（北京市南水北调团城湖管理处 北京 100195）
摘要：德国SIEMENS公司生产的SIMATIC S7-400 PLC 装置，它的CPU不仅综合功能强大，而且选择种类较多，同时又具有较快的处理速度和强大的扩展通讯能力，可实现分布式系统控制，具有较好的人机界面、操作方便等优点。本文简要介绍S7-400 PLC设计结构和功能，泵站计算机监控系统结构，以及在南水北调雁栖泵站通过采用双网络和分层分布式冗余控制方式实现计算机监控系统功能做出阐述。
关键词：S7-400; 计算机监控系统；PLC；液压缓闭阀；控制
0引言
泵站计算机监控系统是集监视与控制为一体的自动化系统，主要由现场数据采集和控制执行输出单元、现地控制单元和站控单元等组成。现场数据采集和控制执行单元以传感器和控制执行（电气设备、智能仪表）为载体，现地控制单元以被控设备按单元划分后在现场设立的控制单元，站控单元是在泵站控制室建立的，可实现集中操作、控制和管理的控制单元，从而可实现泵站的“无人值班，少人值守”。
1 S7-400 PLC系统结构
图1. S7-400 PLC结构框图
S7-400 PLC主要由电源单元（PS），中央处理器（CPU），接口模块（IM），信号模块（SM），功能模块（FM)以及通讯模块（CP）等组成。
2 S7-400 PLC技术亮点
S7-400 PLC通过提高运算和通讯功能，提高生产力；通过提高诸如工作存储器、内置装载存储器、FC、FB、DB模块的数量，可以应用广泛；数据块作用统一编号；通过网络通讯技术进行固件升级，硬件和软件维护极为简单等技术亮点。
3 工程应用
（1）工程简介
雁栖泵站是北京市南水北调密云水库调蓄工程的第八梯级泵站，泵站设计流量10m3/s，设置卧式双吸离心泵3台，2用1备，单泵设计流量5m3/s，设计扬程56.2m，该工程主要包括泵站、进水闸、进水池、清污机和管理设施等，泵站进水池为开敞式渠道，长133.63m。 雁栖泵站计算机监控系统采用研华610L工控机，SIEMENS S7-400 PLC、浪潮网络交换机等主要设备，实现对泵站主机组、进线和变配电等设备的运行数据采集、监视、控制和保护等功能。
（2）系统结构
雁栖泵站计算机监控系统主要采用三层分布式结构，即站控单元、现地控制单元和现场数据采集和控制执行输出单元等组成；系统设备主要采用双主控机、双网络、双CPU和双交换机等设备互为冗余控制和通讯组成。
站控单元主要由2台监控主机、1台数据服务器、2台网络交换机和1套语音系统等主要设备组成。各设备通过与交换机连接构成局域网，实现上、下位机数据传输通讯功能，实现在上位机进行监视和控制。
现地控制单元主要由3套机组LCU柜（每台柜内主要包括2台S7-400 CPU和1台HDMI触摸屏）和1套公用LCU柜（每台柜内主要包括2台S7-400 CPU和1台HDMI触摸屏）等设备组成，通过PLC监控系统进行信号指令和数据采集，从而在现地方式实现监视和控制功能。
现场数据采集和控制执行输出单元主要由各类传感器（如压力、振动、摆度、温度等传感器）、仪表（如温度显示仪表和蝶阀开度仪表等）、示流计和各类执行机构等组成，这些仪器反馈的各种数值和信号指令直接或通过中间设备编译传送给PLC，通过PLC的逻辑分析，从而显示在各个可视画面中，实现数据监测功能。
（3）应用体会
1）功能性
监控系统对于各类设备数据的采集和分析；对信号指令的监视和控制均采用PLC装置实施完成。雁栖泵站利用S7-400 PLC的高速指令处理、人机界面友好的监控配置（HMI）、较好的口令保护、CPU的自诊断能力强等超强特性，实现实时监控，从而优质、高效地减少了设备运行故障率。
2）创新点
雁栖泵站计算机监控系统的站控单元和现地控制单元采用分层式冗余控制架构。采用双网络和分层分布式冗余控制方式，这样提高了系统安全可靠性。
在站控单元内，两台监控主机可以在AB两网选择其中一条进行通讯和对设备控制，网络交换机的AB网络也是通过冗余通讯方式，互为备用。即当其中一台监控主机故障或AB网的其中一条网络故障时，可以实现主从监控机和网络交换机网络AB网切换，在站控单元启用备用设备，从而不会因为站控单元某一台主机和网络设备故障，而影响整个系统运行。
现地控制单元内，每台机组控制柜内都有两只CPU，正常运行时，它们一主一备，互为备用。即当一台主CPU出现故障，备用CPU自动检测主CPU运行状态后，立即自动切换为工作状态，从而实现系统安全稳定运行；S7-400 PLC的CPU也可以实现程序传输功能。即当一台CPU出现程序丢失，另外一台CPU可以自动传送程序给程序丢失的CPU，使其实现正常工作；在现地控制单元条件下，通过触摸屏画面菜单控制，也可以实现机组自动控制功能。
3）监控流程的实现
为实现泵组的全流程自动监控，以计算机监控系统完成机组设备数据和信号指令的处理工作，以达到自动监控的目的。泵组的开机过程主要步骤：操作员工作站（或触摸屏）发开机令给公用协调PLC和待开泵组PLC →公用PLC和待开泵组PLC完成泵组各系统开机准备条件判断→公用PLC供水系统投入→待开泵组PLC发送开启泵组冷却水电动阀指令→待开泵组PLC发送开启稀油站投入指令→待开泵组PLC发送开启出口蝶阀打开指令→待开泵组PLC发送开启进口蝶阀打开指令→待开泵组PLC发送高压馈线断路器合闸指令→待开泵组PLC发送高压软启投入指令→待开泵组PLC发送液压缓闭阀开启指令→待开泵组PLC接收缓闭阀打开，软启旁路运行和缓闭阀全开信号→泵组启动成功。
泵组的停机过程主要步骤：操作员工作站（或触摸屏）发停机令给公用协调PLC和待停泵组PLC →停机令给液压缓闭阀→待停泵组PLC接收缓闭阀关至10%→待停泵组PLC发送停高压软启指令→缓闭阀关至8%，软启退出，分泵组高压断路器→待停泵组PLC接收缓闭阀全关信号→关泵组进出口电动蝶阀→待停泵组PLC接收阀全关信号→泵组停机成功。
4 结语
本文对SIMATIC S7-400 PLC及泵站计算机监控系统的结构功能作了简要的介绍，并对其在雁栖泵站监控系统中的功能进行了分析。雁栖泵站计算机监控系统自2015年5月投入运行至今，各数据采集和控制功能均运行稳定，这有效的检验了这种系统模式。雁栖泵站计算机监控系统采用双网络和分层分布式冗余控制方式，将为其它水利工程计算机监控系统的设计提供参考。
参考文献：
[1]赵景波等.西门子S7-300/400系列PLC快速入门手册，化学工业出版社，2012
[2]罗萍，罗志勇，乞兴明，周丽芳.西门子S7-300/400 PLC工程实例详解，人民邮电出版社，2012
[3]宋厚清，于国安.大型泵站调度运行管理系统设计研究，山东水利，2010.4
论文作者:李文明
论文发表刊物:《科技研究》2019年5期
论文发表时间:2019/7/24
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