低压空压机微机监控系统的设计与实现.doc

1、低压空压机微机监控系统的设计与实现 摘要： 一种基于可编程控制器（PLC）构成的微机监控系统，实现低压空压机（以下简称低压机）的信号采集与自动控制。PLC的RS-485接口与远方上位机通讯，实现远方监控。本文以时间为序，详细介绍研制过程，在软件设计中着重阐述PLC通讯程序的设计。关键词： 低压机 PLC 独立集成 程序设计 1.电厂概况：八盘峡水电厂是黄河兰州段刘、盐、八梯级水电厂的第三级，是径流河床式调峰电站。全厂共6台机组，单机容量为36MW和40MW，总装机容量为220MW，是一个生产运行了年的老厂。2. 原设备概况：我厂低压风系统的两台2V-6/8型低压机，是全厂辅助系统中的主要设备，

2、由其提供的0.8MPa风压，主要供给发电机制动风闸、顶盖围带密封及蜗壳闸门吹沙等处。由于该风压是全厂发电机组开机条件之一，因此是不允许间断的。低压机是本厂初建时安装的，运行至今已有30年。原自动控制设备采用前苏联电力工业设计模式，其逻辑控制回路由继电器及电阻构成，气压信号由电接点压力表采集，由三相交流接触器启停电机，故障报警及电机保护装置十分简单。以上设备构成的控制系统结构复杂，难以检修、维护、校验，给运行及检修人员带来极大不便。大部分设备已老化严重，无法购买备品。控制回路故障频繁发生，严重影响安全生产，曾多次造成直接经济损失，每年消耗大量检修费用。3. 原控制系统常见缺陷及原因：3.1逻辑控

3、制回路故障：原控制回路是由阿城ZJ-4型中间继电器构成，延时回路由钟表机构时间继电器构成，控制回路电源电压为AC220V。由于继电器触点电火花氧化，如不定期清扫，会经常发生接触不良所造成的故障，诸如低压机不启动，或启动后控制回路不自保持而造成的频繁启动。时间继电器钟表机构老化发卡，常使低压机延时排污回路拒动。3.2电接点压力表缺陷：原0.8MPa采样气压，是由铜管引入电接点压力表中，因每年一度的校表工作，经常拆装压力表，使铜管与压力表接口密封不严，造成漏气。3.3三相交流接触器故障：两台低压机，各由一台45KW电机驱动。电机采用全压启动方式，启动电流大，经常烧毁接触器主触头，使主触头粘连，造成

4、电机不停止或两相运行的危险情况。因交流接触器的热耦动作不可靠，对电机起不到可靠的过流保护作用。没有相应的电源不平衡、缺相及欠压等保护装置，一但出现故障，便有烧毁电机的危险，严重威胁全厂发电机组安全运行，甚至会引发重大事故。3.4报警回路缺陷：两台低压机共有24种故障，诸如：备用机启动、储气罐压力过低、储气罐压力过高、气缸温度过高等。而在当地反映这些故障的只有一个故障指示灯，当出现故障信号时，运行和检修人员无法区分具体故障，只能逐一查找来判断是哪一台机的哪种故障，这给运行和检修人员的维护工作造成极大不便，严重影响检修效率。3.5旁路电阻缺陷：原控制回路继电器的复归，是靠外置大功率电阻的旁路来实现

5、，当回路发生故障使电阻长期通电，造成电阻发热严重甚至烧毁，引发控制回路断路缺陷。3.6其它：由于原控制回路结构及设备上的原因，使整个系统不便检修和校验，工作空间狭小，不利于展开工作，达不到安全、方便、快捷的检修要求。原系统如要检修上述某一缺陷，需运行、机械、水工、电气自动、倦线、仪表等诸多班组共同配合，才能进行工作。工作人员多，穿插作业，协调困难，因此延长了检修时间，难以保证低压技术用风的正常供给。4. 改造的必要性：当今世界，微机监控已是现代工业生产控制的主流，我厂97年完成3#发电机组的监控改造，上位机工作站的以太通讯网络已建立，对辅助系统的监控改造已成必然趋势。原低压机控制系统已不符合安

6、全、经济、可靠的运行要求。为确保安全生产，提高我厂辅助设备自动化控制水平，使辅助系统与全厂微机监控系统接轨，便于运行操作监视，减少检修人员维护量，改善劳动条件，为企业节约检修费用，采用微机监控技术改进低压机控制系统是十分必要和迫切的。 5. 研制概况：5.1设计原则98年1月，制定如下设计原则： 为节约改造资金，对控制系统要求独立研制、系统集成、程序设计、现场调试，直至投入正常运行。 符合全厂综合自动化要求进行总体设计和系统配置。本着安全、可靠、经济、实用的原则，使计算机在水电厂辅助设备上的应用达到一个新水平。 系统应高度可靠，不但其本身的局部故障不会影响现场设备的正常运行，而且系统的MTBF

7、及各项可用性指标均要达到部颁“水电厂计算机监控系统设备技术要求”的规定。 采用开放式系统，系统开放环境应符合ISO（国际标准化组织）所规定的OSI（开放系统互连）标准。 控制程序采用模块化、结构化的设计方式，使系统更能适应功能的增加和规模的扩充。 系统应能与全厂公用计算机系统之间进行通讯，使采集数据上传上位机ALP工作站，实现远方监控功能。 故障信号显示直观，控制操作方便。 系统外部结构简单，维护方便，应达到免检。 系统开发针对本厂的具体情况，采取总体设计，分步实施的办法，力争在较短的时间内完成全部系统的投运工作。5.2单片机的尝试：从98年3月开始，试用51系列8031单片机来实现对低压机的

8、自动控制。采用典型单片机I/O控制系统，并用protel设计了PCB双面电路板。在硬件系统构成后，用开发机对其进行编程及彷真操作。在调试过程中发现单片机经常出现程序跑飞现象，加设看门狗电路，防止程序跑飞，但效果并不好。由于所设计的单片机控制系统满足不了设计原则，加之对单片机开发的技术水平有限，经过半年的开发后，决定放弃这种尝试。5.3可行性方案：98年8月，通过大量查阅现代工业控制的有关资料之后，又经过多方面的对比，决定采用PLC实现对低压机的控制，并提出了三种可行性方案：F PLC集中控制模式方案F 双PLC主从冗余控制模式方案F 双PLC独立控制模式方案在上述可行性方案中均详细论证了各种控

9、制模式的优缺点及其性能价格比。5.4 集中控制方案的确立：98年10月，经过对三种可行性方案的具体研究和分析后，最终决定采用性价比高的PLC集中控制模式方案（见图1）；更换原有的控制盘，将交流接触器更换为无触点的固态开关，用压力变送器取代电接点压力表。为了便于运行人员掌握，系统操作方式完全移植原有的运行操作方式。方案确立后，根据现场需要选定了所需设备型号。5.5 设备的订购：98年11月，赴西安订购所选设备，定制标准控制盘柜。经过多方选择，最终采用三菱公司的PLC。5.6 软件编程及技术图纸：98年12月，对PLC进行脱机编程并设计如下技术图纸：4 控制系统总体设计说明4 控制系统结构原理图4

10、 控制系统开入开出测点定义表4 系统监控流程图4 PLC逻辑控制梯型图4 控制柜内部设备及引出端子配线表5.7 安装，调试：99年4月，按照系统设计所选购的设备全部到货，开始组装系统控制盘柜，按图施工配线。安装完工后，检查各方面接线无误，系统控制柜送电，调试PLC监控流程。调试采用模拟开入模拟开出的方式，自制模拟开入信号装置用以修改PLC流程。99年6月，低压机监控系统，在试运行其间，系统工作稳定，动作可靠。9月, 投入正式运行至今。4. 监控系统结构：打印机上位机中央音响报警中控光字光纤以太网低压储气罐RS-485串口通讯工业控制机A/D可编程控制器数字气压变送器P L C反馈状态信号监控开

11、入量保护开关量固态开关发电机组制动风压发电机组密封用风导水闸门吹淤积沙各种检修施工用风低压空压机低压空压机控制结构图 (图 2)以PLC作为逻辑控制的主体，采用集中控制模式，即一台PLC控制两台低压机。固态开关控制低压机的启停，压力变送器采集气压信号。PLCRS-485串行通讯接口通过双绞线与发电机组监控上位机连接，进行实时通讯（见图2）。7控制系统组成:采用标准控制盘柜，选用日本三菱公司PLC及串行通讯设备，恩威电子公司的两台型固态开关，北京三吉利佳兆公司的气压变送器。选用相应的操作把手、电源开关、按钮、光字牌、信号指示灯、电源隔离变压器及监视继电器。8 主要设备技术指标：PLC：型号日本三

12、菱公司FX2N-80MR型，单元式电源电压AC110V AC260VI/O点数40点无源开关量输入，40点继电器输出开出接点容量电阻负载每点2A感性负载每点80VA灯负载每点100W开入性能指标DC24V，7mA，光电隔离程序容量EEPROM 16K步操作处理时间基本指令0.74us/步MTBF时间30万小时通讯串口FX2n-485-DB固态开关(SWK)：型号WGK-100额定电压AC380V 额定电流100A额定启动电流6倍额定电流6X100A启动时间28S 可调工作方式连续、断续均可保护性能过载保护设定启动电流 12S过流保护设定工作电流 35S三相电流不平衡度0.25控制开入无源接点开

13、入压力变送器:型号JZ-160-A量程01MPa输出5路开关量（5A/250V）1路模拟量（420mA）显示数字式 4位精度0.5级9监控程序的设计：9.1逻辑控制程序的设计：逻辑控制程序（见图3）结合实际进行设计，经过现场多方面调试,满足现场实际需要。流程框图 (图3)程序设计技术指标编程语言MODE梯型图所用I/O点数开入26点，开出18点控制程序大小总共228步最长扫描周期0.2mS逻辑算法状态转移法9.2通讯程序的设计PLC作为高性能微机化自控设备，目前已得到十分广泛的应用，成为电力自动控制设备的主体。由于PLC不具备数据库和多媒体功能，因此，在在水电厂微机监控系统中多作为下位机使用。

14、作为下位机，PLC不但要进行逻辑控制，还要将其采集到的开关量和模拟量信号经串行接口上传至上位机，由上位机进行数据处理、状态显示及人机界面操作。上位机也可通过串行接口对PLC下达指令，实现远方控制。如何实现PLC的逻辑控制，以被广大现场技术人员所熟知和了解。但在PLC串行通讯方面，因其复杂、难懂，成为本次设计的难点。低压机监控系统成功实现了PLC与上位机的串行通讯。在此特作详细介绍，以供有关现场技术人员参考。我厂上位机网络系统是由南京自动化研究院于97年集成（见图4），网络系统中公用LCU(现地控制器)是为辅助设备预留的, 低压机PLC串行接口与LCU 4串口板构成通讯物理连接。低压机PLC通讯

15、方式为RS-485，技术指标为：9600波特率；无奇偶校验；8bit数据位；1位停止位。具体通讯信文格式及命令如下：$ 通讯协议图解从PLC向上位机读数据从上位机向PLC写数据其中：站号：范围为00H-0FH；PLC类型：针对三菱FX2n型为固定值FFH；命令：分为BR，WR，BW，WW四种等待时间：计算机从发送态切换到接受态所需的时间，范围为0H-FH（即0-150ms）和校验：其值为站号、PLC类型、命令、等待时间及内容的 ASCLL码的和有关字符的ASCLL码值简列如下：STX: 02H 报文开始ETX: 03H 报文结束ENQ: 05H 请求发送ACK: 05H 确认NAK: 15H

16、不接受(因有错误等原因)$ 命令详解: BR (位单元的批量读取)其格式如下：地址单元范围：X、Y、M、S、T、C例子：从站号为00H的PLC中读取X0040-X0042的状态（设等待时间为100ms，X0040及X0042为0FF态，X0041为ON态）: WR（字单元的批量读取）其格式如下：地址单元范围：X、Y、M、S（以16个为一组进行读取）、D、T、C: BW（位单元的批量读取）其格式如下：地址单元范围：Y、M、S、T、C例子：从站号为00H的PLC中读取X0040-X0042的状态（设等待时间为100ms，X0040及X0042为0FF态，X0041为ON态）: WW（字单元的批量写

17、入）其格式如下：.地址单元范围：X、Y、M、S（以16个为一组进行读取）、D、T、C10. 控制系统运行方式：10.1 切换低压机运行方式 两台低压机分别由两个操作把手控制，可任意切换四种运行方式自动、备用、手动、切除。10.2控制系统电源运行方式 控制系统分别由厂用一段、厂用二段电源供电，互为备用。控制系统盘柜上的电源切换把手，任意切换三种供电方式厂用一段电源投入、厂用二段电源投入、电源切除。10.3 PLC运行方式 PLC有两种工作方式运行及调试，由一控制按键切换。运行态时PLC正常开入，运算，控制开出。调试态时PLC正常开入，运算，但禁止所有开出控制。11. 实现功能:11.1对两台低压

18、机实现可靠的自动控制，系统PLC可连续运行30年不出故障。11.2对两台低压机及控制系统本身实现全面可靠的自动保护l 对低压机的保护l 低压机两级气缸温度过高的保护l 低压机两级气缸压力过高的保护l 对40KW电动机的保护l 过流、过载、欠压、缺相、三相不平衡l 对PLC的保护PLC的工作电源用隔离变压器隔离，减少尖峰波形电压对PLC的冲击。11.3完善的报警系统及显示光字 现场报警系统共有10个显示光字，远方中控室有2个显示光字，组合起来共反映24种不同故障。11.4压力变送器可对气压信号进行模拟量的采集,便于监视。11.5 随时根据需要与上位机通讯，实现远方监控。12. 控制系统在运行中体

19、现的优点12.1 免去了对继电器的清扫校验现控制系统采用PLC为逻辑控制主体，其工作性能可靠，逻辑控制回路完全由软件实现，免去了原控制回路中对继电器的校验与清扫工作。12.2 固态开关优良的性能以及对电机全方位的保护固态开关，控制低压机三相交流电动机的启停，主回路采用电力晶闸管为开关元件，并采用先进的电子技术进行全方位的检测与控制。启动电流与运行电流的调整完全数字化，整定方便。固态开关无触点损耗，不存在主接触头接触不良、三相拉弧等现象，能够频繁启动大型电机，可免维护使用。固态开关能对负载的短路、电机的过流、三相不平衡、电源欠压进行综合保护。操作简单，状态显示直观，保护迅速可靠。12.3 气压变

20、送器的使用用数字式压力变控器采集气压信号，压力值显示直观，动作值准确，校验调整方便。12.4 PLC操作简单 PLC人机接口简单方便，随时可按运行人员要求改变控制流程，满足现场运行需要。12.5 报警系统的完善：低压机监控系统报警显示明确，运行人员通过光字显示，可直接了解故障点，从而迅速处理。保护范围全面。12.6 工作环境的改善PLC控制柜布局紧凑，结构合理，盘面美观大方，运行显示一目了然，控制操作方便。12.7 与上位机的数据通讯PLC可随时建立与上位机的通讯，将采集的开关量数据及模拟量数据上传远方ALP工作站，便于远方监测。上位机还可下传控制指令，实现低压机的远方控制。PLC串行通讯大大

21、减少了信号电缆的使用。13. 监控系统的运行效果：13.1 PLC的使用消除了原控制系统多发故障的因素, 大大提高了我厂辅助设备的自动化控制水平。自投运以来，在运行缺陷记录本上，再未出现低压机控制系统故障的记录。13.2 多次及时的反应了低压机的机械故障，准确保护了运行中的主要机械设备。13.3 控制系统已达到了免检性能。自投运以来从未进行检修维护，大大降低了检修工作量，节约了大量的检修费用。13.4 本系统操作方式完全移殖原系统操作方式，运行人员不需培训便可直接进行操作。14. 所创经济效益:工程原计划资金12万元（人民币），预算花费10万元，工程完工后结算，实际花费5.9万元，为企业实际创收4万元。由于新控制系统具备免检、免维护的优良品质，为企业节约了大量的人力、物力及检修费用，杜绝了原控制系统故障带来的直接及间接经济损失。每年节约检修费用约1.2万元。15. 总结：低压机监控系统采用先进的PLC控制，设计合理，使整个系统性能优于原控制系统，这一点在实际运行中得到了充分的证实与考验，并获得显著的经济效益，为我厂安全生产，发挥了实际作用。本系统在我厂属首次独立研制成功的微机监控系统，其对以后辅助设备的独立改造具有重要参考价值。参考文献：日本三菱公司FX2n-80MR型PLC程序设计手册