西门子6ES7516-2PN00-0AB0安装调试
1 引言
特高压变压器在国家输电网络里如果因为故障而造成变压器停运对整个电网的运行是破坏性的，因此对特高压变压器工作的可靠性要求很高。特高压变压器而运行温度过高是造成变压器故障的主要原因。变压器运行温度超过额定工作温度6℃，变压器的寿命就会缩短一半，再升高6℃，变压器的寿命将缩短至设计寿命的四分之一。当冷却控制柜因故障停止运行时，强迫油循环风冷变压器在一小时内必需退出电网并停止运行，自然油循环风冷变压器则要降至额定负荷一半以下运行，这也同样影响了供电，所以变压器的冷却系统可靠性对电网安全运行特别重要。
以往的继电器方式的冷却装置是根据变压器的运行温度设一个上限和一个下限，一旦达到上限温度时风机由时间继电器控制各组风机顺序全部投入，温度低于下限全部同时退出运行，这样的控制方式造成变压器工作时温度变化过大，且风机要么全部投入，要么全部退出，启停时电压波动大，机械运转部分冲击大，带油泵的冷却系统直接启动油泵时，油流启动冲击力大，对变压器的结构稳定可靠有一定的影响，长期使用将影响整个冷却系统的稳定性，这种粗放型的温度控制系统已经不能很好满足特高压变压器的长期工作要求。
2 kzcq冷控系统设计
2.1 自动化技术平台评估
变电站和电厂工作环境恶劣，变压器冷却控制柜运行在户外，工作环境温度差大，电磁干扰大，产品长时间无人看管，但使用西门子产品较其他品牌产品运行稳定。
由于西门子的人机界面tp270具有组态方便，可靠性高，画面图形丰富，可以制作各种控制画面，同时工作环境温度可以达到-20℃到55℃，工作环境湿度可以高达85%，这是其它同类很多产品不能比拟的，可以满足室外相对恶劣环境的要求。我们制作一个画面，可以显示各个冷却器组的运行状态，运行功率百分比；通过触摸画面可以随时启动或者停止某一组风机运行；可以显示变压器各个测温点的实时温度数据，变压器巡视人员不再需要爬上变压器去抄录；通过调用数据报表，可以知道各个冷却器组的运行时间统计、故障时间统计、各个部位的温度统计。我们调查发现，西门子plc是市场占有率的品牌，社会认知程度很高，同时安全可靠性很能得到保证，综合使用性和价位，我们认为s7200系列可以很好满足我们的技术要求。通过plc可以采集各个温度、电流传感器的数据；结合温度、电流传感器数据，通过运用plc的pid调节功能，可以很好控制各个冷却器组的运行速度；通过变频器的电流数据可以知道各个冷却器组实际运行状态，如果发现某组冷却器已经发出启动信号，而对应变频器没有电流输出，那么可以判定冷却器出现故障，可以发出报警信号。s7200编程软件的交叉引用、符号表、状态表、数据块、程序块、强制功能、调试功能等工具，对于调试特别方便，程序执行中可视化。有利于测试程序，查出问题，纠正错误，极大地提高了工作效率。西门子的技术支持非常到位，给每一位咨询产品技术问题的用户都建立档案，并由具有丰富知识的专人负责接口，使用户感到特别放心。另外在使用西门子plc编程软件和触摸屏组态软件时，感觉里面的帮助菜单特别实用，基本上把使用手册都集成在帮助菜单，每次在使用时相当于请了一个专家在指导。
2.2 自动化方案设计
本方案是采用s7200系列cpu226做为主控制，同时增加两个模拟量输入模块采集温度传感器数据和变频器电流信号反馈，增加两个模拟量输出模块用来控制变频器输出频率和电机转速，由于开关量控制点不少，我们增加一个开关量输入输出模块，tp270.10寸屏做为人机界面操作显示面板，通讯是uss协议。终选用西门子硬件配置如附表所示。
(1) 系统构成：系统共有十二个电机，由一台变频器和三个马达保护开关控制三个电机为一组，四个变频器控制四组共十二个电机。通过plc强大的数据采集功能，可以将所有的冷却系统的各种参数汇总处理，同时结合各种温度、电流传感器数据构成十分严谨的顺序程序。为了方便地同系统整合，可靠地控制变压器冷却风机和油泵，选用了m420变频器。西门子的变频器在一直得到市场很多人认可，我们通过plc的模拟量输出±0-10v信号控制变频器的输出功率，通过ai模拟量模块采集变频器反馈的实际电流输出。整个系统为户外安装落地式控制柜，柜壳选用厂家生产的防护等级为ip56的产品，有严格的防尘防水和控温控湿措施，保证了冷却控制柜能在户外恶劣的环境下可靠地工作。整个系统的硬件配置从触摸屏、plc、扩充模块、继电器、电源模块、变频器、断路器、马达开关全部选用西门子系统产品，优异的硬件了系统的工作高可靠性。系统构成如附图所示。
附图 kzcq冷控系统构成
(2) 硬件配置：系统人机界面的选择，选用西门子人机界面tp270组态，特点是面画面尺寸大，显示操作内容丰富，方便实时监控，且因全部采用西门子产品，组成网络通讯方便。 plc是核心部件，西门字s7200系统属于小型plc类别，其功能强大，可靠性高，有很丰富的指令集，操作便捷，通过扩展模块可以控制256个数字量输入输出点和64个模拟量输入输出点，为关键的是其工作温度范围为-20℃到55℃，超过同类产品，所以选择该产品，符合风冷系统室外工作的要求。
2.3 冷控系统原理设计
(1) 风机投入方式可程序控制。plc对主电源和备用电源的运行时间、冷却器和备用冷却运行时间一一进行累计，并进行比较分析。根据程序设定将主备电源、冷却器组的投切定时进行轮换。以使各部位都能得到休整，保证冷却系统长期运行可靠性。
(2) 系统控制自动化。每组冷却器可在其它冷却器故障时自动启动、互为备用，由程序设为工作组的冷却器可根据变压器负荷、温度情况自行控制不同的投运状态，每组冷却器可随变压器的启停而自动启停或手动启停。
(3) 风机运行中速度的不同步性。当反馈的温度值与设定值偏差很大时，每组冷却器的变频将全部投入并在大频率运行。这种情况下为防止产生共振，故要求每组冷却器运行时的速度不能在同一速度。在程序是做出任两台输出频率相同，则其中一台降低频率，直到不一致为止。组变频器输出数据放在vw200中，第二组放在vw202中，第三组放在vw204，第四组放在vw206中。将vw200与vw202作比较如相等则将vw200中的数值减去500。在将vw200 与vw204、vw206作比较，如有相等则将vw200中的数值减去500。在将vw202与vw204、vw206作比较，如有相等则将vw202中的数值减去500。在将vw204与vw206做比较，如有相等则将vw204中的数值减去500。这就杜绝了四组输出频率相同问题。
(4) 控制策略设计。变压器工作时升温比较大，需要冷却降低温度。我们采用风冷的方式来控制变压器油的温度，把温度控制在50℃的范围。我们采用pid控制温度的方式。本系统对温度控制精度的反应不是很严格，只使用pi方式就可以了。编辑思路为用pid反指令向导，选择回路号为0，自动生成pid子程序，在主程序中调用子程序。温度传感器反馈回的信号写量化后写入vd620(id0_pv)中，回路增益(di0_gain)vd632中的值可通过触摸屏写入20，积分时间(id0_i_time)vd640中的值可通过触摸屏写入10，微分时间(id0_d_time)设为零，标准化的输出回路(id0_output)vd628。输出值达到大并延续50s，启动第二组冷却器，组工频运行，第二组变频运行。如输出值仍大并延续50s，启动第三组冷却器。、第二组冷却器工频运行，第三组变频运行。输出值达到大并延续50s，启动第四组冷却器。、第二、第三组冷却器工频运行，第四组变频运行。如变频器达到低设定值如15hz并延续50s，则关闭组冷却器。同理依次关闭第二、第三组冷却器。当实际温度低于设定值时四组冷却器逐台停止。下一次启动依次循环。
(5) 逻辑判断冷却器故障。变频器mm420通过uss协议与s7 200控制通讯，将变频器的运行参数如电流、电压、转速、温度等读入plc，并在触摸屏上显示出各个数据。在程序中作比较如有变频启动信号，但输出电流为0，或马达开关因故障跳闸，则plc做出冷却器故障判断，做出报警。
(6) 数据的随时可调整性。运行的各项参数可直接从触摸屏上显示，如变压器当前温度、当前各组冷却器的延时启动时间均能可以触摸屏上设置，设定值、p参数、i参数在触摸屏上均可设置。
(7) 系统结构模块化。整个冷却器柜将各个冷却器组有关的部件组成一个模块，功能齐全且互相独立，实行分组模块式和集散控制方式。
(8) 在检修冷却控制柜时，可以将需检修的模块单独退出检修或将模块整体更换而不影响冷却控制柜的整体运行，从而做到了检修冷却系统而不影响变压器的运行，确保了供电连续性和安全性，改变了传统冷却控制柜在检修时必需将变压器退出电网的被动局面。
(9) 独特的监测与控制组态软件。应用组态软件功能强大、运行稳定、升级方便的特点，通过该软件可将现场控制柜采集的种参数送到远方主控室实时监视所有冷却器的运行情况(包括电压、电流、故障种类等)，运行人员可在远方的主控室简单地点击触摸屏就可以使冷却器控制方式转入手动或自动方式，或直接启动、停止、复位任一组冷却器。
3 现场工程
3.1 现场调试
s7200编程软件也提供了相当完善的调试手段，给冷却控制柜上电，带上负荷，利用梯形图，选择调试菜单下的程序状态监控，用强制变量或强制触点接通断开，可以很直观的看到程序运行情况，以随时发现问题来修正程序。现场测定冷却器全开运行时变压器的降温率和冷却器全停时变压器的升温率，经过过算后实际调整各组冷却器投入的间隔时间，以做到保持变压器在各种负荷都能把温度稳定在佳位置。
3.2 现场运行
此项目产品在衡阳市西渡500kv变电站从2007年8月开始运行，经过1年多来实际跟踪，省超高压局作出以下结论“变压器冷却控制柜运行稳定可靠，各项参数均可以达到指标要求，由于大量采用新技术、新材料使得性能超过以往的冷却控制柜，在无人值守的环境下也能很好的进行远方监视和控制，变压器冷却控制柜的运行可靠，可以满足电力系统对变压器冷却系统监测和控制的要求”，建议大力推广。变电站工作人员也反映，相比以前的继电控制方式，工作状态是用各种信号灯来显示，一旦异常信号需迅速到现场去查看落实，如果经常出现误报信号，容易使人放松警惕，当真的故障信号报来时反而麻痹而造成事故。而采用这种触摸屏操作的plc控制柜，对输入的各种信号采用如延时触发、多重互锁多手段，误报信号基本消除。屏幕显示内容丰富，各种报警信号均可附故障说明、解决办法等，特别是可以随时调阅历史记录，各种运行情况积累、报警种类和次数等，经统计分析可以进行有针对性的事先维护，极大地提高了变压器运行的安全性。
4 结束语
特变电工衡阳天岳电器有限公司针对超高压产品的特点，精心设计开发出由s7200、变频器、触摸屏组成的人机界面全新的kzcq变压器冷却控制柜。kzcq冷却控制柜利用各种温度、电流传感器实时监控变压器油温、绕组温度、变压器负荷、冷却器工作状态等多个数字量、模拟量信号，**测算出变压器温度变化的趋势，再通过变频器对冷却器电机进行调速使变压器的温度稳定在一个佳的范围里，同时还避免了电机频繁启停，更好地保护了电机，降低了油泵启动的油流冲击，延长了电机的使用寿命，保护了变压器的安全，经过安装调试试运行这一系统已能满足特高压变压器运行要求
目前，新建的轧钢生产线自动化程度越来越高，但项目的开发周期与现场调试的时间要求反而越来越短。模拟轧钢系统是解决冶金企业自动化工程要求高和建设速度要求快之间矛盾的有效方法。模拟轧钢提供了一个类似于现场的测试环境，一方面可以缩短总的调试时间，另一方面可以通过模拟轧钢来优化生产工艺参数，以代替试轧，避免轧制损失，节约了轧制原材料；还可以通过模拟轧钢随时检查现场的设备准备状态，减少设备的安全隐患。正因为如此，模拟轧钢的研制与应用被逐渐重视起来。
2 模轧原理和实现
在现代化轧机的计算机控制系统中，在轧线上无钢坯的情况下产生类似于轧钢的实际状态，使轧制线上所有设备正常地按轧制情况运转起来，起时序控制作用的软硬件被称之为模拟轧钢。模拟轧钢程序是通过硬件i/o接口起作用，同样可以完全使用软件方式工作。
2.1 模拟轧钢概念[1]
在现代化热轧生产线上，自动化程度高，轧制节奏快，对产品质量要求亦较高。而在计算机控制系统中具有一个关键性程序，它对全部功能控制程序的运行起到调度作用，这就是跟踪程序。跟踪程序是对轧线上热金属检测器和平辊轧机的压力负荷继电器 (hmd，lr) 状态仿真，进而指示出钢坯在轧线上实际位置和运行状态，从而达到调度的目的。在实际轧制中，hmd和lr的 “on/off”状态改变主要根据轧件的到达和离去的时序而定(除少数hmd误动作之外)。但对于模拟轧钢时，无轧件在轧线上运动，亦要产生hmd和lr的“on/off”的变化，这就是模拟轧钢时的plc依据时序通过硬件接口的作用。首先按实际轧制时的工艺情况和具体的轧制方案，依据模型计算出轧线上各hmd和lr的状态时序，由计算机输出接口将此状态以时序发出去控制实际的hmd和lr二次检测器，再由输入接口采入各检测器状态，则跟踪程序就可像真实轧制时一样正常运行，调度作用同时产生了。关于实际检测器与计算机硬件接线如图1所示。
图1 模拟检测器示意图
2.2 模拟轧钢实现
如若不使用硬件，比如在实验室工作阶段或现场过程接口尚未完备时，则只可使用纯软件方式工作。那就是使用分布式系统数据库中的计算点名代替检测器的点名。此时跟踪将不直接使用计算机输入接口采入的检测器信号，而使用模轧点名和接口采入的进行或运算之后的信号。如图2所示。
图2 模轧逻辑图
图2中是以hmd10检测器为例说明纯软件模轧和实际检测器的并联输入作用。ahmd10表示实际的二次检测器的状态，shmd10表示模拟轧制时的状态输入，同时具有条件模拟轧钢sml。跟踪要使用的信号为hmd10，逻辑代数式为：hmd10=ahmd10+sml·shm -d10
各检测器的模拟状态和时序[2]是按模轧方案事先制定的。制定模轧方案考虑到了实际生产过程中常生产的产品结构和规格，考虑到少数特殊生产工艺情况(例如空过机架等)来制定的。具体实现模轧时，设立模轧方案号schno，还需要与schno相对应的假定钢坯数据号sdano。一旦操作人员在人机接口操作员站(hmi)上输入这两个参数时，模轧程序就调用相应的模轧方案数据，并且分布系统的过程计算机根据sdano对指定的假设数据进行模型设定计算和各种过程参数的计算，并将计算机结果依照模轧时序传送到功能控制计算机。每个模轧方案应具有一个以上的钢坯数据与之对应，其方案本身的多少视具体生产工艺情况而事先制定。
模轧方案确定之后，具体的时序数据(亦是模轧时的方案数据)事先按工艺模型生成和检测器中每一个状态变化时序以组合字方式形成模轧方案数据存入计算机，便于运行时使用。方案数据的组合可以按图3所示的方法来制定，每次状态变化为一个组合字，多个组合字就组成了一个完整的模轧方案。
图3 模轧方案数据组合
图3中：a表示检测器状态，a=1为on，a=0为off；b表示本检测器是否为重要检测器，b=1为重要检测器，b=0为非重要；c备用位，以此表示某些特殊应用中的特殊状态；d为检测器名称代号，可表示检测器的个数为：26=64个；t表示检测器状态变化与上次某检测器状态变化之间的时间间隔，亦即时序，单位为0.1s，大为12.8s。
上述方法的制定可根据实际需要可以灵活组合。在实际运行模轧程序时就是将上述组合字分解开，依据d字段指定的检测器号并按时序t，将a中的on/off状态发出，进而通过计算机接口输出去控制对应的二次检测器，这就是实现模拟轧钢的基本原理和实现方法。
模轧程序设置快慢两种形式的模拟。慢模用于发掘程序和设备故障时使用，快模是模拟实际轧制节奏。在慢模时，时序前进有待于操作员确认，否则将在本检测器处时序停止不前，这是对于重要检测器时起作用的。
3 模轧的应用
一个现代化轧钢生产线具有完整的自动化、**的计算机控制系统，则模拟轧钢功能是不可少的。它的作用已在实践中充分证明，其经济效益十分显著。
莱钢1500mm热连轧生产线中，热卷箱将粗轧轧制后的中间坯弯曲卷绕成卷，然后反向以粗轧出口中间坯尾部为头部，开卷后送往飞剪切头切尾，后进入精轧机组。热卷箱与粗轧机形成连轧连卷，与精轧机组形成连开连轧，实现了无芯卷取。热卷箱在卷取过程将带坯的头尾颠倒，即将带坯的尾部变成头部并把带坯的表面反转过来进入精轧机组，极大改善头尾温差大的状况，有利于下一步轧制的顺利进行。
3.1 带钢跟踪
跟踪的目的是确定轧件在生产线上的实际位置和有关状况，以便在规定的时间启动有关应用程序，完成过程控制的其他功能。热卷箱的跟踪从粗轧输出辊道开始，到飞剪入口辊道为止，采用不同的热金属检测器来检测轧钢过程中带钢的头部和尾部以及带卷是否在热卷箱里，主要由 hmd305，hmd401-hmd405实现。当实际轧件的位置和计算机跟踪的轧件位置产生偏差时，操作人员可以通过hmi终端(pc机)加以校正，这就是跟踪修正。热卷箱热金属检测器的位置如图4所示。
图4 热金属检测器位置示意图
图4中：roughing mill: 粗轧机；entry roll：热卷箱入口辊；cr1～cr3：1#～3#托卷辊；pinch roll：夹送辊；cs：飞剪；desc：除鳞箱；f1: 精轧机1；coilbox(热卷箱)15m hmd305：on表示带钢头部到达热卷箱，off表示接近尾部；coilbox entry (热卷箱入口)hmd401，402：为带卷直径计算和制动发出**的头部及尾部跟踪点；cr1(1号托辊)；hmd403：表示一个带卷在卷取区，也生成了一个跟踪信号，用邻近的hmd信号和带卷直径计算，确定带卷在1号托辊上；cr2～3(2#、3#托辊)hmd404：表示带钢或带卷在开卷区，与邻近的hmd信号相结合，确定带卷的位置；holdback roll(开尾辊) hmd405：表示一个被动移送的带卷在开尾辊处，该hmd必须不检测在开卷的带卷尺寸；pinch roll(夹送辊)hmd406：表示带钢在夹送矫直辊里。
3.2 开关量信号的处理
图5以热卷箱hmd305信号的处理程序为例，说明模轧过程中跟踪的实现。
图5 热卷箱hmd305信号处理程序
正常轧钢时(db11.dbx301.2)，现场检测元件hmd305(i4.0)跟踪检测到轧件后，延时200ms(t30)，hmd305_p置“1”，实现实际轧钢的时序逻辑；模轧状态时，由画面上选择模轧方式(db11.dbx301.2)，并通过一级之间的相互通讯得到精轧模轧状态(db12.dbx151.4)，当hmd401_sim条件满足后，模拟卷取计长(db61.dbd76)大于粗轧末道次轧出理论长度(db12.dbd26)， hmd305_sim条件满足，实现模拟轧钢时的时序逻辑。其中，粗轧末道次轧出理论长度通过一级间通讯，由粗轧传给热卷箱，模拟卷取计长由安装在1#托辊上的编码器算出。