直流發電機組并聯運行控制系統人機界面設計

摘要：針對以工控機為上位機、以PLC為系統控制器的直流發電機組并聯運行控制系統，為實現人機對話及遠程監控，采用WinCC組態軟件設計了相應的人機界面。闡述了上位機與PLC之間的通迅方式，重點研究了人機界面的具體設計方法，并結合控制系統對其進行了現場調試。結果表明：該人機界面能實現系統的各項控制要求，具有界面友好、操作方便等特點。

關鍵詞：直流發電機組；并聯運行控制系統；人機界面

引言

人機界面是為解決操作者與控制系統之間的交互問題而產生的[1]。對于一個控制系統來說，往往需要操作者給其設置相關控制參數或發出相應的控制指令以確保其按預定要求運行，同時操作者也需及時了解控制系統的相關運行參數及狀態以確定其是否運行正常，這種人機交互問題通過在工控機上設計出友好的人機界面可得到很好的解決。本控制系統以西門子S7-300 PLC為系統控制器，以工控機作為上位機，采用WinCC組態軟件設計相應的人機界面，來實現對多臺大型直流發電機組的并聯運行控制，達到了預期的控制效果，各項指標滿足技術要求。

1.系統結構及基本工作原理

本控制系統針對兩套直流發電機組進行并聯運行控制，其系統結構如圖1所示。該系統由工控機、S7-300 PLC、西門子全數字直流調速裝置（1CUD～6CUD）、1號直流發電機組（GA1、G1和GB1）和2號直流發電機組（GA2、G2和GB2）組成。其中直流發電機GA1、GB1和同步機G1同軸相連，GA2、GB2和G2同軸相連，由同步機帶動直流發電機發電，給負載提供所需的直流電源。圖中全數字直流調速裝置用于給直流發電機和同步機提供勵磁電源，通過調節勵磁來調節發電機的輸出電壓和同步機的運行狀態，該系統可實現發電機組的單機運行、雙機并聯、雙機并聯再串聯、三機并聯及四機并聯等運行工況。其基本工作原理是：PLC通過接收工控機發出的控制指令及發電機輸出電壓設定值，同時通過采集發電機的實際輸出電壓，其偏差經相關運算處理后給全數字直流調速裝置輸出相應的控制信號，再由該裝置輸出相應的勵磁電流以調節發電機的輸出電壓，使其與設定值基本保持一致。如果發電機處于并聯運行狀態，則PLC通過采集各并聯發電機的輸出電流并與其相應的平均值相比較，通過調節勵磁來調節各發電機的實際輸出電流，使其與相應的平均值基本保持一致，從而達到均流控制的目的。

本控制系統中，PLC將采集各直流發電機的勵磁電流、勵磁電壓、電樞電流、電樞電壓以及各同步機的勵磁電流、三相輸入電壓、頻率、功率因數等參數，并經以太網送至工控機，在工控機上設計出友好的人機界面來對各參數進行實時監測，同時操作人員也可通過該人機界面來設置直流發電機組的運行工況并發出相關控制指令，使系統運行滿足預定要求。

2.上位機與PLC之間的通迅設計

在本控制系統中，上位機與PLC之間采用以太網進行通迅。以太網技術因具有價格低廉、性能穩定可靠、通信速率高等特點而深受用戶歡迎[2]。

在WinCC組態軟件中，選擇Tag Management下的SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE，在其TCP/IP目錄下建立一個新的連接NewConnection_1，如圖2所示。

將NewConnection_1中的IP地址改為PLC中設置的IP地址，用網線將工控機與PLC連接起來，即可實現正常的以太網通迅。3.人機界面設計

本控制系統采用WinCC組態軟件設計人機界面[3， 4]。在WinCC組態軟件中，進入Graphics Designer設計人機界面，包括工作方式選擇界面、機組操作界面以及系統報警界面等。

3.1.工作方式選擇界面

該控制系統有五種工作方式，即：單機運行、雙機并聯運行、雙機并聯再串聯、三并聯運行及四并聯運行等，據此設計其工作方式選擇界面，如圖3所示。

該界面中，包括一個靜態文本框、一個選項組和一個按鈕。選項組包括五種工作方式選擇，對應該選項組的value值分別為1、2、4、8、16，對其進行C腳本編程，在WinCC中定義一個“wms”（work-mode-select）變量，其值與value值分別對應。對“設定”按鈕進行C腳本編程，根據“wms”的值決定布爾變量“WMS1～WMS5”的取值，布爾變量“WMS1～ WMS5”與PLC程序中的工作方式選擇變量“M0.1～M0.5”一一對應，即通過對選項卡和按鈕的設定來實現對PLC工作方式進行選擇。

3.2.機組操作界面

機組操作界面要求能顯示直流發電機和同步機的相關運行參數，同時可實現對輸出電壓進行設置并對勵磁裝置進行手動調節等。其界面設計如圖4所示。

該界面中，各輸出域變量分別與PLC中的數據變量一一對應，PLC采集的數據可及時通過界面顯示出來；界面中按鈕“A機使能”、“A機啟動”等用于對勵磁裝置進行控制；界面右側“直流機電樞電壓設定”文本框用于設置直流發電機的輸出電壓設定值，選擇設置值并回車確定后，則勵磁裝置將通過對發電機勵磁電流的自動調節，使其輸出電壓與設定值達到一致；通過界面右側的“A機勵磁調節”、“B機勵磁調節”、“同步機勵磁調節”下的□+、□-按鈕可實現對勵磁裝置進行手動調節，手動調節還可通過“粗調”、“細調”按鈕進行粗、細調設定。

3.3.報警界面

報警界面用于當系統出現故障時，準確顯示故障位置，以便維修人員對系統故障進行及時處理，其界面設計如圖5所示。

該界面中，對每臺電機（包括直流機和同步機）的運行狀態和故障狀態都可給予實時顯示，包括對應全數字直流調速裝置的“故障綜合報警”、“熔斷器熔斷”、“開關保護斷開”、“正常運行”、“斷路器狀態”、“本機/遙控”狀態等。系統未啟動時，各狀態信號均為黃色；系統正常運行時，各狀態信號為綠色；而當系統發生故障時，相應的狀態信號變為紅色，同時“保護聲光報警”也變為紅色。通過該界面可方便對系統運行狀態進行監測。

4.結論

針對基于PLC控制的直流發電機組并聯運行控制系統，為實現對其進行遠程監控的控制要求，在上位機采用WinCC組態軟件設計了友好的人機界面，通過該界面不僅能實現對發電機組進行遠程控制與參數設置，還能實時顯示發電機組的各種運行數據與運行狀態，現場調試結果表明：該人機界面具有界面簡潔明快、操作方便等特點。

參考文獻：

[1] 高小紅， 裴忠誠. 人機界面的發展歷程[J]. 水利電力機械， 2006， 28（2）：64-70.

[2] 陳懷宇， 林衛中. 基于S7工業以太網OPC通訊的實現[J]. 有色金屬加工， 2005， 34（4）：56-57.

[3] 殷永華，楊明. 基于WinCC的模塊化生產系統監控程序設計[J]. 淮陰工學院學報，2012， 21（5）： 30-33

[4] 付永領，張 凱，劉和松. 基于WinCC和S7-300 PLC的單晶硅提拉生長控制系統[J].制造業自動化，2009， 31（8）： 67-71