:

圖 2 機(jī)組LCU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在系統(tǒng)配置中，主控單元主要由智能CPU、智能開(kāi)關(guān)量輸入輸出模件、溫度量輸入模件、模擬量輸入模件、智能通訊模件組成。
主控單元配置方案如圖3所示。

圖3 MB80 PLC配置方案圖

3.2 控制系統(tǒng)核心CPU611
該CPU自帶100Mbps以態(tài)網(wǎng)口，支持TCP/IP MODBUS協(xié)議，可與后臺(tái)計(jì)算機(jī)通訊，從而實(shí)現(xiàn)后臺(tái)對(duì)對(duì)LCU的監(jiān)控功能，它們之間的通訊選用光纜作為通訊介質(zhì)，這樣能提高系統(tǒng)的抗干擾能力和數(shù)據(jù)傳輸速度;配置高性能的32M電子硬盤(pán)，32M內(nèi)存;提供最大開(kāi)入/開(kāi)出點(diǎn)數(shù)為2048/2048，模擬量點(diǎn)數(shù)為1024點(diǎn);除了能提供位、字寄存器外，突出優(yōu)點(diǎn)是提供了變量寄存器V，在PLC編程中可以根據(jù)需要靈活地定義變量的個(gè)數(shù)(最大1024)、維數(shù)、類型等;CPU提供兩個(gè)串口，均支持MODBUS協(xié)議，在本工程中其中一個(gè)串口與觸摸屏連接，使觸摸屏可以監(jiān)視PLC采集到的數(shù)據(jù)，也能控制操作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。
3.3 為串口通訊模塊CPM418
該模塊獨(dú)立完成串口通訊任務(wù)，與CPU僅完成數(shù)據(jù)交換且單獨(dú)使用一路CAN網(wǎng)，不占用CPU資源，與I/O模塊CAN網(wǎng)分離;共有8個(gè)RS-232口，每個(gè)串口均可單獨(dú)編程，編程語(yǔ)言為C;能夠根據(jù)實(shí)際需要靈活地與其它智能設(shè)備通訊。在本工程中，串口1采用MODBUS協(xié)議與交流采集裝置通訊;串口2、3、4分別與調(diào)速器、勵(lì)磁、機(jī)組油壓裝置通訊;這樣PLC通過(guò)CPM418的各個(gè)串口獲取各個(gè)裝置的數(shù)據(jù)信息，也可以對(duì)相關(guān)裝置發(fā)控制命令。針對(duì)水電廠被控制對(duì)象分散的特點(diǎn)采用串口通訊方式將分散在現(xiàn)場(chǎng)的智能I/O、智能控制器連成一體，提高了系統(tǒng)的自治性和可靠性，節(jié)省了大量的信號(hào)電纜和控制電纜。
3.4 SOE型32點(diǎn)中斷開(kāi)入量模件IIM214
模塊每個(gè)測(cè)點(diǎn)都具有SOE事件順序記錄功能，輸入信號(hào)發(fā)生變位時(shí)能自動(dòng)交變位信息及動(dòng)作時(shí)間送至CPU，事件分辯率可達(dá)1ms，能準(zhǔn)確分辨出信號(hào)動(dòng)作的先后次序，準(zhǔn)確分析設(shè)備狀態(tài)。DIM214、DOM214分別為32點(diǎn)開(kāi)入量、開(kāi)出量模件;TIM212、AIM212分別為溫度量、模擬量輸入模件。
所有輸入模件均采用端配板，端配板與模件之間使用專用連接電纜，使連接更可靠，更簡(jiǎn)便，占用空間更少，減少了復(fù)雜的配線工作，方便維護(hù)及查找故障。

4 PLC軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)主要需完成數(shù)據(jù)處理、上位機(jī)及外部智能設(shè)備的通訊和.水輪機(jī)組及其輔助設(shè)備的控制兩大功能。對(duì)于第一項(xiàng)可以用PLC傳統(tǒng)語(yǔ)言—梯形圖編寫(xiě)，對(duì)于第二項(xiàng)，若要用梯形圖編寫(xiě)則是一項(xiàng)邏輯簡(jiǎn)單但編寫(xiě)復(fù)雜的事情，但MBPro編程軟件的流程編程語(yǔ)言則很好地解決了這一問(wèn)題:目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院或用戶提供的順序控制流程或設(shè)備操作閉鎖條件都是用梯形圖的形式來(lái)表示，MBPro編程軟件的流程編程語(yǔ)言即是基于上述情況所開(kāi)發(fā)的一種新型編程語(yǔ)言。它采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ峁┝酥庇^的、交互的編程方式來(lái)生成順序控制程序。對(duì)順序控制來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)最為自然的語(yǔ)言，只要用流程圖組態(tài)出一個(gè)控制的全過(guò)程，那么相應(yīng)的控制程序已完成。采用流程圖與梯形圖結(jié)合的編程方法則可以完成非順序控制等復(fù)雜流程。編程界面見(jiàn)圖4。

圖4 直觀的流程圖編程語(yǔ)言

5 結(jié)束語(yǔ)
該LCU控制方案已被國(guó)內(nèi)幾個(gè)中型水電廠所采用。從系統(tǒng)日常運(yùn)行情況來(lái)看，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地反映電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，能準(zhǔn)確、可靠地控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備;各項(xiàng)性能滿足水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)的要求，且該系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)便，同時(shí)也為水電廠的運(yùn)行、維護(hù)減少了工作量及生產(chǎn)成本，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化水電廠“無(wú)人值班”(少人值守)的運(yùn)行管理模式創(chuàng)造了條件。