S7-300 PLC在变电站中的应用

 

某油田有150多座变电站，承担着油田整个油区、社区及生活区部分居民的用电，油田电网的安全运行对于保证原油产量持续上升和居民安居乐业起着至关重要的作用。

 

油田变电站中的AEUD-WIII全自动智能免维护直流屏采用模块化设计、数字化控制，智能化程度高。该直流电源具有先进的系统监控功能，着重电池在线管理、接地选线、“四遥”通信、告警显示和事故追忆等功能进行开发，使得系统安全性、可靠性更高。

 

该系列全自动智能免维护直流屏采用SEIMENS公司生产的OP170B型人机界面,该监控模块具有结构紧凑、显示分辨率高、可靠性高、寿命长等优点。通过人机界面可以完成整流模块启动，充电状态显示，查看报警信息，手动电池巡检，绝缘监察、接地选线、报警试验、报警复位等直流屏的所有操作，并能显示直流屏的原理图及各个运行参数和各种故障信息。控制模块采用S7-300系列模块，进行数字和模拟信号的采集及输出。

 

硬件系统构成

 

1.PLC配置

 

变电站直流监控系统的PLC采用西门子公司的S7-300 PLC。根据系统要求，PLC总体配置如下：

①中央处理模块（CPU）：选用CPU 314。

②数字量输入模块（DI）：选用SM321，共1块（16点/块），处理4点输入信号。

③数字量输出模块（DO）：选用SM322, 共4 块（16 点/块），处理56 点输入信号。

④模拟量输入模块（AI）：选用SM331,共1 块（8 点/块），处理8点输入信号。

⑤模拟量输入、出模块（AI）：选用SM334，共1块（4点入和2点出/块），处理2点输入和2点输出信号。

 

2.操作屏配置

 

操作屏采用两个OP170B，一个安装在控制柜；一个安装在监控中心。

 

监控系统软件

 

变电站直流监控系统的软件主要有两部分：显示单元和软件单元。

 

1.显示单元

 

操作屏采用工业级人机界面，主要完成直流系统运行监控、故障报警、记录和排除提示、参数设置、模拟键盘操作、数据记录处理、累计运行时间控制等任务。

 

显示单元包括主画面、电池巡检画面、电池组电压记录画面、绝缘监察、当前报警画面、历史报警画面、累计运行画面等画面。

 

2.控制软件单元（只给出部分功能软件）

 

软件单元由系统时钟读取、整流器控制、电池巡检、绝缘监察、接地选线、限流电阻控制、累计运行时间、当前报警处理、历史报警信息处理、报警试验等程序构成。

 

1)整流器控制。

 

 

 

给定延时

A     “F1_k1”

AN    “F1_k2”

=     “DO_k1”

主充电机给定

A     “DI_k1”

JNB    _001

CALL    FB21，DB21

_001: NOP  0

主充电机给定复位

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

主浮充转换

A(

O     “DI_k1”

O     “DI_k2”

)

JNB   _003

CALL  FB20，DB20

_003: NOP 0

 

 

2)巡检：能够自动（每天定时）和手动进行电池巡检（部分程序）。

 

 

 

每天10 点自动电池巡检

A(

L     MW22

L     10

==I

)

FP    M15.2

AN    “scan_end”

S     “scan_start”

按下面板电池巡检键，手动进行电池巡检

A(

A     “F3_bat_scan”

FP    M15.3

O(

A     “F3_bat_scan”

FN    M15.4

)

)

AN    “scan_end”

S     “scan_start”

电池巡检开始

A     “scan_start”

JNB   _001

CALL   FB23，DB23

_001: NOP   0

电池巡检开始，画面转到电池巡检画面

A     “scan_start”

FP    M17.4

JNB   _002

L      2

T     MW102

_002: NOP  0

电池巡检结束,复位电池组序号

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

电池巡检结束,置位电池巡检标志位

A     T51

=     L0.0

A     L0.0

JNB   _005

L     0

T     MW186

_005: NOP 0

A     L0.0

BLD   102

S     “scan_end”

电池巡检结束后，进行过、欠压判断

A     “scan_end”

JNB    _006

CALL  FB24，DB24

_006: NOP 0

 

 

3)绝缘监察及接地选线：能够自动（每天定时）和手动进行绝缘监察及接地选线（部分程序）。

 

 

 

判断系统时钟是否为9 点，若是，则启动自动执行绝缘监察功能

A(

L     MW22

L     9

==I

)

FP    M15.5

S     “auto_gnd_chk”

根据绝缘监察霍尔电压采样值与设定值的大小，判断是否出现不平衡接地，若出现，则启动

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”

使绝缘监察启动的三种条件，有任何一个满足要求，则开始绝缘监察

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”

进行绝缘监察时，进入绝缘监察画面

A     “en_chk”

FP    M17.5

JNB   _001

L     4

T     MW102

_001: NOP  0

监察完毕，进行监察使能复位

A      M17.0

R     “en_chk”

R     “gnd_chk”

监察完毕，进行对地电阻值，电压值记录及进行报警

A     M17.0

JNB   _009

CALL  FB25，DB25

_009: NOP 0

 

 

4)当前报警及历史报警信息处理（程序略）。

 

故障分类为二级:分为一般故障和致命故障。

 

一般故障包括：

 

当发生此类故障时，仅声光预警，不中断当前操作。根据系统中产生的各种故障实施相关的故障声光报警和记录，此刻显示屏进入故障报警画面，显示故障内容，性质，时刻，按ACK 解除声音报警，但故障显示仍然存在，直至解除故障。

 

致命故障包括：

 

当发生此类故障，将禁止所有控制输出，声光报警，在显示屏上显示故障类型、内容、时刻。只有在排除故障，按人工复位键后系统恢复正常工作。

 

 

 

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）显示画面及LED 灯指示

主充电机运行指示灯（F1）

A     “DI_k1”

=     M6.0

=     M6.1

主充电机直流输出故障闪烁报警控制（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

蓄电池充电状态显示控制（主充）

A     “DI_bat”

AN    “float_charge”

JNB   _019

L     1

T     MW68

_019: NOP 0

蓄电池充电状态显示控制（浮充）

A     “DI_bat”

A     “float_charge”

JNB   _01a

L     2

T     MW68

_01a: NOP  0

 

 

小结

 

油田变电站直流监控系统自2001年由S7-200系统改进为S7-300系统以来，正常运行证明：整个系统设计先进、合理，操作简单，可靠性高，符合用户预期的要求，成为推广项目。

 

S7-300 PLC 在断路器极限电流测试系统中的应用

 

断路器极限电流测试系统通过工业PC串行口实现与S7-300的CP 340(RS-232C)模块通信，从而实现对系统的实时监控。

 

极限电流测试系统介绍

 

断路器是一种能接通和分断正常负荷电流、过负荷电流、短路电流的开关电器。为标定断路器极限电流这一指标使其满足出厂要求，每个产品须经过极限电流测试系统的测定，以下是SZ高新区的电器设备制造企业应用IPC结合S7-300 PLC实现该测试系统。

 

1.测试系统的框架

 

 

系统的主控由IPC承担，其负责测试的参数设定、产品的型号选择、测试信息的记录分析，S7-300 通过与IPC进行ASCII方式的通信，接收IPC的指令，操控系统的接触器，固态继电器等执行设备，同时将测试的信息返回给IPC ,为了给断路器测试提供工作环境，系统中采用电流源供电方式。考虑提高测试的效率, 系统设计时为提供20路测试环境，20组被测试设备可以串联同时进行测试，一旦其中的某一组或某几组在测试时跳闸，其旁路接触器和旁路固态继电器(图中未画出)立即接通，保证串联电路中其他测试单元能正常供电，此处选择固态继电器和接触器并联，主要考虑回路在某组跳闸断开时及时保护电流源，防止电流源开路使用。20个单元也可通过IPC设定其中的前几组进行测试，在未设定范围工位处的接触器与固态继电器在测试开始接通旁路以便前面工位的测试，在串联回路中的接触器的三路常开点并联使用考虑增加回路的电流容量。

 

2.系统自动化器件配置

 

断路器极限电流测试系统的自动化器件有：CPU315-2DP一台、AISM321(32输入) 一块、DOSM322(32输出，24V)两块、DOSM322(16输出，230V)两块、CP340一块。

 

选型中考虑了以下的因素:

1)考虑与IPC进行ASCII通信，选用性价比较高的CP 340(RS-232C)。

2)考虑驱动接触器和固态继电器，所以输出模块选择两种方式，24V晶体管输出驱动固态继电器，其工作速度比继电器要快得多，比较适合对固态的控制。

 

IPC采用LABWINDOWS的开发环境，提供友好的信息交换画面和管理系统。

 

串行通信的实现

 

断路器极限电流测试系统中，IPC和PLC的信息交换至关重要，其好坏直接影响测试的性能和稳定性。此处CP340选用SIEMENS提供的RS-232C模块，采用ASCII的协议，通信的设置为9600、8、1、EVEN。PLC与PC间采用异步串行方式进行通信，采用主从问答式。PC始终具有初始传送优先权，所有的通信均由IPC来启动。PLC调用FB2、FB3功能块，实现接收和发送功能，协议的格式主要分为以下两类:

 

1.写命令（共9个字节）：

 

PC：“#”(Head 1字节)+“W”(类型1字节)+起始地址(2字节)+数据(4字节)+校验核(累加和)。

PLC：收到命令且校验核正确，原封不动返回接收到的全部9个字节。

命令1：PC:“#W”0x1fff 0xffff+0x000f+Check_sum；表示0-19号接触器全存在；

命令2：PC:“#W”0x10ff 0xffff+0xffff+Check_sum；开始测试；

命令3：PC:“#W”0x10f5 0x0000+0x0000+Check_sum；停止测试；

……

 

2.读命令（共9个字节）

 

PC：“#”(Head 1 字节)+“R”(类型1字节)+起始地址(2字节)+ 0x00000000(4字节)+ 校验核(累加和)。

PLC：收到命令且校验核正确，返回0-19号接触器的状态, “1”: 闭、“0”:开。

命令1：PC:“#R”0x2fff 0x0000 +0x0000 + Check_sum；表示读取0-19号接触器的状态；

PLC返回:“#R”0x20ff 0xffff +0x000f + Check_sum；表示0-19号接触器全部闭合。

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

 

在协议中作了以下规定：

①以“#”作为起始字符，占用一个字符。

②通信类型由“W”和“R”区分。

③整个命令采用和校验的方式,每次将校验和放在最后一个字节。

④测试时，不一定20个测试断路器全部存在，如不存在，必须将旁路接触器(固态继电器)接通，否则不能正常工作。在命令1中可以设定0-19号接触器的存在情况，“0xffff + 0x000f”表示0-19号被测断路器全部存在，这样的表示方法给PLC处理带来了较大的方便。

 

在程序中，将4个字节存入MW中，命令中的5个16进制“f”(对应二进制20 个“1”)可以分配到每一位。“1”表示被测试器存在,“0”表示不存在。

 

控制系统完成的功能

 

测试系统每路测试单元的结构相同,如下图所示。左边为每路的指示灯,正常工作为绿色,跳闸则为红色，(Q8.0～Q12.7)未选中则都不显示。右边分别为被测断路器，旁路接触器(Q16.0～Q18.3)，旁路固态继电器(Q13.0～Q15.3)。辅助触点是被测断路器用来检测当前断路器的闭合还是断开(I4.0～I6.3)，灯、接触器、继电器、辅助输入的地址依次增加。

 

 

程序中我们考虑用循环加上间接寻址的方法来实现：

 

 

 

L     +20

T     MB0                                        //循环次数

L     2#0000_0000_0010_0000 (I4.0)               //辅助输入起始地址

T     MD2

L      2#0000_0000_0100_0000 (Q8.0)               //输出绿灯起始地址

T      MD6

L      2#0000_0000_0100_0001 (Q8.1)               //输出红灯起始地址

T      MD10

L      2#0000_0000_0010_0000 (Q13.0)              //输出接触器起始地址

T      MD14

L      2#0000_0000_0010_0000 (Q16.0)              //输出固态继电器起始地址

T      MD18

NEXT:

L      MD2

INC    1

T      MD2                                        //辅助输入地址加1

L      MD6

INC    2

T      MD6                                         //绿灯输出地址加2

L      MD10

INC    2

T      MD10                                        //红灯输出地址加2

L      MD14

INC    1

T      MD14                                       //控制接触器输出地址加1

L     MD18

INC    1

T      MD18                                    //控制固态继电器输出地址加1

L      MB0

LOOP   NEXT                                    //20组做完吗?

…

 

 

应用了此结构使得程序变得非常简洁，调试非常方便，一旦某一功能改变,修改方便,如果用实际地址的话每组的相应的地方都得修改。

 

小结

 

CP 340的应用使得西门子产品与其他设备沟通方便，STEP 7间接地址编程方法非常有效，断路器极限电流测试系统统在2005年完成后实际运行效果良好。

 

S7-300 PLC与DCS串行通信

 

随着PLC和DCS生产厂家在通信软件上的日趋完善及电力工程在设备招投标力度上的加强，设备成套厂家大力推荐使用串口通信作为PLC和DCS之间的信号连接。本例以DH电站一期2×600MW机组项目中锅炉等离子点火系统使用的西门子S7-300 PLC（CP341通信卡件）与西门子DCS控制系统TELEPERM XP（CM104通信模件）间的通信为例，介绍实施MODIBUS RS-232C/RS-485通信的具体步骤，对系统的硬件配置、连接、软件组态进行描述。

 

系统连接

 

TELEPERM XP配置的模件通信处理器CM104作为“主站”（MASTER），支持MODBUS协议，并提供6个9针RS-232C串行接口（Serial 3～Serial 8），如下图所示。由于通信距离超过15m，在S7-300 PLC的配置中与DCS的通信卡选用CP341-RS422/485卡件作为“ 从站”（SLAVE），该卡件提供一个1个15针串行接口，同样支持MODBUS协议，设计中使用PHOENIX公司的PSM-EG-RS-232C/RS-485-P/ZD模块作为RS-232C转为RS-485接口的适配器。

 

 

适配器内部跳线设置：RS-485 BUS-END为ON，DTE/DCE选择为DCE即数据电路终接设备方。CM104与适配器间使用标准9针串口线连接，CP341与适配器进行RS-485通信时，选用2芯屏蔽电缆，接线如下图所示。

 

 

CP 341模块应用简述

 

CP 341是S7-300点到点通信模块，硬件接口采用RS-232、TTY、RS-422/RS485（X27）方式；软件协议有MODBUS，3964（R）、R512K和ASCII；本工程应用MODBUS SLAVE协议。

 

MODBUS是一种工业现场总线通信协议，为主/从模式，主站发出请求后，从站应答请求数据，数据应答内容依据功能码进行响应，下表是CP341应用的功能码所对应数据类型。

 

表  CP341应用的功能码所对应数据类型

功能码	数据	数据类型		存取	地址
01，05，15	线圈（输出）状态	位	输出	读/写	0XXXX
02	输出状态	位	输入	只读	1XXXX
03，06，16	保持寄存器	16位寄存器	输出寄存器	读/写	3XXXX

 

CP 341 MODBUS协议通信通过STEP 7（Manager）利用库函数FB7（P-RCV-RK）和FB8（P-SND-RK）功能块进行发送/读取数据操作，他们均通过组态数据库的方法进行发送源信息和接受目的数据的组态。请求信息时，从源数据库读取相应字段然后发送，接受信息是根据发送的内容进行对应字段数据的存储，对P-RCV-RK，主要参数为BD-No(数据库号)，Dbb-No（目标数据起始地址），对P-SND-RK功能块，主要参数为BD-No(源数据库号)，Dbb-No（源数据起始地址），LEN（发送数据字节长）。值得注意的是，在P-RCV-RK出现的数据字段中并未包含从站地址，功能码字节，而g仅仅是数据内容，因此程序中不能依据从站地址，功能码值去判定响应数据的种类。然而，CP341却规定在给定的时间内仅允许一个P-SND-RK和一个P-RCV-RK能在用户程序里被访问，这就意味着他们在程序中已经形成一一对应的关系。

 

软件组态

 

1.PLC软件编程

 

（1）CP341的编程。

 

首先应保证STEP 7编程工具运行正常，在STEP 7的SIMATIC管理器下，通过File→Open→Project进入Project，然后再双击“CP341 Protocol 3964”以打开S7编程器，在编程器中双击“Blocks”库，然后把所有的“Blocks”拷贝到SIMATIC 300→STATION→CPU300/400→S7 PROGRAM→BLOCKS中。各“Blocks”定义如下:

 

 

 

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

 

 

对在“Blocks”编程后，将CPU置于“RUN”位置，CP341即可以进行串口的通信。

 

(2)通信参数的编程

 

 

 

Modbus Slave Address: 1

Port: RS485

Baud rate: 19200

Date Bits: 8

Parity: None

 

 

2.CM104软件组态

 

对CM 104的控制组态包括硬件组态及各类输入输出组态,在此不作介绍。而通信参数的组态主要是通过其编程接口Serial 1写入CM.INI文件，共涉及14个组态项目，有些是常规的组态项目，可以是系统的缺省值。例如使用了以下是必须要完成的组态项目:

 

 

 

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

 

 

实施过程中的注意事项

 

当连接和组态工作正确无误后，PLC和DCS会进入正常的数据通信状态。这可以从卡件的状态灯上反映出来。

 

CP341上有三个状态指示灯，分别是：SF(RED)表示错误状态；TxD(GREEN)表示数据在传送；RxD(GREEN)表示数据在接收。通信正常时为TxD和RxD状态灯交替闪烁。

 

CM104上的状态指示灯分别为：POWER(ORANGE) 表示CM104已经供电；RESETR（RED）表示复位；HDD（GREEN）表示启动时对内部存储器的读写；SCSI（GREEN）表示外接SCSI设备后的状态；LAN（GREEN）表示与TXP总线的连接状态，正常时为绿色闪烁；LAN100（GREEN）表示连接速率；USER1（GREEN）表示与TXP通信的状态，正常时为无显示；USER2（GREEN）表示与第三方设备通信的状态，正常时为无显示。

 

PHOENIX接口适配器上有两个灯，分别是：CTS(ORANGE)表示数据在传送；RTS(GREEN)表示数据在接收。通信正常时为CTS和RTS状态灯交替闪烁。

 

当通信不正常时，卡件的状态指示灯立即显示错误状态。此时应先检查硬件错误再检查软件错误。如通过软件组态功能块的诊断信息来查找故障原因。在软件编程方面，要注意以下两点：

①要确保PLC和DCS的通信速率一致，建议使用9600bit/s或19200bit/s的速率，而且最好不要增加奇偶校验；

②要保证通信数据地址的有效性，地址的偏置可以在CM104中设置。

 

在硬件方面，要注意以下方面：要确保使用屏蔽的ITP电缆；同时要注意在接线时一定要正端连接正端，不要接反。

 

小结

 

通信实施后，在传输信号的质量上以及维护上都有了比较明显的改善，但系统还有其他协议转换装置时，在实时性方面略显不足。该方案S7-300 PLC上所有监视、控制都可以在DCS上进行，同时工程费用同硬接线比较显著降低。

 

S7-300/400 PLC在永久船闸系统中的应用

 

船闸控制系统的组成与运行

 

该永久船闸为南、北两线五级连续船闸，根据上、下游水位变化，需采用三、四、五级运行方式；根据闸室水位，为确保通航最低值，又分为不补水运行和补水运行。同时，由于分期施工的原因，船闸运行的初期，第一闸首人字门不能投入使用，只能由桥机操作事故门代替船闸第一闸首人字门闸门。由于SX船闸水头高、人字门运行淹没水深大、人字门关闭后易出现门体漂移等难点，为实现上述控制方式的自动化运行，采用了自动化程度高的S7-400 PLC配以先进传感器以实现自动控制。

 

两线船闸在正常情况下采用单向连续过闸的运行方式，即一线上行，一线下行。若一线船闸检修或事故停航，则另一线采用单向成批连续过闸、定时换向的运行方式。每线船闸自上游至下游依次布置有第一闸首事故检修闸门与叠梁门及桥式启闭机、集中控制系统、第一至第六闸首人字闸门及液压启闭机、输水廊道工作阀门及液压启闭机、第六闸首辅助泄水廊道工作阀门及液压启闭机，第二、第三闸首还布置有人字闸门防撞警戒装置。

 

1.船闸控制系统组成

 

船闸每线船闸电气控制系统主要由一个集中控制系统、12个现地子站控制系统、14套排水控制系统、一台桥式起重机和4个防撞警戒装置组成。

 

每线船闸的自动监控装置均由1套集中控制主站、12套现地控制子站及通航信号装置、广播指挥设备、船舶探测及工业电视监控管理装置和其他外围设备组成。集中控制主站由二个冗余S7-400 PLC组成，现地控制子站由12个冗余S7-400 PLC组成。排水控制系统、桥式起重机、防撞警戒装置由S7-300 PLC组成。

 

系统主要功能负责完成每线船闸连续过闸作业的实时过程数据采集、集中控制、操作等功能，以及集中控制系统与现地控制系统的通信控制。子站的主要工作为控制操作本闸首的液压泵站、人字工作闸门、输水工作阀门、防撞装置和通航信号指挥等设备。为确保系统安全运行、及时采集各种信息，集中控制系统与现地控制系统通过冗余双环光纤工业TCP/IP 以太网络及光纤切换模块(OSM）和光纤冗余管理模块（ORM）连接，系统框图如下图所示。

 

 

2.永久船闸运行控制方式

 

永久船闸运行分为集中、现地和检修三种控制方式。正常情况下以集中控制方式为主，此时现地控制系统接受集控自动或集控手动指令，控制双边人字门、阀门及锁定装置的运行。当集控操作员发出运行指令时，船闸设备根据过闸工艺按预先设计好的程序自动进行集控联动运行。当集控自动控制程序出现故障时，集控操作员在集控室仍可以通过集中手动对其现地子站进行集中手动控制。三峡船闸运行控制方式遵循现地优先的原则，当系统出现紧急情况或在网络通信中断的情况下，无法进行集中控制时，可采用现地控制方式，当某一子站处于现地控制状态时，集控室的自动控制状态自动安全取消，但集控室仍可以通过集中手动对其他处于集控状态的现地子站进行集中手动控制。现地优先的原则保证在紧急状态下在现地子站进行操作控制，但不利于系统集控的运行管理。检修控制方式，当子站处于现地检修控制状态，操作人员通过人机控制界面的彩色图形操作面板（TP37），在不影响系统安全、符合船闸检修工艺的前提下，控制系统分步运行，或者控制某些器件、设备单独运行或得电，达到对局部线路、设备检修的目的。

 

3.船闸过闸工艺及闸阀们运行的条件

 

为节省船只过闸时间，船队过闸过程是连续的，工艺为：当先行船队A自第四级闸室进入第五级闸室时，后续船队B可由第二级闸室进入第三级闸室，第三批船队C可由上游进入第一级闸室。为了确保永久船闸安全运行，人字门、阀门开启关闭必须满足以下条件：

 

闸门开启条件：相邻闸门、阀门关终、本闸首有水平信号、阀门锁定装置非运行状态、本闸首子站无B类故障。

闸门关闭条件：阀门、锁定装置处于非运行状态，本闸首子站无B类故障。

阀门开启条件：相邻闸阀门关终、闸门锁定装置非运行状态、本闸首子站无B类故障。

阀门关闭条件：闸门锁定装置非运行状态、本闸首子站无B类故障。

 

船闸控制系统的基本配置

 

每个集控控制站由4个电源模块、2个中央处理器（CPU-417H）、4个通信模块（CP443-1）、2个ET200远程站、8个数字量输入模块（DI）、6个数字量输出模块（DO）、2个操作员面板PC670等组成。每个现地控制子站由1个电源模块、1个中央处理器（CPU-417H）、2个通信模块（CP443-1）、4个ET200远程站、2个模拟量输入模块（AI）、2个模拟量输出模块（AO）、15个数字量输入模块（DI）、8个数字量输出模块（DO）、2个SM338模块、操作员面板TP37等组成。

 

为确保系统稳定性利用S7-417H的冗余、容错特点，集控控制站2个相互冗余。现地控制子站同一个闸首的两侧两个PLC通过两条光缆实现同步。位于两个CPU上的分布式处理DP接口分别与一条PROFIBUS现场总线相连，实现CPU与现场I/O的冗余通信；采用TCP/IP通信协议的冗余工业高速以太网以太光纤网相连，实现PLC之间与计算机监控系统的通信。现地子站控制系统PLC配置图如下图所示。

 

 

每个子站作为一线船闸整体运行自动监控系统的一个基本控制单元，除具有现地操作控制的基本功能外，还应能接受集控站的程序控制指令，自动地对人字工作闸门、输水廊道工作阀门、防撞警戒装置、通航指挥信号装置等现地设备进行操作和控制；采集液压站系统信息、现场闸阀门开度、位置信息、水位检测数据以及相邻闸首保证安全运行的闭锁信息，经预处理后输出操作执行指令。并向集控站反送现场信息，集控站依据这些信息，作出控制决策，自动完成船闸整体运行的监控任务，使船只（队）高效、安全顺利通过。

 

西门子PLC在船闸系统中的控制特点

 

1.左右闸首PLC实现硬件热备及事件同步

 

左右闸首两个PLC站实现无条件的全自动无扰动切换。当互为热备的两个PLC站中的一个站作为主站工作时，同时控制闸门两边的人字门。在两个PLC站上的光联同步模块同步作用下，安装在对岸作为从站CPU 的所有数据和工作状态均与主站CPU完全相同，但从站输出被禁止。当主站不能正常工作时(如电源无、CPU坏、DP口坏、同步模块坏)，由于采用事件同步机理，从站将由系统无条件地自动切换为主站，切换时间为≤10ms。

 

PLC站上所有模块均可带电拔插，原来主站修复后作为从站工作，当前主站CPU程序及过程数据将自动灌装给修复后的从站CPU，使从站CPU数据和工作状态与主站一致。

 

2.PLC的编程、维护十分简便

 

由于S7-417H的CPU是专为冗余系统设计的，其CPU硬件系统和固化在CPU内部的操作系统保证了系统用户好像面对一个非冗余的单机系统一样编程。冗余系统的管理工作完全交给系统自动去完成，换言之，用户可选软件包对冗余系统进行简单参数设置后，对互为热备的任何一个CPU下装程序后，程序将自动拷贝到另一个CPU。因此，用户程序可方便地由单机程序转换成冗余CPU程序，反之亦然。

 

S7-417H完全支持在线编程、组态和调试，所有模块(包括网络通信)均可带电拔插，并不需作任何初始化的工作，使现场维护十分方便。CPU417H操作系统升级也可在线进行。

 

3.采用先进的网络技术

 

通过PROFIBUS冗余网络连接I/O，使系统结构简单可靠。两条PROFIBUS-DP网线同时与IM153-3两个DP接口相连，每个测点从两个传感器获取的输入信号分别就近送入ET-200站的输入模块，并通过IM153-3和冗余PROFIBUS-DP网线同时分别传送到每一个CPU。

 

在两个PROFIBUS-DP网正常工作，但其中一个IM153-3的一个DP口出现故障时，系统并不实行CPU或PROFIBUS-DP网之间的切换。IM153-3会采用另一个DP口通过一条DP网将数据送到相应的CPU上，并通过光纤热备线将数据由从CPU传送给主CPU。同时，该DP口的输出被唯一激活。当两DP网上不同的网段和DP口出故障时，可分别采用另一网段或DP口与CPU通信，大大提高了网络可靠性，而不是一个简单的双网，从而最大程度减少了CPU的切换，大大减少了因CPU切换造成的CPU同步时间，提高了CPU运行效率。

 

当某一IM153-3模块完全损坏，由于系统为同一测点配置了两个传感器，另一个IM153-3模板从与之相连的传感器获取信号，并经与之相连的双冗余PROFIBUS-DP网将信号传送给两个CPU。IM153-3模板可在线更换，IM153-3的两个DP接口也可在线更换，易于修复系统。

 

4.PLC输入输出单元的通信

 

位于两个CPU上的分布式处理DP接口分别与1条PROFIBUS现场总线相连，实现CPU与现场I/O的冗余通信。两条PROFIBUS-DP网线同时与ET-200M站上冗余配置的IM153-2模块相连，这样输入输出信号通过冗余的IM153-2及PROFIBUS-DP网线同时与两个互为热备的CPU通信；当与主CPU通信的IM153-2模块出现故障时，系统并不实行CPU或PROFIBUS-DP网之间的切换，而是自动通过另一条DP网将数据送到相应的CPU上，并通过光纤热备线将数据由从CPU传送给主CPU。从而最大程度减少了CPU的切换（CPU切换时会产生CPU同步时间差），提高了CPU的运行效率。IM153-2模板可在线更换，PROFIBUS网也可以在线更换，易于修复系统。现地子站通信网络图如下图所示。

 

 

5.高效开放的光纤环网通信

 

本系统采用工业以太双网双CP的拓扑方式，即每个CPU机架有两个CP板，并分别接入两个光纤维100MB环网，这样，做到了通信介质、通信网卡及链接全冗余，通信模板配置方式均由系统自动识别，编程人员只须进行简单的参数设置。增强通信可靠性，在冗余PLC每侧插入两块CP，在主机CPU侧组成双重主动连接，在从CPU组成双重后备连接。主-从CPU可在程序中切换，在正常状态下，主CPU的两块CP在工作，两个CP同时把要发送的数据发送到对方，也同时接收对方发来的数据。某一CP方式故障后，会发出报警信号，并不会影响另一CP工作，所有工作正常。只有在CPU主-从切换后，后备的连接变为主动连接接替原通信任务，CP切换时间是由CPU主-从切换时间(10ms)而定的。在网络介质上，采用西门子最新的光纤传输技术，采取的100Mbit/s以太光纤回环网，符合快速以太网IEEE802.3u的国际标准。网络器件采用西门子优秀网络产品光纤切换模块OSM及光纤冗余管理模块ORM，其中OSM采用全双工FDX方式将100Mbit/s以太网的速率升为200Mbit/s，ORM对单个环网进行冗余管理，避免因网线局部损坏影响正常通信。从而保证了数据通信的高可靠性及高速性。由于选择的是TCP/IP模板，支持TCP/IP协议，保证了网络的开放性。

 

6.人字门开门及关门同步

 

由于人字门的结构特点和永久船闸的特殊运行条件，为防止人字门在关门时因不能顺利进入导卡发生顶门或叠门，所以在双边正常开关门时（从开关终位启动），对人字门的运行速度进行控制，使两侧门保持运行同步，保证液压启闭机经过同步控制后运行误差小于15mm。对此采用PID调节控制方式，对电机-比例泵组的比例泵电压给定值进行闭环动态调节。控制原理图如下图所示。

 

 

程序运行时，对两侧人字门开度差进行检测，根据开度差，经PID运算后给定比例泵电压调整值，改变人字门运行速度。同时限定调整值的变化范围和幅度，防止人字门运行过快和抖动。当人字门开度差超过设定范围20mm时A类报警。

 

7.电源掉电自动保护

 

电动机运行和电源切换之间设硬件及软件上互锁，以禁止电动机运行过程中，带负载切换电源，PLC检测驱动电源信号，当检测到正在运行状态驱动回路电源故障时，产生B类故障报警信号，程序控制电动机和油泵急停，提示运行人员到现场检修。如果备用电源正常并已自动切换，需要操作人员到现场确认后消除故障，当检测到备用驱动电源故障时，产生A类报警信号，提示运行人员检修，但不影响原来电动机和油泵的运行状态。

 

8.具有防超灌、超泄功能

 

由于船闸单级水位差高（最大45.20m）、闸室大（长2.80m×宽34m×门龛5m）、充水泄水速度快，有可能出现较大超灌或超泄现象（特别是第一、二、五闸室），对人字门产生过大的反向推力，损伤人字门机械结构和影响人字门及液压系统正常运行，因此，对阀门开度和开关阀时间作特殊控制，实现在一定水位差时动水关阀。动水关阀时的水位差或动水关阀前充水时间、动水关阀停机开度或动水关阀时间、动水关阀投入/切除等在现地操作面板或计算机设置，由动水关阀及反向水头紧急开门由集控系统发布指令，现地控制系统执行。

 

9.防撞装置

 

为了防止下行过闸船舶碰撞人字门，永久船闸每线船闸的第二、第三闸首设防撞警戒装置。防撞装置的控制方式可以分为集中控制、子站控制及现场控制。

 

10.船舶探测技术

 

船舶探测装置是实现多级船闸连续运行自动化的关键装置，主要用于：判断上、下游航道有无船只行驶；判断闸室内是否有船只停留；防止人字门夹船事故。

 

小结

 

该永久船闸2004年6月通过国家验收后正式运行。通航以来由于采用S7-300/400 PLC，没有因为设备原因出现停航，受到广泛好评。