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    人机界面在干式变压器PLC温控系统中的应用

    2006-04-17 控制工程王兰,李传信,赵厚鑫 [1] STEP7 V5.1编程手册[Z].SIEMENS,1998. [2

    1、系统组成与工作原理
        1.1 系统组成
          干式变压器的温控系统主要由5部分组成:传感器、A/D模块、PLC主机、输入输出模块及人机界面等,系统结构原理图如图1所示。在控制部分,选用SIEMENS的S7-300 PLC对采样信号进行快速、可靠的处理,组态软件为SIMATIC STEP 7;选用SIEMENS的TP270 6’触摸式人机界面(HMI)对实时温度值和各种故障信息进行显示、记录,组态软件为SIMATIC ProTool V6.0。HMI和PLC之间采用MPI(多点)通讯方式,通过对HMI画面上所设元件属性和与PLC的数据交换地址的定义,实现HMI上相关元件对应的暂存器对PLC存储单元的读写。


    图1 系统结构原理图


        1.2 工作原理
          干式变压器的安全运行和使用寿命与变压器运行温度的高低有着直接的关系,因此对变压器运行温度的实时监控十分重要。由传感器对变压器铁心和绕组的温度进行采样,所测温度信号经放大和A/D转换后送PLC,利用软件进行数据处理,处理后的数据送HMI进行实时显示。在HMI上设定风机自动启/停温度,PLC根据设定值,可自动启/停变压器所配备的冷却风机,对变压器进行降温。必要时还可通过触摸HMI上按钮,手动启停风机。在HMI上设置超温报警及超温跳闸温度限定值。当变压器绕组温度过高,超过限定值时,PLC将输出绕组超温报警信号和绕组超温跳闸信号,并在HMI上显示出具体信息。在HMI上可进行手动消音,手动跳闸操作。记录各种报警信息及故障发生时的各相温度值,必要时,可在HMI上输入时间条件进行查询,并根据需要随时进行打印。该系统中的数据采集处理、风机运行和故障报警由PLC和HMI通过编制相应的软件来完成。
        2、系统的软件设计
          SIMATIC ProTool是西门子公司推出的组态软件,该软件由2部分组成:ProTool/Lite、ProTool或ProTool CS(组态系统)组态软件和用于过程可视化的运行系统软件(例如ProTool/Pro RT)。2个系统均可以在Windows98 SE、Windows Millenium、Windows2000和Windows NT 4.0操作系统上运行。该软件具有报警记录、报表打印、趋势曲线等多种功能,并支持除Siemens之外的第三方制造商的通讯协议。本系统在其基础上进行了画面设计、通讯组态、报警设置、安全保护设计等一系列应用开发。
        2.1 画面设计
          触摸屏画面设计不仅要求能实现所有的控制功能(输入及显示参数、存储纪录、报警、打印等),而且要简单明了,易于操作人员正确的执行操作。考虑系统所需监控的过程变量和实际功能,共组态了8组画面,下面介绍几个基本画面。
        (1) 主画面
          设计的监控主画面如图2所示。主画面的中央是温度的数据显示。上半部分采用纯数字方式对变压器三相的铁心温度及高、低压绕组温度进行实时显示;下半部分采用模拟显示方式,突出变压器的最高铁心温度和最高绕组温度。在程序运行时,各温度值可动态显示。主画面的右部为口令输入域和触摸操作区,此处各按钮需输入不同级别的口令方可进入。主画面的下部为无需权限的触摸操作区。操作人员通过触摸按钮,可以切换到各监控子画面,进一步掌握系统的工作情况,或进行参数设定与修改。


    图2 监控主画面


        (2) 故障记录
          每当有报警信号产生,都会在触摸屏界面上弹出报警消息窗口,同时报警灯闪烁。将报警消息进行归档,再创建一画面组态消息视图,就可保存并显示系统运行以来的所有报警消息。提示报警号,报警产生的日期、时间,报警产生的原因,以及是否确认等信息。
        (3) 数据记录
          组态事件消息并归档,在每次产生报警时,对各相的铁心温度和绕组温度通过归档事件消息进行记录,以便将来查询。
        (4) 温度实时趋势图
          实时趋势图用于在线显示较慢而连续的过程变量。显示时,实时趋势在每个时间单位(时钟脉冲)内一次只从PLC读取一个趋势值,并添加至操作单元上显示趋势。该程序中共组态3组实时趋势,每组显示一相的高压绕组、低压绕组及铁心温度3个变量的曲线,每个变量每10s读取一次,曲线同时显示100点。
        (5) 参数设定
          在本画面中,操作员可以对风机的自动启/停温度,绕组超温报警温度和绕组超温跳闸温度进行设定,调整。进入该画面后,若软键盘10s内无动作,系统将自动返回主画面。
        2.2 安全保护设计
         ProTool允许用户使用口令来阻止其他未授权人员使用控件,从而增加系统的安全性。ProTool提供的口令级别从0到9。口令级0不需输入口令;口令级1至8,根据功能的重要性进行分配;如用户分配到口令级4,则可执行口令级0到4的功能。口令级9仅授权于系统管理员。针对安全管理和操作的需要,该系统中定义了系统管理员级即9级和操作员1级两级口令。对参数设定和手动跳闸功能需使用系统管理员级口令,其他操作,如消音、手动启/停风机、查看历史记录等,也要先输入口令进行登陆。输入口令,触摸“登陆”按钮,再触摸其他功能按钮,便可进入等于或低于该口令级别的子画面。子画面操作完毕返回主画面后,触摸“退出”按钮,则口令失效,再次进入子画面需重新输入口令。若没有触摸“退出”按钮,系统将在1min后自动撤销口令。
        2.3 人机界面与PLC之间的通讯
          西门子人机界面与PLC之间的通讯方式有3种:PPI(点到点)通讯方式,MPI(多点)通讯方式和PROFIBUSDP通讯方式。该温控系统中采用MPI(多点)通讯方式。
          S7-300 PLC上有一标准化的MPI接口,它既是编程接口,又是数据通讯接口,使用S7协议(主要用于较近距离的数据通讯)。由于MPI接口是RS485结构,PLC与人机界面之间通过RS485线相连,其传输速率为187.5k波特率。一个MPI网可以有多个网络节点,其地址是在S7-300硬件组态中设置的。该系统中人机界面的MPI地址为“1”;CPU的MPI地址为“2”。
          人机界面与过程之间通过PLC利用变量进行通讯。通常在PLC和操作单元之间交换的数据为过程数据。为此在组态中创建指向PLC上某个地址的变量。触摸屏从指定的地址中读取该数值并显示它。同样的,操作员可以在触摸屏上输入将被写入PLC上某个地址的数据。
        3、结束语
          在110kV干式变压器温控系统中将PLC和触摸显示屏结合在一起,并采用PLC和触摸屏的相应软件对各采样值进行控制、处理,在温度的实时显示、数据记录、报警等方面具有很大的优越性。操作人员不仅能方便的观察和掌握变压器的实时运行温度,还可根据报警消息,快速的排除故障;借助历史记录,管理人员还可对重要数据进行分析、查询,为电力调度、系统规划等方面提供重要的依据,大大提高运行管理水平。
        参考文献 作者:王兰,李传信,赵厚鑫
        [1] STEP7 V5.1编程手册[Z].SIEMENS,1998.
        [2] SIEMENS ProTool V6.0使用手册[Z].SIEMENS,1998.
        [3] 谢汝生,张松顺,贺恩德.HMI在PLC控制系统中核子称标定过程中的应用[J].计算机测量与控制,2002,(6).


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