周同旭，李雅潔，王柏柏，徐德恒，王修禮（國(guó)家能源中小水電設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300180）

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基于WinCC和PLC的水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)電氣控制系統(tǒng)

周同旭，李雅潔，王柏柏，徐德恒，王修禮
（國(guó)家能源中小水電設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300180）

摘要：采用WinCC通用監(jiān)控系統(tǒng)、PLC控制技術(shù)和Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合的控制方案，由PLC實(shí)現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)采集功能，由WinCC組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)查詢等功能，完成對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷，提高了水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)電氣控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)高精度參數(shù)測(cè)量。該系統(tǒng)方案已在國(guó)家能源中小水電設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室得以應(yīng)用，可操作性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，取得良好效果。

關(guān)鍵詞：WinCC；PLC；水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)；電氣控制；實(shí)時(shí)監(jiān)控

國(guó)家能源中小水電設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)的主要功能為：混流式、軸流式和貫流式水輪機(jī)模型的能量特性和氣蝕特性試驗(yàn)；飛逸特性、力特性和壓力脈動(dòng)試驗(yàn)。其主要參數(shù)為：最高試驗(yàn)水頭60 m，最大試驗(yàn)流量1.6 m3/s，水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪直徑350～500 mm，測(cè)功電機(jī)功率600 kW，測(cè)功電機(jī)最高轉(zhuǎn)速2 200 r/min，供水泵功率280kW×2，試驗(yàn)綜合系統(tǒng)誤差范圍為±0.25%。

水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)是對(duì)水輪機(jī)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，高精度測(cè)量流量、水頭、轉(zhuǎn)速和出力等參數(shù)，通過試驗(yàn)，檢驗(yàn)水力機(jī)械設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣，確定其模型轉(zhuǎn)輪的性能。最后利用相似原理推廣到原型水輪機(jī)上，不僅縮短了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的開發(fā)周期，同時(shí)還節(jié)約了其制造成本。

電氣控制系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性直接影響著整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的整體檢測(cè)精度與運(yùn)行效率。WinCC集生產(chǎn)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化于一體，具有高效、穩(wěn)定、易行的特點(diǎn)，其強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)接口提供了OLE，DDE，Active X，OPC服務(wù)器和客戶機(jī)等接口和控件，能很方便與其他應(yīng)用交換數(shù)據(jù)，同時(shí)WinCC的在線向?qū)ЫM態(tài)功能在系統(tǒng)調(diào)試過程中大量縮短了開發(fā)周期。

1　系統(tǒng)方案

該水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)由水庫、校正池、折向器、稱重罐、壓力罐、尾水罐、穩(wěn)壓罐、各種管路、供水泵、補(bǔ)水泵、測(cè)功電機(jī)，模型機(jī)組、電動(dòng)蝶閥和電磁流量計(jì)等各種傳感器組成，如圖1所示。圖1中，1為水庫，2為小校正池，3為大校正池，4為折向器，5為大流量計(jì)，6為小流量計(jì)，7為穩(wěn)流罐，8，9為主泵，10為補(bǔ)水泵，11為水管路，12為壓力罐，13為尾水罐，14為模型機(jī)，15為測(cè)功電機(jī)，16為電動(dòng)蝶閥。

圖1　系統(tǒng)示意圖Fig.1 System line diagram

電氣系統(tǒng)分為兩部分：電氣傳動(dòng)部分和WinCC組態(tài)監(jiān)控部分，如圖2所示。其中電氣傳動(dòng)部分由開關(guān)設(shè)備、變壓器、交流變頻器、直流調(diào)速裝置、電機(jī)等設(shè)備組成，WinCC組態(tài)監(jiān)控部分由2套CPU226 PLC實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制和數(shù)據(jù)采集。

CPU226是控制系統(tǒng)的核心，通過EM277通訊模塊以PROFIBUS總線的方式與上位機(jī)WinCC通訊，其中一臺(tái)CPU負(fù)責(zé)2套直流調(diào)速裝置和交流變頻器對(duì)水泵和測(cè)功電機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速通過速度編碼器反饋到調(diào)速系統(tǒng)，形成速度閉環(huán)；另一臺(tái)CPU負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)采集、水輪機(jī)模型導(dǎo)葉開度控制、電動(dòng)蝶閥開閉控制、砝碼機(jī)加減碼控制、折向器折向切換控制等任務(wù)。

各傳感器把采集到的信號(hào)以4～20 mA或者0～10 V的電量形式傳送到EM235模塊上，在PLC中解析，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)WinCC對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖2　電氣控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Electrical control system block diagram

2　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)采用WinCC V7.0和STEP 7作為開發(fā)軟件，系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3　監(jiān)控界面Fig.3 Control system interface

該系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊組成：1）電動(dòng)蝶閥控制模塊；2）流量計(jì)率定及流量自動(dòng)控制模塊；3）折向器切換模塊；4）測(cè)功電機(jī)和水泵控制模塊；5）砝碼機(jī)控制模塊。

2.1電動(dòng)蝶閥控制模塊

電動(dòng)蝶閥具有全開、全關(guān)和任意開度啟、停的功能，如圖4所示，V0.1受上位機(jī)WinCC控制，閥門停止為緊急停止功能，Q0.2和Q0.3控制閥門電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并具有互鎖功能，同時(shí)電動(dòng)蝶閥具有全開限位、全關(guān)限位和反饋信號(hào)的功能，系統(tǒng)可通過反饋信號(hào)來判斷閥門的狀態(tài)和故障信息。

圖4　電動(dòng)閥門控制Fig.4　 Electric valve control

在WinCC中通過C腳本為閥門開關(guān)按鈕添加的單擊事件程序：

void Click（char* lpszPictureName，

char* lpszObjectName）//單擊事件處理程序

{#pragma option（mbcs）

#define k“閥門1開關(guān)”

BOOL t1，t2，t3；int r；

t1=GetTagBit（k）；//獲取閥門狀態(tài)信息

if（t1==0）{

SetTagBit（“閥門1開關(guān)”，TRUE）；}

else{

SetTagBit（“閥門1開關(guān)”，F(xiàn)ALSE）；}

2.2流量計(jì)率定及流量自動(dòng)控制模塊

1）在水力機(jī)械模型試驗(yàn)中，流量計(jì)的率定精度對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試精度起著決定性的作用。為了提高流量計(jì)率定精度，設(shè)置了2個(gè)校正池，采用體積法標(biāo)定校正池，使用高精度雙向電磁流量計(jì)測(cè)量流量，流量計(jì)輸出脈沖數(shù)與通過流量計(jì)水流的速度成正比，用單位時(shí)間內(nèi)流量計(jì)輸出的脈沖來計(jì)算流量。通過計(jì)算機(jī)數(shù)值分析，便可得出流量與脈沖的關(guān)系曲線，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，流量測(cè)量的誤差在±0.2%以內(nèi)。

2）在流量計(jì)率定試驗(yàn)的過程中，對(duì)系統(tǒng)流量的平穩(wěn)性要求很高，在水泵轉(zhuǎn)速不變的情況下，水流不斷注入率定池內(nèi)約200 m3，率定時(shí)間（100~ 200 s）內(nèi)，水庫水位逐漸下降約1.1 m，造成水泵吸入壓力不斷下降，流量會(huì)逐漸變小。因此采用流量控制程序，系統(tǒng)通過檢測(cè)流量大小反饋來自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，自動(dòng)保持恒定的流量。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，只需要給流量控制系統(tǒng)輸入流量值，而無需人為調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。如圖5所示，VD964是上位機(jī)WinCC給定的流量值，VW976是流量計(jì)反饋的流量值，通過系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)，輸出水泵的轉(zhuǎn)速AQW0。在實(shí)際率定試驗(yàn)中，穩(wěn)流精度在±0.01 m3/s。

圖5　流量控制Fig.5 Flow control

2.3折向器切換模塊

在流量率定試驗(yàn)中，折向器是切換大校正池和小較正池水路的設(shè)備，采用氣動(dòng)切換方式，保證了切換的快速性，同時(shí)，折向器安裝有高精度激光傳感器，當(dāng)折向器在2個(gè)校正池中間位置時(shí)，觸發(fā)激光傳感器，傳感器將信號(hào)同時(shí)傳送至測(cè)試系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，作為試驗(yàn)計(jì)時(shí)的起始和終止，也作為控制系統(tǒng)的開關(guān)量，控制折向器的氣動(dòng)閥。

在流量率定試驗(yàn)過程中，流量是自動(dòng)控制的，因此，在校正池體積一定的情況下，通過控制折向器動(dòng)作時(shí)間即可得到所需的水位高度，同時(shí)定時(shí)轉(zhuǎn)向功能設(shè)有密碼保護(hù)，防止了誤操作，保證了系統(tǒng)的安全性。在上位機(jī)WinCC中，通過添加全局C腳本和計(jì)時(shí)器，在腳本中編寫折向器控制程序代碼。

if（lock==1&& key==1&&middle==1）

{if（timer>=0）

{timer=timer-0.25；

SetTagFloat（“time”，timer）；}

if（timer<=0）

{SetTagFloat（“time”，0）；

SetTagBit（“折向器大池”，TRUE）；

SetTagBit（“折向器小池”，F(xiàn)ALSE）；

SetTagBit（“折向器計(jì)時(shí)器啟動(dòng)”，F(xiàn)ALSE）；}}

通過該模塊控制，使得折向器切換時(shí)間控制在10 ms以內(nèi)，對(duì)整個(gè)校正池蓄水過程的體積增量的影響微乎其微，保證了流量計(jì)率定的精度。

2.4測(cè)功電機(jī)和水泵電機(jī)控制模塊

試驗(yàn)臺(tái)裝有2臺(tái)雙吸離心泵為系統(tǒng)供水，分別由2臺(tái)280 kW直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。水泵機(jī)組可以在100～1 000 r/min內(nèi)無級(jí)調(diào)速，為系統(tǒng)供水，穩(wěn)速精度為±0.1%。當(dāng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)水輪機(jī)模型作發(fā)電工況試驗(yàn)時(shí)，水泵電機(jī)做電動(dòng)工況運(yùn)行；當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)輪做水泵工況試驗(yàn)時(shí)，水泵電機(jī)做發(fā)電工況運(yùn)行，發(fā)出的電能回饋電網(wǎng)。2臺(tái)水泵可以串、并聯(lián)運(yùn)行和單獨(dú)運(yùn)行。

測(cè)功電機(jī)功率為600 kW三相感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)，采用交流變頻調(diào)速運(yùn)行，具有發(fā)電和電動(dòng)2種工況運(yùn)行，可在100～2 200 r/min內(nèi)無級(jí)調(diào)速，穩(wěn)速精度為±0.1%。在水輪機(jī)試驗(yàn)時(shí)處于發(fā)電工況運(yùn)行，在水泵試驗(yàn)時(shí)做電動(dòng)工況運(yùn)行。

WinCC分別為水泵電機(jī)直流調(diào)速裝置和測(cè)功電機(jī)變頻器添加合/分閘、啟動(dòng)/停止和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)按鈕，通過對(duì)話框來給定轉(zhuǎn)速，通過系統(tǒng)的合閘/分閘允許和啟停允許信號(hào)來解鎖合閘/分閘和啟停按鈕。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障或報(bào)警信息，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)按順序停止設(shè)備運(yùn)行，保證了系統(tǒng)設(shè)備的安全。上位機(jī)給定轉(zhuǎn)速值后，下位機(jī)將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出到調(diào)速裝置中，同時(shí)，速度編碼器將轉(zhuǎn)速信號(hào)傳送到CPU的高速脈沖接收端口，顯示到上位機(jī)中。

2.5砝碼機(jī)控制模塊

在效能實(shí)驗(yàn)中，力矩傳感器擔(dān)任著測(cè)量水輪機(jī)出力的任務(wù)，它的精度直接影響著實(shí)驗(yàn)的最終效果，而砝碼機(jī)則是來標(biāo)定力矩傳感器的。它由12個(gè)20 kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，進(jìn)步電機(jī)，線性電阻，鋼帶和限位開關(guān)組成。具有簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

上位機(jī)WinCC將給定的砝碼重量值傳送到下位機(jī)中，下位機(jī)再通過判斷線性傳感器的位置觸發(fā)相應(yīng)的高速脈沖輸出口，實(shí)現(xiàn)砝碼機(jī)的啟停和自動(dòng)加載功能，限位開關(guān)在裝置中起保護(hù)作用。

3　實(shí)際應(yīng)用及結(jié)論

目前，該控制系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)家能源中小水電設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室水力機(jī)械通用試驗(yàn)臺(tái)中投入應(yīng)用，在所完成的能量、飛逸、氣蝕等試驗(yàn)中運(yùn)行穩(wěn)定。管路中蝶閥的開關(guān)位置可以隨試驗(yàn)工況的不同通過Wincc界面進(jìn)行調(diào)整，并在Wincc界面有對(duì)應(yīng)水管路工況顯示。流量率定時(shí)，利用接近傳感器高速響應(yīng)性可以實(shí)現(xiàn)折向器動(dòng)作的快速性和準(zhǔn)確性，切換時(shí)間短，計(jì)時(shí)準(zhǔn)確；并且創(chuàng)新地使用了PID功能，保證了流量的穩(wěn)定。試驗(yàn)運(yùn)行中系統(tǒng)工況及2臺(tái)水泵的單、雙臺(tái)運(yùn)行的選擇則是由上位機(jī)Wincc對(duì)其遠(yuǎn)程操控。2臺(tái)水泵電機(jī)由2臺(tái)直流調(diào)速器分別控制，實(shí)際轉(zhuǎn)速由編碼器獲取。測(cè)功電機(jī)的速度由變頻調(diào)速器直接控制，既可本地操作也可遠(yuǎn)程操控，同時(shí)兼?zhèn)漭敵龉β实臏y(cè)量。上述模塊在精度與速度控制上完全滿足試驗(yàn)要求，試驗(yàn)臺(tái)綜合系統(tǒng)誤差±0.25%，達(dá)到了IEC水輪機(jī)模型試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平較高，控制界面友好，運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了控制過程的可視化和良好的維護(hù)性。

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Hydraulic Mechinery Test Stand Electric Control System Based on WinCC and PLC

ZHOU Tongxu，LI Yajie，WANG Baibai，XU Deheng，WANG Xiuli
（National Energy Key Laboratory of Small and Medium Sized Hydropower Equipment，Tianjin 300180，China）

Abstract:An integrated approach of the WinCC universal monitoring system，PLC control technology and Profibus-DP field bus was presented，the PLC was used to implement the control and data acquisition functions and the WinCC configuration software was used to implement some functions，such as real-time monitoring，display the running state of the equipment and data query to accomplish the task of remote monitoring and fault diagnosis of equipment，improved the automation degree and achieve the high accuracy parameter measurement of the electric control system.The scheme of this system has been used in the national energy key laboratory of small and medium sized hydroelectric equipment，with stable operation，easy to implement and high degree of automation，it achieve a good application effect.

Key words:WinCC；PLC；hydraulic machinery test stand；electric control；real-time monitoring

收稿日期：2015-09-30

作者簡(jiǎn)介：周同旭（1985-），男，碩士研究生，Email：dongdong993@163.com

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A