李長華,齊向東

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院,太原 030024)

?

基于WinCC的變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

李長華,齊向東*

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院,太原 030024)

摘要:傳統(tǒng)的大型油浸式變壓器冷卻系統(tǒng)控制一般采用各種繼電器、接觸器、開關(guān)元器件等來實現(xiàn)。針對此方式存在的控制回路復(fù)雜、可靠性低、維護工作量大等問題。提出了一種基于WinCC組態(tài)軟件的變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案,系統(tǒng)由變頻器、可編程控制器、上位計算機等組成。該系統(tǒng)在華北某變電站進行了試運行,其降溫效果明顯,大大提高了變壓器系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性,減少了系統(tǒng)的維護量,同時也提高了工廠自動化管理的水平。對變壓器安全、可靠運行有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞:監(jiān)控系統(tǒng);變壓器;冷卻器;組態(tài)軟件;可編程控制器

在變電站中,大型油浸式變壓器一般采用強迫油循環(huán)風(fēng)冷式變壓器冷卻系統(tǒng)。目前,這種冷卻系統(tǒng)一般采用繼電器接觸器開關(guān)控制線路進行控制。在這種控制模式下,冷卻系統(tǒng)易頻繁啟動,繼電開關(guān)易腐蝕、老化而出現(xiàn)故障,且無法實現(xiàn)調(diào)度自動化通信,經(jīng)常出現(xiàn)故障,大大降低了變壓器系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性,嚴重地影響了電網(wǎng)的可靠運行。

針對以上存在的問題,同時為了實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化的變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng),本文以強迫油循環(huán)風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)為被控對象,把WinCC組態(tài)技術(shù)、PLC技術(shù)和變頻技術(shù)三者結(jié)合在一起,設(shè)計出一套變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用S7-200系列PLC與WinCC組態(tài)軟件作為冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的主控制器和監(jiān)控界面設(shè)計工具,給出一個兩臺220 kV變壓器的冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的具體設(shè)計方案,系統(tǒng)設(shè)計合理,技術(shù)方案正確,操作方便,人機交互性好,基本滿足了變電站的實際運行需要,為實現(xiàn)一個變電站的綜合自動化系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)?？梢詮V泛應(yīng)用在變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)中。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

本文的基本設(shè)計思想是以強迫油循環(huán)風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)為被控對象,以PLC為自動遠程控制的主控制器,將專家的控制經(jīng)驗及推理過程納入系統(tǒng)當中,通過變頻器來控制變壓器冷卻裝置,設(shè)計出一套新型的變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)。

隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展,新一代的變壓器冷卻系統(tǒng)必將向著信息化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。為方便對變壓器冷卻系統(tǒng)的管理,變壓器的上位機監(jiān)控界面設(shè)計時應(yīng)該考慮加入冷卻系統(tǒng)監(jiān)控部分[1]。在設(shè)計中,上位機采用工業(yè)控制計算機對現(xiàn)場設(shè)備進行遠程監(jiān)控,采用觸摸屏對設(shè)備進行現(xiàn)場監(jiān)控,選用已在工業(yè)現(xiàn)場廣泛應(yīng)用的組態(tài)軟件WinCC作為上位機軟件開發(fā)平臺對整個系統(tǒng)進行組態(tài)。下位機控制系統(tǒng)是由西門子公司的S7-200系列PLC為核心構(gòu)建的系統(tǒng)。除此之外,利用開放性的通訊平臺OPC,實現(xiàn)WinCC和S7-200系列PLC的數(shù)據(jù)交換。以WinCC組態(tài)軟件開發(fā)的人機交互界面,有較高的變量刷新速度,充分體現(xiàn)了WinCC組態(tài)軟件的技術(shù)優(yōu)勢。監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　監(jiān)控系統(tǒng)框圖

2　冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1系統(tǒng)硬件構(gòu)成

強迫油循環(huán)風(fēng)冷式變壓器冷卻系統(tǒng)硬件組成的功能設(shè)計與架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要由上位工業(yè)控制計算機模塊、就地控制與顯示模塊、可編程控制器、信息采集監(jiān)控模塊、通訊模塊、變頻器、潛油泵和冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇等構(gòu)成。

圖2　控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

(1)上位計算機監(jiān)控模塊(主控制器)負責(zé)與其他控制模塊進行信息交流與協(xié)調(diào),是中央處理系統(tǒng),以滿足變壓器實際運行需要。上位工業(yè)控制計算機采用的是研華工控機,其具有高可靠性和強抗干擾能力等特點。

(2)可編程邏輯控制器是冷卻系統(tǒng)的控制核心,主要負責(zé)對冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇進行運動控制。采用在工控行業(yè)內(nèi)享有盛名的西門子公司的S7-200系列PLC,S7-200系列PLC是針對低性能要求的中小型PLC,具有適應(yīng)性強、可靠性高、抗干擾能力強、功能強大、智能化、在線時間長、編程簡單等優(yōu)點,非常適用于中小型工業(yè)自動控制系統(tǒng)[2]。型號為CPU224XP。

(3)通訊模塊。通過PLC上的RS485口與遠方的上位計算機的RS232相連接,PLC通過采取OPC通訊標準與上位計算機進行通信。

(4)信息采集監(jiān)控模塊。可編程邏輯控制器通過此模塊對變壓器頂層油溫及負荷電流等信息進行實時采集。

(5)變頻器模塊。PLC主控程序?qū)⒖刂菩盘杺鬏斀o變頻器,再由變頻器驅(qū)動冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇運動,本系統(tǒng)采用西門子MM440變頻器。

(6)控制系統(tǒng)的執(zhí)行核心采用多功能固態(tài)繼電器來取代機電繼電器作為控制回路的控制元件,固態(tài)繼電器相比于傳統(tǒng)的機電繼電器具有使用壽命長、可靠性好、靈敏度高、控制功率小、電磁兼容性好、轉(zhuǎn)換快速、電磁干擾小等優(yōu)點,且集過載、過壓、斷相、欠壓、故障自診斷等功能于一身,是一種應(yīng)用非常廣泛的電子元器件。

該站有兩臺220 kV變壓器,每臺變壓器配備有兩臺1.5 kW潛油泵,4臺0.75 kW冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇。4臺冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇沿變壓器油箱周圍均對稱分布,對變壓器運行時產(chǎn)生的熱量進行冷卻。

2.2風(fēng)冷系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)

冷卻系統(tǒng)采用兩組獨立電源供電,工作時互為備用。同時系統(tǒng)的油泵和風(fēng)扇電機,均設(shè)有過負荷、短路、過壓、欠壓等運行保護。

本系統(tǒng)利用工業(yè)控制計算機作為上位機,用西門子WinCC V6.2組態(tài)軟件作為上位機軟件平臺和PLC為下位機處理器,OPC為通信標準組成一個變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)。用WinCC組態(tài)軟件開發(fā)的人機交互界面,包括用戶管理、實時監(jiān)控、報警、歷史數(shù)據(jù)的存儲、查詢等功能,以實現(xiàn)對整個冷卻系統(tǒng)的實時監(jiān)控。系統(tǒng)以變壓器負荷電流、頂層油溫溫差為模糊控制輸入量,采用Mamdani模糊控制算法,通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)對變頻器輸出頻率的控制,進而實現(xiàn)對變壓器冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇的控制,確保對變壓器運行中溫度的控制。

工作過程中,變壓器的工況油溫設(shè)定為55 ℃,PLC主控程序?qū)⒖刂菩盘杺鬏斀o變頻器,變頻器驅(qū)動冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇的運動。系統(tǒng)采用西門子MM440變頻器,PLC通過RS485接口,使用USS通信協(xié)議實現(xiàn)對變頻器的控制,包括對變頻器的起/停、故障檢測/復(fù)位、輸出頻率大小的控制。

3　WinCC組態(tài)監(jiān)控軟件的開發(fā)

組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)SCADA(Supervisor Control and Data Acquisition)的軟件平臺工具,具有豐富的設(shè)置項目,使用方式靈活,功能強大[3]。西門子公司的WinCC是Windows Control Center(視窗監(jiān)控中心)的簡稱。是世界上第1個集成的人機界面(HMI)軟件系統(tǒng),它集成了SCADA、組態(tài)、腳本(Script)語言和OPC等先進技術(shù),可以很方便地生成人機界面,建立完整的過程監(jiān)控解決方案。

為方便對變壓器冷卻系統(tǒng)的管理,變壓器的上位機監(jiān)控界面設(shè)計時加入了冷卻系統(tǒng)監(jiān)控部分。本系統(tǒng)上位機用西門子公司的WinCC V6.2組態(tài)軟件作為軟件程序開發(fā)平臺。利用WinCC組態(tài)軟件開發(fā)出集生動、友好的人機交互界面、參數(shù)設(shè)置、報表打印、數(shù)據(jù)歸檔、報警等多項功能于一體的實時監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1軟件總體設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)過程中,WinCC的組態(tài)非常重要。其組態(tài)過程主要遵循以下步驟:

(1)啟動組態(tài)軟件,建立一個新的組態(tài)項目。在變量管理器(Tag Management)中選擇添加PLC通訊驅(qū)動程序(本系統(tǒng)中為OPC.CHN);

(2)在OPC Groups協(xié)議中新建一個驅(qū)動程序連接并組態(tài)邏輯連接參數(shù);

(3)在設(shè)置好的連接中加入外部變量并設(shè)置變量屬性;

(4)繪制組態(tài)畫面,在組態(tài)軟件的圖形編輯器中設(shè)計并制作系統(tǒng)運行和控制界面;

(5)設(shè)置參數(shù)設(shè)置、報表打印、數(shù)據(jù)歸檔、報警等功能。根據(jù)控制要求,對畫面中的構(gòu)件進行屬性設(shè)置。將內(nèi)、外部變量及控制點屬性一一對應(yīng)起來,從而在HMI界面上實現(xiàn)監(jiān)視,進而控制現(xiàn)場設(shè)備。

變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)擁有用戶管理,實時監(jiān)控,參數(shù)設(shè)置,報表打印,數(shù)據(jù)歸檔,實時報警及歷史報警查詢等多項功能。軟件的總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3　監(jiān)控軟件總體架構(gòu)框圖

3.2主控界面的設(shè)計

根據(jù)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計思想和實施方案,在主控界面上應(yīng)該包括冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài),系統(tǒng)工況操作按鈕,參數(shù)設(shè)置等[4]。主控界面如圖4所示。

圖4　主監(jiān)控界面

在冷卻系統(tǒng)主畫面中,分別展示了1#、2#變壓器冷卻器組的主電源、就地/遠程、自動/手動、運行等工況的指示狀態(tài),及其變壓器頂層油溫等參數(shù)。在趨勢曲線畫面中顯示了實時和歷史數(shù)據(jù)曲線。報警信息和報表輸出分別在相應(yīng)的畫面中展示。通過報表管理界面我們可以對報表進行存儲、打印等操作。畫面中的切換按鈕能夠使我們輕松地實現(xiàn)對冷卻系統(tǒng)的就地與遠程、自動與手動切換。

操作者通過點擊畫面頂部的按鈕實現(xiàn)畫面間的跳轉(zhuǎn)。

3.3變量的管理與存儲

數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機和下位機的橋梁,在WinCC畫面運行時,它含有全部數(shù)據(jù)變量的當前值[5]。在進行項目組態(tài)時,變量管理是非常重要的一環(huán)。WinCC通過對監(jiān)控點連接的變量賦予不同的外部變量值的方法。根據(jù)系統(tǒng)要采集的外部變量建立相應(yīng)的內(nèi)部變量,而內(nèi)部變量與畫面上的監(jiān)控點對象通過屬性連接建立對應(yīng)關(guān)系,將控制現(xiàn)場的PLC控制系統(tǒng)和上位計算機監(jiān)測系統(tǒng)連接起來,形成完美的監(jiān)控畫面。

WinCC變量包括內(nèi)部變量、外部變量、系統(tǒng)變量和腳本變量。外部變量是外部存儲的區(qū)域,需要建立通信驅(qū)動程序和通道,然后在建好的通道下面建立變量,選擇變量地址。內(nèi)部變量沒有相應(yīng)的驅(qū)動程序和通道單元,所以不需要給它們設(shè)置連接,通常用來存儲過程變量的中間值或者預(yù)備值。系統(tǒng)所有的變量記錄都存儲在SQL2005 for WinCC中。變量歸檔分為過程值歸檔和壓縮歸檔。歸檔變量的歷史記錄查看如圖5所示。

圖5　歸檔變量歷史曲線圖

3.4報警系統(tǒng)

當系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者錯誤操作時,WinCC可以聲音和畫面的方式提示工作人員并且記錄這些報警事件,并進行歸檔[6]。組態(tài)報警時我們先打開報警記錄的編輯器,逐步的對報警系統(tǒng)導(dǎo)向進行設(shè)置,直至完成對報警消息和報警消息文本的組態(tài)。

變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的報警功能由實時報警和歷史報警查詢兩部分組成。分別通過報警組態(tài)的報警長期歸檔和報警短期歸檔來實現(xiàn),在圖形編輯器中由長期歸檔窗口和短期歸檔窗口來顯示。

4　結(jié)束語

本變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)采用西門子S7-200系列PLC與WinCC組態(tài)軟件作為自動遠程控制的主控制器和監(jiān)控界面設(shè)計工具,他綜合了計算機與PLC的優(yōu)點。上位機提供良好的人機界面,進行系統(tǒng)的監(jiān)控與管理,下位機以PLC為控制核心,對底層控制系統(tǒng)進行運動控制。該系統(tǒng)在華北某變電站進行了試運行,經(jīng)過實踐證明,運用此監(jiān)控系統(tǒng),既能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場運行狀況的監(jiān)視,又能實現(xiàn)對現(xiàn)場裝置的控制,且監(jiān)控效果較為理想。對變壓器安全、可靠運行有重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻:

[1]Wang Zhenyuan.Artificial Intelligence Applications in the Diagnosis of Power Transformer Incipient Faults[D].America:Virginia Polytechnic Institute and State University,2000.

[2]高鴻斌,孔美靜.西門子PLC與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[3]馬國華.監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001

[4]Wang Mengguang.Winding Movement and Condition Monitoring of Power Transformers Inservice[D].Canada:The University of British Columbia,2003.

[5]林英蕓,楊煜普.基于WinCC的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型電腦應(yīng)用.2006.22(5)

[6]Wang Zhiyong,Guo Chuangxin,Jiang Quanyuan.A Fault Diagnosis Method for Transformer Integrating Rough Set with Fuzzy Rules[J].Transactions of the Institute of Measurement and Control,2006,28(3):243-251.

[7]陳挺.PLC技術(shù)在變壓器冷卻系統(tǒng)改造中的應(yīng)用[D].東營:中國石油大學(xué)(華東),2010.

[8]和秋鵬,喻壽益,劉搖搖.iFIX組態(tài)軟件在循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子器件,2007,30:989-991.

李長華(1986-),男,河北唐山人,碩士研究生,從事電力電子與電力傳動方面的研究,lichanghua_sunny@163.com;

齊向東(1967-),男,山西原平人,副教授,從事電氣自動化控制,鐵路機車設(shè)備研制,舞美特效自動控制等方面的研究,曾主持并完成殘奧會閉幕式CB草坪,國慶50、60周年山西國慶彩車等項目,13703511103@163.com。

DesignofMonitoringSystemofTransformerBasedonWinCC

LIChanghua,QIXiangdong*

(School of Electronics and Information Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China)

Abstract:Traditional control of large oil-immersed transformer cooling system is archieved by various using a variety of components such as relays,contactors,switches.For this way,there exist problems such as complex,low reliability difficult maintenance,and so on.A design of monitoring system of transformer was proposed based on WinCC.This system composed of frequency converters,programmable controllers,host computer,and other components.Trial operation of the system perfected a good cooling effect in a transformer substation in North China,which improves the reliability of the transformers,decreases difficulty of maintenance and a more efficient factory automation management has be achieved consequently.which has an important practical significance for safe and reliable operation of transformers.

Key words:control system;transformers;cooler;configuration software;PLC

doi:EEACC:835010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.039

中圖分類號:TM411

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0763-04

收稿日期:2013-07-17修改日期:2013-08-25