基于國產化的水電廠自動化培訓及競賽裝置研發與應用

中圖分類號：F416.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）19-0120-05

Abstract：China'shydropowerindustryisdevelopingrapidlyandthereisanurgentneedforhigh-qualitytechnicaltalents， buttheexistingtrainingsystemisinsuffcient.Thispaperdesignsadomesticallbasedhydropowerplantautomationtrainingand competitiondevice.Itadoptsmodulardesign，simulatescorescenarios，supportsPLCprogramming，HMIconfigurationandother operations，andhasbothtrainingandcompetitionfunctions.Thedevicefulladoptsdomesticcomponentsandcomponents，which issafeandreliableItrespondstothedomesticsubstitutionstrategyandhasbeensuccesfullyappliedinskillscompetitiosand training，significantlyimprovingstudentspracticalabiliesandprovidingguaranteefortalenttrainingandtechnologicalprogess in the industry.

Keywords：hydropowerplantautomation;training and competitionequipment；PLCprogramming;HMI configuration; intelligent data acquisition; localization

我國水電行業快速發展，現代化水電廠自動化程度不斷提高，但在培訓設備和人才培養方面仍存不足：一是缺乏標準化、模塊化的培訓設備，難以全面模擬復雜場景，培訓效果參差不齊；二是培訓內容與實際需求脫節，實踐環節薄弱，學員核心技能不足，難以滿足復合型人才需求；三是行業對高技能人才需求迫切，現有體系難以培養具備操作、診斷、數據分析等綜合能力的人才；四是國產替代重要性凸顯，培訓設備核心元器件長期依賴進口，存在安全隱患。本發明的水電廠自動化培訓及競賽裝置采用國產元器件，模塊化設計模擬核心場景，支持競賽模式，助力行業技術推廣、人才培養和國產裝備發展。

通過本文的開發與推廣應用，可以有效提升學員的實踐能力和綜合素質，滿足現代化水電廠對高技能人才的需求。同時，設備的全面國產化設計，為我國水電行業的可持續發展提供了堅實保障，也為裝備制造領域的國產替代戰略樹立了典范2]。

1整體方案設計

培訓及競賽裝置采用鈑金柜式設計，從上至下分層為：操作層、控制層、數據采集層、驅動層、傳感執行層，主要由一體式安裝機架、腳輪、電源外送接口、操作面板框架、按鈕開關指示燈、觸摸屏、低壓斷路器、開關電源、PLC及模擬量輸入輸出模塊、工業交換機、智能數據采集盒、變頻器、光柵尺、液位模擬系統、閘門模擬系統、風機、照明燈、溫振傳感器和環境傳感器等組成。如圖1、2所示。

2裝置核心模塊的作用

電能表：采用國產正泰的DDSU666系列單相電能表，該電能表支持Modbus-RTU通信，通過PLC編程可實現二次側的線電流、線電壓、瞬時總有功功率、瞬時總無功功率、瞬時總視在功率、總功率因素、電網頻率和有功總電能等的數據讀取。

開關電源：國產品牌明緯 220V 轉 24V （NDR-240-24）和12V（NDR-75-12）開關電源，其中 24V 開關電源為整臺設備的PLC和模擬量輸入輸出模塊、各種傳感器、智能數據采集盒、工業交換機、風機和照明燈等提供工作電源；12V開關電源則為液位模擬系統的位移傳感器滑動電阻提供12V的壓差。

環境傳感器：選用國產品牌建大仁科的RS-MG111-N01-1型號，支持溫濕度、噪聲、光照度等數據采集。

溫振傳感器：選用國產品牌建大仁科RS-WZ1/WZ1-N01-1-CX型號，支持磁吸安裝，可檢測表面溫度、振動速度和位移。

光柵傳感器：選用國產品牌施特安邦LC20-14NB光柵尺，用于模擬作業區的人體進出入檢測。

液位模擬系統：由泵1轉盤、泵2轉盤、位移傳感器（國產品牌宿尚 ST型號）上限位預警報警傳感器、下限位預警報警傳感器和液位刻度尺組成。通過PLC編程，泵1和泵2的轉動，并人為移動位移傳感器，來模擬液位的高低變化。

PLC及模擬量輸入輸出模塊：采用國產品牌傲拓CPU201-1102-DC型號PLC，該PLC自帶24通道數字量輸入，16通道數字量輸出，4通道RS485和1個以太網口，是整個設備的最核心模塊，通過PLC的數字量輸入口對按鈕、限位傳感器的數據進行采集；通過數字量輸出口對指示燈、變頻器固定段子輸入進行信號輸出；選用了AXM201-0601模擬量模塊，該模塊具有4通道的模擬量電流電壓輸入、2通道的模擬量電流輸出的模擬量擴展模塊，可實現對液位模擬系統的位移傳感器、變頻器的電壓輸出信號采集。

觸摸屏：采用國產品牌傲拓NA2070-31型號，該觸摸屏為7寸屏，具有以太網通信口和RJ485通信口，本設備通過以太網口與PLC進行數據交互。可通過觸摸屏實現對設備的操作和數據監控、報警配方等功能。

工業交換機：選用國產品牌普聯TL-SF1008工業級交換機，為觸摸屏、PLC、智能數據采集盒，以及編程電腦提供網絡接口，實現局域組網功能。

智能數據采集盒：選用國產品牌宏大欣的IOT-HDX-2801型號，該數據采集盒支持SIM卡遠程通信，也支持LAN口有線聯網通信，同時支持8通道的RS485通信、4通道的數字量輸入和6通道的數字量輸出、2通道的模擬量輸入和2通道的模擬量輸出。通過智能數據采集盒的快速配置，可實現對環境傳感器、PLC的數據采集，對照明燈、風機的控制。

變頻器：選用國產品牌偉創的AC310-T/S2-R75G-B型號，可通過開關量輸入、模擬量輸入、Mod-busTCP的控制方式分別用于控制液位模擬系統的泵1和泵2、閘門模擬系統的電機。

閘門模擬系統：由閘門導桿、閘門、閘門高度檢測絕對編碼器（位于柜體內部）閘門高度刻度尺組成。通過PLC編程，控制閘門變頻器驅動閘門的上下動作。

3 網絡拓撲設計

如圖3所示，PC1和PC2為訓練或者競賽時進行PLC編程、HMI組態或者智能數據采集盒Web端配置的電腦，圖3中所有連接至工業交換機的部件必須設置為相同的網絡，且不一樣的IP地址，方可進行相互間的數據交互，對于現代電廠自動化訓練中，網絡通信參數設置已經成為基本技能之一，若將工業交換機通過工業路由進行聯網，則可通過網絡對設備進行外部數據交互，實現設備的遠程監控]。

4電氣控制框架設計

PLC主要通過數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、RJ485通信接口和RJ45接口來實現采集數據和控制外部設備。

① 通過數字量輸入獲取按鈕開關、轉換開關、上下限位預報警傳感器、光柵傳感器的輸入信號；通過數字量輸出控制泵1、2運行指示燈、閘門指示燈、自動運行指示燈、三色燈的亮滅和蜂鳴器的響停，同時通過控制泵1、泵2變頻器的固定輸入端子，驅動泵1和泵2轉盤動作。 ② 通過模擬量輸入輸出擴展模塊的輸入通道獲得位移傳感器的值，經過換算后獲得模擬的液位高度。 ③ 通過RJ485通信接口以Modbus-RTU通信方式獲取溫振傳感器、電能表和絕對式編碼器的各類參數；通過RJ45網絡接口以Modbus-TCP通信方式獲取變頻器的各類參數；同時可發出啟動、停正、加減速時間設定、運行頻率等參數的設定，從而控制閘門電機根據要求進行動作。

智能數據采集盒主要通過數字量輸入輸出端子、RJ485接口、RJ45接口來實現采集數據和控制外部設備。

通過數字量輸人獲取泵1、泵2、閘門變頻器的故障報警輸入信號；通過數字量輸出控制風機啟停和照明燈的亮滅；通過RJ485通信接口以Modbus-RTU通信方式獲溫濕度、噪聲、光照度等數據采集；通過RJ45網絡接口以Modbus-TCP通信方式獲取PLC寄存器的各種數據。

5裝置的典型應用

本裝置可用來模擬現代電廠自動化集水井防水淹廠房生產場景，主要包含能源監控系統、雙泵水位控制系統、閘門控制系統、生產預警系統和智能數采系統，要求培訓學員或者參賽選手根據要求進行PLC編程、HMI組態、智能數采系統設置，以下為典型的任務要求。

5.1能源監控系統

能源監控管理要求能實現對電能表的電壓、瞬時總有功功率、瞬時總無功功率、瞬時總視在功率、總功功率因數、電網頻率和有功總電能進行數據采集，并在HMI上正確顯示，數據單位正確。

5.2 雙泵水位控制系統

雙泵水位控制系統為集水井自動化控制場景，主要包含主從泵驅動器和電機、溫振傳感器，要求能實現對溫振傳感器的表面溫度、振動速度和振動位移進行數據采集，并在HMI上正確顯示，數據單位正確。同時對系統進行以下工藝邏輯控制。

5.2.1 手動模式

按下操作盒泵1啟動按鈕，泵1持續逆時針轉 動；按下操作盒泵1停止或急停按鈕，泵1停止；按下 操作盒泵2啟動按鈕，泵2持續逆時針轉動；按下操作盒泵2停止或急停按鈕，泵2停止；操作盒上泵1、泵2運行指示燈與泵的運行狀況相符。

5.2.2 自動模式

集水井水位分為超高水位、高水位、低水位和超低水位共4個水位值。水位的高、低水位值可在HMI設置。當水位低于超低水位值時，2臺水泵均停止；當水位高于低水位值時，啟動單臺水泵，并進行雙泵輪換工作，輪換模式分為次數輪換模式和時間輪換模式。

若HMI上的輪換模式為時間輪換模式，則優先啟動累計運行時間短的泵，輪換時間默認為3s，輪換時間到則切換另一個泵運行。輪換時間可在HMI上設置。

若HMI上的輪換模式為次數輪換模式，則優先啟動累計運行次數少的泵，輪換次數默認為2次，輪換次數到則切換另一個泵運行。輪換次數可在HMI上設置。

5.3 閘門控制系統

5.3.1閘門控制系統要求以下內容在手自動模式下均有效

面板設定變頻器最大頻率為 45Hz ，啟動頻率為10Hz ；閘門上升下降的通信給定頻率為 20～40Hz 可在HMI上修改、加減速時間為0.5＼～2s可在HMI上修改；HMI上能顯示閘門變頻器的給定頻率、輸出頻率、輸人電壓、輸出電壓、機械速度和母線電壓。

5.3.2 手動模式

按下操作盒閘門上升按鈕，閘門持續上升；按下操作盒閘門下降按鈕，閘門持續下降；按下操作盒閘門急停按鈕，閘門停止。

5.3.3 自動模式

當集水井水位高于超高水位時，閘門緊急落閘，下行至全關位置；在進行集水井來水量增大原因排查后，水位回歸至低水位值以下，按下操作盒閘門上升按鈕，閘門自動上升至全開位置。

5.4生產預警系統

當安全光柵被觸發時，即認為有活體進入生產禁入區，將發出蜂鳴器報警

當水位高于超高水位值時，即認為存在嚴重生產風險，紅色指示燈閃爍，且蜂鳴器報警。

當水位高于高水位值時，即認為存在生產風險，黃色指示燈閃爍；當水位低于低水位值時，即認為處于安全生產，綠色指示燈常亮。

5.5智能數采系統

可通過在瀏覽器地址欄輸入http：//192.168.1.112：5175進行登錄，在綁定設備和點表后可與外部設備建立連接和數據交互，正確命名設備、數據點名稱，數據單位正確，并可進行數據綁點實現數據實時更新，能實現照明指示燈的亮滅控制；能實現風機的啟停控制；能采集環境傳感器的溫度、濕度、光照度和噪聲；能采集集水井水位當前高度、閘門當前高度；能采集閘門變頻器的給定頻率，輸出頻率、輸入電壓、輸出電壓、機械速度和母線電壓；能采集泵1、泵2的累計運行時間、累計啟動次數；能為泵1和泵2的累計啟動次數綁點制作歷史數據并進行數據趨勢呈現。

6 PLC編程、HMI和智能數據采集盒應用設計

6.1 PLC編程設計

在設計程序時，采用模塊化結構編程，分別將通信數據處理、能源監控系統、雙泵水位控制系統、閘門控制系統和生產預警系統的程序用一個子程序進行編寫，然后在MAIN程序中對各個子程序進行調用，結構相對清晰，如圖4所示[5]。

6.2 HMI設計框架

在設計HMI界面時，除開機畫面外，還需根據應用要求開發能源管理畫面、雙泵液位控制畫面、閥門控制畫面、生產預警頁面。這些頁面之間可以相互跳轉。傲拓PLC有相應的控件可直接完成，達到高效便捷的效果，如圖5、6所示。

6.3智能數采設計

智能數采主要有設備管理、自生點表、生產點表和歷史數據四大步驟，通過設備管理可以直接管理和智能數采盒子相連接的PLC或者傳感器；自生點表用來控制照明燈和風機的行為；生成點表用來自定義PLC或者傳感器的具體寄存器的地址，并從中獲取和寫入數據;歷史數據用來制作動態數據圖表，如圖7—10所示。

7 應用效果

2024年8月在進行了參賽選手全員培訓（圖11（a）），針對競賽的知識點技能點進行訓練，學員掌握了PLC編程、HMI組態、智能數據采集、雙泵水位控制、閘門控制及能源監控等核心技能，熟悉數據采集與分析、故障處理及系統優化能力。2024年9月，廣東省新豐江電廠作為“粵黔桂川湘\"五省區第四屆水電廠技能競賽的設備提供方與競賽場地（圖11（b）），不僅為選手提供了真實的操作環境和公平的競賽平臺，還推動了水電行業高技能人才的培養和技術進步。同時，設備的國產化設計響應了國家戰略需求，為行業的可持續發展提供了重要保障，達到了良好效果。

參考文獻：

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[4]吳明扣，俞鴻飛.緊水灘水電廠機組現地控制單元控制流程設置及調試[J].浙江電力，1997（3）：44-46.

[5]芮慶忠，黃誠.西門子S7-1500PLC編程及應用[M].北京：電子工業出版社，2019：132-215.