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摘要：监控系统是中小型水电站机组的重要组成模块，其可以为中小型水电站生产质量安全提供有效的保障。在中小型水电站监控系统中应用PLC技术，可以实现分站层设备监控，为系统调控效率的提升提供依据。本文以PLC在中小型水电站监控系统中信息收集设计为入手点，结合实际事例，对中小型水电站机组监控系统PLC技术的具体应用进行了简单的分析，以便为中小型水电站后期运营管理提供有效的借鉴。
关键词：PLC；中小型水电站；监控系统
前言
在20世纪80年代，我国开始应用PLC技术，PLC技术主要是以计算系统为核心的控制技术，其主要包括中央处理器、输出接口、输入接口、电源系统等几个模块。通过PLC核心设备的合理设置，可实现工业过程高效连接，从而得到与管理要求适应程度更高的编程语言。而为了进一步提高中小型水电站监控系统抗干扰性能，依据系统集成特点对PLC系统进行优化设置具有非常重要的意义。
1.PLC在中小型水电站监控系统信息采集设计
1.1模拟量采集及分析
在中小型水电站监控系统运行过程中，PLC在模拟量采集中的应用具有定时、越限、保护、无功采集等特点。其中保护主要是在PLC检测到某些越限模拟量之后，可以针对模拟量越限设备采取适当保护措施，如机组解列、减机组出力等。
1.2数字量采集分析
在中小型水电站数字量采集过程中，PLC技术需要遵循定时、顺序、保护的原则。其中定时主要是依据设备运行状态进行数据库定时更新；而顺序则是依据事件进行顺序监测。若在检测过程中出现中断能力的开关量变化，则需要及时启动响应程序，并对报警信号进行及时处理；保护主要是在报警响应信号发出之后，根据LCU端接收数据，对相应事故端进行停机维护管理。
1.3电度量及综合量采集计算
为了促使中小型水电站PLC可以充分发挥机组电度量采集功能，需要在串口连接的基础上，将串口与智能电度表进行一一相连，并将其与LCU屏相连；而综合量采集主要包括主辅机动作次数累计、运行时间累计、机组效率累计、开关动作次数累计等模块[1]。
2.PLC在中小型水电站监控系统中的应用
2.1中小型水电站监控系统概述
XX水电站为中小型水电站，在该水电站监控系统设计过程中，主要针对分站层设备，采用PLC技术，根据电站安全性能需求，进行了水电站现场自动化现场控制系统组件。
2.2 PLC在中小型水电站监控系统设计目的
以中小型水电站闸门监控为例，在中小型水电站监控系统应用过程中，现场控制单元PLC应用的根本要求为闸门闭合控制[2]。一般来说，PLC控制单元需要依据前期设置的程序控制电磁阀与电源模块的连接或脱离，达到闸门升降或者同位纠偏控制的目的；而中小型水电站水位监测主要通过上、下游位置安装的水位传感器，通过PLC模拟量采集模块与水位传感器、监控系统终端的连接，根据水位变化对中小型水电站闸门进行控制；在中小型水电站闸门现场控制模块，主要通过闸门两端闸门开度仪与PLC模块的并联。以数字量的方式进行传输，从而达到闸门全闭合启动控制、闸门纠偏、闸门下滑防控预警等处理。
此外，在现场实时闸门控制范围监控的基础上，若闸门现场控制单元PLC与监控中心间出现传输中断现象。通过现场控制单元PLC的运行，可实现自动系统诊断与人工共同作业，从而保证现场作业环境的稳定、安全。
2.3 PLC在中小型水电站监控系统中的设计
针对中小型水电站监控系统现场控制设备类型多、信号复杂、电磁干扰强度大、控制系统湿度大、堵塞风险大的特点。在PLC控制设备选择过程中，结合实际水电站控制需求，可选择美国通用电气公司生产的90-30系列产品，或者西门子企业生产的S7-301系列产品。以西门子S7-301产品为例，其内部具有中断控制、PID控制、间接寻址、结构化编程、轴定位模块、C语言协处理模块、Genius模块、BASIC模块、高速计数器模块等几个模块。不仅可以完成复杂的指令，而且可以通过简化启动、故障自动诊断，作为单独的PLC场制单元进行独立控制。
在实际应用过程中，可选择IC694zaoCPU 360型CPU模块，其内部具有4KI/O储存区、240.0K可配置内存、SNP通信串口、670mA电源及RS-485端口。可以通过TCP/IP MODBUS协议接口的基础上，与PROFIBUS-DOP现场总线相连，保证远程高速网络数据传输。
2.4 PLC在中小型水电站监控系统中的应用实现
首先，在PLC软件编程设计过程中，相关工作人员可直接将PLC与以太网通讯、486串行通讯、233串行通讯相连，结合I/O通讯模块的合理设置，可在脱离运算转移的同时，实现软件模块直接设定、离线调试，避免联机调试阶段网络运载量对整体工作效率的影响。
其次，在PLC硬件组态阶段，可依据Proficy MachineEdition编程特点进行具体系统机架的选择。随后在机架相应槽内部设置具有的I/O模块参数量，结合模拟量、数字量的合理设置，可保证整体中小型水电站监控系统运行效率。
再次，在中小型水电站监控系统运行过程中，PLC与监控系统终端，主要采用异步串行的方式。即在RE-485运行的基础上，利用RS-232进行信号转化，结合主从问答方式的优化，为监控系统终端提供初始传送优先选择权限，保证命令信号发送、传输效率。在这个基础上，为了保证PLC与上位机间通信风险的有效规避，可依据西门子自由口协议规定，在PLC与上位机间设计一定的应答命令帧。如下图：
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如上图所示，中小型水电站监控发送命令帧主要由11个字节组成，其中byte1为PLC地质；byte2为质量代码；byte3、4、5分别为寄存器类型、起始偏移地地址、数据个数，而byte7为数据类型，byte8/9、10/11分别为读指令保留数据、校检字节等。而中小型水电站PLC发送的应答帧主要是不规则字节，其byte1及8分别为PLC地质、校检字节，而byte2、3、4/5、6、7分别为指令代码、寄存器类型、数据个数、起始偏移地址、数据个数、数据类型等。
最后，在数据传输协议设置完毕之后，相关人员可利用Delphi模块进行中小型水电站监控程序编程实现。在硬件组态环境中，根据现场情况设定机组的数量、PLC地址、监控设备、机组状态的变化，可利用第三方通信系统，进行汇编直接对端口操作串行的设计。结合Windows API函数的应用，可以二级制命令帧的形式进行数据传输模式设计；而在现场控制单元PLC编程时实现过程中，依据西门子自由口SMB30寄存器特点，可以用户写入的方式进行可读性特殊标志位的设置。在通讯接收字符缓冲器SMB3中，可存入自由口通讯协议下现有字符，并在后续处理过程中，将PLC通讯接口与SMB30模块相连，以便对以往数据信号进行安全校检[3]。在这种情况下，如果在安全信号校检过程中发现不正确的情况，现场控制单元PLC会自动回归到SMB3.0-1，并进行错位纠偏，保证组态代码的正确性。
3.基于PLC技术中小型水电站监控系统应用效益分析
在实际应用过程中，基于PLC技术的中小型水电站监控系统具有实时状态采集、记录、分析监测的功能，其可通过压力脉动、机架振动、大轴摆动参数的检测，提取关键参数，确定预警数值，保证水电机组状态预警信号的及时、准确发出；而通过水电机组状态检测系统运行，也可以依据现场监测单元PLC内部数据，结合以往数据记录，进行系统应用性能分析，可为后期水电机组优化运行及公共部分功能扩展提供有效的指导[4]。
4.总结
综上所述，以点对点主从应答PLC模块为基础的监控系统管理具有稳定性高、实时高效等优良特点。因此，在中小型水电站监控系统设计过程中，相关系统设计人员可优先选择PLC技术进行现场采集模式设计。同时依据监控系统终端、现场管控要点，选择恰当的PLC控制模块类型，结合现场编程实现、硬件组态及通信协议优化，可有效提高中小型水电站监控系统运行稳定性。
参考文献：
[1]陈国平, 蔡勇, 阮德超,等. 基于LH_TX02与VersaMax PLC的小型水电站自动化系统设计[J]. 电子设计工程, 2014, 22(6):121-123.
[2]张兴旺, 宋易珑, 汤嫚. PLC在中小型水电站闸门监控系统中的应用[J]. 南昌工程学院学报, 2013, 32(6):72-75.
[3]胡满, 胡宁, 刘玉霞. PRODAVE在S7-200 PLC监控系统中的应用[J]. 自动化技术与应用, 2013, 32(10):33-35.
[4]乐红. 基于PLC的小水电站水电机组状态监测系统设计[J]. 机电信息, 2014(30):144-145.
论文作者:邝顺泉
论文发表刊物:《防护工程》2018年第26期
论文发表时间:2018/12/12
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