西门子6ES7277-0AA22-0XA0参数设置
1 引言
随着水电厂“无人值班”(少人值守)工作的不断开展，以及电力体制的改革，对水电厂的自动化技术提出了更高的要求。计算机技术、信息技术和现场总线技术的飞速发展给水电厂自动化系统无论在结构上还是功能上，都提供了一个广阔的发展空间。水电厂自动化系统应该成为一个集计算机、控制、网络以及多媒体为一体的综合系统。
当前，计算机监控系统一般采用全分布、开放式结构，设电厂级和现地控制单元级(注:Local ControlUnit，在本文中均以LCU表示),其系统结构原理如图1所示。
图1 水电站自动化系统原理与结构图
LCU主要是就地对机组运行实现监视和控制，一般布置在发电机附近，是计算机监控系统较底层的控制部分。原始数据在此进行采集，各种控制调节命令后都在此发出，LCU可以是整个监控系统中重要的、对可靠性要求很高的“一线”控制设备。LCU按照结构和配置来分，可分为单板机—总线型结构LCU、以可编程控制器为基础的LCU、智能I/O模件配工业实时网构成的LCU等三种，
本文以选用了功能优越、的MB80 PLC作为电站LCU控制核心。并以此对MB80 PLC的功能特点和MB80PLC在水电厂自动化系统中的系统结构、功能和应用作一些探讨。
2 MB80PLC功能及特点
MB80系列PLC是南京南瑞集团公司开发的MB系列可编程逻辑控制器家族中的中、产品。该产品采用了工业控制领域的一系列新成果和新思想，生产过程中采用先进电子生产工艺。
2.1 MP80PLC硬件主要特点
(1) 主控模块CPU MB80CPU采用486或Pentium等高性能工业微处理器，具有强大的数据处理能力、运算能力及通讯处理能力;软件采用实时多任务的嵌入操作系统;支持以太网。
(2)I/O模块全部智能化。模块自身具有数据处理及自诊断功能，模块运行出现故障时能够自动复位并重新启动;另一个突出优点是所有I/O模件均支持热插拨。
(3) CPU与I/O模件之间采用CAN现场总线网络，通讯速率快、抗干扰能力强，且易于扩展。
(4)串口通讯功能强大。MB80串口通讯模件，独立完成串口通讯任务，与CPU仅完成数据交换并单独使用一路CAN网，与I/O模块CAN网分离，大大减轻了CAN网的通讯负担，且不占用CPU资源;该模件大支持8个串口(RS-232/485)，每个串口均可独立编程。
(5)开出模件动作可靠，具有输出保护功能:每组输出都有保险丝保护，过载时能够自动保护模块;密码锁功能:每路输出均采用密码锁功能，确保不会误动及拒动。
(6) MB80 PLC具有灵活的配置,典型的配置一般包括:
●某一型号CPU;
●模块插箱(多可扩展7个);
● I/O模块;
●电源模块。
另可选配:
●以态网通讯模块;
●串口通讯模块;
●同期模块;
●其它特殊功能模块。
由以上的配置可组成:双机双网系统、单机双网系统、单机单网系统。
(7) MB80 PLC可方便地与其它设备或系统接口
●控制对象;
●监控软件、上位机系统;
●需串口通讯的智能设备;
●GPS时钟;
●触摸屏等人机界面。
2.2 MP80PLC编程软件主要特点
编程软件MBPRO为MB80PLC提供了方便、友好的编程环境。MBPRO为全中文操作菜单，符合bbbbbbs操作习惯，易学易懂。
(1) 项目管理采用树型结构，通过目录树可以迅速查看硬件配置，子程序及流程;
(2) 两种编程语言:梯形图和流程图;
(3) 直观的在线监视功能，支持在线修改;
(4) 方便的流程在线调试功能，流程图调试支持自动执行、调试执行及单步执行;
(5) 便捷的数据库在线查询功能，在线可查询及强制测点值，可查询SOE事件及流程报警信息;
(6) 支持中文注释;
(7)窗口交互编程软件直观方便。具体包括菜单栏、系统工具栏、梯形工具栏(或流程工具栏)、目录栏、信息栏、状态栏和编辑区，所有界面及操作均为全中文方式，简单、易学、易操作。
●菜单栏可实现编程软件的主要功能。参见附表。
系统工具栏是把操作或编辑过程中经常用到的一些功能以图标的方式放置在编辑区的上方，便于操作起来方便。它们所实现的功能通过菜单栏操作都可以实现。梯形工具栏是将菜单栏“梯形”中的部分操作和功能模块以图标的形式放在编辑区的上方，便于编写梯形程序时使用。
●流程工具栏是将菜单栏“流程”中的部分操作和功能框以图标的形式放在编辑区的上方，便于编写流程时使用。
●目录栏是将整个文件以树型目录的形式进行管理。它分为三个部分:硬件配置、梯形图和流程图。
●信息栏可以查询或修改所有基本I/O测点和虚拟测点(寄存器、定时器、计数器、变量)的信息，包括其测值及各种属性，通过信息栏下排的按钮可以在各种测点之间切换。
●状态栏位于屏幕的下方。状态栏右侧依次为强制标记、PLC图标、在线/离线标记。状态栏左侧指示系统工具栏和作图工具栏的操作内容，例如，将鼠标指向系统工具栏的图标，状态栏会显示“建立新文档”，表示鼠标按下后执行的操作将是建立一个新的文件。
3 控制核心LCU系统实现及功能
3.1 配置与结构设计
本文以MB80PLC在四川洪坝水电站LCU的实现为工程背景进行讲述。该水电站位于四川省石棉县境内，电站装机为二台50MW的水轮发电机组，多年平均发电量5.088亿kW·h，保证出力22.22MW。此电站选用了性价比较高的MB80PLC作为电站现地控制级主控单元。LCU主要实现数据量采集(数字开关输入量、模拟输入量、温度输入量等)、设备控制(数字开出量等)、数据通讯(串口通讯、以太网通讯)、人机界面等功能。具体控制结构如图2:
图 2 机组LCU系统结构图
在系统配置中，主控单元主要由智能CPU、智能开关量输入输出模件、温度量输入模件、模拟量输入模件、智能通讯模件组成。
主控单元配置方案如图3所示。
图3 MB80 PLC配置方案图
3.2 控制系统核心CPU611
该CPU自带100Mbps以态网口，支持TCP/IPMODBUS协议，可与后台计算机通讯，从而实现后台对对LCU的监控功能，它们之间的通讯选用光缆作为通讯介质，这样能提高系统的抗干扰能力和数据传输速度;配置高性能的32M电子硬盘，32M内存;提供大开入/开出点数为2048/2048，模拟量点数为1024点;除了能提供位、字寄存器外，突出优点是提供了变量寄存器V，在PLC编程中可以根据需要灵活地定义变量的个数(大1024)、维数、类型等;CPU提供两个串口，均支持MODBUS协议，在本工程中其中一个串口与触摸屏连接，使触摸屏可以监视PLC采集到的数据，也能控制操作现场设备。
3.3 为串口通讯模块CPM418
该模块独立完成串口通讯任务，与CPU仅完成数据交换且单独使用一路CAN网，不占用CPU资源，与I/O模块CAN网分离;共有8个RS-232口，每个串口均可单独编程，编程语言为C;能够根据实际需要灵活地与其它智能设备通讯。在本工程中，串口1采用MODBUS协议与交流采集装置通讯;串口2、3、4分别与调速器、励磁、机组油压装置通讯;这样PLC通过CPM418的各个串口获取各个装置的数据信息，也可以对相关装置发控制命令。针对水电厂被控制对象分散的特点采用串口通讯方式将分散在现场的智能I/O、智能控制器连成一体，提高了系统的自治性和可靠性，节省了大量的信号电缆和控制电缆。
3.4 SOE型32点中断开入量模件IIM214
模块每个测点都具有SOE事件顺序记录功能，输入信号发生变位时能自动交变位信息及动作时间送至CPU，事件分辩率可达1ms，能准确分辨出信号动作的先后次序，准确分析设备状态。DIM214、DOM214分别为32点开入量、开出量模件;TIM212、AIM212分别为温度量、模拟量输入模件。
所有输入模件均采用端配板，端配板与模件之间使用专用连接电缆，使连接更可靠，更简便，占用空间更少，减少了复杂的配线工作，方便维护及查找故障。
4 PLC软件设计
软件设计主要需完成数据处理、上位机及外部智能设备的通讯和.水轮机组及其辅助设备的控制两大功能。对于项可以用PLC传统语言—梯形图编写，对于第二项，若要用梯形图编写则是一项逻辑简单但编写复杂的事情，但MBPro编程软件的流程编程语言则很好地解决了这一问题:目前国内设计院或用户提供的顺序控制流程或设备操作闭锁条件都是用梯形图的形式来表示，MBPro编程软件的流程编程语言即是基于上述情况所开发的一种新型编程语言。它采用面向对象的方法，提供了直观的、交互的编程方式来生成顺序控制程序。对顺序控制来说，它是一个为自然的语言，只要用流程图组态出一个控制的全过程，那么相应的控制程序已完成。采用流程图与梯形图结合的编程方法则可以完成非顺序控制等复杂流程。编程界面见图4。
对排灌站的8个并列格栅和4台水泵进行统一管理，实现设备全工作过程(抽水、清污、输送、挤压)的自动化控制，出现故障及时报警停机并自我诊断，确保其正常运转，这是设计自控系统的思路和初衷。捞污、挤压设备及自行设计的整套自动控制系统现安装于江苏省南京市的一个水利排灌站，也适用于其它市政部门的泵站应用。
排灌设备主要由4台水泵、8台捞污机、2台输送机(水平和倾斜输送各1台)、1台污物挤压机和自控系统组成，湿落落的污物经设备处理后，变成干的块状垃圾，既可减少该站的污物存放场地(在城市尤为重要)，又能增加车辆装载量，减少运输次数和节约运输成本;可避免运输途中的抛撒、滴漏所造成的二次污染，有利于环境保护。
2 控制原理设计
该工程自控系统分手动、半自动、全自动间歇和全自动水位差等四种方式，操作人员可根据需要任选一种，四种控制方式实现互锁。
2.1 水泵
在自动状态下，水泵的开停由水位高度决定，当超声波传感器测得的模拟量相当于6m水位时，水泵电机按顺序启动，开始抽水;当模拟量相当于4.5m水位时，水泵全部停止抽水。自控系统根据水量的大小做出判断，自动选择开启水泵的数量。
(1) 水泵1工作30min后还未达到模拟量相对应的低水位(说明水量较大)，系统自动开启水泵2。
(2) 水泵1、2工作30min后还未达到低水位(说明水量很大)，系统自动开启水泵3。
(3) 水泵1、2、3工作30min后还未达到低水位(说明水量特大)，系统自动开启水泵4。
(4) 水泵1工作30min后还超过高水位(说明水量特大)，系统自动开启水泵2、3、4。
(5) 水泵过载时，热继电器将切断主电路，整套设备停止工作，做出水泵电流过载的声、光报警。
2.2 捞污机
(1)格栅前后两个超声波测得的模拟量相对应的水位之差大于等于300mm时(水泵在开启状态，否则就没有水位差)，自控系统通过模拟量比较，按顺序启动捞污电机开始回转捞取污物。
(2) 格栅前后水位差小于等于50mm时，捞污机全部停止工作。
(3)捞污机采用双重安全保护，捞污机过载时，热继电器或磁性开关动作，切断主电路，整套设备停止工作，并做出捞污机电流或机械过载的声、光报警。
2.3 输送机
(1) 捞污机启动数秒钟后，自控系统启动输送电机，水平再向上倾斜输送污物。
(2) 输送机过载时，热继电器将切断主电路，设备停止工作，做出输送机电流过载的声、光报警。
2.4 挤压机
(1) 大推头动作
箱内污物达到预定高度(可调，调节光电传感器的垂直角度)，2个光电传感器反馈信号，大推头进(水平初压)。
(2) 主压头动作
大推头进限位开关动作，主压头下(垂直高压)，下压8s钟后，延时15s钟进行次挤压污水;主压头继续下(垂直高压)，下限位开关动作，主压头停留15s钟进行第二次挤压污水。
(3) 二循环或三循环动作
如果污物挤压得较松散，可选用“二循环”或“三循环”，挤压机对污物高压后，主压头和大推头复位，再把第二批或第三批污物与批一起挤压。
(4) 小门动作
保压15s钟后，小门开(放料)，主压头上。
(5) 推头动作
小门开限位和主压头上限位开关动作，小推头进将污物推至污物车。
(6) 复位动作
小推头进限位开关动作，数秒钟后，小推头、主压头、小门、大推头按顺序复位。
(7) 挤压机过载时，压力继电器或热继电器动作，切断主电路，并做出挤压机油压或电流过载的声、光报警。
(8) 液压站采用双重油压安全保护，当污物初压或高压过程
控制对象及任务分析
3.1 控制对象
采用西门子S7-200PLC主要控制水泵的4台电机、捞污机的8台电机、输送机的2台电机的开停和液压站的4个油缸的双向动作。
其中包括:
(1) 控制手动、半自动、全自动间歇和全自动水位差等四种运行方式。
(2) 控制14台电机分别完成抽水、捞取污物、输送污物等动作。
(3) 控制液压站电机完成复位、水平初压、垂直高压、放料、出料等动作。
(4)控制设备的运行技术安全。即控制各运行方式的互锁保护;控制垂直方向与水平方向动作的互锁保护;控制水泵、捞污机、输送机和油泵的电流过载保护;控制捞污机的机械过载保护;控制液压站的油压过载保护。
3.2 控制任务
(1) 现手动方式控制，即手动独立完成上述9个基本动作。
(2) 实现半自动方式控制，即自动完成上述基本动作1至动作9。
(3)实现全自动间歇和全自动水位差方式控制，在间歇工作开或水位差≤50mm的状态下，即自动进行上述基本动作5至动作9的循环。
4 硬件选型与配置设计
4.1 主控系统选型与配置
系统采用了西门子S7-200可编程控制器，使自控系统结构紧凑，执行指令快捷，可靠性提高。编程软件基于bbbbbbs平台。PLC在清污设备中的应用，使修改控制参数、扩展控制功能等变得非常简便，避免了分立电气元件抗震性能差、误动作多、定位精度不高等弊端。设计中该系统的控制点数为116点，其中输入点数66点，输出点数50点，拟选用的PLC的控制点数为120点。实际选用的主要控制硬件有:PLC选用西门子的中央处理单元CPU224一块(14入10出)、数字量扩展模块EM223二块(16入16出)、EM223一块(8入8出)、EM221二块(8入)，总输入点数70点，总输出点数50点，实际使用为66入50出，一般需要预留出5至10%的点数，考虑到成本问题，所有的按钮输入都采用点动方式，省去了不必要的输入点数，预留输入点数为5%，能够满足设计要求。
4.2 前端传感变送器选型
(1) 控制水位和水位差的反馈元件选用德国TU- RCK超声波传感器(型号Q45ULIU64BCR)。
(2) 控制大推头、主压头、小门、小推头两端限位的元件选用行程开关。
(3) 控制捞污机安全销过载的信号反馈元件选用霍尔式传感器。
(3) 控制水泵、捞污机、输送机、液压站电机电流的元件选用热继电器。
5 控制程序设计
5.1 固定时序工作方式
全自动间歇方式即设备工作X小时，停机Y小时(简化为X/Y)，共有4档可调(2h/1h;1h/1h;1h/2h;2h/2h)，如果遇到停机时间，正在进行的程序保持至结束，设备停机待命(与水泵的自动开停无关)。
5.2 水位差工作方式
全自动水位差方式即当格栅前后两个超声波传感器测得的水位之差大于等于300mm时(水泵在开启状态，否则就没有水位差)，自控系统从捞取污物开始，至出料结束，等待下一个污物箱装满信号;当水位差小于等于30mm时，抽水、捞污、输送停止，而正在进行的程序将保持至结束，等待下一个水位差信号(与水泵的自动开停无关)
6 主要特点和技术难点
6.1 主要特点
(1) 水位控制
安装在格栅前的传感器控制高水位，安装在格栅后的控制低水位，传感器的测量范围为250至3000mm，实际监控距离为1000mm(对应水位6000mm)至2500mm(对应水位4500mm)，当高于等于高水位时PLC自动开启水泵;当低于等于低水位时PLC自动停止抽水。
(2) 水位差控制
调节格栅前后2个传感器反馈的模拟信号差值，当对应水位差大于等于300mm时，PLC自动开始捞污;当其小于等于30mm时PLC自动停止捞污。
(3) 污物高度控制
2个光电传感器属“与”的关系，主要用于PLC判断污物装载量的多少，调节其垂直角度或水平距离，均可以调整污物的装载高度。
(4) 水泵控制
PLC根据较大、很大、特大的水量，自动选择开启水泵的数量。
(5) 捞污机控制
因为捞污电机起动电流较大，由PLC对8台捞污电机按顺序延时开启。
(6) 报警控制
PLC对水泵、捞污机、输送机、油泵的电流过载报警，对捞污机的安全销机械过载报警，对油泵的油压过载报警。为了用户能迅速准确地找出故障部位，PLC对各种故障分别用指示灯加以显示，用铃声进行提醒。
(7) 一键式清理
由于残留污物会对设备产生腐蚀，会腐烂产生臭味，当设备工作结束时，在不开水泵的情况下，可按“清理”按钮，设备自动将捞污机、输送机上的剩余污物全部装入污物箱，2min后再将污物挤压推出。
6.2 主要技术难点
(1) 标定水位值
超声波传感器的模拟信号通过模数转换成为数字信号，具体对应的水位只有在操作现场才能调试出来。将大、小模拟电信号与高、低水位对应起来，理论计算出水位的单位毫米数所对应的电信号模拟量，后还需现场标定和调整，因为传感器安装角度或位置等因素的影响，实际上高、低水位对应的模拟量数值与理论上的有一定的出入。
(2) 标定水位差值
2个超声波传感器应选用技术参数相近的，尽量做到“匹配”，将2个传感器的“模拟量/毫米”进行平均，再计算出水位差300mm和30mm对应的模拟量差值，后进行现场标定和调整。
(3) 设计光电传感器的安装方案
由于污物箱为金属结构，电容式、电感式、霍尔式等接近传感器均不适用在此箱中测定污物量，经过比较终选定了光电传感器。原设计将其放在有机玻璃后面，但经污水污物覆盖风干后，或经污物及大推头的长期磨擦后，有机玻璃透明度就会降低，导致光电传感器失灵，通过多次方案论证和试验，后将其安装在大推头上端的污物箱壁上，且有挡板覆盖，避免了接触污物，使用效果比较满意。
(4) 各类传感器的反馈信号有时会伴有脉冲信号，使设备出现误动作，采用PLC中的计时器，就很好地解决了这个问题。
(5)在调试程序过程中，发现各动作有相互干涉现象，主要表现在循环或复位等程序中，这样不得不采用大量的辅助继电器，增加了调试难度，终采用步进法进行编程，调试效果令人满意。
排灌站设备控制程序框图如图4所示。
7 结束语
清污设备在市政和水利部门具有广泛的应用，而PLC在排灌站智能化管理中的成功应用，为人机对话和远距离控制奠定了基础。
目前的水面污物清捞设备正在朝多功能、智能化、网络化的方向发展，市政泵站和水利排灌站的发展趋势是控制远程化、管理无人化。下一步的设想就是将各种传感器采集的信号或摄像探头拍摄的图像，随时反馈至控制室，或通过Internet网络反馈至控制中心，操作人员通过监视器中各个角度、放大或缩小的多组画面，可直接看清其水位和水面的情况、设备的运行状况等，通过触摸屏进行人机对话，直接干预设备的运行，对设备采用机械、电流、温度、应力、限位等多重保护，确保远程控制的安全性和可靠性，并有PLC自动诊断故障，显示故障部位和原因、维修保养建议等，真正实现市政泵站和水利排灌站各种设备的智能化、网络化、无人化控制。