2023年水厂高压控制室模拟屏控制系统的设计.doc

水厂高压控制室模拟屏控制系统的设计 孙建国 孔力 郑艳 〔华中科技大学控制科学与工程系，武汉，430074〕 ：本文介绍了可编程序控制器在水厂高压控制室模拟屏控制系统中的应用，包括模拟屏控制系统的根本原理、硬件组成和软件实现。现场应用情况说明，该PLC控制系统工作可靠、操作方便，实现了对水厂的高压供电操作的模拟控制。 关键词:可编程序控制器；模拟屏；水厂 中图分类号：TP273+.5 文献标识码：A Design of Imitation Screen Control System for High Voltage Control Room of Water Plant Sun Jianguo Kong Li Zheng Yan 〔Dept. of Control Science and Engineering in Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074〕 Abstract: This paper introduces the application of the programmable controller to the imitation screen control system for the high voltage control room of water plant, including its principles, components of hardware and design of software. The application on spots shows: this system works reliably, operations conveniently. The function of imitation control for the operation of high power supply of water plant has been realized. Keywords: Programmable Controller, Imitation Screen, Water Plant 1 前 言 我们日常用的自来水是从水源取到水厂，经加药、沉淀、过滤等处理后，使蚀度、PH值等指标到达一定标准的水，自来水的生产工艺流程如图1所示。从图中可以看出，这些处理都涉及到高压供电操作。水厂高压供电系统操作复杂，尤其是操作顺序要求严格，不能任意颠倒，一旦操作失误，其后果将不堪设想，因而水厂高压供电系统是水厂系统设计中的一个重要局部。为了防止水厂高压供电操作而引起的事故，先采用模拟屏控制系统对水厂的实际高压电路进行模拟操作，以考察系统的可靠性，合理性，保证其安全可靠地投入使用。 图1 自来水生产工艺流程 高压供电系统的模拟屏控制系统是在工业生产中，为防止高压供电操作而引起的事故，保证生产的安全运行，提高系统的可靠性和企业的生产效率，设计的一种对实际的电路进行模拟操作的系统。模拟屏不仅给予操作人员以电力系统网络的概况，而且还可以用来显示一些警告，例如某一变电站有一警告状态的电流或它已被遥控扫描所闭锁。 模拟屏系统的传统控制方法是采用继电器、接触器控制，人工手动操作，系统体积大、耗电多，性能与可靠性已远远满足不了现代化水厂的要求。而近年来，以微处理器为核心的可编程序控制器〔Programmable Controller简称PC〕, 具有速度快、可靠性高、抗干扰能力强、扩展灵活等优点，不仅可执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算操作等面向用户的指令，还可进行参数PID控制，可方便地实现生产过程的自动监控，为此，我们选用可编程序控制器作为系统的控制器，与模拟开关、光带等组成整个模拟屏控制系统。 2 系统硬件组成及工作原理 水厂高压模拟屏控制系统的硬件局部主要由可编程序控制器及其功能扩展模块，模拟开关，光带，电源及电缆线等组成。可编程序控制器作为系统的控制器，对光带、报警电路进行控制，是系统的核心局部；模拟开关表示实际高压供电系统中的断路器或隔离开关，模拟开关的闭合或断开，代表实际供电系统中断路器或隔离开关的闭合或断开；光带与实际电流通路相对应，光带的亮与灭反映实际电路的通断。可编程序控制器采集各模拟开关的状态信号，经内部逻辑运算，控制光带，并对错误的操作顺序报警。系统组成结构如图2所示，其中Z-16ND2是数字量输入模块，Z-16TD2是数字量输出模块。 图2 系统组成结构 2.1 PC各局部的选择[2] 1． CPU模块的选择 系统的控制器选择江苏无锡华光公司的SZ－4型可编程序控制器。该型号PC采用EEPROM作为程序存储器，有2个通讯端口，重80g，外形尺寸：90H×31W×68D。 2． I／O模块的选择 该系统中总输入点64个，输出点16个，所以I／O点数为80个。选用三个16点DC24V输入模块Z－16ND2，一个16点DC24V集电极开路输出模块Z－16TD2即可满足要求。 3． 电源框架的选择 由于系统有5个模块，所以选择Z－05B型号的电源框架，由DC24V供电。 2.2 系统平面布置 由于本系统是为模拟实际高压供电操作而设计的，故而在平面布置上应与实际接线相对应，以求直观、方便。将系统平面布置成高压控制室主接线的形式，把主接线的隔离开关和断路器换成模拟开关，其它部件改成光带，如图3所示。 图3 模拟屏平面布置 3 系统软件实现[1] [3] 由于系统高可靠性、实时性和开放性的要求，软件的设计开发均在WINDOWS 2023环境下进行。采用SZ系列PLC的个人计算机编程软件DIRECT SOFT2对PLC进行系统配置和程序编写、调试。该编程器可实现以下功能：在线编程；离线编程；远程编程；存放器数据编程；参数设定；PLC信息读出／处理；文件管理；各种在线监控等。 根据模拟屏系统控制逻辑要求将其程序设计分为三大局部：光带控制程序设计；操作顺序报警程序设计；接地刀报警程序设计。 3.1光带控制程序设计 参照图3所示，光带D5、D6、D7、D8、D21、D23、D24、D25、D26、D22、D17、D18、D19、D20分别由可编程控制器的输出点Q0、Q1、Q2……Q15来控制。假设这些光带直接用硬接线路来控制，线路过于复杂，易出故障，并功能专一，不灵活，故采用可编程序控制器来控制，要使光带发光必须使相应的可编程序控制器的输出点处于ON状态。 以光带D5为例，要使D5发光必须使Q0处于ON状态。假设繁张西线供电，58112J，58112K，58112Y必须都合上，即I0，I1，I2都处于接通〔ON〕状态。用梯形图表示： 图4 光带D5控制梯形图a 假设繁张东线过内桥供电，当58114J、58114K、58114Y、58110Y、58110J、58110K都合上时，即I15、I16、I17、I14、I13、I12都处于闭合状态，用梯形图表示如下： 图5 光带D5控制梯形图b 所以，要使Q0处于ON状态，要么I0、I1、I2同时导通，要么I12、I13、I14、I15、I16、I17同时导通，用梯形图表示如下： 图6 光带D5控制梯形图c 其它光带D6、D7……D20的控制程序与D5类似。 3.2 操作顺序报警程序设计 该局部是系统程序设计的重点。模拟屏的主要功能是模拟操作，确定正确的操作顺序。按钮的操作顺序有严格的规定，不能任意颠倒，当需要对高压供电系统进行操作时，操作人员必须先填好操作票，然后根据操作票的内容在模拟屏上操作。假设操作完毕后，模拟屏并没有发出报警信号，说明操作票的内容完全正确，操作人员可以根据操作票的内容进行实际高压操作；假设模拟屏发出报警信号，说明操作票上的内容有误，必须重新填写操作票，再在模拟屏上操作，直到模拟屏没有发出报警信号为止。 控制程序必须反映出正确的操作顺序，为此我们采用真值表比拟法进行设计：即将在正确的操作顺序下，可变程序控制器各相应输入点状态值用2元常量表示成真值表，并存储在可编程序控制器的数据存储器中，在执行相应操作时，将真值表与可编程控制器的输入点的实际状态值相比拟，如输入点实际状态值与真值表中其中一个真值相等，说明操作正确，假设输入点实际状态值与真值表中任意一个真值都不相等，说明操作有误，必须报警。对该水厂高压供电系统的操作主要有六种：投运主变一；投运主变二；投运主变二，停运主变一；投运主变一，停运主变二；一主二次侧开关柜投运／停运；二主二次侧开关柜投运／停运。这六大操作之间是并列关系，每次操作只能选择其中一种，所以编写五个子程序〔由于投运主变压器二、停运主变压器一的操作的真值与投运主变压器一、停运主变压器二的操作的真值完全相同，这两大操作可以共用一个子程序〕，利用子程序调用方式设计，可以跳过不执行的程序，缩短程序执行时间，并且使程序结构清晰，修改、调试方便。子程序流程见图7。 图7 操作顺序报警程序流程图 3.3接地刀闸报警程序设计 对接地刀闸的操作要求如下：当低压设备正在维修时，必须合上接地刀闸，同时不能合上二次回路的刀闸或断路器；当低压设备正在运行时(指示灯亮)，必须断开接地刀闸。 以向泵房供电的回路为例：当泵房中的设备正在维修时，必须合上226D刀闸(I43)，并且226J刀闸(I40)、226K开关(I41)、226Y刀闸(I42)任一个都不能合上；当泵房中的设备正在运行时合上226J刀闸、226K开关、226Y刀闸，而且226D刀闸不能合上。其梯形图逻辑如图8： 图8 泵房接地刀闸报警梯形图 当M000处于ON状态时，模拟屏发出报警信号。其它接地刀闸报警电路的程序设计与此类似。 4 结束语 模拟屏控制系统除了如实反映真实的各种操作外，还具有对误操作进行报警的功能。高压供电系统的模拟屏控制系统对保障高压供电系统正常运转、生产正常进行有着不可估量的作用。该系统自运行以来，稳定可靠，效果良好，满足了现代化水厂的要求。 参考文献: 1. 袁任光, 可编程序控制器应用技术和实例. 广州: 华南理工大学出版社, 1997 2. 可编程序控制器SZ－3／4用户手册. 无锡: 华光电子工业 3. SZ／SH系列编程手册. 无锡: 华光电子工业 作者简介: 孙建国〔1979－〕，男，土家族，湖北长阳人，华中科技大学控制科学与工程系硕士研究生，研究方向：信息获取与信号处理； ：027-87554342-4;Email：justsun@tom ;孔力〔1956－〕，男，汉族，湖北武汉人，华中科技大学控制科学与工程系博士生导师；郑艳〔1963－〕，女，汉族，辽宁沈阳人，东北大学信息科学与工程学院副教授。 Author resume: Sun Jianguo, male, Tujia nationality, born in Hubei Province in 1976, a postgraduate of Dept. of Control Science and Engineering in Huazhong University of Science and Technology, is engaged in the field of information acquisition and signal process. Tel.: 027-87554342-4;Email：justsun@tom . (华中科技大学 控制科学与工程系测控所， 湖北 武汉 430074)孙建国，孔力，郑艳 (Dept. of Control Science and Engineering in Huazhong University of Science and Technology, WuHan, Hubei, CHINA 430074) Sun Jianguo; Kong Li; Zheng Yan