直流发电机组并联运行控制系统人机界面设计

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摘要：针对以工控机为上位机、以PLC为系统控制器的直流发电机组并联运行控制系统，为实现人机对话及远程监控，采用WinCC组态软件设计了相应的人机界面。阐述了上位机与PLC之间的通迅方式，重点研究了人机界面的具体设计方法，并结合控制系统对其进行了现场调试。结果表明：该人机界面能实现系统的各项控制要求，具有界面友好、操作方便等特点。

关键词：直流发电机组；并联运行控制系统；人机界面

引言

人机界面是为解决操作者与控制系统之间的交互问题而产生的[1]。对于一个控制系统来说，往往需要操作者给其设置相关控制参数或发出相应的控制指令以确保其按预定要求运行，同时操作者也需及时了解控制系统的相关运行参数及状态以确定其是否运行正常，这种人机交互问题通过在工控机上设计出友好的人机界面可得到很好的解决。本控制系统以西门子S7-300 PLC为系统控制器，以工控机作为上位机，采用WinCC组态软件设计相应的人机界面，来实现对多台大型直流发电机组的并联运行控制，达到了预期的控制效果，各项指标满足技术要求。

1.系统结构及基本工作原理

本控制系统针对两套直流发电机组进行并联运行控制，其系统结构如图1所示。该系统由工控机、S7-300 PLC、西门子全数字直流调速装置（1CUD～6CUD）、1号直流发电机组（GA1、G1和GB1）和2号直流发电机组（GA2、G2和GB2）组成。其中直流发电机GA1、GB1和同步机G1同轴相连，GA2、GB2和G2同轴相连，由同步机带动直流发电机发电，给负载提供所需的直流电源。图中全数字直流调速装置用于给直流发电机和同步机提供励磁电源，通过调节励磁来调节发电机的输出电压和同步机的运行状态，该系统可实现发电机组的单机运行、双机并联、双机并联再串联、三机并联及四机并联等运行工况。其基本工作原理是：PLC通过接收工控机发出的控制指令及发电机输出电压设定值，同时通过采集发电机的实际输出电压，其偏差经相关运算处理后给全数字直流调速装置输出相应的控制信号，再由该装置输出相应的励磁电流以调节发电机的输出电压，使其与设定值基本保持一致。如果发电机处于并联运行状态，则PLC通过采集各并联发电机的输出电流并与其相应的平均值相比较，通过调节励磁来调节各发电机的实际输出电流，使其与相应的平均值基本保持一致，从而达到均流控制的目的。

本控制系统中，PLC将采集各直流发电机的励磁电流、励磁电压、电枢电流、电枢电压以及各同步机的励磁电流、三相输入电压、频率、功率因数等参数，并经以太网送至工控机，在工控机上设计出友好的人机界面来对各参数进行实时监测，同时操作人员也可通过该人机界面来设置直流发电机组的运行工况并发出相关控制指令，使系统运行满足预定要求。

2.上位机与PLC之间的通迅设计

在本控制系统中，上位机与PLC之间采用以太网进行通迅。以太网技术因具有价格低廉、性能稳定可靠、通信速率高等特点而深受用户欢迎[2]。

在WinCC组态软件中，选择Tag Management下的SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE，在其TCP/IP目录下建立一个新的连接NewConnection_1，如图2所示。

将NewConnection_1中的IP地址改为PLC中设置的IP地址，用网线将工控机与PLC连接起来，即可实现正常的以太网通迅。3.人机界面设计

本控制系统采用WinCC组态软件设计人机界面[3， 4]。在WinCC组态软件中，进入Graphics Designer设计人机界面，包括工作方式选择界面、机组操作界面以及系统报警界面等。

3.1.工作方式选择界面

该控制系统有五种工作方式，即：单机运行、双机并联运行、双机并联再串联、三并联运行及四并联运行等，据此设计其工作方式选择界面，如图3所示。

该界面中，包括一个静态文本框、一个选项组和一个按钮。选项组包括五种工作方式选择，对应该选项组的value值分别为1、2、4、8、16，对其进行C脚本编程，在WinCC中定义一个“wms”（work-mode-select）变量，其值与value值分别对应。对“设定”按钮进行C脚本编程，根据“wms”的值决定布尔变量“WMS1～WMS5”的取值，布尔变量“WMS1～ WMS5”与PLC程序中的工作方式选择变量“M0.1～M0.5”一一对应，即通过对选项卡和按钮的设定来实现对PLC工作方式进行选择。

3.2.机组操作界面

机组操作界面要求能显示直流发电机和同步机的相关运行参数，同时可实现对输出电压进行设置并对励磁装置进行手动调节等。其界面设计如图4所示。

该界面中，各输出域变量分别与PLC中的数据变量一一对应，PLC采集的数据可及时通过界面显示出来；界面中按钮“A机使能”、“A机启动”等用于对励磁装置进行控制；界面右侧“直流机电枢电压设定”文本框用于设置直流发电机的输出电压设定值，选择设置值并回车确定后，则励磁装置将通过对发电机励磁电流的自动调节，使其输出电压与设定值达到一致；通过界面右侧的“A机励磁调节”、“B机励磁调节”、“同步机励磁调节”下的+、-按钮可实现对励磁装置进行手动调节，手动调节还可通过“粗调”、“细调”按钮进行粗、细调设定。

3.3.报警界面

报警界面用于当系统出现故障时，准确显示故障位置，以便维修人员对系统故障进行及时处理，其界面设计如图5所示。

该界面中，对每台电机（包括直流机和同步机）的运行状态和故障状态都可给予实时显示，包括对应全数字直流调速装置的“故障综合报警”、“熔断器熔断”、“开关保护断开”、“正常运行”、“断路器状态”、“本机/遥控”状态等。系统未启动时，各状态信号均为黄色；系统正常运行时，各状态信号为绿色；而当系统发生故障时，相应的状态信号变为红色，同时“保护声光报警”也变为红色。通过该界面可方便对系统运行状态进行监测。

4.结论

针对基于PLC控制的直流发电机组并联运行控制系统，为实现对其进行远程监控的控制要求，在上位机采用WinCC组态软件设计了友好的人机界面，通过该界面不仅能实现对发电机组进行远程控制与参数设置，还能实时显示发电机组的各种运行数据与运行状态，现场调试结果表明：该人机界面具有界面简洁明快、操作方便等特点。

参考文献：

[1] 高小红， 裴忠诚. 人机界面的发展历程[J]. 水利电力机械， 2006， 28（2）：64-70.

[2] 陈怀宇， 林卫中. 基于S7工业以太网OPC通讯的实现[J]. 有色金属加工， 2005， 34（4）：56-57.

[3] 殷永华，杨明. 基于WinCC的模块化生产系统监控程序设计[J]. 淮阴工学院学报，2012， 21（5）： 30-33

[4] 付永领，张 凯，刘和松. 基于WinCC和S7-300 PLC的单晶硅提拉生长控制系统[J].制造业自动化，2009， 31（8）： 67-71