基于PLC的一种新型小电站
无人值班综合自动化系统
1、 引言
目前国外小型水电站的无人值班系统已得到广泛应用，加拿大Powerbase公司开发的无人值班系统能用手机进行远方查询和控制，技术比较先进但价格昂贵。在国内，小水电综合自动化正日益得到重视，因为传统落后的控制方式使每个小水电都不得不依靠值班人员在现场运行，不仅浪费人力物力资源而且不利于小水电的大量开发。本小水型水站是专门为低压轮发电机组设计的，适用范围为功率为800W以下，电压为400W的水轮机组，亦可适用于中小型水轮发电机组。这一系统充分考虑了我国目前小型水电站操作的特点，将控制与一次开关设备有机地结合在一起，提供了常规手动操作、自动控制、保护和SCADA功能，适用于电站的一台或几台机组的联合控制。
2、 系统组成及功能
这个系统包括：S7-226 PLC为核心构成的控制器、数据采集智能仪表、模拟量输入输出模块、Modem、人机操作面板、保护继电器。操作控制分为常规控制和保护控制。在水轮机/发电机的控制柜内，每个模块都有接线端子，接线简单，便于维护。显示模块固定在控制面板上并与柜内的其他模块通信，提供手动操作、数据显示、参数设定。保护单元主要是由常规继电器及PLC微外理器协同完成，能更快地完成保护功能。系统内部一旦完成所用单元连接并选择了设定参数，便可运行。
本系统的功能有：
(1)全自动启动：自动启机、同期并网、升负荷并根据水位自动调节功率并保持功率因数运行。
(2)半自动启动：由人在触摸屏上给出操作指令，指令由PLC自动执行。
(3)手动操作：在触摸屏和控制柜上操作相应按钮，PLC招待相应动作。
(4)自动停机：给出停机指令，所有停机操作过程由PLC自动完成。
(5)机组保护：提供过电流、过电压、机组过速、轴瓦温度过高、冷却水中断、低频/欠压解列保护。出现事故，机组会自动紧急停机，并向远管理员呼机发出报警。
(6)远程报警：设定管理员呼机号码，机组出现事故或一般报警，会向该呼机发出相应报警信息。
(7)远程数据查询：管理员用手机或电话拨打电站电话，PLC判断振铃次数，若为设定值，则认为是查询电话，向管理员呼机发出机组此时运行数据。
3、 硬件设备及功能
系统由可编程控制器PLC及模拟输入输出模块、触摸屏TP170A、TOP智能仪表、调制解调器和常规继电器等元件组成。
(1) 西门子PLCS7-226及模拟量输入输出模块：作为本系统的核心，完成模拟量数据采集、开关量控制，以及和各个模块通信等功能。
(2) 人机界面：采用TP170A触摸屏方式与PLC的RS485口通信，显示机组运行参数、设置运行参数以及提供手动操作方式。
(3) TOP智能仪表：进行三相电量数据的采集包括三相电压、电流、有功功率、功率因数等，并以数据包的形式向PLC传送数据。
(4) 调制解调器：PLC通过RS485/RS232转换器与MODEM相连、用以远程报警、数据查询。
(5) 常规继电器：包括过电流、过电压保护继电器，过电压、过电流保护可以在程序中实现，常规继电器主要是起到双重保护的作用。
4、 PLC的通信
S7-226有两个RS485通讯口，其中一个与人机界面TP170A通信，另一口以RS485的通信方式和TOP智能仪表通信，并接RS485/RS232转换器与MODEM通信。
4.1与TP170A通信方式（RS485）
通过TP170A的运行电缆连接PLC的RS485口和TP170A的MPI口，以MPI的通信协议通信。由于是西门子的配套产品，所以无需考虑通信协议，TP170A下载完程序后直接上运行电缆即可与PLC通信，但要注意与TP170A相连的RS485通信口要设为MPT通信方式。
4.2与TOPPML3720电力仪表通信方式（RS485）
TOP智能仪表提供RS485的通信方式，但是要遵循其提供的通信口用XMT指令发送读数据命令包，然后开启通信口接受字符中断，接收从TOP仪表发过来的数据包，在PLC程序中对采集到的数据包按照一定的格式进行拆包。
TOP仪表与PLC通信是同MODEM共用一个RS485通信口的，可以自制一介连接头引出3脚和8脚和一根屏蔽线与TOP仪表相连。注意：与TOP仪表通信时，PLC通信口要设定为自由口方式。
4.3与MODEM通信（RS485/232）
MODEM的通信口为RS232口，所以PLC要经过RS485/RS232转换器与MODEM相连，系统原理图中采用PC/PPI电缆，设置PC/PPI电缆为DCE方式，相当于RS485/RS232转换器，一端接RS485口另一端连MODEM。
5、 PLC软件设计
这里只介绍PLC与TOP仪表通信程序
PLC与TOP之间的通信采用RS-485方式，TOP仪表具有特定的通讯协议，所以与TOP仪表通信时，PLC通信口要设定为自由通信口方式。
以下简要介绍S7-200系列与自由口功能有关的寄存器SMB2，SMB30。它们主要用于自由口通讯方式的确定及管理。
控制字寄存器SMB30用于存储通讯方式控制字，由用户写入，属于可读写的特殊标志位寄存器。其格式如下：
p p d b b b m m
MM：（通信协议）00 PPI协议（从机）
01 自由口协议
10 PPI协议（主机）
11 保留（缺省为PPI从机）
bbb:（波特率）000-111依次对应用38400 bps～300 bps(波特率)
pp: (校验方式) 00 无校验
01 偶校验
10 无校验
11 奇校验
通讯接收字符缓冲器SMB2用于存放在自由口通讯方式下接收到的当前字符,安是个暂存寄存器,一般应在下一步取走其中的内容。
在S7 226 PLC中，集成了两个RS485数据通讯端口，可使用专用的位通讯协议作波特率高达38.4kbit/s的高速通讯，并可按步调整。
以下为PLC向TOP发送数据报部分程序片段：
LD SM4.5 ∥允许中断
XMT VB260,0 ∥发送读TOP数据命令数据包
R M10.0,2 ∥复位M10.0,M10.1
ATCH TOP数据中断,8 ∥捕捉0口接收字符中断(事件8),并调用中断程序
ENI ∥允许中断
LBL 2
LDN M10.1 ∥没有收完TOP数据136字节,继续收
JMP 2 ∥由LBL和JMP设置软件陷阱直到收完TOP发来的数据包
下面为中断程序片段(接收TOP数据并存储在VB1000～VB1135):
LDN M10.0
MOVD &VB1000,VD84 ∥将VB1000的地址付给接收数据指针
LDB＜＝ SMB2,16#FF ∥收到TOP数据的数据头,
AB= SMB2,16#27 才开始接受数据
S M10.0
LD M10.0
MOVB SMB2,*VD84 ∥将接收缓冲区收到的数据送给数据指针
INCD VD84 ∥数据区数据指针下移,准备接收下一数据
INCB VB980 ∥计算机收到的TOP数据字节数
LDB= VB980,136 ∥收完TOP数据136字节,
S M10.0,1 置M10.1
6、 结论与展望
本文阐述了使用STMENS S7-226 PLC为核心开发一种小水电无人值班系统的思路，该系统已在浙江湖塘电站通过了调试，运行状况良好。在调试过程中发现现在小水轮机组都是采用鼠笼式异步电机进行调速，转速不易作到精确控制，需要对执行机构进行改造，加拿大Powerbasew公司生产的无人值班系统也是配备其公司专用的线形执行机构。本系统的优越性体现在简明的分布式结构、性价比高、安全可靠，具有较好的应用前景。