基于PLC和觸摸屏的大功率發(fā)電機(jī)勵磁集控系統(tǒng)

楊 華

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，武漢 430033）

0 引言

艦船綜合電力系統(tǒng)（Integrated Power System，簡稱 IPS）是一種新型的動力系統(tǒng)，是將艦船原動機(jī)能量完全轉(zhuǎn)化為電能，同時提供推進(jìn)用電、高能耗用電和全船其它負(fù)載用電的電能綜合利用與統(tǒng)一管理系統(tǒng)[1]，代表了未來艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。隨著IPS的不斷發(fā)展，艦船電站裝機(jī)容量不斷提升，發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的功率等級隨之提高，需要利用勵磁機(jī)為主發(fā)電機(jī)提供勵磁電源[2]，如圖1所示。為了適應(yīng)艦船復(fù)雜電磁環(huán)境并提高操作安全性，選用抗干擾能力強(qiáng)、工作性能穩(wěn)定、編程靈活的可編程邏輯器件（PLC）作為勵磁系統(tǒng)集控上位機(jī)，對現(xiàn)場下位機(jī)進(jìn)行有效監(jiān)控，并采用觸控屏作為與PLC配套使用的人機(jī)交互界面（HMI）。

1 集控系統(tǒng)硬件設(shè)計

勵磁機(jī)控制系統(tǒng)由位于集控臺的上位機(jī)（即集控系統(tǒng)）和位于機(jī)旁現(xiàn)場的下位機(jī)組成，其中，上位機(jī)主要完成操作控制、狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲三大功能，如圖2所示。為了實現(xiàn)上述功能，集控系統(tǒng)采用如圖3所示結(jié)構(gòu)，此外，選用觸控屏作為人機(jī)界面，通過串口與PLC通訊傳遞數(shù)據(jù)和控制信號，完成集控操作和監(jiān)測。需要說明的是，圖3只顯示了單機(jī)集控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，如需對雙機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，可在圖3基礎(chǔ)上進(jìn)行對稱擴(kuò)展，即采用1塊CPU和2塊觸控屏，以及相應(yīng)的通訊和I/O擴(kuò)展模塊，實現(xiàn)雙機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、集控操作以及并聯(lián)運(yùn)行控制。

1.1 PLC組件設(shè)計

1.1.1 CPU及其底板、擴(kuò)展通訊模塊的選型

勵磁上位機(jī)除需具有正常的監(jiān)控、通訊功能外，還應(yīng)具有數(shù)據(jù)記錄功能，為此，考慮選用ABB公司的PM592-ETH型CPU。該CPU是目前ABB公司AC500系列PLC中功能最強(qiáng)大的一款，具有高速、大內(nèi)存（4096 kB）、內(nèi)置閃存（4 GB）等功能。

CPU底板選用ABB公司的TB541-ETH，該底板帶有 4個通訊擴(kuò)展插槽和兩個串口通訊接口，COM1口帶彈簧接線端子、COM2為SUBD9（9針）型接口。

發(fā)電機(jī)勵磁上位機(jī)需要與勵磁控制器觸摸屏進(jìn)行串口通訊。此外，為了將發(fā)電機(jī)的溫度測量信號直接通過硬線方式（PT100）傳給原動機(jī)監(jiān)控單元，同時使上位機(jī)顯示發(fā)電機(jī)內(nèi)部各測量點溫度，需要讓機(jī)組監(jiān)控單元將監(jiān)控信號通過通訊的方式傳遞個上位機(jī)，因此需要配備串口和CAN擴(kuò)展通訊模塊，在此分別選用 ABB公司的CM574-RS*和CM578-CN型擴(kuò)展通訊模塊。

1.1.2 I/O模塊選型

勵磁上位機(jī)需要分別與上位機(jī)、監(jiān)控單元和配電板完成勵磁投入、停機(jī)與緊急停機(jī)、調(diào)壓、滅磁、狀態(tài)、溫度、故障等信號，為此配置ABB公司的DX522型開關(guān)量模塊（每個模塊含8個輸入/8個輸出端口）、AI523型模擬量模塊（每個模塊含 16個模擬量輸入端口）、AX522型模擬量模塊（每個模塊含8個輸入/8個輸出端口），以及TU516型、TU532型I/O模塊底板。

1.1.3 電源模塊選型

上述各模塊均為24 V直流供電，且由于模塊數(shù)量不多，所需供電功率也較低，故選用 ABB公司用于PLC供電的CP-E 24/5型開關(guān)電源，輸入電壓100-240 V交流，額定輸出直流24 V/5 A（所選用的這款電源模塊可同時向 PLC和觸摸屏供電）。

1.1.4 UPS設(shè)計選型

按照設(shè)計要求，集控裝置必須備有UPS，以保證電網(wǎng)掉電后能正常運(yùn)行10 min以上，故可選愛默生單相小功率UPS US11T-0010L，額定功率1 kVA/800 W，具備失電0轉(zhuǎn)換時間性能。

1.2 觸控屏設(shè)計

觸控屏兼具顯示和控制兩種功能，為了獲得較好的顯示效果，采用步科公司（Kinco）的 15寸觸控屏MT5720T。該觸控屏配置32bit 512 MHz RISC CPU，具有16M Flash+32M SDRAM的存儲器，配備 2個 USB接口、1個 SD卡槽、1個10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口和2個串口通信接口，可通過步科公司自主開發(fā)的組態(tài)軟件 Kinco HMIware進(jìn)行組態(tài)開發(fā)，操作簡便，能夠滿足集控臺的設(shè)計要求。

2 軟件設(shè)計

2.1 PLC軟件設(shè)計

PLC程序開發(fā)基于ABB公司的PS501軟件。PS501是用于對ABB公司AC500系列PLC產(chǎn)品進(jìn)行配置和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件，由管理子軟件Control Builder Plus（CBP）和編程子軟件CoDeSys組成。

CBP負(fù)責(zé)工程和設(shè)備的管理，為 PLC提供CPU、I/O模塊、所有接口和現(xiàn)場總線的配置方案；CoDeSys負(fù)責(zé)程序的編寫、下載和調(diào)試，能夠為編程者提供標(biāo)準(zhǔn)化編程語言、全面的功能塊庫和用戶自定義庫、離線仿真功能、程序測試調(diào)試查錯功能、可視化界面與配方管理監(jiān)視列表。

按照設(shè)計要求，勵磁集控系統(tǒng)主要有三種工作狀態(tài)。

1）正常狀態(tài)

PLC接收來自觸控屏的系統(tǒng)參數(shù)和控制參數(shù)設(shè)定、控制指令（如電機(jī)起停、數(shù)據(jù)采集、緊急滅磁等）下達(dá)和工作方式（如單機(jī)內(nèi)環(huán)運(yùn)行、單機(jī)外環(huán)運(yùn)行或雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行等）選取數(shù)據(jù)，并將接收數(shù)據(jù)打包發(fā)送給下位機(jī)；同時，PLC從勵磁控制器、中壓配電板、機(jī)組監(jiān)控單元獲取采樣數(shù)據(jù)，并送至觸控屏實時顯示。

2）故障狀態(tài)

當(dāng)檢測到故障信號時，觸控屏顯示故障報警，并提供緊急滅磁信號，控制勵磁系統(tǒng)緊急停機(jī)。

3）調(diào)試狀態(tài)

勵磁系統(tǒng)工作前，通過觸控屏發(fā)送測試數(shù)據(jù)，下位機(jī)返回預(yù)約數(shù)據(jù)，以測試通信完好性；此外，可通過觸控屏選擇“故障模式”運(yùn)行。PLC程序流程見圖4。

2.2 觸控屏組態(tài)設(shè)計

觸摸屏組態(tài)開發(fā)基于 Kinco公司的 Kinco HMIware軟件。Kinco HMIware是步科公司為其MT4000/5000系列觸控屏開發(fā)的專用 HMI組態(tài)編輯軟件，為用戶提供了強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、化工、電力、印刷、紡織、食品、國防、工程機(jī)械、智能家居、高速鐵路等領(lǐng)域。該組態(tài)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)指示、數(shù)值/文本輸入與顯示、數(shù)據(jù)傳輸與存儲、儀表圖表顯示、報警與事件記錄、條件控制與顯示、窗口切換、密碼保護(hù)、外部輸入輸出等功能，同時支持基于宏指令的二次模塊開發(fā)。

按照設(shè)計要求，觸控屏組態(tài)采用分頁設(shè)計，整個集控系統(tǒng)組態(tài)共分為主界面、參數(shù)設(shè)置、集控顯示、溫度監(jiān)控、系統(tǒng)設(shè)置和歷史查詢六個頁面。如圖5所示。

3 結(jié)語

本文介紹了基于ABB公司AC500系列PLC和Kinco公司MT5000系列觸摸屏的勵磁集控系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計方法，并按照該方法設(shè)計制造了大功率發(fā)電機(jī)勵磁集控臺，該裝置應(yīng)用于實際電力系統(tǒng)，運(yùn)行效果良好，達(dá)到了設(shè)計要求。

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