4 泵站监控系统设计
本项目主要是通过设计PLC主控柜、电机温度子站,构建工业计算机通信网络,开发卿头泵站集中监控系统,实现系统的远程控制及各系统参数的集中监控。
PLC主控柜为监控系统的核心,内部由一系列PLC组件组成。PLC为可编程逻辑控制器,它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。本主控柜既要实现对阀门稳定的控制功能,又要完成实时采集机组前后压力以及电机温度功能,同时还具备与工业计算机进行网络通信的功能。因此,系统选用全球知名品牌的西门子可编程控制器。为了完成上述功能,根据系统规模统计要求,系统所使用的控制点数见表1。
监控系统中电机温度采用分布式IO设备ET200M来实现组网,该网络在物理层是基于屏蔽双线的电气网络,传输协议采用PROFIBUS DP,使CPU和分布式IO设备之间实现快速、循环的数据交换。[3]DP主站即主控柜,是控制CPU和分布式IO设备之间的连接,它通过PROFIBUS DP与分布式IO设备交换数据并监视DP网络通信状况。分布式IO设备,即DP从站,负责在现场准备数据,使得数据可以通过PROFIBUS DP发送至CPU。本系统1#、2#电机温度保护柜作为分布式IO设备,采用现场通信总线,完成与主控柜的通信。它是由一个IM153-1和一个4通道组中的RTD电阻温度计的8点输入。
系统中高压变频器为HARVSERT-A系列高压变频调速系统,它采用单元串联多电平技术,属于高-高电压源变频器,10KV输入,直接10KV高压输出。其中高压变频器的控制器采用西门子CPU224 XP处理器。该处理器具有两个独立的RS485通信口,其中Port0用于人机界面通信,Port1用于与上位机监控系统通信。本通信口采用平衡信号传输方式,可有效地抑制传输过程中干扰,具有通信速率高、通信距离长及并联接到多个端口的特点。[4]网络通信方式为半双工。Port1通信协议采用西门子专为S7-200开发的PPI通信协议,通信规约为:数据位8位,停止位1位,无校验,波特率9600,地址位为2。泵站监控系统基于该网络通信协议实现上位机远程启停高压变频器。
监控系统中高压开关柜的运行参数是通过内部的高压综合保护装置进行联网,采用mark校验码、波特率9600、1位停止位及8位数据位数据规约,来完成高压开关柜内遥测量、遥信量及遥控量的数据采集功能。
监控系统中的网络通信功能主要由以太网通信模块和串口服务器来完成。前者主要实现将主控柜内CPU处理的数据通过TCP/IP协议传入工业计算机,它采用全双工通信方式,通信速率高达100Mbit/s。后者由于工业计算机RS232通信口数量的局限性,监控系统采用串口服务器,它提供串口转网络功能,能够将RS485串口转换成TCP/IP网络接口,实现RS485串口与TCP/IP网络接口的数据双向透明传输。使得串口设备能够立即具备TCP/IP网络接口功能,连接网络进行数据通信,这样极大地扩展串口设备的通信距离。高压变频控制柜及综合保护装置就是通过该设备实现局域网内的数据共享功能。
5 泵站监控系统实现
根据系统的监控需求,本系统采用了西门子公司的S7-300可编程控制器和8路串口服务器组成。主要包括一个DP主控柜主站,2个DP电机温度从站,1个高压变频子站及5个高压综合保护装置子站。DP主站模块主要有1个电源模块、1个CPU模块,2个模拟模块,1个开关量模块,1个通信模块。其中,CPU模块选择为313C-2DP紧凑型CPU,通信模块为以太网CP343-1通信处理器。DP从站模块主要有1个电源模块、1个IM153接口模块,1个SM331 8XRTD模拟模块。 [5]高压变频子站与高压综合保护装置通过串口服务器连接,通过交换机完成监控软件与子站的通信。
主控柜主站实现对阀门控制、压力采集,完成与2个电机温度保护子站的连接需要对PLC进行组态。本系统编程软件选用STEP V5.4组态软件。进入软件后先对主站进行硬件组态,选定S7-313 2DP为主站系统,然后添加2个ET200M的接口模块为DP从站。本次设计中两台电机温度子站的地址分别为3号、4号站。为了实现数据传输的稳定性,设定波特率为9600bps。最后建立一个数据块,用于观测实时通讯效果。组态效果如图2所示。
图2 监控系统硬件组态
系统硬件组态成功后,根据2台机组的运行工艺要求,编写控制程序。主要包括阀门操作及高压变频器操作两部分。机组开机条件为:电机启动柜合闸,高压开关柜不存在故障报警。同时高压变频器工作状态为远程并且处于高压就绪状态、不存在故障报警。其中1#机组的启停机流程如图3所示。
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