Application of HMI in PLC Temperature Control System of Dry Tran sformer

WANGLan, LI Chuanxin, ZHAO Houxin

(Shandong University, Jinan 250061, China)

　　Key words: HMI(humanity and machine interface); dry?type transformer; temperature control system; ProTool

1.1系統組成
　　干式變壓器的溫控系統主要由5部分組成：傳感器、A/D模塊、PLC主機、輸入輸出模塊及人機界面等，系統結構原理圖如圖1所示。在控制部分，選用SIEMENS的S7-300 PLC對采樣信號進行快速、可靠的處理，組態軟件為SIMATIC STEP 7；選用SIEMENS的TP270 6′觸摸式人機界面(HMI)對實時溫度值和各種故障信息進行顯示、記錄，組態軟件為SIMATIC ProTool V6.0。HMI和PLC之間采用MPI(多點)通訊方式，通過對HMI畫面上所設元件屬性和與PLC的數據交換地址的定義，實現HMI上相關元件對應的暫存器對PLC存儲單元的讀寫。
1.2工作原理
　　干式變壓器的安全運行和使用壽命與變壓器運行溫度的高低有著直接的關系，因此對變壓器運行溫度的實時監控十分重要。由傳感器對變壓器鐵心和繞組的溫度進行采樣，所測溫度信號經放大和A/D轉換后送PLC，利用軟件進行數據處理，處理后的數據送HMI進行實時顯示。在HMI上設定風機自動啟/停溫度，PLC根據設定值，可自動啟/停變壓器所配備的冷卻風機，對變壓器進行降溫。必要時還可通過觸摸HMI上按鈕，手動啟停風機。在HMI上設置超溫報警及超溫跳閘溫度限定值。當變壓器繞組溫度過高，超過限定值時，PLC將輸出繞組超溫報警信號和繞組超溫跳閘信號，并在HMI上顯示出具體信息。在HMI上可進行手動消音，手動跳閘操作。記錄各種報警信息及故障發生時的各相溫度值，必要時，可在HMI上輸入時間條件進行查詢，并根據需要隨時進行打印。該系統中的數據采集處理、風機運行和故障報警由PLC和HMI通過編制相應的軟件來完成。

?

　　SIMATIC ProTool是西門子公司推出的組態軟件，該軟件由2部分組成：ProTool/Lite、ProTool或ProTool CS(組態系統)組態軟件和用于過程可視化的運行系統軟件(例如ProTool/Pro RT)。2個系統均可以在Windows98 SE、Windows Millenium、Windows2000和Windows NT 4.0操作系統上運行。該軟件具有報警記錄、報表打印、趨勢曲線等多種功能，并支持除Siemens之外的第三方制造商的通訊協議。本系統在其基礎上進行了畫面設計、通訊組態、報警設置、安全保護設計等一系列應用開發。
2.1畫面設計
　　觸摸屏畫面設計不僅要求能實現所有的控制功能(輸入及顯示參數、存儲紀錄、報警、打印等)，而且要簡單明了，易于操作人員正確的執行操作。考慮系統所需監控的過程變量和實際功能，共組態了8組畫面，下面介紹幾個基本畫面。
　　(1)主畫面
　　設計的監控主畫面如圖2所示。主畫面的中央是溫度的數據顯示。上半部分采用純數字方式對變壓器三相的鐵心溫度及高、低壓繞組溫度進行實時顯示；下半部分采用模擬顯示方式，突出變壓器的最高鐵心溫度和最高繞組溫度。在程序運行時，各溫度值可動態顯示。主畫面的右部為口令輸入域和觸摸操作區，此處各按鈕需輸入不同級別的口令方可進入。主畫面的下部為無需權限的觸摸操作區。操作人員通過觸摸按鈕，可以切換到各監控子畫面，進一步掌握系統的工作情況，或進行參數設定與修改。
　　(2)故障記錄
　　每當有報警信號產生，都會在觸摸屏界面上彈出報警消息窗口，同時報警燈閃爍。將報警消息進行歸檔，再創建一畫面組態消息視圖，就可保存并顯示系統運行以來的所有報警消息。提示報警號，報警產生的日期、時間，報警產生的原因，以及是否確認等信息。
　　(3)數據記錄
　　組態事件消息并歸檔，在每次產生報警時，對各相的鐵心溫度和繞組溫度通過歸檔事件消息進行記錄，以便將來查詢。
　　(4)溫度實時趨勢圖
　　實時趨勢圖用于在線顯示較慢而連續的過程變量。顯示時，實時趨勢在每個時間單位(時鐘脈沖)內一次只從PLC讀取一個趨勢值，并添加至操作單元上顯示趨勢。該程序中共組態3組實時趨勢，每組顯示一相的高壓繞組、低壓繞組及鐵心溫度3個變量的曲線，每個變量每10s讀取一次，曲線同時顯示100點。

　　在本畫面中，操作員可以對風機的自動啟/停溫度，繞組超溫報警溫度和繞組超溫跳閘溫度進行設定，調整。進入該畫面后，若軟鍵盤10s內無動作，系統將自動返回主畫面。
2.2安全保護設計
　　ProTool允許用戶使用口令來阻止其他未授權人員使用控件，從而增加系統的安全性。ProTool提供的口令級別從0到9。口令級0不需輸入口令；口令級1至8，根據功能的重要性進行分配；如用戶分配到口令級4，則可執行口令級0到4的功能。口令級9僅授權于系統管理員。針對安全管理和操作的需要，該系統中定義了系統管理員級即9級和操作員1級兩級口令。對參數設定和手動跳閘功能需使用系統管理員級口令，其他操作，如消音、手動啟/停風機、查看歷史記錄等，也要先輸入口令進行登陸。輸入口令，觸摸“登陸”按鈕，再觸摸其他功能按鈕，便可進入等于或低于該口令級別的子畫面。子畫面操作完畢返回主畫面后，觸摸“退出”按鈕，則口令失效，再次進入子畫面需重新輸入口令。若沒有觸摸“退出”按鈕，系統將在1min后自動撤銷口令。
2.3人機界面與PLC之間的通訊
　　西門子人機界面與PLC之間的通訊方式有3種：PPI(點到點)通訊方式，MPI(多點)通訊方式和PROFIBUS?DP通訊方式。該溫控系統中采用MPI(多點)通訊方式。
　　S7-300 PLC上有一標準化的MPI接口，它既是編程接口，又是數據通訊接口，使用S7協議(主要用于較近距離的數據通訊)。由于MPI接口是RS485結構，PLC與人機界面之間通過RS485線相連，其傳輸速率為187.5k波特率。一個MPI網可以有多個網絡節點，其地址是在S7-300硬件組態中設置的。該系統中人機界面的MPI地址為“1”；CPU的MPI地址為“2”。
　　人機界面與過程之間通過PLC利用變量進行通訊。通常在PLC和操作單元之間交換的數據為過程數據。為此在組態中創建指向PLC上某個地址的變量。觸摸屏從指定的地址中讀取該數值并顯示它。同樣的，操作員可以在觸摸屏上輸入將被寫入PLC上某個地址的數據。

　　在110kV干式變壓器溫控系統中將PLC和觸摸顯示屏結合在一起，并采用PLC和觸摸屏的相應軟件對各采樣值進行控制、處理，在溫度的實時顯示、數據記錄、報警等方面具有很大的優越性。操作人員不僅能方便的觀察和掌握變壓器的實時運行溫度，還可根據報警消息，快速的排除故障；借助歷史記錄，管理人員還可對重要數據進行分析、查詢，為電力調度、系統規劃等方面提供重要的依據，大大提高運行管理水平。