基于WinCC的变压器冷却监控系统设计

李长华,齐向东

(太原科技大学电子信息工程学院,太原 030024)



基于WinCC的变压器冷却监控系统设计

李长华,齐向东*

(太原科技大学电子信息工程学院,太原 030024)

摘要:传统的大型油浸式变压器冷却系统控制一般采用各种继电器、接触器、开关元器件等来实现。针对此方式存在的控制回路复杂、可靠性低、维护工作量大等问题。提出了一种基于WinCC组态软件的变压器冷却监控系统设计方案,系统由变频器、可编程控制器、上位计算机等组成。该系统在华北某变电站进行了试运行,其降温效果明显,大大提高了变压器系统运行的稳定性,减少了系统的维护量,同时也提高了工厂自动化管理的水平。对变压器安全、可靠运行有重要的现实意义。

关键词:监控系统;变压器;冷却器;组态软件;可编程控制器

在变电站中,大型油浸式变压器一般采用强迫油循环风冷式变压器冷却系统。目前,这种冷却系统一般采用继电器接触器开关控制线路进行控制。在这种控制模式下,冷却系统易频繁启动,继电开关易腐蚀、老化而出现故障,且无法实现调度自动化通信,经常出现故障,大大降低了变压器系统运行的稳定性,严重地影响了电网的可靠运行。

针对以上存在的问题,同时为了实现自动化、网络化和信息化的变压器冷却监控系统,本文以强迫油循环风冷式冷却系统为被控对象,把WinCC组态技术、PLC技术和变频技术三者结合在一起,设计出一套变压器冷却监控系统。系统采用S7-200系列PLC与WinCC组态软件作为冷却监控系统的主控制器和监控界面设计工具,给出一个两台220 kV变压器的冷却监控系统的具体设计方案,系统设计合理,技术方案正确,操作方便,人机交互性好,基本满足了变电站的实际运行需要,为实现一个变电站的综合自动化系统奠定了良好的基础。可以广泛应用在变压器冷却监控系统中。

1　系统总体设计

本文的基本设计思想是以强迫油循环风冷式冷却系统为被控对象,以PLC为自动远程控制的主控制器,将专家的控制经验及推理过程纳入系统当中,通过变频器来控制变压器冷却装置,设计出一套新型的变压器冷却监控系统。

随着信息技术和网络技术的不断发展,新一代的变压器冷却系统必将向着信息化和网络化的方向发展。为方便对变压器冷却系统的管理,变压器的上位机监控界面设计时应该考虑加入冷却系统监控部分[1]。在设计中,上位机采用工业控制计算机对现场设备进行远程监控,采用触摸屏对设备进行现场监控,选用已在工业现场广泛应用的组态软件WinCC作为上位机软件开发平台对整个系统进行组态。下位机控制系统是由西门子公司的S7-200系列PLC为核心构建的系统。除此之外,利用开放性的通讯平台OPC,实现WinCC和S7-200系列PLC的数据交换。以WinCC组态软件开发的人机交互界面,有较高的变量刷新速度,充分体现了WinCC组态软件的技术优势。监控系统如图1所示。

图1　监控系统框图

2　冷却监控系统的硬件设计

2.1系统硬件构成

强迫油循环风冷式变压器冷却系统硬件组成的功能设计与架构如图2所示。系统主要由上位工业控制计算机模块、就地控制与显示模块、可编程控制器、信息采集监控模块、通讯模块、变频器、潜油泵和冷却系统风扇等构成。

图2　控制系统硬件结构框图

(1)上位计算机监控模块(主控制器)负责与其他控制模块进行信息交流与协调,是中央处理系统,以满足变压器实际运行需要。上位工业控制计算机采用的是研华工控机,其具有高可靠性和强抗干扰能力等特点。

(2)可编程逻辑控制器是冷却系统的控制核心,主要负责对冷却系统风扇进行运动控制。采用在工控行业内享有盛名的西门子公司的S7-200系列PLC,S7-200系列PLC是针对低性能要求的中小型PLC,具有适应性强、可靠性高、抗干扰能力强、功能强大、智能化、在线时间长、编程简单等优点,非常适用于中小型工业自动控制系统[2]。型号为CPU224XP。

(3)通讯模块。通过PLC上的RS485口与远方的上位计算机的RS232相连接,PLC通过采取OPC通讯标准与上位计算机进行通信。

(4)信息采集监控模块。可编程逻辑控制器通过此模块对变压器顶层油温及负荷电流等信息进行实时采集。

(5)变频器模块。PLC主控程序将控制信号传输给变频器,再由变频器驱动冷却系统风扇运动,本系统采用西门子MM440变频器。

(6)控制系统的执行核心采用多功能固态继电器来取代机电继电器作为控制回路的控制元件,固态继电器相比于传统的机电继电器具有使用寿命长、可靠性好、灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性好、转换快速、电磁干扰小等优点,且集过载、过压、断相、欠压、故障自诊断等功能于一身,是一种应用非常广泛的电子元器件。

该站有两台220 kV变压器,每台变压器配备有两台1.5 kW潜油泵,4台0.75 kW冷却系统风扇。4台冷却系统风扇沿变压器油箱周围均对称分布,对变压器运行时产生的热量进行冷却。

2.2风冷系统控制功能的实现

冷却系统采用两组独立电源供电,工作时互为备用。同时系统的油泵和风扇电机,均设有过负荷、短路、过压、欠压等运行保护。

本系统利用工业控制计算机作为上位机,用西门子WinCC V6.2组态软件作为上位机软件平台和PLC为下位机处理器,OPC为通信标准组成一个变压器冷却监控系统。用WinCC组态软件开发的人机交互界面,包括用户管理、实时监控、报警、历史数据的存储、查询等功能,以实现对整个冷却系统的实时监控。系统以变压器负荷电流、顶层油温温差为模糊控制输入量,采用Mamdani模糊控制算法,通过PLC程序实现对变频器输出频率的控制,进而实现对变压器冷却系统风扇的控制,确保对变压器运行中温度的控制。

工作过程中,变压器的工况油温设定为55 ℃,PLC主控程序将控制信号传输给变频器,变频器驱动冷却系统风扇的运动。系统采用西门子MM440变频器,PLC通过RS485接口,使用USS通信协议实现对变频器的控制,包括对变频器的起/停、故障检测/复位、输出频率大小的控制。

3　WinCC组态监控软件的开发

组态软件是数据采集监控系统SCADA(Supervisor Control and Data Acquisition)的软件平台工具,具有丰富的设置项目,使用方式灵活,功能强大[3]。西门子公司的WinCC是Windows Control Center(视窗监控中心)的简称。是世界上第1个集成的人机界面(HMI)软件系统,它集成了SCADA、组态、脚本(Script)语言和OPC等先进技术,可以很方便地生成人机界面,建立完整的过程监控解决方案。

为方便对变压器冷却系统的管理,变压器的上位机监控界面设计时加入了冷却系统监控部分。本系统上位机用西门子公司的WinCC V6.2组态软件作为软件程序开发平台。利用WinCC组态软件开发出集生动、友好的人机交互界面、参数设置、报表打印、数据归档、报警等多项功能于一体的实时监控系统。

3.1软件总体设计

监控系统的开发过程中,WinCC的组态非常重要。其组态过程主要遵循以下步骤:

(1)启动组态软件,建立一个新的组态项目。在变量管理器(Tag Management)中选择添加PLC通讯驱动程序(本系统中为OPC.CHN);

(2)在OPC Groups协议中新建一个驱动程序连接并组态逻辑连接参数;

(3)在设置好的连接中加入外部变量并设置变量属性;

(4)绘制组态画面,在组态软件的图形编辑器中设计并制作系统运行和控制界面;

(5)设置参数设置、报表打印、数据归档、报警等功能。根据控制要求,对画面中的构件进行属性设置。将内、外部变量及控制点属性一一对应起来,从而在HMI界面上实现监视,进而控制现场设备。

变压器冷却监控系统拥有用户管理,实时监控,参数设置,报表打印,数据归档,实时报警及历史报警查询等多项功能。软件的总体架构如图3所示。

图3　监控软件总体架构框图

3.2主控界面的设计

根据冷却系统的设计思想和实施方案,在主控界面上应该包括冷却系统工作状态,系统工况操作按钮,参数设置等[4]。主控界面如图4所示。

图4　主监控界面

在冷却系统主画面中,分别展示了1#、2#变压器冷却器组的主电源、就地/远程、自动/手动、运行等工况的指示状态,及其变压器顶层油温等参数。在趋势曲线画面中显示了实时和历史数据曲线。报警信息和报表输出分别在相应的画面中展示。通过报表管理界面我们可以对报表进行存储、打印等操作。画面中的切换按钮能够使我们轻松地实现对冷却系统的就地与远程、自动与手动切换。

操作者通过点击画面顶部的按钮实现画面间的跳转。

3.3变量的管理与存储

数据库是联系上位机和下位机的桥梁,在WinCC画面运行时,它含有全部数据变量的当前值[5]。在进行项目组态时,变量管理是非常重要的一环。WinCC通过对监控点连接的变量赋予不同的外部变量值的方法。根据系统要采集的外部变量建立相应的内部变量,而内部变量与画面上的监控点对象通过属性连接建立对应关系,将控制现场的PLC控制系统和上位计算机监测系统连接起来,形成完美的监控画面。

WinCC变量包括内部变量、外部变量、系统变量和脚本变量。外部变量是外部存储的区域,需要建立通信驱动程序和通道,然后在建好的通道下面建立变量,选择变量地址。内部变量没有相应的驱动程序和通道单元,所以不需要给它们设置连接,通常用来存储过程变量的中间值或者预备值。系统所有的变量记录都存储在SQL2005 for WinCC中。变量归档分为过程值归档和压缩归档。归档变量的历史记录查看如图5所示。

图5　归档变量历史曲线图

3.4报警系统

当系统出现故障或者错误操作时,WinCC可以声音和画面的方式提示工作人员并且记录这些报警事件,并进行归档[6]。组态报警时我们先打开报警记录的编辑器,逐步的对报警系统导向进行设置,直至完成对报警消息和报警消息文本的组态。

变压器冷却监控系统的报警功能由实时报警和历史报警查询两部分组成。分别通过报警组态的报警长期归档和报警短期归档来实现,在图形编辑器中由长期归档窗口和短期归档窗口来显示。

4　结束语

本变压器冷却监控系统采用西门子S7-200系列PLC与WinCC组态软件作为自动远程控制的主控制器和监控界面设计工具,他综合了计算机与PLC的优点。上位机提供良好的人机界面,进行系统的监控与管理,下位机以PLC为控制核心,对底层控制系统进行运动控制。该系统在华北某变电站进行了试运行,经过实践证明,运用此监控系统,既能够实现对现场运行状况的监视,又能实现对现场装置的控制,且监控效果较为理想。对变压器安全、可靠运行有重要的现实意义。

参考文献:

[1]Wang Zhenyuan.Artificial Intelligence Applications in the Diagnosis of Power Transformer Incipient Faults[D].America:Virginia Polytechnic Institute and State University,2000.

[2]高鸿斌,孔美静.西门子PLC与工业控制网络应用[M].北京:电子工业出版社,2006.

[3]马国华.监控组态软件及其应用[M].北京:清华大学出版社,2001

[4]Wang Mengguang.Winding Movement and Condition Monitoring of Power Transformers Inservice[D].Canada:The University of British Columbia,2003.

[5]林英芸,杨煜普.基于WinCC的网络化监控系统的设计与实现[J].微型电脑应用.2006.22(5)

[6]Wang Zhiyong,Guo Chuangxin,Jiang Quanyuan.A Fault Diagnosis Method for Transformer Integrating Rough Set with Fuzzy Rules[J].Transactions of the Institute of Measurement and Control,2006,28(3):243-251.

[7]陈挺.PLC技术在变压器冷却系统改造中的应用[D].东营:中国石油大学(华东),2010.

[8]和秋鹏,喻寿益,刘摇摇.iFIX组态软件在循环流化床锅炉控制系统中的应用[J].电子器件,2007,30:989-991.

李长华(1986-),男,河北唐山人,硕士研究生,从事电力电子与电力传动方面的研究,lichanghua_sunny@163.com;

齐向东(1967-),男,山西原平人,副教授,从事电气自动化控制,铁路机车设备研制,舞美特效自动控制等方面的研究,曾主持并完成残奥会闭幕式CB草坪,国庆50、60周年山西国庆彩车等项目,13703511103@163.com。

DesignofMonitoringSystemofTransformerBasedonWinCC

LIChanghua,QIXiangdong*

(School of Electronics and Information Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China)

Abstract:Traditional control of large oil-immersed transformer cooling system is archieved by various using a variety of components such as relays,contactors,switches.For this way,there exist problems such as complex,low reliability difficult maintenance,and so on.A design of monitoring system of transformer was proposed based on WinCC.This system composed of frequency converters,programmable controllers,host computer,and other components.Trial operation of the system perfected a good cooling effect in a transformer substation in North China,which improves the reliability of the transformers,decreases difficulty of maintenance and a more efficient factory automation management has be achieved consequently.which has an important practical significance for safe and reliable operation of transformers.

Key words:control system;transformers;cooler;configuration software;PLC

doi:EEACC:835010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.039

中图分类号:TM411

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0763-04

收稿日期:2013-07-17修改日期:2013-08-25