周同旭，李雅洁，王柏柏，徐德恒，王修礼（国家能源中小水电设备重点实验室，天津300180）



基于WinCC和PLC的水力机械试验台电气控制系统

周同旭，李雅洁，王柏柏，徐德恒，王修礼
（国家能源中小水电设备重点实验室，天津300180）

摘要：采用WinCC通用监控系统、PLC控制技术和Profibus-DP现场总线相结合的控制方案，由PLC实现控制和数据采集功能，由WinCC组态软件实现实时监控、显示设备运行状态、数据查询等功能，完成对设备的远程监控和故障诊断，提高了水力机械试验台电气控制系统的自动化水平，实现高精度参数测量。该系统方案已在国家能源中小水电设备重点实验室得以应用，可操作性强、自动化程度高、系统运行稳定，取得良好效果。

关键词：WinCC；PLC；水力机械试验台；电气控制；实时监控

国家能源中小水电设备重点实验室高精度水力机械试验台的主要功能为：混流式、轴流式和贯流式水轮机模型的能量特性和气蚀特性试验；飞逸特性、力特性和压力脉动试验。其主要参数为：最高试验水头60 m，最大试验流量1.6 m3/s，水轮机模型转轮直径350～500 mm，测功电机功率600 kW，测功电机最高转速2 200 r/min，供水泵功率280kW×2，试验综合系统误差范围为±0.25%。

水力机械试验台是对水轮机模型进行实验研究，高精度测量流量、水头、转速和出力等参数，通过试验，检验水力机械设计方案优劣，确定其模型转轮的性能。最后利用相似原理推广到原型水轮机上，不仅缩短了水轮机转轮的开发周期，同时还节约了其制造成本。

电气控制系统的精度与稳定性直接影响着整个试验台的整体检测精度与运行效率。WinCC集生产自动化和过程自动化于一体，具有高效、稳定、易行的特点，其强大的标准接口提供了OLE，DDE，Active X，OPC服务器和客户机等接口和控件，能很方便与其他应用交换数据，同时WinCC的在线向导组态功能在系统调试过程中大量缩短了开发周期。

1　系统方案

该水力机械试验台由水库、校正池、折向器、称重罐、压力罐、尾水罐、稳压罐、各种管路、供水泵、补水泵、测功电机，模型机组、电动蝶阀和电磁流量计等各种传感器组成，如图1所示。图1中，1为水库，2为小校正池，3为大校正池，4为折向器，5为大流量计，6为小流量计，7为稳流罐，8，9为主泵，10为补水泵，11为水管路，12为压力罐，13为尾水罐，14为模型机，15为测功电机，16为电动蝶阀。

图1　系统示意图Fig.1 System line diagram

电气系统分为两部分：电气传动部分和WinCC组态监控部分，如图2所示。其中电气传动部分由开关设备、变压器、交流变频器、直流调速装置、电机等设备组成，WinCC组态监控部分由2套CPU226 PLC实现设备控制和数据采集。

CPU226是控制系统的核心，通过EM277通讯模块以PROFIBUS总线的方式与上位机WinCC通讯，其中一台CPU负责2套直流调速装置和交流变频器对水泵和测功电机的启停和转速控制，转速通过速度编码器反馈到调速系统，形成速度闭环；另一台CPU负责传感器信号采集、水轮机模型导叶开度控制、电动蝶阀开闭控制、砝码机加减码控制、折向器折向切换控制等任务。

各传感器把采集到的信号以4～20 mA或者0～10 V的电量形式传送到EM235模块上，在PLC中解析，实现上位机WinCC对系统的远程监控。

图2　电气控制系统框图Fig.2 Electrical control system block diagram

2　控制系统的软件设计

本控制系统采用WinCC V7.0和STEP 7作为开发软件，系统界面如图3所示。

图3　监控界面Fig.3 Control system interface

该系统主要由以下几个模块组成：1）电动蝶阀控制模块；2）流量计率定及流量自动控制模块；3）折向器切换模块；4）测功电机和水泵控制模块；5）砝码机控制模块。

2.1电动蝶阀控制模块

电动蝶阀具有全开、全关和任意开度启、停的功能，如图4所示，V0.1受上位机WinCC控制，阀门停止为紧急停止功能，Q0.2和Q0.3控制阀门电动机的正反转，并具有互锁功能，同时电动蝶阀具有全开限位、全关限位和反馈信号的功能，系统可通过反馈信号来判断阀门的状态和故障信息。

图4　电动阀门控制Fig.4　 Electric valve control

在WinCC中通过C脚本为阀门开关按钮添加的单击事件程序：

void Click（char* lpszPictureName，

char* lpszObjectName）//单击事件处理程序

{#pragma option（mbcs）

#define k“阀门1开关”

BOOL t1，t2，t3；int r；

t1=GetTagBit（k）；//获取阀门状态信息

if（t1==0）{

SetTagBit（“阀门1开关”，TRUE）；}

else{

SetTagBit（“阀门1开关”，FALSE）；}

2.2流量计率定及流量自动控制模块

1）在水力机械模型试验中，流量计的率定精度对试验台的测试精度起着决定性的作用。为了提高流量计率定精度，设置了2个校正池，采用体积法标定校正池，使用高精度双向电磁流量计测量流量，流量计输出脉冲数与通过流量计水流的速度成正比，用单位时间内流量计输出的脉冲来计算流量。通过计算机数值分析，便可得出流量与脉冲的关系曲线，经实验验证，流量测量的误差在±0.2%以内。

2）在流量计率定试验的过程中，对系统流量的平稳性要求很高，在水泵转速不变的情况下，水流不断注入率定池内约200 m3，率定时间（100~ 200 s）内，水库水位逐渐下降约1.1 m，造成水泵吸入压力不断下降，流量会逐渐变小。因此采用流量控制程序，系统通过检测流量大小反馈来自动调节水泵转速，自动保持恒定的流量。在系统启动时，只需要给流量控制系统输入流量值，而无需人为调节水泵转速。如图5所示，VD964是上位机WinCC给定的流量值，VW976是流量计反馈的流量值，通过系统的PID调节，输出水泵的转速AQW0。在实际率定试验中，稳流精度在±0.01 m³/s。

图5　流量控制Fig.5 Flow control

2.3折向器切换模块

在流量率定试验中，折向器是切换大校正池和小较正池水路的设备，采用气动切换方式，保证了切换的快速性，同时，折向器安装有高精度激光传感器，当折向器在2个校正池中间位置时，触发激光传感器，传感器将信号同时传送至测试系统和控制系统，作为试验计时的起始和终止，也作为控制系统的开关量，控制折向器的气动阀。

在流量率定试验过程中，流量是自动控制的，因此，在校正池体积一定的情况下，通过控制折向器动作时间即可得到所需的水位高度，同时定时转向功能设有密码保护，防止了误操作，保证了系统的安全性。在上位机WinCC中，通过添加全局C脚本和计时器，在脚本中编写折向器控制程序代码。

if（lock==1&& key==1&&middle==1）

{if（timer>=0）

{timer=timer-0.25；

SetTagFloat（“time”，timer）；}

if（timer<=0）

{SetTagFloat（“time”，0）；

SetTagBit（“折向器大池”，TRUE）；

SetTagBit（“折向器小池”，FALSE）；

SetTagBit（“折向器计时器启动”，FALSE）；}}

通过该模块控制，使得折向器切换时间控制在10 ms以内，对整个校正池蓄水过程的体积增量的影响微乎其微，保证了流量计率定的精度。

2.4测功电机和水泵电机控制模块

试验台装有2台双吸离心泵为系统供水，分别由2台280 kW直流电动机拖动。水泵机组可以在100～1 000 r/min内无级调速，为系统供水，稳速精度为±0.1%。当实验台水轮机模型作发电工况试验时，水泵电机做电动工况运行；当试验台实验转轮做水泵工况试验时，水泵电机做发电工况运行，发出的电能回馈电网。2台水泵可以串、并联运行和单独运行。

测功电机功率为600 kW三相感应异步电动机，采用交流变频调速运行，具有发电和电动2种工况运行，可在100～2 200 r/min内无级调速，稳速精度为±0.1%。在水轮机试验时处于发电工况运行，在水泵试验时做电动工况运行。

WinCC分别为水泵电机直流调速装置和测功电机变频器添加合/分闸、启动/停止和转速调节按钮，通过对话框来给定转速，通过系统的合闸/分闸允许和启停允许信号来解锁合闸/分闸和启停按钮。如果系统出现故障或报警信息，系统会自动按顺序停止设备运行，保证了系统设备的安全。上位机给定转速值后，下位机将数字量转换成模拟量输出到调速装置中，同时，速度编码器将转速信号传送到CPU的高速脉冲接收端口，显示到上位机中。

2.5砝码机控制模块

在效能实验中，力矩传感器担任着测量水轮机出力的任务，它的精度直接影响着实验的最终效果，而砝码机则是来标定力矩传感器的。它由12个20 kg的标准砝码，进步电机，线性电阻，钢带和限位开关组成。具有简单、快速、准确的优点。

上位机WinCC将给定的砝码重量值传送到下位机中，下位机再通过判断线性传感器的位置触发相应的高速脉冲输出口，实现砝码机的启停和自动加载功能，限位开关在装置中起保护作用。

3　实际应用及结论

目前，该控制系统已经在国家能源中小水电设备重点实验室水力机械通用试验台中投入应用，在所完成的能量、飞逸、气蚀等试验中运行稳定。管路中蝶阀的开关位置可以随试验工况的不同通过Wincc界面进行调整，并在Wincc界面有对应水管路工况显示。流量率定时，利用接近传感器高速响应性可以实现折向器动作的快速性和准确性，切换时间短，计时准确；并且创新地使用了PID功能，保证了流量的稳定。试验运行中系统工况及2台水泵的单、双台运行的选择则是由上位机Wincc对其远程操控。2台水泵电机由2台直流调速器分别控制，实际转速由编码器获取。测功电机的速度由变频调速器直接控制，既可本地操作也可远程操控，同时兼备输出功率的测量。上述模块在精度与速度控制上完全满足试验要求，试验台综合系统误差±0.25%，达到了IEC水轮机模型试验的相关标准。整个系统自动化控制水平较高，控制界面友好，运行稳定，操作简单，实现了控制过程的可视化和良好的维护性。

参考文献

［1］甄立东.西门子WinCC V7基础与应用［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［2］曹鹍.水轮机原理及水力设计［M］.北京：清华大学出版社，1996.

［3］王云刚，陈文燕.基于MCGS和PLC的水位自动控制系统设计［J］.测控技术，2014，33（2）：96-98.

Hydraulic Mechinery Test Stand Electric Control System Based on WinCC and PLC

ZHOU Tongxu，LI Yajie，WANG Baibai，XU Deheng，WANG Xiuli
（National Energy Key Laboratory of Small and Medium Sized Hydropower Equipment，Tianjin 300180，China）

Abstract:An integrated approach of the WinCC universal monitoring system，PLC control technology and Profibus-DP field bus was presented，the PLC was used to implement the control and data acquisition functions and the WinCC configuration software was used to implement some functions，such as real-time monitoring，display the running state of the equipment and data query to accomplish the task of remote monitoring and fault diagnosis of equipment，improved the automation degree and achieve the high accuracy parameter measurement of the electric control system.The scheme of this system has been used in the national energy key laboratory of small and medium sized hydroelectric equipment，with stable operation，easy to implement and high degree of automation，it achieve a good application effect.

Key words:WinCC；PLC；hydraulic machinery test stand；electric control；real-time monitoring

收稿日期：2015-09-30

作者简介：周同旭（1985-），男，硕士研究生，Email：dongdong993@163.com

中图分类号：TP273

文献标识码：A