S7-300 PLC在變電站中的應用

 

某油田有150多座變電站，承擔著油田整個油區、社區及生活區部分居民的用電，油田電網的安全運行對于保證原油產量持續上升和居民安居樂業起著至關重要的作用。

 

油田變電站中的AEUD-WIII全自動智能免維護直流屏采用模塊化設計、數字化控制，智能化程度高。該直流電源具有先進的系統監控功能，著重電池在線管理、接地選線、“四遙”通信、告警顯示和事故追憶等功能進行開發，使得系統安全性、可靠性更高。

 

該系列全自動智能免維護直流屏采用SEIMENS公司生產的OP170B型人機界面,該監控模塊具有結構緊湊、顯示分辨率高、可靠性高、壽命長等優點。通過人機界面可以完成整流模塊啟動，充電狀態顯示，查看報警信息，手動電池巡檢，絕緣監察、接地選線、報警試驗、報警復位等直流屏的所有操作，并能顯示直流屏的原理圖及各個運行參數和各種故障信息?？刂颇K采用S7-300系列模塊，進行數字和模擬信號的采集及輸出。

 

硬件系統構成

 

1.PLC配置

 

變電站直流監控系統的PLC采用西門子公司的S7-300 PLC。根據系統要求，PLC總體配置如下：

①中央處理模塊（CPU）：選用CPU 314。

②數字量輸入模塊（DI）：選用SM321，共1塊（16點/塊），處理4點輸入信號。

③數字量輸出模塊（DO）：選用SM322, 共4 塊（16 點/塊），處理56 點輸入信號。

④模擬量輸入模塊（AI）：選用SM331,共1 塊（8 點/塊），處理8點輸入信號。

⑤模擬量輸入、出模塊（AI）：選用SM334，共1塊（4點入和2點出/塊），處理2點輸入和2點輸出信號。

 

2.操作屏配置

 

操作屏采用兩個OP170B，一個安裝在控制柜；一個安裝在監控中心。

 

監控系統軟件

 

變電站直流監控系統的軟件主要有兩部分：顯示單元和軟件單元。

 

1.顯示單元

 

操作屏采用工業級人機界面，主要完成直流系統運行監控、故障報警、記錄和排除提示、參數設置、模擬鍵盤操作、數據記錄處理、累計運行時間控制等任務。

 

顯示單元包括主畫面、電池巡檢畫面、電池組電壓記錄畫面、絕緣監察、當前報警畫面、歷史報警畫面、累計運行畫面等畫面。

 

2.控制軟件單元（只給出部分功能軟件）

 

軟件單元由系統時鐘讀取、整流器控制、電池巡檢、絕緣監察、接地選線、限流電阻控制、累計運行時間、當前報警處理、歷史報警信息處理、報警試驗等程序構成。

 

1)整流器控制。

 

 

 

給定延時

A     “F1_k1”

AN    “F1_k2”

=     “DO_k1”

主充電機給定

A     “DI_k1”

JNB    _001

CALL    FB21，DB21

_001: NOP  0

主充電機給定復位

AN    “DI_k1”

AN    “DI_k2”

=     L0.0

A      L0.0

BLD    102

S     “float_charge”

A     L0.0

JNB   _004

L     0

T     “ug_hm0”

_004: NOP  0

A     L0.0

JNB   _005

L      0

T     “ug_hm1”

_005: NOP  0

A     L0.0

JNB   _006

L     0

T     DB66.DBD580

_006: NOP  0

主浮充轉換

A(

O     “DI_k1”

O     “DI_k2”

)

JNB   _003

CALL  FB20，DB20

_003: NOP 0

 

 

2)巡檢：能夠自動（每天定時）和手動進行電池巡檢（部分程序）。

 

 

 

每天10 點自動電池巡檢

A(

L     MW22

L     10

==I

)

FP    M15.2

AN    “scan_end”

S     “scan_start”

按下面板電池巡檢鍵，手動進行電池巡檢

A(

A     “F3_bat_scan”

FP    M15.3

O(

A     “F3_bat_scan”

FN    M15.4

)

)

AN    “scan_end”

S     “scan_start”

電池巡檢開始

A     “scan_start”

JNB   _001

CALL   FB23，DB23

_001: NOP   0

電池巡檢開始，畫面轉到電池巡檢畫面

A     “scan_start”

FP    M17.4

JNB   _002

L      2

T     MW102

_002: NOP  0

電池巡檢結束,復位電池組序號

L     MW186

L     18

==I

=     L0.0

A     L0.0

JNB   _003

L     0

T     MW116

_003: NOP 0

A     L0.0

JNB   _004

L     DB65.DBW100

T     MW118

_004: NOP  0

A     L0.0

BLD   102

L     S5T#2S

SD    T51

電池巡檢結束,置位電池巡檢標志位

A     T51

=     L0.0

A     L0.0

JNB   _005

L     0

T     MW186

_005: NOP 0

A     L0.0

BLD   102

S     “scan_end”

電池巡檢結束后，進行過、欠壓判斷

A     “scan_end”

JNB    _006

CALL  FB24，DB24

_006: NOP 0

 

 

3)絕緣監察及接地選線：能夠自動（每天定時）和手動進行絕緣監察及接地選線（部分程序）。

 

 

 

判斷系統時鐘是否為9 點，若是，則啟動自動執行絕緣監察功能

A(

L     MW22

L     9

==I

)

FP    M15.5

S     “auto_gnd_chk”

根據絕緣監察霍爾電壓采樣值與設定值的大小，判斷是否出現不平衡接地，若出現，則啟動

AN    “gnd_chk”

=     L2.0

A     L2.0

A(

L     MW148

L     MW122

>I

)

FP    M15.6

S     “en_unbalance”

A     L2.0

A(

L     MW148

L     MW122

<=I

)

FP    M15.7

R     “en_unbalance”

使絕緣監察啟動的三種條件，有任何一個滿足要求，則開始絕緣監察

A(

O     “auto_gnd_chk”

O(

A     “en_unbalance”

FP    M16.1

)

O(

A      “en_unbalance”

FN    M16.2

)

O(

A     “F4_gnd_chk”

FP    M16.3

)

O(

A     “F4_gnd_chk”

FN    M16.4

))

AN    “gnd_chk”

S     “en_chk”

進行絕緣監察時，進入絕緣監察畫面

A     “en_chk”

FP    M17.5

JNB   _001

L     4

T     MW102

_001: NOP  0

監察完畢，進行監察使能復位

A      M17.0

R     “en_chk”

R     “gnd_chk”

監察完畢，進行對地電阻值，電壓值記錄及進行報警

A     M17.0

JNB   _009

CALL  FB25，DB25

_009: NOP 0

 

 

4)當前報警及歷史報警信息處理（程序略）。

 

故障分類為二級:分為一般故障和致命故障。

 

一般故障包括：

 

當發生此類故障時，僅聲光預警，不中斷當前操作。根據系統中產生的各種故障實施相關的故障聲光報警和記錄，此刻顯示屏進入故障報警畫面，顯示故障內容，性質，時刻，按ACK 解除聲音報警，但故障顯示仍然存在，直至解除故障。

 

致命故障包括：

 

當發生此類故障，將禁止所有控制輸出，聲光報警，在顯示屏上顯示故障類型、內容、時刻。只有在排除故障，按人工復位鍵后系統恢復正常工作。

 

 

 

普通故障指示（K8）

L     MW84

L     1

==I

=     M8.4

致命故障指示（K9）

L     MW84

L     2

==I

=     M8.7

（5）顯示畫面及LED 燈指示

主充電機運行指示燈（F1）

A     “DI_k1”

=     M6.0

=     M6.1

主充電機直流輸出故障閃爍報警控制（故障）

A(

O(

L     DB65.DBW202

L     1

==I

)

O(

L     DB65.DBW204

L     1

==I

)

)

JNB   _00f

L     1

T     MW52

_00f: NOP 0

蓄電池充電狀態顯示控制（主充）

A     “DI_bat”

AN    “float_charge”

JNB   _019

L     1

T     MW68

_019: NOP 0

蓄電池充電狀態顯示控制（浮充）

A     “DI_bat”

A     “float_charge”

JNB   _01a

L     2

T     MW68

_01a: NOP  0

 

 

小結

 

油田變電站直流監控系統自2001年由S7-200系統改進為S7-300系統以來，正常運行證明：整個系統設計先進、合理，操作簡單，可靠性高，符合用戶預期的要求，成為推廣項目。

 

S7-300 PLC 在斷路器極限電流測試系統中的應用

 

斷路器極限電流測試系統通過工業PC串行口實現與S7-300的CP 340(RS-232C)模塊通信，從而實現對系統的實時監控。

 

極限電流測試系統介紹

 

斷路器是一種能接通和分斷正常負荷電流、過負荷電流、短路電流的開關電器。為標定斷路器極限電流這一指標使其滿足出廠要求，每個產品須經過極限電流測試系統的測定，以下是SZ高新區的電器設備制造企業應用IPC結合S7-300 PLC實現該測試系統。

 

1.測試系統的框架

 

 

系統的主控由IPC承擔，其負責測試的參數設定、產品的型號選擇、測試信息的記錄分析，S7-300 通過與IPC進行ASCII方式的通信，接收IPC的指令，操控系統的接觸器，固態繼電器等執行設備，同時將測試的信息返回給IPC ,為了給斷路器測試提供工作環境，系統中采用電流源供電方式?？紤]提高測試的效率, 系統設計時為提供20路測試環境，20組被測試設備可以串聯同時進行測試，一旦其中的某一組或某幾組在測試時跳閘，其旁路接觸器和旁路固態繼電器(圖中未畫出)立即接通，保證串聯電路中其他測試單元能正常供電，此處選擇固態繼電器和接觸器并聯，主要考慮回路在某組跳閘斷開時及時保護電流源，防止電流源開路使用。20個單元也可通過IPC設定其中的前幾組進行測試，在未設定范圍工位處的接觸器與固態繼電器在測試開始接通旁路以便前面工位的測試，在串聯回路中的接觸器的三路常開點并聯使用考慮增加回路的電流容量。

 

2.系統自動化器件配置

 

斷路器極限電流測試系統的自動化器件有：CPU315-2DP一臺、AISM321(32輸入) 一塊、DOSM322(32輸出，24V)兩塊、DOSM322(16輸出，230V)兩塊、CP340一塊。

 

選型中考慮了以下的因素:

1)考慮與IPC進行ASCII通信，選用性價比較高的CP 340(RS-232C)。

2)考慮驅動接觸器和固態繼電器，所以輸出模塊選擇兩種方式，24V晶體管輸出驅動固態繼電器，其工作速度比繼電器要快得多，比較適合對固態的控制。

 

IPC采用LABWINDOWS的開發環境，提供友好的信息交換畫面和管理系統。

 

串行通信的實現

 

斷路器極限電流測試系統中，IPC和PLC的信息交換至關重要，其好壞直接影響測試的性能和穩定性。此處CP340選用SIEMENS提供的RS-232C模塊，采用ASCII的協議，通信的設置為9600、8、1、EVEN。PLC與PC間采用異步串行方式進行通信，采用主從問答式。PC始終具有初始傳送優先權，所有的通信均由IPC來啟動。PLC調用FB2、FB3功能塊，實現接收和發送功能，協議的格式主要分為以下兩類:

 

1.寫命令（共9個字節）：

 

PC：“#”(Head 1字節)+“W”(類型1字節)+起始地址(2字節)+數據(4字節)+校驗核(累加和)。

PLC：收到命令且校驗核正確，原封不動返回接收到的全部9個字節。

命令1：PC:“#W”0x1fff 0xffff+0x000f+Check_sum；表示0-19號接觸器全存在；

命令2：PC:“#W”0x10ff 0xffff+0xffff+Check_sum；開始測試；

命令3：PC:“#W”0x10f5 0x0000+0x0000+Check_sum；停止測試；

……

 

2.讀命令（共9個字節）

 

PC：“#”(Head 1 字節)+“R”(類型1字節)+起始地址(2字節)+ 0x00000000(4字節)+ 校驗核(累加和)。

PLC：收到命令且校驗核正確，返回0-19號接觸器的狀態, “1”: 閉、“0”:開。

命令1：PC:“#R”0x2fff 0x0000 +0x0000 + Check_sum；表示讀取0-19號接觸器的狀態；

PLC返回:“#R”0x20ff 0xffff +0x000f + Check_sum；表示0-19號接觸器全部閉合。

PLC返回:“#R”0xffff 0x0000+0x1000 + Check_sum; 表示PC命令錯誤。

 

在協議中作了以下規定：

①以“#”作為起始字符，占用一個字符。

②通信類型由“W”和“R”區分。

③整個命令采用和校驗的方式,每次將校驗和放在最后一個字節。

④測試時，不一定20個測試斷路器全部存在，如不存在，必須將旁路接觸器(固態繼電器)接通，否則不能正常工作。在命令1中可以設定0-19號接觸器的存在情況，“0xffff + 0x000f”表示0-19號被測斷路器全部存在，這樣的表示方法給PLC處理帶來了較大的方便。

 

在程序中，將4個字節存入MW中，命令中的5個16進制“f”(對應二進制20 個“1”)可以分配到每一位。“1”表示被測試器存在,“0”表示不存在。

 

控制系統完成的功能

 

測試系統每路測試單元的結構相同,如下圖所示。左邊為每路的指示燈,正常工作為綠色,跳閘則為紅色，(Q8.0～Q12.7)未選中則都不顯示。右邊分別為被測斷路器，旁路接觸器(Q16.0～Q18.3)，旁路固態繼電器(Q13.0～Q15.3)。輔助觸點是被測斷路器用來檢測當前斷路器的閉合還是斷開(I4.0～I6.3)，燈、接觸器、繼電器、輔助輸入的地址依次增加。

 

 

程序中我們考慮用循環加上間接尋址的方法來實現：

 

 

 

L     +20

T     MB0                                        //循環次數

L     2#0000_0000_0010_0000 (I4.0)               //輔助輸入起始地址

T     MD2

L      2#0000_0000_0100_0000 (Q8.0)               //輸出綠燈起始地址

T      MD6

L      2#0000_0000_0100_0001 (Q8.1)               //輸出紅燈起始地址

T      MD10

L      2#0000_0000_0010_0000 (Q13.0)              //輸出接觸器起始地址

T      MD14

L      2#0000_0000_0010_0000 (Q16.0)              //輸出固態繼電器起始地址

T      MD18

NEXT:

L      MD2

INC    1

T      MD2                                        //輔助輸入地址加1

L      MD6

INC    2

T      MD6                                         //綠燈輸出地址加2

L      MD10

INC    2

T      MD10                                        //紅燈輸出地址加2

L      MD14

INC    1

T      MD14                                       //控制接觸器輸出地址加1

L     MD18

INC    1

T      MD18                                    //控制固態繼電器輸出地址加1

L      MB0

LOOP   NEXT                                    //20組做完嗎?

…

 

 

應用了此結構使得程序變得非常簡潔，調試非常方便，一旦某一功能改變,修改方便,如果用實際地址的話每組的相應的地方都得修改。

 

小結

 

CP 340的應用使得西門子產品與其他設備溝通方便，STEP 7間接地址編程方法非常有效，斷路器極限電流測試系統統在2005年完成后實際運行效果良好。

 

S7-300 PLC與DCS串行通信

 

隨著PLC和DCS生產廠家在通信軟件上的日趨完善及電力工程在設備招投標力度上的加強，設備成套廠家大力推薦使用串口通信作為PLC和DCS之間的信號連接。本例以DH電站一期2×600MW機組項目中鍋爐等離子點火系統使用的西門子S7-300 PLC（CP341通信卡件）與西門子DCS控制系統TELEPERM XP（CM104通信模件）間的通信為例，介紹實施MODIBUS RS-232C/RS-485通信的具體步驟，對系統的硬件配置、連接、軟件組態進行描述。

 

系統連接

 

TELEPERM XP配置的模件通信處理器CM104作為“主站”（MASTER），支持MODBUS協議，并提供6個9針RS-232C串行接口（Serial 3～Serial 8），如下圖所示。由于通信距離超過15m，在S7-300 PLC的配置中與DCS的通信卡選用CP341-RS422/485卡件作為“ 從站”（SLAVE），該卡件提供一個1個15針串行接口，同樣支持MODBUS協議，設計中使用PHOENIX公司的PSM-EG-RS-232C/RS-485-P/ZD模塊作為RS-232C轉為RS-485接口的適配器。

 

 

適配器內部跳線設置：RS-485 BUS-END為ON，DTE/DCE選擇為DCE即數據電路終接設備方。CM104與適配器間使用標準9針串口線連接，CP341與適配器進行RS-485通信時，選用2芯屏蔽電纜，接線如下圖所示。

 

 

CP 341模塊應用簡述

 

CP 341是S7-300點到點通信模塊，硬件接口采用RS-232、TTY、RS-422/RS485（X27）方式；軟件協議有MODBUS，3964（R）、R512K和ASCII；本工程應用MODBUS SLAVE協議。

 

MODBUS是一種工業現場總線通信協議，為主/從模式，主站發出請求后，從站應答請求數據，數據應答內容依據功能碼進行響應，下表是CP341應用的功能碼所對應數據類型。

 

表  CP341應用的功能碼所對應數據類型

功能碼	數據	數據類型		存取	地址
01，05，15	線圈（輸出）狀態	位	輸出	讀/寫	0XXXX
02	輸出狀態	位	輸入	只讀	1XXXX
03，06，16	保持寄存器	16位寄存器	輸出寄存器	讀/寫	3XXXX

 

CP 341 MODBUS協議通信通過STEP 7（Manager）利用庫函數FB7（P-RCV-RK）和FB8（P-SND-RK）功能塊進行發送/讀取數據操作，他們均通過組態數據庫的方法進行發送源信息和接受目的數據的組態。請求信息時，從源數據庫讀取相應字段然后發送，接受信息是根據發送的內容進行對應字段數據的存儲，對P-RCV-RK，主要參數為BD-No(數據庫號)，Dbb-No（目標數據起始地址），對P-SND-RK功能塊，主要參數為BD-No(源數據庫號)，Dbb-No（源數據起始地址），LEN（發送數據字節長）。值得注意的是，在P-RCV-RK出現的數據字段中并未包含從站地址，功能碼字節，而g僅僅是數據內容，因此程序中不能依據從站地址，功能碼值去判定響應數據的種類。然而，CP341卻規定在給定的時間內僅允許一個P-SND-RK和一個P-RCV-RK能在用戶程序里被訪問，這就意味著他們在程序中已經形成一一對應的關系。

 

軟件組態

 

1.PLC軟件編程

 

（1）CP341的編程。

 

首先應保證STEP 7編程工具運行正常，在STEP 7的SIMATIC管理器下，通過File→Open→Project進入Project，然后再雙擊“CP341 Protocol 3964”以打開S7編程器，在編程器中雙擊“Blocks”庫，然后把所有的“Blocks”拷貝到SIMATIC 300→STATION→CPU300/400→S7 PROGRAM→BLOCKS中。各“Blocks”定義如下:

 

 

 

FC21          FC with SEND

FC22         FC with RECEIVE

DB21，DB22    Instance DBs for thestandard FBs

DB40，DB41    Work DBs for thestandard FBs

DB42          The source DB for send

DB43         The destination DB for receiveddata

OB1          Cyclic OB

OB100         Restart (warm start) OB

VAT1         Variables table

FB7，FB8      Standard FBs forRECEIVE，SEND

SFC58，59     SFCs for the standardFBs

 

 

對在“Blocks”編程后，將CPU置于“RUN”位置，CP341即可以進行串口的通信。

 

(2)通信參數的編程

 

 

 

Modbus Slave Address: 1

Port: RS485

Baud rate: 19200

Date Bits: 8

Parity: None

 

 

2.CM104軟件組態

 

對CM 104的控制組態包括硬件組態及各類輸入輸出組態,在此不作介紹。而通信參數的組態主要是通過其編程接口Serial 1寫入CM.INI文件，共涉及14個組態項目，有些是常規的組態項目，可以是系統的缺省值。例如使用了以下是必須要完成的組態項目:

 

 

 

Modbus Master on (Serial 5)

[ModbusMaster_3]

PortAdr=0x380

Irq=5

Baudrate=19200

Parity=NONE

StopBits=1

DataBits=8

RCS-Offset=-1 ； Modifier for addresses related tofunction code 1 (read coil status)

RIS-Offset=-1 ； Modifier for addresses related tofunction code 2 (read input status)

RHR-Offset=-1 ； Modifier for addresses related tofunction code 3 (read holding register)

RIR-Offset=-1 ； Modifier for addresses related tofunction code 4 (read input register)

FSC-Offset=-1 ； Modifier for addresses related tofunction code 5 (force single coil)

PSR-Offset=-1 ； Modifier for addresses related tofunction code 6 (preset single register)

RtsCts=1

Delay=200

Timeout=1000

Dummys=5

 

 

實施過程中的注意事項

 

當連接和組態工作正確無誤后，PLC和DCS會進入正常的數據通信狀態。這可以從卡件的狀態燈上反映出來。

 

CP341上有三個狀態指示燈，分別是：SF(RED)表示錯誤狀態；TxD(GREEN)表示數據在傳送；RxD(GREEN)表示數據在接收。通信正常時為TxD和RxD狀態燈交替閃爍。

 

CM104上的狀態指示燈分別為：POWER(ORANGE) 表示CM104已經供電；RESETR（RED）表示復位；HDD（GREEN）表示啟動時對內部存儲器的讀寫；SCSI（GREEN）表示外接SCSI設備后的狀態；LAN（GREEN）表示與TXP總線的連接狀態，正常時為綠色閃爍；LAN100（GREEN）表示連接速率；USER1（GREEN）表示與TXP通信的狀態，正常時為無顯示；USER2（GREEN）表示與第三方設備通信的狀態，正常時為無顯示。

 

PHOENIX接口適配器上有兩個燈，分別是：CTS(ORANGE)表示數據在傳送；RTS(GREEN)表示數據在接收。通信正常時為CTS和RTS狀態燈交替閃爍。

 

當通信不正常時，卡件的狀態指示燈立即顯示錯誤狀態。此時應先檢查硬件錯誤再檢查軟件錯誤。如通過軟件組態功能塊的診斷信息來查找故障原因。在軟件編程方面，要注意以下兩點：

①要確保PLC和DCS的通信速率一致，建議使用9600bit/s或19200bit/s的速率，而且最好不要增加奇偶校驗；

②要保證通信數據地址的有效性，地址的偏置可以在CM104中設置。

 

在硬件方面，要注意以下方面：要確保使用屏蔽的ITP電纜；同時要注意在接線時一定要正端連接正端，不要接反。

 

小結

 

通信實施后，在傳輸信號的質量上以及維護上都有了比較明顯的改善，但系統還有其他協議轉換裝置時，在實時性方面略顯不足。該方案S7-300 PLC上所有監視、控制都可以在DCS上進行，同時工程費用同硬接線比較顯著降低。

 

S7-300/400 PLC在永久船閘系統中的應用

 

船閘控制系統的組成與運行

 

該永久船閘為南、北兩線五級連續船閘，根據上、下游水位變化，需采用三、四、五級運行方式；根據閘室水位，為確保通航最低值，又分為不補水運行和補水運行。同時，由于分期施工的原因，船閘運行的初期，第一閘首人字門不能投入使用，只能由橋機操作事故門代替船閘第一閘首人字門閘門。由于SX船閘水頭高、人字門運行淹沒水深大、人字門關閉后易出現門體漂移等難點，為實現上述控制方式的自動化運行，采用了自動化程度高的S7-400 PLC配以先進傳感器以實現自動控制。

 

兩線船閘在正常情況下采用單向連續過閘的運行方式，即一線上行，一線下行。若一線船閘檢修或事故停航，則另一線采用單向成批連續過閘、定時換向的運行方式。每線船閘自上游至下游依次布置有第一閘首事故檢修閘門與疊梁門及橋式啟閉機、集中控制系統、第一至第六閘首人字閘門及液壓啟閉機、輸水廊道工作閥門及液壓啟閉機、第六閘首輔助泄水廊道工作閥門及液壓啟閉機，第二、第三閘首還布置有人字閘門防撞警戒裝置。

 

1.船閘控制系統組成

 

船閘每線船閘電氣控制系統主要由一個集中控制系統、12個現地子站控制系統、14套排水控制系統、一臺橋式起重機和4個防撞警戒裝置組成。

 

每線船閘的自動監控裝置均由1套集中控制主站、12套現地控制子站及通航信號裝置、廣播指揮設備、船舶探測及工業電視監控管理裝置和其他外圍設備組成。集中控制主站由二個冗余S7-400 PLC組成，現地控制子站由12個冗余S7-400 PLC組成。排水控制系統、橋式起重機、防撞警戒裝置由S7-300 PLC組成。

 

系統主要功能負責完成每線船閘連續過閘作業的實時過程數據采集、集中控制、操作等功能，以及集中控制系統與現地控制系統的通信控制。子站的主要工作為控制操作本閘首的液壓泵站、人字工作閘門、輸水工作閥門、防撞裝置和通航信號指揮等設備。為確保系統安全運行、及時采集各種信息，集中控制系統與現地控制系統通過冗余雙環光纖工業TCP/IP 以太網絡及光纖切換模塊(OSM）和光纖冗余管理模塊（ORM）連接，系統框圖如下圖所示。

 

 

2.永久船閘運行控制方式

 

永久船閘運行分為集中、現地和檢修三種控制方式。正常情況下以集中控制方式為主，此時現地控制系統接受集控自動或集控手動指令，控制雙邊人字門、閥門及鎖定裝置的運行。當集控操作員發出運行指令時，船閘設備根據過閘工藝按預先設計好的程序自動進行集控聯動運行。當集控自動控制程序出現故障時，集控操作員在集控室仍可以通過集中手動對其現地子站進行集中手動控制。三峽船閘運行控制方式遵循現地優先的原則，當系統出現緊急情況或在網絡通信中斷的情況下，無法進行集中控制時，可采用現地控制方式，當某一子站處于現地控制狀態時，集控室的自動控制狀態自動安全取消，但集控室仍可以通過集中手動對其他處于集控狀態的現地子站進行集中手動控制?，F地優先的原則保證在緊急狀態下在現地子站進行操作控制，但不利于系統集控的運行管理。檢修控制方式，當子站處于現地檢修控制狀態，操作人員通過人機控制界面的彩色圖形操作面板（TP37），在不影響系統安全、符合船閘檢修工藝的前提下，控制系統分步運行，或者控制某些器件、設備單獨運行或得電，達到對局部線路、設備檢修的目的。

 

3.船閘過閘工藝及閘閥們運行的條件

 

為節省船只過閘時間，船隊過閘過程是連續的，工藝為：當先行船隊A自第四級閘室進入第五級閘室時，后續船隊B可由第二級閘室進入第三級閘室，第三批船隊C可由上游進入第一級閘室。為了確保永久船閘安全運行，人字門、閥門開啟關閉必須滿足以下條件：

 

閘門開啟條件：相鄰閘門、閥門關終、本閘首有水平信號、閥門鎖定裝置非運行狀態、本閘首子站無B類故障。

閘門關閉條件：閥門、鎖定裝置處于非運行狀態，本閘首子站無B類故障。

閥門開啟條件：相鄰閘閥門關終、閘門鎖定裝置非運行狀態、本閘首子站無B類故障。

閥門關閉條件：閘門鎖定裝置非運行狀態、本閘首子站無B類故障。

 

船閘控制系統的基本配置

 

每個集控控制站由4個電源模塊、2個中央處理器（CPU-417H）、4個通信模塊（CP443-1）、2個ET200遠程站、8個數字量輸入模塊（DI）、6個數字量輸出模塊（DO）、2個操作員面板PC670等組成。每個現地控制子站由1個電源模塊、1個中央處理器（CPU-417H）、2個通信模塊（CP443-1）、4個ET200遠程站、2個模擬量輸入模塊（AI）、2個模擬量輸出模塊（AO）、15個數字量輸入模塊（DI）、8個數字量輸出模塊（DO）、2個SM338模塊、操作員面板TP37等組成。

 

為確保系統穩定性利用S7-417H的冗余、容錯特點，集控控制站2個相互冗余?，F地控制子站同一個閘首的兩側兩個PLC通過兩條光纜實現同步。位于兩個CPU上的分布式處理DP接口分別與一條PROFIBUS現場總線相連，實現CPU與現場I/O的冗余通信；采用TCP/IP通信協議的冗余工業高速以太網以太光纖網相連，實現PLC之間與計算機監控系統的通信?，F地子站控制系統PLC配置圖如下圖所示。

 

 

每個子站作為一線船閘整體運行自動監控系統的一個基本控制單元，除具有現地操作控制的基本功能外，還應能接受集控站的程序控制指令，自動地對人字工作閘門、輸水廊道工作閥門、防撞警戒裝置、通航指揮信號裝置等現地設備進行操作和控制；采集液壓站系統信息、現場閘閥門開度、位置信息、水位檢測數據以及相鄰閘首保證安全運行的閉鎖信息，經預處理后輸出操作執行指令。并向集控站反送現場信息，集控站依據這些信息，作出控制決策，自動完成船閘整體運行的監控任務，使船只（隊）高效、安全順利通過。

 

西門子PLC在船閘系統中的控制特點

 

1.左右閘首PLC實現硬件熱備及事件同步

 

左右閘首兩個PLC站實現無條件的全自動無擾動切換。當互為熱備的兩個PLC站中的一個站作為主站工作時，同時控制閘門兩邊的人字門。在兩個PLC站上的光聯同步模塊同步作用下，安裝在對岸作為從站CPU 的所有數據和工作狀態均與主站CPU完全相同，但從站輸出被禁止。當主站不能正常工作時(如電源無、CPU壞、DP口壞、同步模塊壞)，由于采用事件同步機理，從站將由系統無條件地自動切換為主站，切換時間為≤10ms。

 

PLC站上所有模塊均可帶電拔插，原來主站修復后作為從站工作，當前主站CPU程序及過程數據將自動灌裝給修復后的從站CPU，使從站CPU數據和工作狀態與主站一致。

 

2.PLC的編程、維護十分簡便

 

由于S7-417H的CPU是專為冗余系統設計的，其CPU硬件系統和固化在CPU內部的操作系統保證了系統用戶好像面對一個非冗余的單機系統一樣編程。冗余系統的管理工作完全交給系統自動去完成，換言之，用戶可選軟件包對冗余系統進行簡單參數設置后，對互為熱備的任何一個CPU下裝程序后，程序將自動拷貝到另一個CPU。因此，用戶程序可方便地由單機程序轉換成冗余CPU程序，反之亦然。

 

S7-417H完全支持在線編程、組態和調試，所有模塊(包括網絡通信)均可帶電拔插，并不需作任何初始化的工作，使現場維護十分方便。CPU417H操作系統升級也可在線進行。

 

3.采用先進的網絡技術

 

通過PROFIBUS冗余網絡連接I/O，使系統結構簡單可靠。兩條PROFIBUS-DP網線同時與IM153-3兩個DP接口相連，每個測點從兩個傳感器獲取的輸入信號分別就近送入ET-200站的輸入模塊，并通過IM153-3和冗余PROFIBUS-DP網線同時分別傳送到每一個CPU。

 

在兩個PROFIBUS-DP網正常工作，但其中一個IM153-3的一個DP口出現故障時，系統并不實行CPU或PROFIBUS-DP網之間的切換。IM153-3會采用另一個DP口通過一條DP網將數據送到相應的CPU上，并通過光纖熱備線將數據由從CPU傳送給主CPU。同時，該DP口的輸出被唯一激活。當兩DP網上不同的網段和DP口出故障時，可分別采用另一網段或DP口與CPU通信，大大提高了網絡可靠性，而不是一個簡單的雙網，從而最大程度減少了CPU的切換，大大減少了因CPU切換造成的CPU同步時間，提高了CPU運行效率。

 

當某一IM153-3模塊完全損壞，由于系統為同一測點配置了兩個傳感器，另一個IM153-3模板從與之相連的傳感器獲取信號，并經與之相連的雙冗余PROFIBUS-DP網將信號傳送給兩個CPU。IM153-3模板可在線更換，IM153-3的兩個DP接口也可在線更換，易于修復系統。

 

4.PLC輸入輸出單元的通信

 

位于兩個CPU上的分布式處理DP接口分別與1條PROFIBUS現場總線相連，實現CPU與現場I/O的冗余通信。兩條PROFIBUS-DP網線同時與ET-200M站上冗余配置的IM153-2模塊相連，這樣輸入輸出信號通過冗余的IM153-2及PROFIBUS-DP網線同時與兩個互為熱備的CPU通信；當與主CPU通信的IM153-2模塊出現故障時，系統并不實行CPU或PROFIBUS-DP網之間的切換，而是自動通過另一條DP網將數據送到相應的CPU上，并通過光纖熱備線將數據由從CPU傳送給主CPU。從而最大程度減少了CPU的切換（CPU切換時會產生CPU同步時間差），提高了CPU的運行效率。IM153-2模板可在線更換，PROFIBUS網也可以在線更換，易于修復系統?，F地子站通信網絡圖如下圖所示。

 

 

5.高效開放的光纖環網通信

 

本系統采用工業以太雙網雙CP的拓撲方式，即每個CPU機架有兩個CP板，并分別接入兩個光纖維100MB環網，這樣，做到了通信介質、通信網卡及鏈接全冗余，通信模板配置方式均由系統自動識別，編程人員只須進行簡單的參數設置。增強通信可靠性，在冗余PLC每側插入兩塊CP，在主機CPU側組成雙重主動連接，在從CPU組成雙重后備連接。主-從CPU可在程序中切換，在正常狀態下，主CPU的兩塊CP在工作，兩個CP同時把要發送的數據發送到對方，也同時接收對方發來的數據。某一CP方式故障后，會發出報警信號，并不會影響另一CP工作，所有工作正常。只有在CPU主-從切換后，后備的連接變為主動連接接替原通信任務，CP切換時間是由CPU主-從切換時間(10ms)而定的。在網絡介質上，采用西門子最新的光纖傳輸技術，采取的100Mbit/s以太光纖回環網，符合快速以太網IEEE802.3u的國際標準。網絡器件采用西門子優秀網絡產品光纖切換模塊OSM及光纖冗余管理模塊ORM，其中OSM采用全雙工FDX方式將100Mbit/s以太網的速率升為200Mbit/s，ORM對單個環網進行冗余管理，避免因網線局部損壞影響正常通信。從而保證了數據通信的高可靠性及高速性。由于選擇的是TCP/IP模板，支持TCP/IP協議，保證了網絡的開放性。

 

6.人字門開門及關門同步

 

由于人字門的結構特點和永久船閘的特殊運行條件，為防止人字門在關門時因不能順利進入導卡發生頂門或疊門，所以在雙邊正常開關門時（從開關終位啟動），對人字門的運行速度進行控制，使兩側門保持運行同步，保證液壓啟閉機經過同步控制后運行誤差小于15mm。對此采用PID調節控制方式，對電機-比例泵組的比例泵電壓給定值進行閉環動態調節?？刂圃韴D如下圖所示。

 

 

程序運行時，對兩側人字門開度差進行檢測，根據開度差，經PID運算后給定比例泵電壓調整值，改變人字門運行速度。同時限定調整值的變化范圍和幅度，防止人字門運行過快和抖動。當人字門開度差超過設定范圍20mm時A類報警。

 

7.電源掉電自動保護

 

電動機運行和電源切換之間設硬件及軟件上互鎖，以禁止電動機運行過程中，帶負載切換電源，PLC檢測驅動電源信號，當檢測到正在運行狀態驅動回路電源故障時，產生B類故障報警信號，程序控制電動機和油泵急停，提示運行人員到現場檢修。如果備用電源正常并已自動切換，需要操作人員到現場確認后消除故障，當檢測到備用驅動電源故障時，產生A類報警信號，提示運行人員檢修，但不影響原來電動機和油泵的運行狀態。

 

8.具有防超灌、超泄功能

 

由于船閘單級水位差高（最大45.20m）、閘室大（長2.80m×寬34m×門龕5m）、充水泄水速度快，有可能出現較大超灌或超泄現象（特別是第一、二、五閘室），對人字門產生過大的反向推力，損傷人字門機械結構和影響人字門及液壓系統正常運行，因此，對閥門開度和開關閥時間作特殊控制，實現在一定水位差時動水關閥。動水關閥時的水位差或動水關閥前充水時間、動水關閥停機開度或動水關閥時間、動水關閥投入/切除等在現地操作面板或計算機設置，由動水關閥及反向水頭緊急開門由集控系統發布指令，現地控制系統執行。

 

9.防撞裝置

 

為了防止下行過閘船舶碰撞人字門，永久船閘每線船閘的第二、第三閘首設防撞警戒裝置。防撞裝置的控制方式可以分為集中控制、子站控制及現場控制。

 

10.船舶探測技術

 

船舶探測裝置是實現多級船閘連續運行自動化的關鍵裝置，主要用于：判斷上、下游航道有無船只行駛；判斷閘室內是否有船只停留；防止人字門夾船事故。

 

小結

 

該永久船閘2004年6月通過國家驗收后正式運行。通航以來由于采用S7-300/400 PLC，沒有因為設備原因出現停航，受到廣泛好評。