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火电厂水源地自动监控系统下位机
火电厂水源地自动监控系统（下位机）
摘要
火电厂发电需要大量的水，水源地自动监控系统的设计关系到火电厂能否稳定运行。
设计部分主要包括水源地的供电系统设计和自动监控系统的设计。
首先，水源地采用13台37KW的深井泵供水，通过计算负荷为供电系统选择母线、断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器等电气元件，然后对这些电气元件进行计算校验。
水源地的自动监控系统主要采用了PLC来采集、处理现场的各种数据量（包括电流、电压、温度、流量、液位、压力），并且将现场的数据量通过RS485通讯电缆上传到上位机处。
此外，通过PLC来实现深井泵的起停控制以及报警输出控制；通过变频器技术控制水泵的转速，由上位机给变频器一个设定频率信号，变频器根据所给信号来调节水泵的转速。
关键字：
水源地；供电系统；自动监控；PLC；变频器
1．绪论
1．1上位机与下位机的概述
上位机是指：
人可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。
下位机是直接控制设备获取设备状况的的计算机，一般是PLC/单片机之类的。
上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。
下位机不时读取设备状态数据（一般模拟量），转化成数字信号反馈给上位机。
简言之如此，真实情况千差万别不离其宗。
上下位机都需要编程，都有专门的开发系统。
2.火电厂水源地自动监控系统（下位机）的供电系统设计
2．16KV供电侧变压器与母线的选择计算
在水井泵里，每一台深井泵的功率为37KW，cosΦ=85%，额定电压UN=380V。
根据cosΦ=P/S，得到电机的容量Se=43KVA。
因此选择S9—100/10的变压器，高压6KV，低压0.4KV，容量100KVA。
根据S=
UI（2-5）,得到高压侧电流Ii=9.7A,由于每条6KV母线最大带7个深井泵，所以Imax=9.7*7=67.9A。
参照《发电厂电气》的2-4，2-6附表，选择截面积S=16mm2,IN=85A的三芯交联聚乙烯绝缘电缆，架空布置,θal=90℃。
对6KV母线进行校验：
UN=6kv
UN≥UNS
Ial=K*IN（2-1）
K：
综合修正系数，K=KtK1。
Kt：
环境温度修正系数，K=
（2-2）
K1：
空气中多根电缆并列铺设的修正系数。
Ial=K*IN
θal=90℃，θ=20℃，K=1.04。
Ial=1.04*85=88.4>Imax
△U%=173ImaxL（rcosФ+xsinФ）/UNS（2-4）
Imax—电缆线路最大持续工作电流，A；
L—线路长度，Km；
r,x—电缆单位长度的电阻电抗，查《发电厂电气》符表2-11，x=0.094Ω/km,r=0Ω/km；
cosФ—功率因数；cosФ=0.85
UNS—电缆线路额定电压，V。
△U%=173ImaxL（rcosФ+xsinФ）/UNS（2-4）
△U%=173*67.9*5（0.094*0.527）/6000
△U%=0.48<5%
满足要求。
2．26KV供电侧断路器、隔离开关以及母连断路器的选择计算
6KV断路器选择：
选择【1】SN10-10Ⅰ型断路器，额定电压6KV，额定电流630A，额定短路开断电流16K，额定短路开合电流40KA，额定峰值耐受电流40KA，额定短时耐受电流16KA。
对6KV断路器进行校验：
UN=6KV，UN≥UNS
Ial=K*IN（2-1）
K=
（2-2）
θal=90℃,θ=20℃。
Ial>Imax；
满足条件。
6KV母线侧隔离开关选择：
选择【1】GN5-6型隔离开关，额定电压6KV，额定电流200A，动稳定电流25.5KA，5S热稳定电流10KA。
UN=6KV
UN≥UNS
Ial=K*IN（2-1）
K=
（2-4）
θal=90℃,θ=20℃。
Ial=1.04*200>Imax
满足条件。
6KV母线母连断路器QFd的选择（母连断路器以及隔离开关）：
断路器选择【1】SN10-10Ⅰ型断路器，额定电压6KV，额定电流630A，额定短路开断电流16K，额定短路开合电流40KA，额定峰值耐受电流40KA，额定短时耐受电流16KA。
对6KV断路器进行校验：
UN=6KV，UN≥UNS
Ial=K*IN（2-1）
K=
（2-2）
θal=90℃,θ=20℃
Imax=85*2=170A
Ial=K*IN=1.04*630>Imax
满足要求
QFd隔离开关选择【1】GN5-6型隔离开关，额定电压6KV，额定电流200A，动稳定电流25.5KA，5S热稳定电流10KA。
UN=6KV
UN≥UNS
Ial=K*IN（2-1）
K=
（2-2）
θal=90℃,θ=20℃。
Imax=2*85=170A。
Ial=1.04*200>Imax
满足要求。
2．335KV供电侧变压器与母线的选择计算
35KV双绕组变压器选择：
S=
UI（2-5）
S=1.732*6KV*85A
S=883.32KVA
选择S9-1250/35变压器，容量Se=1250KVA，绕组连接组为Y，d11。
高压35KV，低压6KV。
变压器容量校验：
Kt*Kf*Se（2-6）
Kf:
允许负荷倍数，最小1.04；Kt:
空气修正系数，包头1.05
Kt*Kf*Se（2-6）
=1.05*1.04*1250
=1356KVA
满足要求。
35KV母线选择：
35KV变压器容量1250KVA，根据S=
UI（2-5），I=20.62A。
选择：
交联聚乙烯绝缘电缆，架空布置；电缆截面积S=25mm2，额定电流IN=85A,UN=35KV。
对35KV母线进行校验：
UN=35kv
UN≥UNS
（2）架空线布置，空气修正系数，
K=K1*Kt（2-7）
K=
（2-2）
θal=80℃,θ=20℃.
K1=0.85
K=0.89
Ial=K*IN
Ial=0.89*85
Ial=75.5A>Imax
△U%=173ImaxL（rcosФ+xsinФ）/UNS（2-4）
Imax=20.62A
L=2 km
查《发电厂电气》符表2-11，铝导线，r=1.28Ω/km,x=0Ω/km
△U%=173*20.62*2（1.28*0.85）/35000
△U%=7762.4/35000
△U%=0.22<5%
满足要求。
2．435KV供电侧断路器、隔离开关以及母连断路器的选择计算
35kv侧断路器以及隔离开关的选择：
选择【1】DW6-35型断路器。
额定电流IN=400A；额定开断电流6.6KA；动稳定电流19KA；热稳定电流（4S）6.6KA。
UN=35KV；
UN≥UNS；
Ial=K*IN（2-1）
K=
（2-2）
θal=80℃,θ=20℃；
K=1.04
Ial=1.04*400=417.8>Imax
满足条件。
35KV侧隔离开关选择：
选择【1】GN2-35T型隔离开关。
额定电流400A；额定电压35KV，动稳定电流52KA，4S热稳定电流14KA。
UN=35KV；
UN≥UNS；
Ial=K*IN（2-1）
K:
温度修正系数。
K=
（2-2）
θal=80℃，θ=20℃。
Ial=1.04*400>Imax；
满足条件。
35KV母线母连断路器QFD的选择（母连断路器以及隔离开关）：
母连断路器选择【1】DW6-35型断路器。
额定电流IN=400A；额定开断电流6.6KA；动稳定电流19KA；热稳定电流（4S）6.6KA。
UN=35KV；
UN≥UNS；
Ial=K*IN
K=
（2-2）
θal=80℃,θ=20℃；
K=1.04Imax=85*2=170A
IN=1.04*400>Imax
满足要求。
隔离开关选择【1】GN2-35T型隔离开关。
额定电流400A；额定电压35KV，动稳定电流52KA，4S热稳定电流14KA。
UN=35KV；
UN≥UNS；
Ial=K*IN（2-1）
K=
（2-2）
θal=80℃,θ=20℃；
K=1.04
Ial=1.04*400=417.8
满足要求。
2．56KV电流互感器与35KV电流互感器的选择
6KV电流互感器选择：
选择【3】LA-10型电流互感器,额定电流比为5~200/5A，级次组合0.5/3，准确级次0.5。
对LA-10电流互感器进行校验：
UN≥UNS
K=
（2-2）
θal=80℃,θ=20℃。
6KV/0.4KV变压器高压侧电流：
I=
，I=9.62A。
K=1.04，IN=10A，Ial>Imax
满足要求。
35KV电流互感器的选择：
选择【1】LQZ-35型电流互感器，额定电流比为15~600/5A，级次组合0.5/D，准确级次为0.5D。
对LQZ-35电流互感器进行校验：
UN≥UNS
Ial=K*IN（2-1）
K=
（2-2）
θal=80℃,θ=20℃。
35KV变压器高压侧电流：
S=
UI，I=
，I=20.62A。
K=1.04，IN=20A,Ial>Imax；
满足要求。
2．6380V断路器以及35KV/6KV变压器6KV侧隔离开关选择
380V断路器选择：
选择【13】DZ10-250型断路器，额定电压380V，额定电流100~250A。
35KV/6KV变压器6KV侧隔离开关选择：
选择【13】GN5-6型隔离开关，额定电压6KV，额定电流200A，动稳定电流25.5KA，5S热稳定电流10KA。
UN=6KV
UN≥UNS
Ial=K*IN（2-1）
K=
（2-2）
θal=90℃,θ=20℃。
Ial=1.04*200>Imax
满足条件。
3.火电厂水源地自动监控系统（下位机）的控制部分设计
3.1设计所用传感器介绍
由于水源地自动监控系统需要在监控现场采集众多的数据信号，因此选择了多种传感器，一共有流量、压力、频率、电压、电流、液位五种传感器，分别用来监测现场各种数据，然后将这些数据通过PLC的模拟量输入输出模块送到上位机那里，在监控界面上显示出来。
液位传感器：
选择了北京航天鑫诺传感器测控技术中心的EF8HD-2000型超声波传感器，液位测量范围2～20M，输出信号0～10VDC，用于测量储水池内液位。
超声波液位计的工作原理是由换能器（探头）发出高频超声波脉冲遇到被测介质表面被反射回来，部分反射回波被同一换能器接收，转换成电信号。
超声波脉冲以声波速度传播，从发射到接收到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到被测介质表面的距离成正比。
超声波液位计此距离值S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式表示：
S=
。
压力传感器：
选择西安新敏电子科技有限公司的电容式压力变送器，型号CYB3351GP/6/E22/M1B1C0，输出4～20mA的电流信号，工作电压24VDC，测量范围是0.16～1MPa,工作温度范围-20～88℃【7】。
该传感器由2块极板组成，如图（a），其中极板2为固定的，极板1与被测物体相连，可以上下活动，当极板间的有效面积为S，极板间的介电常数为ξ，初使极板间的间距为d0,初使电容为C0；当极板1在被测物体作用下向固定极板2移动△d时，此时电容为:
C=
=
=C0
则电容的变化量为：
△C=C-C0=C0
-C0
当电容极板活动距离极小时，即△d→0时，C≈C0
这时，电容的变化量△C才近似的和位移成正比，其相对非线性误差为：
δ=
︱
︱×100%
显然，这种单边活动的电容传感器随着测量范围增大，相应的误差也增大，在实际的应用中，为了提高这类传感器的灵敏度、提高测量范围和减小误差，常做成差动式电容器及互感器电桥组合结构。
如图b所示，两边是固定的极板1和2，中间由弹簧片支撑活动极板3，2个固定极板与电源U相连，活动板连接端子和互感器中间抽头端子为传感器的输出端，该输出端输出电压△U随着活动极板运动而变化，若活动极板的初使位置距2个固定极板距离均为d0,则固定极板1和活动极板3之间，固定极板2和活动极板3之间的初使电容相等，若令其为C0，当活动极板3在被测物体作用下向固定极板2移动△d时，则位于中间的活动极板到两侧的固定极板间的距离分别为：
d1=d0-△d；d2=d0﹢△d
则活动极板和2个固定极板构成的电容分别为:
C1=C0（1-
）-1
=C0[1﹢
﹢（
）2﹢（
）3﹢……]
C2=C0（1﹢
）-1
=C0[1-
﹢（
）2-（
）3-……]
当他们做成差动式电容器及互感器电桥组合结构时,其等效电容为:
△C=C1-C2=2C0[
+（
）2+（
）3+……]
虽然电容的变化量仍旧和位移△d成非线性关系,但是消除了级数中的偶次项,使线性得到改善,当
﹤﹤1的时候,略去高次项,得:
△C=2C0
其相对非线性误差为:
δ=︱（
）2︱×100%
其灵敏度提高了1倍。
流量传感器：
选择西按新敏电子科技有限公司生产的LWCB-100型插入式涡轮流量传感器，输出4～20mA，测量范围是3～150m3/h。
温度传感器：
选择了西安新敏电子科技有限公司生产的CHT-WV/A/24/10挂壁式温度传感器，温度测量范围是0～50℃，输出0～10V的电压信号，传感器用24VDC电压供电。
该传感器用铂热电阻作为温度测量部件。
铂热电阻原理图3-3如下:
所谓热电偶，就是将两种材质不同的导体（例如导线）或半导体并在其端点实现物理连接，构成回路。
【16】当回路两端点温度不同（即存在温差）时，回路中就会出现电势并产生电流。
热点偶的输出信号为直流热动势，其幅度不超过几十毫伏，这个信号由接触电动势eAB（t）和温差电动势eAB（t0）两部分组成。
在实际中，温差电动势比接触电动势小的多，因此回路电动势以接触电动势为主。
其代数和不等于0是显然的，即
EAB（t,t0）=eAB（t）+eAB（t0）≠0。
称EAB（t,t0）为热电动势，也就是热电偶的输出电信号。
热电偶感受感受被测温度t的工作端点称为“热端”，而另一端置于环境温度t0下的一侧称为“冷端”，为了得到被测温度t,选定一个参考温度t′（例如t′=0℃），于是，热电偶热电动势就可以写成
EAB（t,t′）=EAB（t,t0）+EAB（t0,t′）
通常写成：
EAB（t,0）=EAB（t,t0）+EAB（t0,0）
电压传感器：
选择了北京森社电子有限公司的CHV-25P/600型电压传感器，电压测量范围是0～600V，输出0～10VDC信号，用于测量水井泵输入电压的大小。
电流传感器：
选择北京世特美测控技术有限公司的SD1T100C4V6型传感器，电流测量范围0～100A，输出0～10VDC。
3．2PLC硬件地址分配以及PLC与变频器的连接
在西门子的PLC模块中，我选用了CPU224/6ES7214-1BD23-0XB0模块，本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
16K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
是具有较强控制能力的控制器。
在实际的设计中，I/O点的分配使用见下表：
表3-1CPU224I/O端子分配图
输入点
作用
输出点
作用
I0.0
手动转换开关
Q0.0
变频器启动
I0.1
自动转换开关
Q0.1
水泵启动
I0.2
KA1
Q0.2
水泵运转指示灯HL1
I0.3
手动启动SB1
Q0.3
故障报警指示灯HL2
I0.4
手动停止SB2
Q0.4
变频器运行指示灯HL3
I0.5
未用
Q0.5
频率上限指示灯
I0.6
未用
Q0.6
频率下限指示灯
I0.7
未用
Q0.7
连接变频器FWD
I1.0
未用
Q1.0
连接变频器BX1
I1.1
未用
Q1.1
未用
I1.2
故障报警K1
无
I1.3
频率上限输入K2
无
I1.4
频率下限输入K3
无
I1.5
未用
无
分配好端子接线地址后，西门子CPU224的硬件接线图如图3-9：
由于CPU224模块只有数字量的输入/输出功能,设计中还需要用到具有模拟量输入/输出功能的西门子S7-200系列EM231-7HC22-0XA0模块,该模块具有3个输入/的功能。
西门子EM231模块具有叫高的分辨率和适中的价格，在工业控制中得到了大量的应用，而且，该模块能够在同一个端口接受电压或电流2种标准信号。
EM231中的A/D转换器送出12位数值，转换数字为-32000～32000，如果为单极性数据，转换数字为0～32000。
当EM231模块对不同的电气接法，对于电压信号，信号的正负端分别接A+和A-，拨动开关SW1和SW3处于ON的位置，其他处于OFF位置；对于电流信号，拨动开关SW1和SW2处于ON位置，其他出于OFF位置。
【11】
由于在现场一共有6种传感器，因此，采用2个EM231模拟量输入模块同时工作，其中，现场的每个信号（包括电压、电流、液位、压力、温度、流量）均由EM231模块变换为现场想对应的实际数据量，然后通过RS485通讯方式传送给上位机。
由于EM231模块不具备模拟量输出的功能，因此，选择了模拟量输出扩展模块EM232,该模块无模拟量输入，有2个模拟量输出点.在现场一共有3个EM232的模块，用来将采集的数据信号传送给上位机。
3．3水井泵主电路图和控制回路图
由于每台变频器只控制一台水井泵，水井泵的接线比较简单【15】。
图中，闭合断路器QF1后，当接触器KM1、KM3闭合，KM2断开时，就可以通过PLC与变频器来监测控制水泵的运转情况，实现自动监控功能；当接触器KM1、KM3断开，KM2闭合时，操作人员在现场检查水泵正常与否，由KM2实现手动检测故障的功能。
因此，水泵控制回路图如下【15】（详图见附图第3页）：
当断路器QF1闭合后，转换开关打到2为手动运行，打到3为自动运行。
当打到自动运行时，中间继电器KA1得电，I0.2得电使接触器KM1得电闭合。
KM1闭合后，变频器得电运行，变频器运行指示等HL3亮，然后接触器KM3得电闭合，使深井泵启动运行，水泵运行指示灯HL1亮。
当打到手动的时候，接触器KM1和KM3都断开，QF1闭合后，工作人员在现场闭合KM2，观察水泵运转的情况正常与否。
当水泵故障时，工作人员切断断路器QF1，切断电源，然后对水泵进行维护。
3.4自动监控系统中程序部分
水泵控制回路设计完毕之后，便依据PLCCPU224的硬件端子分配以及控制工艺进行编程。
模拟量程序编程参考资料【14】
深井泵的控制部分程序如下：
LDI0.1
AI0.2
=Q0.2
=Q0.4//自动运行I0.1得电,变频器启动运行指示灯亮
=Q0.7//Q0.7得电，让变频器FWD得电
LDQ0.0
=Q0.1
LDQ0.0
AQ0.1
AQ0.7
=Q0.2//深井泵启动,深井泵运行指示灯亮
LDI1.2
=Q0.3//变频器故障报警
LDI1.3
=Q0.5//上限频率到达输出
LDI1.4//频率到达上限时，得电闭合
=Q0.6//频率下限到达输出
模拟量程序如下【14】：
*********************************温度*******************************
LDSM0.0//PLC运行时，SM0.0总为1
MOVW0,VW1//清零寄存器VW1
MOVWAIW0,VW1//将温度模拟量放入VW1
LDSM0.0
ITDVW1,VD1//将模拟量转换为实数量
-RVD1,0.0
/RVD1,32000.0
*R80,VD1//得到实际温度值
DTIVD1,AQW0//输出温度值
参考文献：
1．姚春球，发电厂电气部分，中国电力出版社，2006,250-252页,476-477页,486-490页,483页,493页，497-499页.
2．电力工程设计手册，上海人民出版社，30-50页.
3．周治鹏，电气设备安装使用与维修问答，机械工业出版社，2000，45-70页.
4．变频技术，中国劳动社会保障出版社，2004，26-70页.
5．陈立定，吴玉香，苏开才，电器控制与可编程控制器，华南理工大学出版社，2006，155-168页.
6．廖常初，S7300/400PLC应用技术，机械工业出版社，2004，1-6页.
7．刘肠生，钟龙，刘煦，贾静，传感器简明手册及应用电路，西安电子科技大学出版社，2007，35-40页，122-127页.
8．刘然，包兰宇，景志华，电力专业英语，中国电力出版社，2007，28-34页.
9．1003-9171（2006）06-0037-03,宋瑞宏，李日龙，大唐盘山电厂供水自动监控系统的设计及应用，中国期刊全文数据库，2006年6月.
10．1673-7644（2007）04-0335-03，张瑞军，张明勤，秦英林，韩立芳，基于SCADA的火电厂水源地供水自动化系统，中国期刊全文数据库，2007年4月,第22卷第4期.
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