基于S7－315的冲击发电机组控制系统研究

牛小东 ，谢晓斌 ，谢晓玲

（1.甘肃电器科学研究院，甘肃天水741018；2.甘肃省高低压电气研发检测技术重点实验室，甘肃天水741018）

1 引言

随着社会经济的快速发展，尤其是电力工业迅速发展，电网变换装置如断路器、开关等，也向大容量化、高电压化、大电流方向发展。断路器类产品的研制开发，必须通过短路试验来定型，就需要大型冲击发电机来提供这种突然短路的短路电流来进行测试。冲击发电机也称为短路试验发电机，专门用于短路试验。

按照国际电工委员会IEC标准，冲击发电机应称为短路发电机。冲击发电机的运行工况既特殊、又严酷，专门在突然短路工况下运行，短路时间很短，一般是几百毫秒内输出冲击电流，致使发电机本身绕组也要承受巨大的电动力。冲击发电机是周期性地以对称和不对称短路运行并输出尽可能大的短路电流，且在工作循环所规定的合闸时间内保持电流的衰减为最小。

在3200MVA冲击发电机的配套系统中，该机组在国内属于较大容量的冲击发电机组，它由一台2500kW的拖动电机拖动旋转。主要作为大容量试验系统的试验电源，主要检测高压交流断路器、负荷开关、交流金属封闭开关设备、高低压熔断器等产品。该机组启停、调速、励磁、保护等逻辑复杂，且非常重要，研制一套适用于该机组的控制软件很有必要。

2 冲击发电机组系统组成

2.1 冲击发电机组系统

冲击发电机组由冲击发电机、拖动电机及其辅助的油系统、水系统、励磁系统、调速系统等组成，如图1所示。

图1 冲击发电机组油系统图

2.2 控制对象

机组启动过程中需要对冲击发电机、拖动电机、油系统、水系统、励磁系统等控制，控制参数类型包括开关量、模拟量。

3 硬件设计

3.1 系统设计

系统设计遵循分布式控制系统思想，具有分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便等优点。系统由 6 台 S7－315－2PN/DP、SCALANCE X104－2构成，如图2所示。每台根据控制、监测目的而配置不同的输入输出模块。该系统有现场控制机、数据通讯系统、人机接口单元（西门子MP277）、机柜、电源等组成。系统具备开放的体系结构，可以提供多层开放数据接口。

硬件系统在恶劣的试验环境下具有高度的可靠性、维修方便、工艺先进。系统内任一组件发生故障，均不会影响整个系统的工作。系统的参数、报警、自诊断及其他管理功能高度集中，控制系统在功能和物理上真正分散，系统平均无故障时间为10万小时。

图2 冲击发电机组系统设计

3.2 硬件配置

系统采用的 S7－315－2PN/DP 由电源单元（PS）、中央处理单元（CPU）、接口模块（IM）、信号模块（SM）组成。本系统采用分布式控制的原则，根据现场控制和监控设备的具体需要对其进行配置。例如在励磁调速室，DO输出点28个、DI数字量输入点32个。

4 软件设计

4.1 主程序

系统主程序的功能是机组正常运行和安全保护控制，对发电机、拖动电机、油系统、水系统、励磁调速系统进行协调控制，以保证在满足一定的条件下，能够按照预先设定的逻辑顺序依次执行。例如主程序初始化后，首先判断机组是否符合启动条件，上次停机属于正常停机还是非正常停机，故障是否排除，只有满足启动条件才能进入下一个执行功能模块。主程序逻辑框图如图3所示。

底层软件平台采用Step7，具备强大的处理功能，有方便地组态复杂控制系统的能力和用户自主开发专用高级控制算法的支持能力。易于组态，易于使用。

图3 系统主程序逻辑框图

4.2 事件处理子程序

事件处理子程序主要处理冲击发电机组系统故障报警，在机组运行过程中，需要对整个系统的故障以及状态进行监控和检测，如润滑油泵、水泵、顶轴泵的正常运行，油温、水温连续监测，润滑油、冷却水的压力、流量监测，机组的振动监测，发电机定子绕组、铁芯温度监测，轴瓦温度监测等等。只要监测到异常情况，就必须及时处理，以免故障扩大，造成不可挽回的损失。

4.3 人机界面

人机界面又称用户界面或使用者界面，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，可以实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。

本系统采用组态王作为人机交互软件，组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统，它提供了丰富的、简捷易用的配置界面，提供了大量的图形元素和图库精灵，同时也为用户创建图库精灵提供了简单易用的接口。以组态王为上位机软件开发的冲击发电机组系统控制软件是中文界面，具有人机界面友好、结果可视化的优点，用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。图4所示是机组系统图。

在现场采用MP 277触摸屏作为人机界面，MP 277具有多种通讯协议以及相应的通讯接口，且可以和多个设备进行通讯，使用方便。可以直观显示发电机绕组、铁芯的温度，润滑油流量、压力、温度，冷却水流量流量、压力、温度，系统报警信息等重要的状态参数，使现场巡查人员及时了解机组运行状态。软件界面如图5所示。

图4 人机界面（组态王）图形显示

图5 现场人机界面设备MP277图形显示

4.3 软件安全设计

容错设计，为了防止因用户的误操作而引起系统的误动作，除去急停功能外，必须对系统进行解锁才能对软件操作，非法的键盘输入和鼠标操作都不会被执行，以保证系统的安全运行。

软件权限设计，本系统有2层用户权限，最低层用户是试验操作人员，他们可以随时控制机组的启停、查询机组的状态等，而高一级的用户权限需要密码才能进入，不仅具有最低层用户的所有权限，还能对软件进行修改，只供软件设计人员使用。

5 结束语

通过对冲击发电机控制系统进行研究，特殊且严酷运行工况的冲击发电机，运行时间很短，一般是在几百毫秒内输出短路电流。对冲击发电机的系统组成进行了分析，根据系统组成特点，构建了基于S7－315可编程控制器的冲击发电机组控制系统组成和系统控制对象，设计了硬件系统和根据控制对象和控制目标进行硬件组态，最后设计了基于组态王的PLC控制主程序和现场人机界面。经过一年半的运行实践证明，该控制方式克服了监控点多、分散、距离长等诸多难点，是一种方便灵活、可靠、自动化程度高的控制方式。