牛小東 ，謝曉斌 ，謝曉玲

（1.甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅天水741018；2.甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅天水741018）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，尤其是電力工業(yè)迅速發(fā)展，電網(wǎng)變換裝置如斷路器、開關(guān)等，也向大容量化、高電壓化、大電流方向發(fā)展。斷路器類產(chǎn)品的研制開發(fā)，必須通過短路試驗(yàn)來定型，就需要大型沖擊發(fā)電機(jī)來提供這種突然短路的短路電流來進(jìn)行測(cè)試。沖擊發(fā)電機(jī)也稱為短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)，專門用于短路試驗(yàn)。

按照國(guó)際電工委員會(huì)IEC標(biāo)準(zhǔn)，沖擊發(fā)電機(jī)應(yīng)稱為短路發(fā)電機(jī)。沖擊發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況既特殊、又嚴(yán)酷，專門在突然短路工況下運(yùn)行，短路時(shí)間很短，一般是幾百毫秒內(nèi)輸出沖擊電流，致使發(fā)電機(jī)本身繞組也要承受巨大的電動(dòng)力。沖擊發(fā)電機(jī)是周期性地以對(duì)稱和不對(duì)稱短路運(yùn)行并輸出盡可能大的短路電流，且在工作循環(huán)所規(guī)定的合閘時(shí)間內(nèi)保持電流的衰減為最小。

在3200MVA沖擊發(fā)電機(jī)的配套系統(tǒng)中，該機(jī)組在國(guó)內(nèi)屬于較大容量的沖擊發(fā)電機(jī)組，它由一臺(tái)2500kW的拖動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)。主要作為大容量試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)電源，主要檢測(cè)高壓交流斷路器、負(fù)荷開關(guān)、交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備、高低壓熔斷器等產(chǎn)品。該機(jī)組啟停、調(diào)速、勵(lì)磁、保護(hù)等邏輯復(fù)雜，且非常重要，研制一套適用于該機(jī)組的控制軟件很有必要。

2 沖擊發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)組成

2.1 沖擊發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)

沖擊發(fā)電機(jī)組由沖擊發(fā)電機(jī)、拖動(dòng)電機(jī)及其輔助的油系統(tǒng)、水系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 沖擊發(fā)電機(jī)組油系統(tǒng)圖

2.2 控制對(duì)象

機(jī)組啟動(dòng)過程中需要對(duì)沖擊發(fā)電機(jī)、拖動(dòng)電機(jī)、油系統(tǒng)、水系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)等控制，控制參數(shù)類型包括開關(guān)量、模擬量。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循分布式控制系統(tǒng)思想，具有分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活、組態(tài)方便等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)由 6 臺(tái) S7－315－2PN/DP、SCALANCE X104－2構(gòu)成，如圖2所示。每臺(tái)根據(jù)控制、監(jiān)測(cè)目的而配置不同的輸入輸出模塊。該系統(tǒng)有現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、人機(jī)接口單元（西門子MP277）、機(jī)柜、電源等組成。系統(tǒng)具備開放的體系結(jié)構(gòu)，可以提供多層開放數(shù)據(jù)接口。

硬件系統(tǒng)在惡劣的試驗(yàn)環(huán)境下具有高度的可靠性、維修方便、工藝先進(jìn)。系統(tǒng)內(nèi)任一組件發(fā)生故障，均不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。系統(tǒng)的參數(shù)、報(bào)警、自診斷及其他管理功能高度集中，控制系統(tǒng)在功能和物理上真正分散，系統(tǒng)平均無故障時(shí)間為10萬小時(shí)。

圖2 沖擊發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2 硬件配置

系統(tǒng)采用的 S7－315－2PN/DP 由電源單元（PS）、中央處理單元（CPU）、接口模塊（IM）、信號(hào)模塊（SM）組成。本系統(tǒng)采用分布式控制的原則，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制和監(jiān)控設(shè)備的具體需要對(duì)其進(jìn)行配置。例如在勵(lì)磁調(diào)速室，DO輸出點(diǎn)28個(gè)、DI數(shù)字量輸入點(diǎn)32個(gè)。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序

系統(tǒng)主程序的功能是機(jī)組正常運(yùn)行和安全保護(hù)控制，對(duì)發(fā)電機(jī)、拖動(dòng)電機(jī)、油系統(tǒng)、水系統(tǒng)、勵(lì)磁調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以保證在滿足一定的條件下，能夠按照預(yù)先設(shè)定的邏輯順序依次執(zhí)行。例如主程序初始化后，首先判斷機(jī)組是否符合啟動(dòng)條件，上次停機(jī)屬于正常停機(jī)還是非正常停機(jī)，故障是否排除，只有滿足啟動(dòng)條件才能進(jìn)入下一個(gè)執(zhí)行功能模塊。主程序邏輯框圖如圖3所示。

底層軟件平臺(tái)采用Step7，具備強(qiáng)大的處理功能，有方便地組態(tài)復(fù)雜控制系統(tǒng)的能力和用戶自主開發(fā)專用高級(jí)控制算法的支持能力。易于組態(tài)，易于使用。

圖3 系統(tǒng)主程序邏輯框圖

4.2 事件處理子程序

事件處理子程序主要處理沖擊發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)故障報(bào)警，在機(jī)組運(yùn)行過程中，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的故障以及狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和檢測(cè)，如潤(rùn)滑油泵、水泵、頂軸泵的正常運(yùn)行，油溫、水溫連續(xù)監(jiān)測(cè)，潤(rùn)滑油、冷卻水的壓力、流量監(jiān)測(cè)，機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，發(fā)電機(jī)定子繞組、鐵芯溫度監(jiān)測(cè)，軸瓦溫度監(jiān)測(cè)等等。只要監(jiān)測(cè)到異常情況，就必須及時(shí)處理，以免故障擴(kuò)大，造成不可挽回的損失。

4.3 人機(jī)界面

人機(jī)界面又稱用戶界面或使用者界面，是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話接口，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。是系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，可以實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)采用組態(tài)王作為人機(jī)交互軟件，組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它提供了豐富的、簡(jiǎn)捷易用的配置界面，提供了大量的圖形元素和圖庫(kù)精靈，同時(shí)也為用戶創(chuàng)建圖庫(kù)精靈提供了簡(jiǎn)單易用的接口。以組態(tài)王為上位機(jī)軟件開發(fā)的沖擊發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)控制軟件是中文界面，具有人機(jī)界面友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn)，用抽象的圖形畫面來模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和相應(yīng)的工控設(shè)備。圖4所示是機(jī)組系統(tǒng)圖。

在現(xiàn)場(chǎng)采用MP 277觸摸屏作為人機(jī)界面，MP 277具有多種通訊協(xié)議以及相應(yīng)的通訊接口，且可以和多個(gè)設(shè)備進(jìn)行通訊，使用方便。可以直觀顯示發(fā)電機(jī)繞組、鐵芯的溫度，潤(rùn)滑油流量、壓力、溫度，冷卻水流量流量、壓力、溫度，系統(tǒng)報(bào)警信息等重要的狀態(tài)參數(shù)，使現(xiàn)場(chǎng)巡查人員及時(shí)了解機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。軟件界面如圖5所示。

圖4 人機(jī)界面（組態(tài)王）圖形顯示

圖5 現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面設(shè)備MP277圖形顯示

4.3 軟件安全設(shè)計(jì)

容錯(cuò)設(shè)計(jì)，為了防止因用戶的誤操作而引起系統(tǒng)的誤動(dòng)作，除去急停功能外，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解鎖才能對(duì)軟件操作，非法的鍵盤輸入和鼠標(biāo)操作都不會(huì)被執(zhí)行，以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

軟件權(quán)限設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)有2層用戶權(quán)限，最低層用戶是試驗(yàn)操作人員，他們可以隨時(shí)控制機(jī)組的啟停、查詢機(jī)組的狀態(tài)等，而高一級(jí)的用戶權(quán)限需要密碼才能進(jìn)入，不僅具有最低層用戶的所有權(quán)限，還能對(duì)軟件進(jìn)行修改，只供軟件設(shè)計(jì)人員使用。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)沖擊發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，特殊且嚴(yán)酷運(yùn)行工況的沖擊發(fā)電機(jī)，運(yùn)行時(shí)間很短，一般是在幾百毫秒內(nèi)輸出短路電流。對(duì)沖擊發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)組成進(jìn)行了分析，根據(jù)系統(tǒng)組成特點(diǎn)，構(gòu)建了基于S7－315可編程控制器的沖擊發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)組成和系統(tǒng)控制對(duì)象，設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)和根據(jù)控制對(duì)象和控制目標(biāo)進(jìn)行硬件組態(tài)，最后設(shè)計(jì)了基于組態(tài)王的PLC控制主程序和現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面。經(jīng)過一年半的運(yùn)行實(shí)踐證明，該控制方式克服了監(jiān)控點(diǎn)多、分散、距離長(zhǎng)等諸多難點(diǎn)，是一種方便靈活、可靠、自動(dòng)化程度高的控制方式。