1、系統(tǒng)組成與工作原理
1.1 系統(tǒng)組成
干式變壓器的溫控系統(tǒng)主要由5部分組成：傳感器、A/D模塊、PLC主機(jī)、輸入輸出模塊及人機(jī)界面等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。在控制部分，選用SIEMENS的S7-300 PLC對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行快速、可靠的處理，組態(tài)軟件為SIMATIC STEP 7；選用SIEMENS的TP270 6’觸摸式人機(jī)界面(HMI)對(duì)實(shí)時(shí)溫度值和各種故障信息進(jìn)行顯示、記錄，組態(tài)軟件為SIMATIC ProTool V6.0。HMI和PLC之間采用MPI(多點(diǎn))通訊方式，通過(guò)對(duì)HMI畫面上所設(shè)元件屬性和與PLC的數(shù)據(jù)交換地址的定義，實(shí)現(xiàn)HMI上相關(guān)元件對(duì)應(yīng)的暫存器對(duì)PLC存儲(chǔ)單元的讀寫。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖
1.2 工作原理 干式變壓器的安全運(yùn)行和使用壽命與變壓器運(yùn)行溫度的高低有著直接的關(guān)系，因此對(duì)變壓器運(yùn)行溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控十分重要。由傳感器對(duì)變壓器鐵心和繞組的溫度進(jìn)行采樣，所測(cè)溫度信號(hào)經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換后送PLC，利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)送HMI進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。在HMI上設(shè)定風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟/停溫度，PLC根據(jù)設(shè)定值，可自動(dòng)啟/停變壓器所配備的冷卻風(fēng)機(jī)，對(duì)變壓器進(jìn)行降溫。必要時(shí)還可通過(guò)觸摸HMI上按鈕，手動(dòng)啟停風(fēng)機(jī)。在HMI上設(shè)置超溫報(bào)警及超溫跳閘溫度限定值。當(dāng)變壓器繞組溫度過(guò)高，超過(guò)限定值時(shí)，PLC將輸出繞組超溫報(bào)警信號(hào)和繞組超溫跳閘信號(hào)，并在HMI上顯示出具體信息。在HMI上可進(jìn)行手動(dòng)消音，手動(dòng)跳閘操作。記錄各種報(bào)警信息及故障發(fā)生時(shí)的各相溫度值，必要時(shí)，可在HMI上輸入時(shí)間條件進(jìn)行查詢，并根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行打印。該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集處理、風(fēng)機(jī)運(yùn)行和故障報(bào)警由PLC和HMI通過(guò)編制相應(yīng)的軟件來(lái)完成。
2、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) SIMATIC ProTool是西門子公司推出的組態(tài)軟件，該軟件由2部分組成：ProTool/Lite、ProTool或ProTool CS(組態(tài)系統(tǒng))組態(tài)軟件和用于過(guò)程可視化的運(yùn)行系統(tǒng)軟件(例如ProTool/Pro RT)。2個(gè)系統(tǒng)均可以在Windows98 SE、Windows Millenium、Windows2000和Windows NT 4.0操作系統(tǒng)上運(yùn)行。該軟件具有報(bào)警記錄、報(bào)表打印、趨勢(shì)曲線等多種功能，并支持除Siemens之外的第三方制造商的通訊協(xié)議。本系統(tǒng)在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了畫面設(shè)計(jì)、通訊組態(tài)、報(bào)警設(shè)置、安全保護(hù)設(shè)計(jì)等一系列應(yīng)用開(kāi)發(fā)。
2.1 畫面設(shè)計(jì) 觸摸屏畫面設(shè)計(jì)不僅要求能實(shí)現(xiàn)所有的控制功能(輸入及顯示參數(shù)、存儲(chǔ)紀(jì)錄、報(bào)警、打印等)，而且要簡(jiǎn)單明了，易于操作人員正確的執(zhí)行操作。考慮系統(tǒng)所需監(jiān)控的過(guò)程變量和實(shí)際功能，共組態(tài)了8組畫面，下面介紹幾個(gè)基本畫面。
(1) 主畫面 設(shè)計(jì)的監(jiān)控主畫面如圖2所示。主畫面的中央是溫度的數(shù)據(jù)顯示。上半部分采用純數(shù)字方式對(duì)變壓器三相的鐵心溫度及高、低壓繞組溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；下半部分采用模擬顯示方式，突出變壓器的最高鐵心溫度和最高繞組溫度。在程序運(yùn)行時(shí)，各溫度值可動(dòng)態(tài)顯示。主畫面的右部為口令輸入域和觸摸操作區(qū)，此處各按鈕需輸入不同級(jí)別的口令方可進(jìn)入。主畫面的下部為無(wú)需權(quán)限的觸摸操作區(qū)。操作人員通過(guò)觸摸按鈕，可以切換到各監(jiān)控子畫面，進(jìn)一步掌握系統(tǒng)的工作情況，或進(jìn)行參數(shù)設(shè)定與修改。
圖2 監(jiān)控主畫面
(2) 故障記錄 每當(dāng)有報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生，都會(huì)在觸摸屏界面上彈出報(bào)警消息窗口，同時(shí)報(bào)警燈閃爍。將報(bào)警消息進(jìn)行歸檔，再創(chuàng)建一畫面組態(tài)消息視圖，就可保存并顯示系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)的所有報(bào)警消息。提示報(bào)警號(hào)，報(bào)警產(chǎn)生的日期、時(shí)間，報(bào)警產(chǎn)生的原因，以及是否確認(rèn)等信息。
(3) 數(shù)據(jù)記錄 組態(tài)事件消息并歸檔，在每次產(chǎn)生報(bào)警時(shí)，對(duì)各相的鐵心溫度和繞組溫度通過(guò)歸檔事件消息進(jìn)行記錄，以便將來(lái)查詢。
(4) 溫度實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖 實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖用于在線顯示較慢而連續(xù)的過(guò)程變量。顯示時(shí)，實(shí)時(shí)趨勢(shì)在每個(gè)時(shí)間單位(時(shí)鐘脈沖)內(nèi)一次只從PLC讀取一個(gè)趨勢(shì)值，并添加至操作單元上顯示趨勢(shì)。該程序中共組態(tài)3組實(shí)時(shí)趨勢(shì)，每組顯示一相的高壓繞組、低壓繞組及鐵心溫度3個(gè)變量的曲線，每個(gè)變量每10s讀取一次，曲線同時(shí)顯示100點(diǎn)。
(5) 參數(shù)設(shè)定 在本畫面中，操作員可以對(duì)風(fēng)機(jī)的自動(dòng)啟/停溫度，繞組超溫報(bào)警溫度和繞組超溫跳閘溫度進(jìn)行設(shè)定，調(diào)整。進(jìn)入該畫面后，若軟鍵盤10s內(nèi)無(wú)動(dòng)作，系統(tǒng)將自動(dòng)返回主畫面。
2.2 安全保護(hù)設(shè)計(jì) ProTool允許用戶使用口令來(lái)阻止其他未授權(quán)人員使用控件，從而增加系統(tǒng)的安全性。ProTool提供的口令級(jí)別從0到9?？诹罴?jí)0不需輸入口令；口令級(jí)1至8，根據(jù)功能的重要性進(jìn)行分配；如用戶分配到口令級(jí)4，則可執(zhí)行口令級(jí)0到4的功能。口令級(jí)9僅授權(quán)于系統(tǒng)管理員。針對(duì)安全管理和操作的需要，該系統(tǒng)中定義了系統(tǒng)管理員級(jí)即9級(jí)和操作員1級(jí)兩級(jí)口令。對(duì)參數(shù)設(shè)定和手動(dòng)跳閘功能需使用系統(tǒng)管理員級(jí)口令，其他操作，如消音、手動(dòng)啟/停風(fēng)機(jī)、查看歷史記錄等，也要先輸入口令進(jìn)行登陸。輸入口令，觸摸“登陸”按鈕，再觸摸其他功能按鈕，便可進(jìn)入等于或低于該口令級(jí)別的子畫面。子畫面操作完畢返回主畫面后，觸摸“退出”按鈕，則口令失效，再次進(jìn)入子畫面需重新輸入口令。若沒(méi)有觸摸“退出”按鈕，系統(tǒng)將在1min后自動(dòng)撤銷口令。
2.3 人機(jī)界面與PLC之間的通訊 西門子人機(jī)界面與PLC之間的通訊方式有3種：PPI(點(diǎn)到點(diǎn))通訊方式，MPI(多點(diǎn))通訊方式和PROFIBUSDP通訊方式。該溫控系統(tǒng)中采用MPI(多點(diǎn))通訊方式。
S7-300 PLC上有一標(biāo)準(zhǔn)化的MPI接口，它既是編程接口，又是數(shù)據(jù)通訊接口，使用S7協(xié)議(主要用于較近距離的數(shù)據(jù)通訊)。由于MPI接口是RS485結(jié)構(gòu)，PLC與人機(jī)界面之間通過(guò)RS485線相連，其傳輸速率為187.5k波特率。一個(gè)MPI網(wǎng)可以有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其地址是在S7-300硬件組態(tài)中設(shè)置的。該系統(tǒng)中人機(jī)界面的MPI地址為“1”；CPU的MPI地址為“2”。
人機(jī)界面與過(guò)程之間通過(guò)PLC利用變量進(jìn)行通訊。通常在PLC和操作單元之間交換的數(shù)據(jù)為過(guò)程數(shù)據(jù)。為此在組態(tài)中創(chuàng)建指向PLC上某個(gè)地址的變量。觸摸屏從指定的地址中讀取該數(shù)值并顯示它。同樣的，操作員可以在觸摸屏上輸入將被寫入PLC上某個(gè)地址的數(shù)據(jù)。
3、結(jié)束語(yǔ) 在110kV干式變壓器溫控系統(tǒng)中將PLC和觸摸顯示屏結(jié)合在一起，并采用PLC和觸摸屏的相應(yīng)軟件對(duì)各采樣值進(jìn)行控制、處理，在溫度的實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警等方面具有很大的優(yōu)越性。操作人員不僅能方便的觀察和掌握變壓器的實(shí)時(shí)運(yùn)行溫度，還可根據(jù)報(bào)警消息，快速的排除故障；借助歷史記錄，管理人員還可對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、查詢，為電力調(diào)度、系統(tǒng)規(guī)劃等方面提供重要的依據(jù)，大大提高運(yùn)行管理水平。
參考文獻(xiàn) 作者：王蘭，李傳信，趙厚鑫
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[3] 謝汝生，張松順，賀恩德.HMI在PLC控制系統(tǒng)中核子稱標(biāo)定過(guò)程中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2002，(6).
