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为水电站建立基于SIMATIC S7-300 PLC的自动控制系统
概述——基于SIMATIC S7-313C的可编程逻辑控制器和SIMATIC TP 177B触摸操作屏，这个项目提出一个针对微型水电厂的自动控制解决方案。使用这这PLC和HMI，实现了一个可靠的自动化系统，它能在每天24小时每周7天，产生120千瓦时的清洁能源。这套系统的开发，测试和调试是APASERV VALEA JIULUI的ZANOAGA饮水处理厂。
关键词——SCADA(监督控制和数据采集)，PLC(可编程逻辑控制器)，HMI(人机交互界面)，本地控制，远程控制，微型水电站。
- 简介
过去，人们用河流来从事农业活动小麦研磨。如今，河流的力量不仅被使用于这些活动，还用于产生清洁能源。
水电厂所产生的电能是世界上最有效的的可再生能源之一。
水电的两个最重要的好处是提供清洁的和可再生的能源。
巴基斯坦的SARFRAZ Ahmad Khan研制出一种新型的水电能源生产技术。他的想法是不需要建立一个盆地，这样对环境的影响是最小的。基于他的技术的系统需要较少的财务资源，用于操作和维护。
由PLC和HMI或PLC和SCADA系统组成的的自动化系统，能可靠并经济地解决监测和控制不同类型的水电站的问题。
本文接下来的章节将描述的自动化系统，是基于SIMATIC S7-300可编程控制器和SIMATIC TP 177B触摸操作面板，用于控制和监控小水电厂。
这个工厂旧的自动化系统是为这种类型的过程开发的基于第三方电子硬件和软件组件。旧系统最显著的缺点是经过多年的使用，维护起来非常困难。
因此，为了使这个工厂存续下去，为客户开发和实施一个新的自动化系统的决定是最好的解决方案。
起始于异步发电机和弗兰西斯发电机，该项目的任务是开发一个可靠的自动化系统，用于监测和控制水力发电厂。
本厂选用的系统架构，使PLC与中央控制室之间的互联，利用不同的工业通信协议，如：PROFIBUS DP，MPI或工业以太网。
如果PROFIBUS-DP和MPI协议可立即使用CPU的集成接口，工业以太网接口能通过增加控制器的中心架新SIMATIC以太网处理器可以使用。
新的自动化系统的主要要求是：开发安全、可靠、维护成本低、服务时间短、易于检测和解决报警，实现一种全新的、现代化的报警记录管理系统。
- MHC 主要功能
微型水力发电厂配备水平弗兰西斯发电机和一个额定转速为1500转的异步发电机。两个新的阀门被安装和委托在饮用水和旁路管的主入口管。新的机电设备被安装用于涡轮控制，称为AKD。不同类型的传感器被安装用于压力和温度监测。从这些传感器读取实际值作为联锁PLC软件应用。
项目实施的主要步骤如下图1。
建立一个电器柜，整合所有的电气电路，控制以下设备：进水阀、旁通阀、润滑泵、AKD和主开关。电气柜集成电路用于监控系统中所有的传感器，比如：进水管的水压，发电机轴承温度、阀门定位器和发电机转速率。
自动化系统的大脑是AKD。这实际上是一个由变频器驱动的机电螺旋桨来驱动涡轮打开和关闭，这取决于逻辑实现。PLC使用一个模拟输出通道配置为0-10V，对AKD的开启和关闭。
AKD是不仅用于在正常操作、增加或减少涡轮的压力，还在关机情况下急救降低为零的涡轮压力和阻止MHC，MHC是一个不间断电源（UPS）的安装被用于一个永久的电源电路。事实上，安装有两个不间断电源，PLC电源和一个用于AKD，进气阀和旁通阀的电源电路。以防在主电源故障的情况下，这两个电源保证安全关闭AKD和进气阀，同时开启旁路。
电气柜包含一个中央自动化架，安装了中央处理器、数字输入和输出信号的电子模块、模拟输入和输出信号的电子模块，一个PAC 3200电气参数监测和一个TP 177B 6”型触摸操作屏。
PAC 3200是一个功率表，它是用于电参数监测、低压配电。
能被这设备监测的主要电气参数有：相电压、线电压、电流，每相视在功率，每相的有功功率、每相无功功率，总视在功率、总有功功率、总无功功率、功率因数、总功率因数、频率、有功电能，无功电能，视在电能。
PLC软件开发的主要功能：自动开关进气阀和旁通阀，进水阀的压力监测，启动和停止过程中轴承的自动润滑、轴承温度监测、发电机转速率监测，自动AKD的开启和关闭。
控制算法实现的主要保护有：低、高电压保护、进水压力保护和超速保护。
自动化系统由可编程逻辑控制器，操作触摸屏和电气测量装置、PAC 3200组成，采用工业现场总线协议用于数据交换。
对于微水电站的运行模式，定义并实现了两种运行模式：本地模式和远程模式。
在本地模式下，所有的电气设备的命令，如开/关进气/旁路阀，启动/停止润滑泵从主控制柜发送，使用硬接线按钮和选择键，没有PLC。
在远程模式下，命令从PLC发送，取决于操作面板上的选择，使用自动模式或手动模式。
- MHC系统架构
在图2中它显示了自动化系统结构。系统架构的主要组成部分有：自动化中心架，包括S7-300 CPU和数字和模拟信号电子模块，电参数测量的电子设备，SENTRON PAC 3200和触摸操作屏。
本地运行模式被实施为了维护问题。这种操作模式假设所有的命令由操作员发送到电气设备，使用本地选择键和按钮，直接连接到电气开关设备，而无需使用PLC。换句话说，这是一个纯粹的电气制度。
远程操作模式分为两种不同的分支：手动模式和自动模式。
手动模式认为，操作者可以使用操作面板上的命令，操纵所有设备参与这一过程。
操作员可以发送到电气设备的最重要的命令是：启动和停止电机的润滑泵，开闭阀门，耦合和去耦主开关。手动操作模式在概念上与本地操作模式是一致的，但主要的区别是，在本地模式下，PLC和HMI的功能都没有用。
自动模式实际上是MHC 的“大脑”。在这个操作模式下，所有的保护都启用的，计算程序控制整个工厂。
MHC的功能框图如图3显示。
给自动AKD的开启和关闭定义4个步骤，因为保持进气压力是很重要的，在最低可接受值。操作员将设置的开口率的最大值，和PLC计算每个步骤的开口率。当达到预定值时，PLC将设置新的设定点。每一步，在新设定点被激活之前，计算程序将检查入口压力值，它将定义新的设定点，除非当压力的当前值超过最小值时，否则，PLC将开始关闭AKD，直到入口压力超过最小值。
自动模式开发使用三种可能的状态系统：启动中，启动后和停止中。当操作员激活自动启动时，系统从停止状态进入启动状态，除非所有的设备正处于准备工作状态。在启动模式，系统会在同一时间打开进水阀门，关闭旁通阀以及开启AKD。当发电机转速超过最低设定值，AKD开口率超过预定值或进水阀的位置是在一个最小值，PLC将通过连接主要开关连接到电网。
AKD将继续开放至达到允许的最大值。这一点，在PLC读取进气压力和AKD的行为开关，保持压力高于公认的最低值。
- 实施
上面描述的MHC模型使用SIMATIC S7 313C-2DP CPU内置MPI和过程现场总线接口实现。
操作界面采用SIMATIC WinCC Flexible开发平台，它是运行在SIMATIC TP 177B触摸操作屏上的。PLC和HMI之间的数据交换是采用Profibus-DP工业协议在RS 485串行接口实现。
过程现场总线网络集成在电子模块SENTRON PAC 3200。一个MAINSPRO解耦继电器被用于保护发电机。所有的保护，如过电压、低电压和过电流实现在继电器内部。PLC监控信号来自继电器保护，如果保护启动，MHC将停止。
电气参数读取使用SENTRON模块图如图4所示。
过程参数，如：进水压力、发电机转速、轴承温度、电机绕组温度、阀门开启率等均显示在主屏幕，如图5所示。
入口和旁通阀的开启速率是使用两个模拟输入通道读取来自AUMA阀门定位器集中监测的模拟信号，采用4-20mA标准信号。
进水压力阀使用一个IFM模拟传感器进行压力监测和使用模拟输入通道集中在PLC配置4-20mA的统一信号。、
由AUMA公司生产的入口（进气）阀被安装在这个位置。被命令电路设计采用RDOL（可逆的直接在线）方案，使用两个正向和反向运动的接触器。
以下保护信号可用于AUMA电机：热过载，开启转矩和关闭转矩。三个信号综合成保护联锁在PLC内部。
AUMA公司生产旁通阀和所有用于进气阀的电气保护，也在这种情况下激活。
使用显示在图6中的命令按钮，操作者可以激活以下命令：启动MHC组，停止MHC组，快速停止MHC组、重启组、自动模式激活，手动模式激活。
操作员有可能使用图6中显示的信息监视自动组的状态。
一个特殊的屏幕，如图7所示，是为过程参数设置而开发的。
有两个不同水平的入口压力如下：在启动时的最小入口水压力和运行时的最小入口水压力。
使用第一个参数，操作员定义的入口压力为MHC启动必要的最小值。如果压力当前值低于这个参数，MHC不能启动。
第二个参数是一个保护的条件，当MHC启动。如果进水阀的实际压力减小到此参数下，在运行模式中，超过一个预定义时间，PLC将停止MHC。
这是一种用于避免进气管泄压得保护条件。
在正常运行中，当压力传感器指示压力降低，PLC将开始关闭AKD，如下：AKD开值将随预设值下降（3%）。设置新值后，启动监视计时器。
如果压力下降不停止，AKD的开启率将随另一个预设值降低。如果，在这个序列中，实际值减小到最小值以下，MHC将停止。
这项工作的下一部分，将介绍两种最重要的成分，在SCADA应用中实现：警报系统和保护级别。
有三种方法停止MHC：传感器的信息或故障条件引起的停止，以及保护和急停引起的停止。
急停将被激活，其中一个下一个条件为真：从保护继电器或UPS（不间断电源保护）的全面保护被激活。
MHC停止造成下一个传感器激活命令：AKD的模拟位置传感器指示一个故障值，如通道故障或断线，入口压力低于可接受最小值下，发电机转速超速、发电机转速监测传感器指示故障值，如通道故障或断丝并且其中一个温度测量传感器显示错误值。
另一种方式来阻止MHC是使用保护信号。如果其中一个保护信号一旦被定义、被激活，PLC就将停止集成微水力发电。
MHC停止三种方法之间的差异的序列在于PLC的开始。
急停的过程将最先从网络关闭发电机，甚至在这个序列中，有过快的发电机发生。
在正常停止过程中，AKD和进水阀将开始关闭并只有经过一段时间后，主开关将被断开。在这个序列中，发电机的速度保持不变，约为1500转，但由水产生的力被降低。由于力减小，当发电机被断开，对发电机的超速是可以避免的。
在正常运行时出现任何故障，有明确的警报，不仅发电机保护，还有维护问题
所有的警报存储在操作面板的主存储器中，并且它们不会被擦除，直到维护或操作人员确认它们。报警显示在屏幕上，类似于下一个图像中的屏幕。
有两个级别的警报：警告和故障。
这两种类型之间的区别是，系统中的任何故障都会停止自动序列，而警告消息仅针对操作人员。
警报和警告都有日期和时间戳。即使一个警告在操作者发现之前发生并消失，但是操作面板仍将存储事件，它不会从列表中被擦除，只有在承认命令之后。
- 结论
在这论文中所描述的自动化系统是被物理实现在ZANOAGA MHC的以及属于APA SERV VALEA JIULUI。
在调试阶段，测试了不同的情况，如启动，紧急情况下停止，正常模式下停止，在正常操作时入口压力的变化。生产能源水平约2.4兆瓦/天。
客户提出的所有条件都得到了满足，项目成功结束。
罗马尼亚山区河流可以提供低成本的电力，减少对环境的影响。
此外，可再生能源和清洁能源的生产，小水电（MHC）具有以下优势：
-防洪；
-为该地区的人们提供水；
-通过创造新的职位增加经济效益；
-为孤立定居点提供能源；
-垂钓的机会[6]；
- 参考文献
[1] http://www.alternative-energy-news.info/technology/hydro/
[2] D. Mircescu, A. Astilean, O. Ghiran, “Complex Automation System of a
Low Power Hydro plant”, 2010 IEEE International Conference on
Automation,Quality and Testing, Robotics, CLUJ–NAPOCA, RO, May 2012.
[3] http://www.hydrofoundation.org/hydropower-education.html
[4] http://www.alternative-energy-news.info/technology/hydro/
[5] D. Montnorency, C. Montmorency, “Applying Standardized Industrial
Automation to the Small Hydro Plant.”, Innov
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