西门子PLC及配电产品在电站控制系统中的应用

作者：陆劲松夏建华
供稿：米尔自动化网
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发布时间：2012-02-22

一、引言

电站二次自动控制系统根据其功能通常划分为以下几类产品：监控系统、调速器、保护装置、励磁装置和配电控制系统。其中监控系统和配电系统一般由通用元器件，如断路器、刀闸、PLC、人机界面产品及网络设备等组成。由于采用通用元器件，控制方案和器件的选择就显得尤为重要。

二、电站自动控制系统的特点

根据电厂生产的实际情况，其自动控制系统具有以下特点：

1)设备的可靠性要求高。一方面，根据电厂容量的不同，一台机组非计划停机将带来几万到几十万元不等的损失，另一方面，不可靠的设备也是潜在的事故源，可能造成更大的损失。

2)具有较高自动化程度。电力系统部颁规定要求水电厂具备“无人值班（少人值守）”条件。一个中型电站，日常运行管理人员正常配备在三人以下，设备的自动化程度就显得至关重要。

3)控制工艺相对复杂，所采集数据点（模拟量、开关量、温度量）较多，控制对象多种多样，如断路器、刀闸、水，油泵、风机、阀门、闸门等。

4)通信处理相对复杂。由于电站所采用的设备供货商较多，通信方式五花八门，常见的有以太网通信、串行口通信，相关的协议包括电力调度规约(101、103等)、MODBUS协议、Profibus协议、智能仪表自定义协议、UNIX通信协议等。如何采用多种通信接口与采用各种通信协议的设备通信，是实现全厂自动化的重要保证。

三、西门子解决方案及典型项目简介

1．西门子产品的特点

西门子全集成自动化解决方案能够很好地满足电站控制系统的要求，西门子产品具有以下特色：

1)产品结构简单，分类清晰，用户易于整体把握。

2)西门子产品线十分丰富，能提供从现场级到管理级的各种解决方案。

3)产品可靠性高，硬件故障率低，控制器、网络及软件冗余技术进一步提高了可靠性。

4)硬软件产品具有良好的开放性，具备多种通讯接口，用户也可以通过灵活的编程方式实现与其他系统的接口。

5)软件开发工具成熟且易于使用，WinCC、SIMATIC NET、PROTOOL、STEP7、MICROWIN和LOGO SOFT COMFORT等软件为快速开发和维护提供了保证。

2．典型项目介绍

葛洲坝大江冲砂闸是葛洲坝电厂的重要组成部分，担负着葛洲坝水利枢纽汛期泄洪和航道冲砂等重要作用。我们所采用的控制系统由大江冲砂闸9孔弧门启闭机控制系统、大江400V变电系统组成。改造后的控制系统由现地控制单元、网络及上位机管理层组成。技术要求如下：

1)系统要求能够24h连续运行，平均无故障时间大于10 000h。

2)弧门开度控制精度小于0.05m，显示开度值精确到O.Olm。

3)控制网络采用分层分布式结构，由管理层和现地控制层组成。

4)控制网络设计要求能够接入已改造的二江泄水闸控制系统和未来的三江冲砂闸控制系统。

5)现地控制层采用符合国际标准的开放式现场总线。

6)系统响应时间和系统符合达到国家相关标准。

7)系统具有良好的抗干扰能力和防雷击能力。

经过项目考察及与同类型产品分析比较，我们采用了西门子整体解决方案，网络层分别采用工业以太网和PROFIBUSDP总线，控制器采用西门子S7系列控制器，弧门开度采集采用SM338编码器模块实现开度的精确采集，电量采集采用具备PROFIBUS DP接口的西门子SIMEASP交流采样装置。

低压配电系统选用西门子3VF和3WN系列产品，该产品具有理想的电气寿命和机械寿命，其绝缘水平和分断能力均能满足现场要求。

3．该项目采用的西门子产品

1)西门子工控机。

2) OP7人机界面。

3) MP270人机界面。

4) WinCC组态软件。

5) ESM工业以太网交换机。

6) PROFIBUS网络电缆、中继器和终端元件。

7) s7-400可编程控制器。

8) s7-300可编程控制器。

9) SIMES P电量采集装置（DP接口）。

10) 3VF空气开关。

11) 3WN6断路器。

系统网络图见附图1。

四、应用分析

通常闸门开度采集采用模拟量采集4～20mA信号，根据该项目的特点，我们采用具备同步串行接口( SSI)的P+F绝对型编码器，SM338模块采集，大大提高了采集的精度和稳定性。但在应用中应该注意编码器信号电缆采用专用屏蔽电缆，否则在电机起动瞬间SM338模块可能会受到干扰而报错。

电量采集装置可以实时采集电流、电压、功率、频率和功率因素等信号，但普通的电量采集装置采用自定义协议通信方式，组网成本较高且通信速率较低。该项目采用具有PROFIBUS DP接口的装置，有效提高了通信速率，保证了数据的可靠传输。

在坝面组网应该特别注意到网络雷击的可能，由于大坝是电站的最高水工建筑，易于诱发雷击。有类似的系统在运行初期曾经因为雷击而导致网络WinCC给安全运行PLC患。因此在此类网络设计时应该特别注意网络防雷措施。

该方案的选择体现了控制系统先进性和可靠性，由于采用了标准的通信协议，组网；作量大大减少，西门子人机界面产品（操作面板、WinCC）等能够与PLC无缝连接，j需要为接口数据的定义大费苦心。

软件设计是系统设计的核心，怎样快速搭建一个系统以及如何实现模块化设计，保{的延续性和可移植性，也是一个重要的问题。针对西门子控制系统在电站控制系统中的f人员将数据区进行有效规划，将控制功能模块化和参数化，PLC程序设计了功率调节模块、事件记录模块、SOE模块、控制接口模块、各种流程执行模块等。通过这些工作，针对同类或j工程就不再进行重复开发，仅仅需要输入标准工程进行二次组态即可。而所有这一切，；想的软件开发平台作支持。西门子软件的强大满足了这一要求，设计者通过学习和应用这些软件也将深深体会到西门子软件的灵活性。

该系统于2005年5月一次投运成功，现已经受了汛期严峻考验，闸门调度成功率达到100%。