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基于现场总线的电站自动化培训系统研究
宋运伟
渤海船舶职业学院
辽宁省葫芦岛 125005
摘要：结合西门子公司先进的现场总线技术，在渤海船院新建“电站自动化实训系统”的工程设计和应用，详细介绍了实现电站系统的开关智能保护、PLC并车和自动负载调整、分配的计算机教学系统的组成、结构和功能特点，并为今后我国石化和电力行业在电气自动化领域的设计、开发和教学实践，提供了一套现代化的解决方案。
关键词：现场总线、电站、计算机控制技术、FIELDBUS、智能型短路器、PROFIBUS、DP、PLC、并车、软件和硬件等。
电站是现代石化系统和电力系统生产及工艺控制的重要组成部分。由于计算机技术、通讯技术和电子技术为代表的3C技术的飞速发展，特别是进入21世纪后，我国石化工业的电气自动化程度、性能和技术水平已有了很大程度的提高，很多设备的电气控制系统通过引进国外先进技术已经赶上了国外发达国家的水平。各大型电站项目基本上实现了生产和管理系统的计算机控制，并朝着综合自动化的方向发展，这无疑对电站系统的稳定性和可靠性提出了更高的技术要求。只有采用计算机控制技术，提高电站系统的自动化水平，才能不断满足工艺进步和造船发展的技术要求。
但是，由于过去对电气自动化的认识不够和经验不足，很多电站系统还处在设备陈旧、技术和管理相对落后的情况之下，尤其是电站综合自动化系统的应用就更不多见。伴随着现场总线（FIELDBUS）技术及超大规模数字嵌入式电子技术为基础的全数字式控制系统的不断成熟和发展，通过开放式的通讯协议、以及简单的一对一的设备连线，将复杂的控制功能，下放到各现场控制单元，将不同厂家的设备有机地结合在一起，从而实现系统内的信息共享和交换。近几年来，我们结合总线技术在部分企业进行了试运行，已经取得了一定的经验。为进一步推动电站自动化技术的发展、普遍提高操作人员和在校师生对电站自动化的认识，迫切需要研发一套切实可行的电站自动化实训系统。本文通过对我院电站自动化实训系统的技术分析，详细阐述了如何通过现场总线将各智能开关、PLC控制装置和计算机控制网络进行有机融合的方法，为今后我国在电站自动化系统方面的设计和研发，提供了一些值得借鉴的经验。
一、自动化实训系统方案的组成
电站自动化实训项目是渤海船舶学院拟建的重点工程项目，该项目由电站设备、计算机监控系统及教学局域网组成。
电站设备和监控系统主机（现场演示机）设置在实训室。电站设备主要包括：低压开关柜、交流同步发电机组、励磁调节器及小型变频器控制的电动机组。交流发电机组完成模拟电站系统的发电任务；并通过PLC控制装置，完成发电机组的自动并车和无功功率、频率、有功功率的分配和自动负载调整；变频器控制的小型电动机组充当发电机组的模拟负载。电站系统的主电路结构，如图一所示。
教学局域网设置在单独的计算机房或与其它实验室共用，通过现场总线接入实训室，即可单独使用，也可以联网实现电站自动化实训系统的监控和操作。
整个实训系统构成一个典型的三层计算机控制网络。控制系统采用的是现场级、监控级以及教学局域网三个管理层次。利用德国西门子公司先进的PROFIBUS工业级现场总线技术，实现现场设备I/O单元的计算机组态、控制和监控，并通过教学局域网使学生在本机上即可轻松完成各项实验项目和远程操作。
1．
现场级
现场级分三个部分，由现场总线、7台智能型断路器网关和一套PLC控制装置组成，承担着整个电站
实训系统的发电机组现场监控、并车、功率分配和负载调整任务。
（1）现场总线
现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线，它位于生产控制和网络结构的底层，亦称为底层控制网络。它与现场设备直接相连，一方面将现场控制设备互联为通讯网络，实现不同网段、不同现场通讯设备之间的信息共享；另一方面又将运行参数、状态以及故障信息等送往控制中心，并进一步与操做终端、上层控制管理网络连接，从而实现生产过程现场控制设备之间及与更高控制管理层之间的联系。因此我们选用了德国西门子公司成熟的PROFIBUS现场总线技术，它是一种不依赖于厂家的开放式现场总线标准，可方便的连接不同厂商的设备，构成各种集散控制系统。
（2）智能型断路器
低压智能断路器是电站自动化实训系统的核心，西门子3WN6不仅具备普通开关的过流、短路、欠压和过压保护功能，而且在本体单片机的控制下，可通过液晶屏幕，现场完成开关的所有保护参数设定、显示动作报警和故障记录。3WN6通过PROFIBUS-DP网关（DP/3WN6接口单元）与PROFIBUS-DP相连接,从而与上位机通信。通过这种方法，3WN6控制信号和外围PLC控制装置的有用数据可以通过一根简单的屏蔽双绞线或光纤电缆与具有PROFIBUS-DP控制能力的上位机进行数据交换，从而省去了不必要的常规的数据电缆布线。DP/3WN6接口单元组装于一个可安装的标准安装导轨上70mm宽的紧凑外壳之中，通过九芯的SUB-D插座与3WN6断路器进行点对点的连接。PROFIBUS-DP配置的更改是在接口上完成的，允许12Mb/s的数据连接速度。在初次使用前，只需预置PROFIBUS-DP的地址；位速率和其他的总线参数则由主机单元预先设置，接口对该设备自动接受。电源连接以后,与断路器的通讯即自动地建立起来。PROFIBUS和断路器的连接口由DP接口连续地监视，并且其状态是经过两只发光二级管（红色和绿色）来显示的。PROFIBUS-DP的共享者“DP/
3WN6”
接口是通过SIMATICS的COM
PROFIBUS参数化软件—SIMATTC
S7编程软件来策划完成的。断路器既可以通过键盘在过流脱扣器上进行组态也可以通过上位机的应用程序来设置参数。
（3）PLC控制装置
本系统采用PLC实现同步发电机组的自动并列运行、功率分配和负载给定调整。其控制核心是一组西门子S7-300
型可编程序控制器，控制参数的设定和修改通过TP27触摸屏实现。S7-300CPU利用一个集成 的PROFIBUS-DP接口，同工业总线相连，并作为电站系统的一个从设备设置，数据传输率也是12Mb/s。分布式的现场
I/O 单元与中央
I/O 通过STEP
7软件进行配置和编程。用最大存储量为512KB的主存储器，和多达82K的CPU处理语句，提供最大8192个标记，512个定时器和512个计数器。即使采用较小的
CPU，也可扩充到128DI/DO或32AI/AO，完全可以胜任电站同步发电机组的自动并车需要。
实现电站同步发电机组准同步并联运行，必须满足三个条件，即待并机和在网机电压一致、频率一致和相位一致。电压条件的检测是利用PLC的扩展模块，把待并机相电压和额定相电压各自对应的A/D转换值相比较来实现的；频率条件通过对高速计数模块以及与各发电机组同轴的光电转换器LF-200BM-C24C的计数，来保证频率检测与调节的精确度；相位条件的检测与实现采用恒定超前时间法获取合闸提前量。SIMATIC系统本身就是一套完整的自动化控制装置，在CPU及STEP
7软件的控制下，各个A/I、A/O、D/I和D/O输入输出点协调工作，实现并车操作全部过程的控制自动化。通过先进的现场总线系统PROFIBUS，利用一条通讯电缆——屏蔽双绞线，将S7-300
PLC自动并车系统与3WN6低压智能断路器的DP/3WN6通讯端口和通讯端口有机地融为一体。
2．监控级
监控级由一台主计算机（现场演示机）和一台打印机组成，配置在实训实内。主计算机采用先进的工业计算机IPC，作为现场监控级的主站。通过内置的CP5412通讯卡，接收3WN6和PLC控制装置经由现场总线传递的有用数据：模拟量测量值，如相电流、接地故障电流、功率因数；时间信息，如脱扣类型、欠负荷、相不平衡；操作状态，如开或关、处于实验位置、合闸就绪；组态数据，如额定工作电流、故障保护参数；诊断数据，如上次脱扣电流值、前15min峰值电流；遥控操作，合闸或分闸、其他的接口故障等。在教学过程中，教师可通过现场演示机讲解、控制所有实训项目的完成，包括参数设定、组态及操作，现场演示开关的合闸、分闸，自动并车及负载分配，使学生在实训室能现场体会到电站系统的计算机控制、操作全过程。根据系统要求，系统打印机可随时输出操作和报警信息。教师也可在实训室的现场监控机上，通过设置故障或上机操作的方式，完成全部电站实训项目的一对一考核工作。
3．
教学局域网
为提高实训系统的整体效率，节约有限的空间。实训室主要作为设备展示、集中现场教学及考核之用。因此，教学局域网可单独设置、利用学院原有的计算机机房或与其它实验室共用。机房设备包括：一台教师机、一台或多台交换机及40台学生计算机。教室机既是本局域网的服务器，同时又通过CP5412通讯卡完成与实训室设备现场的工业总线的连接，充当现场监控级的从站。局域网内的所有计算机均预装WINNT网络平台，由WINCC
6.0和其他网络控制软件完成相关的网上教学任务，使得学生在清楚理解系统设备状况之后，可通过网络在远离控制现场的计算机教学机房，遥控电站设备或进行模拟预演。经教师授权后，和教师机一样可对并车和电站设备进行各种监控、操作和组态练习，学生机的画面显示和教师机的画面相同。课余时间，学生也可利用计算机预装的软件资源，熟悉电站系统的软硬件配置，掌握组态软件的编程和调试方法。
系统结构如图二所示。
二、电站实训系统电气设备配置
1．
低压组合式开关柜 GGD3 7台
2．
低压智能断路器 3WN6
400V/1000A 2台
3．
交流同步发电机组 0.4KV/75KW
2台
4．
电磁叠加可控相复励恒压励磁系统 2台
5．
交流电动机组 380V/22KW 2台
6．
低压变频器 380V/22KW 2台
三、计算机控制系统配置
1．监控主计算机
工业计算机（含打印机）
IPC 1套
1．
智能低压断路器
西门子
3WN6 400V/1000A 7台
2．
通讯接口
DP/3WN6专用
7台
3．
通讯卡
CP5412 2块
4．
系统软件
SIMATIC WinCC 6.0 1套
Win3WN6 1套
SICAM LCC 1套
SIMATIC STEP 7 1套
PROTOOL 1套
5．
PLC控制装置
S7-300（含DI、DO、AI和AO模块）
1套
触摸屏
TP27 15寸真彩 1台
7．教学机房设备
教师机（网络服务器）
1台
学生用计算机
40台
用户交换机 1台
四、自动化实训系统的特点和功能
1．3WN6低压智能断路器的特点
3WN6是一种经济型低压智能断路器，它采用了模块化的工程设计，使得通讯、保护和测量等功能更为稳定可靠，而且拆卸和维修方便，所有开关功能均可在线进行数字化编辑。联网后，可以方便地实现遥测、遥控功能以及快速故障诊断，还可远方修改定值和进行能量控制。因而避免了不必要的维护检查，减少了电站装置的停车时间。
2．
PLC系统的特点
现场操作时，S7-300系统由电站实训室的指导教师通过控制机柜上的触摸屏电路图和触摸按钮，即可清楚掌握电站的并车过程、及设备运行情况，并可自动或手动触摸控制设备的开/停，方便检修和事故处理。电站联网后，可以实现上位机在线组态、现场监控和远动控制功能。
3．自动化软件的特点
（1）西门子工业软件在全世界为自动化项目开创了先例。本装置应用了适用于全集成自动化的监控级应用软件—SIMATIC
WinCC 6.0、低压断路器控制软件—WinCC
SICAM LCC、S7-300 PLC产品的组态、编程和项目管理软件—SIMATIC
STEP 7及触摸屏面板编程软件—PROTOOL。
（2）全部软件均采用当今世界上最稳定的WINDOWS
98或NT操作平台，为真32位字长的多线程、多用户、多任务系统软件。在已确定的硬件范围内，用户可在线修改各种系统变量、控制参数和进行系统组态。
（3）SIMATIC
WinCC 6.0与其它软件包不同，它支持均衡的多处理器系统，使用户的应用能够充分发挥多处理器系统的全部优势，同时为现代工业应用提供了与对象相关的图形编辑器、报警存档和信息编辑器、变量存档编辑器、变量标签管理器等系统工具，具有连通性、开放性、硬件实用性和管理安全性等显著特点。
（4）Win3WN6软件提供了对3WN6断路器从控制到监控的所有功能。Win3WN6通过PROFIBUS-DP与断路器进行通讯，可以方便地观察断路器的运行状态和脱扣信号、对断路器进行（可加密码保护）、观察运行参数（如相电流）以及方便地设定保护参数（可加密码保护）。
（5）SICAM
LCC是低压系统的可视化编程软件，用户可方便快捷地创建3WN6断路器的可视化操作界面，显示电气系统的电路图及重要信息、测量值或计算值的显示和分析、显示电流、电压曲线、遥控设备的分/合，事故报警列表及打印等。
（6）SIMATIC
STEP 7具有功能块图（FBD）和梯形图（LADDER）等编程语言，拥有丰富的指令集，无论编程设备直接连接在CPU的MPI接口或经过PROFIBUS的以太网编程，均简洁、方便、易用；集成的测试和诊断功能确保在系统出现问题时，技术人员能迅速做出反应。
（7）PROTOOL软件很容易开发屏幕应用程序、绘制现场控制按钮中心的电气系统原理图，进行触摸屏的工艺流程图编辑、执行被控对象的开/停车控制、以及现场的单机离线调试等。
4．整个系统的主要功能及性能指标
（1）系统装置联网后，实习人员在计算机上即可掌握电站各配电低压开关的分/合情况，动态显示并车过程的电压、相位和频率条件的波动，随时记录事件和报警信息，掌握整套系统的运行状况。
（2）由于采用了现场总线的硬件结构，因而整个系统的实时性较强，数据变化响应的速度较快，系统SOE分辨率≤2ms遥信变位≤2s，遥控过程完成≤6s，画面响应1～3s；另外,事件报警、越限事件、报警顺序显示、历史曲线、运行报表查询和强大的打印功能等，为日常电站的生产管理和事故分析提供了极大的方便。
（3）由于采用了现场总线的分散式硬件结构，将所有的开关保护及并车和负载调整功能下放到各开关柜，真正做到了保护功能的分散化、控制系统的集中化。这与常规保护的接线方式和控制原理完全相同，学生易于掌握理解。而一条普通的屏蔽双绞线就将整个系统的上位计算机和各个柜上的接口单元和PLC联为一体，不但减少了实训室的空间占用，而且使系统运行的安全性和可靠性都得到了大大提高。
（4）全中文的用户界面使学生在系统运行时，通过屏幕上的提示菜单、就可利用鼠标或键盘来控制过程和输入数据。操作人员不需专业的计算机知识，就可以掌握整个电站系统的设备状况、并车及负载调整过程的全部细节。
电站实训自动化系统在完成现有电站的学科教学要求的所有实验和培训项目外，更可以完成包括开关调整、参数设定、开关实际操作及PLC组态和变频器调试等多个单科目实训项目，而且通过计算机设置故障和进行考核，也保证了教学与考核过程的系统性、完整性、科学性和准确性。
五、结束语
通过上面的分析，不难看出采用基于现场总线的电站自动化实训系统，无疑是目前值得大力推广的一种新型实用的控制和教学系统，其控制功能是传统电力控制模式所无法实现的。该装置投入使用后，必将为今后电站学科的专业教学和职工培训工作带来极大的方便，该系统不但工作可靠，性能稳定，而且可以使初学者从繁琐的手工并车操作中解放出来，通过上位机模拟操作也减少了各种事故的发生率，提高了实训室的利用率，而且使系统维护及故障检修变得容易、迅速，从而真正实现了电站系统教学管理的科学化和准确化。该系统一定会受到广大师生和职工的好评，也会为技术人员处理停车事故和分析并车失败原因，提供可靠的技术资料。我们相信：随着我国计算机控制技术的不断完善与发展，一定会有越来越多的自动化装置投入到电站自动化系统中来，为我国石化工业的工艺发展和技术进步做出更大的贡献。
参考文献：
1.
陆祥润、刘凤梧。船舶电气使用指南。大连：大连海运学院出版社，1993。
2.
黄伦坤、朱正鹏、刘宗德。船舶电站及其自动化装置。北京：人民交通出版社，1994。
3.
李正军。计算机控制系统。北京：机械工业出版社，2006。
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