CN105204420B - 抽水蓄能机组运行流程及故障查找培训系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抽水蓄能机组运行流程及故障查找培训系统及方法，其中系统包括：现地控制单元(LCU)、工程师站、操作员站、事件记录仪、模拟仿真器以及故障模拟器。本发明提供的抽水蓄能机组运行流程及故障查找培训系统及方法可以模拟抽水蓄能机组各系统运行信号及故障信号，完整展现机组正常及各故障状态下的运行情况。且控制系统显示画面丰富，可显示机组开、停机运行流程、机组运行信息、报警信息、主要设备动态运行画面等。相关专业人员可通过此系统学习机组控制程序开停机流程，了解开停机过程中各系统运行情况，通过故障模拟可以培养相关专业人员故障查找能力。

Description

抽水蓄能机组运行流程及故障查找培训系统及方法

技术领域

本发明涉及一种抽水蓄能机组运行流程及故障查找培训系统及方法。

背景技术

在电力行业中，抽水蓄能机组工况转换灵活、启停快速，将电网负荷低时的多余电能，转变为电网高峰时期的高价值电能，适于调频、调相，稳定电力系统的周波和电压，提高系统中火电站、风力发电站和核电站等的效率。是目前电力系统最经济可靠、寿命周期最长、容量最大的储能装置，为保障电源端大型火电或核电机组等长期稳定的在最优状态运行提供保障，是电网稳定调节必不可少的手段。为保障抽水蓄能机组稳定运行，培养抽水蓄能机组运行、维护人员也是一项重要的工作。抽水蓄能机组同时具有发电和抽水功能，有20多种发电工况，相比一般发电机组工况更复杂，新员工在学习、熟悉抽水蓄能机组运行流程、各设备运行状态时有一定难度，对于机组运行中的故障查找培训更是存在困难。现在一般采用先理论培训然后现场讲解的方式。在培训过程中不能将理论和现场实际紧密结合，培训效果难以达到预期；若在现场实际运行过程中熟悉设备运行状态，所需时间较长；而且现场故障实际查找的机会较少，很难快速提高故障查找能力。因此有必要发明一套能模拟抽水蓄能机组实际运行情况的系统，让学员能结合现场运行实际来学习抽水蓄能机组运行流程，提升故障查找能力，以便快速、有效的达到培训效果。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种抽水蓄能机组运行流程及故障查找培训系统及方法，为了达到上述目的本发明采用如下技术方案：

一种抽水蓄能机组运行流程及故障查找培训系统，包括：

现地控制单元(LCU)，采用实体可编程逻辑控制器(PLC)以下载、运行机组的控制程序；

工程师站，用以完成应用软件的组态及有关控制系统构成的工作；

操作员站，提供人机操作界面，完成机组控制程序控制，并显示机组控制流程、主要设备运行画面动态、电气回路中各开关动作情况及主要参数变化情况；

事件记录仪，(Eventlog)，记录机组运行过程中各设备动作信号、故障信号，以及发生事件；

模拟仿真器，完成机组各个子控制系统的模拟，机组顺控流程所需反馈信号的模拟，与机组现地控制单元(LCU)的可编程逻辑控制器(PLC)一起构成电厂下位机系统的仿真；

故障模拟器，生成机组各个子控制系统的模拟故障信号，使机组现地控制单元(LCU)的可编程逻辑控制器(PLC)在收到故障信号后按故障模式下的流程运行，并报警或跳机。

优选的，所述可编程逻辑控制器(PLC)采用西门子S7-400PLC，所述西门子S7-400PLC配置有西门子414-5H PN/DP CPU以及西门子PS405电源10A。

优选的，所述西门子S7-400PLC删除原有的硬件组态中的远程I/O站，并在主机架上添加数字输入模块、数字输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及用于数字输入(DI)、数字输出(DO)、模拟量输入(AI)、模拟量输出(AO)映射的数据块。

优选的，所述子控制系统包括机组调速器系统、励磁系统、SFC系统、技术供水系统、球阀系统、尾闸系统。

优选的，所述工程师站通过以太网与所述现地控制单元(LCU)进行通讯，以对PLC程序进行修改和下载；所述操作员站也通过以太网与所述现地控制单元(LCU)进行通讯，以对PLC的程序进行操作及运行画面显示；所述工程师站和所述操作员站与西门子平台进行通讯，以实现所述工程师站向所述操作员站提供操作软件；所述事件记录仪与西门子平台进行通讯，以实现运行信号变化记录。

优选的，所述现地控制单元(LCU)与所述模拟仿真器通过OPC服务器通讯。

一种抽水蓄能机组运行流程及故障查找培训方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、仿真模拟器中的Labview仿真程序开始执行，事件记录仪开始记录控制程序运行信息；

2)向现地控制单元(LCU)的PLC发出停机稳态和启动运行所需的初始状态信号，机组处于满足初始条件状态；

3)、操作员站通过Wincc HMI监控软件发机组控制命令；

4)、PLC收到控制命令后，机组控制程序开始执行；

5)、PLC在控制程序在执行过程中输出DO/AO控制信号；

6)、Labview模拟程序收到PLC输出DO/AO控制信号，运行输出相应DO/AO信号，此信号是各系统运行时发出的信号，也是机组控制程序正常运行所需的信号；

7)、PLC收到Labview模拟程序输出的DO/AO信号，认为PLC发出的控制命令得到有效执行，达到机组控制程序继续执行的条件，机组控制程序顺序执行直到程序流程结束；

8)、HMI画面实时监视机组控制程序运行情况以及主要设备运行状态及参数变化；

9)、程序运行过程中，通过故障模拟软件发出故障信号，PLC接收到故障信号后，控制流程会按故障模式下的流程运行，并报警或跳机，事件记录仪(Eventlog)记录机组运行中的所有信号；

10)、通过HMI画面查看学习抽水蓄能机组运行过程，了解机组运行过程中各设备动作先后顺序及运行过程中各参数变化情况，通过球阀、调速器、尾闸、技术供水泵的动态画面了解机组运行时主要设备的运行情况；

11)、Eventlog信息通过记录各设备的动作状态，动作时间详细展示机组运行流程，当模拟故障信号下机组运行时，学习人员能通过Eventlog和控制程序查找故障点，提升故障查找能力。

优选的，仿真模拟器和PLC通过OPC服务器通讯来实现数据交换，具体如下：

1)配置OPC，在OPC服务器中设置远程访问OPC的通讯配置；

2)测试OPC连接，在配置好的OPC中添加各种类型的变量，然后测试OPC与PLC之间的通讯，直至能正常的读取和写入PLC的值；

3)添加OPC变量，当OPC与PLC之间的通讯测试好之后，OPC里面添加仿真程序所需要的M类型的数据点和DB类型的数据点；

4)测试OPC与仿真的通讯，在Labview模拟程序中创建连接，读取或写入少量的OPC里面的数据点，使之能正常的读取或者写入PLC；

5)读/写OPC中的变量，当Labview模拟程序与OPC的通讯测试成功后，在Labview模拟程序中创建仿真需要的数据点，然后将仿真软件中需要的所有变量与OPC的ITEM一一映射，创建的变量供仿真程序使用。

优选的，还包括以下步骤：

修改PLC的硬件组态，删除冗余的CPU，添加数字输入模块、数字输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块。

优选的，还包括以下步骤：

添加用于模拟仿真之用的数据块，并把程序中的硬件点全部修改成数据块中的点：

DI点的修改，通过程序比对把程序中用到的DI的硬件点的逻辑关系全部修改成数据块点的逻辑关系；

DO点的修改，通过程序比对把程序中用到的DO的硬件点的逻辑关系全部修改成数据块点的逻辑关系；

AI点的修改，通过程序比对把程序中用到的模拟量输入点的全部修改成数据块点；

AO点的修改，通过程序比对把程序中用到的模拟量输出点全部修改成数据库点。

本发明提供的抽水蓄能机组运行流程及故障查找培训系统及方法可以模拟抽水蓄能机组各系统运行信号及故障信号，完整展现机组正常及各故障状态下的运行情况，且控制系统显示画面丰富，可显示机组开、停机运行流程、机组运行信息、主要设备运行画面等，相关专业人员可通过此系统学习机组控制程序开停机流程，了解开停机过程中各系统运行情况，通过故障模拟可以培养相关专业人员故障查找能力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明实施例系统结构示意图；

图2是本发明实施例系统工作原理示意图；

图3是本发明实施例系统工作流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，一种抽水蓄能机组控制程序培训系统，包括：

现地控制单元(LCU)，采用实体可编程逻辑控制器(PLC)以下载、运行机组的控制程序；

工程师站，用以完成应用软件的组态及有关控制系统构成的工作；

操作员站，提供人机操作界面，完成机组控制程序控制。还可显示机组控制流程、主要设备运行画面动态、电气回路中各开关动作情况及主要参数变化情况等。

事件记录仪，(Eventlog)，记录机组运行过程中各设备动作信号、故障信号，以及发生事件。

模拟仿真器，模拟仿真器安装有Labview模拟仿真软件，使用LABVIEW等相应工具对机组控制程序的控制对象进行模拟，用来完成机组各个子控制系统的模拟，机组顺控流程所需反馈信号的模拟，与机组现地控制单元(LCU)的可编程逻辑控制器(PLC)一起构成电厂下位机系统的仿真；

故障模拟器，生成机组各个子控制系统的模拟故障信号，使机组现地控制单元(LCU)的可编程逻辑控制器(PLC)在收到故障信号后按故障模式下的流程运行，并报警或跳机。

如图2所示，通过上述实施例方案，PLC运行机组控制程序。Labview模拟仿真软件模拟真各子系统运行情况向PLC发出机组各系统运行信息；Wicc HMI画面监控机组运行，发出控制命令和监视各系统、机组控制程序运行情况，记录机组运行信息。

本发明的抽水蓄能机组控制程序培训步骤如下：

1)、仿真模拟器中的Labview仿真程序开始执行，事件记录仪开始记录控制程序运行信息。

2)、向现地控制单元(LCU)的PLC发出停机稳态和启动运行所需的初始状态信号，机组处于满足初始条件状态。

3)、操作员站通过Wincc HMI监控软件发机组控制命令。

4)、PLC收到控制命令后，机组控制程序开始执行。

5)、PLC在控制程序在执行过程中输出DO/AO控制信号(相当于Labview输入信号DI/AI)。

6)、Labview模拟程序收到PLC输出DO/AO控制信号(相当于Labview输入信号DI/AI)，仿真程序运行输出相应DO/AO信号(相当于PLC DI/AI信号)，此信号是各系统运行时发出的信号，也是机组控制程序正常运行所需的信号。

7)、PLC收到Labview模拟程序输出的DO/AO信号(相当于PLC DI/AI信号)，认为PLC发出的控制命令得到有效执行，达到机组控制程序继续执行的条件，机组控制程序顺序执行直到程序流程结束。

8)、HMI画面实时监视机组控制程序运行情况以及主要设备运行状态及参数变化；

9)、程序运行过程中，通过故障模拟软件发出故障信号，PLC接收到故障信号后，控制流程会按故障模式下的流程运行，并报警或跳机，事件记录仪(Eventlog)记录机组运行中的所有信号；

10)、通过HMI画面查看学习抽水蓄能机组运行过程，了解机组运行过程中各设备动作先后顺序，通过球阀、调速器、尾闸、技术供水泵的动态画面了解机组运行时主要设备的运行情况；

11)、Eventlog信息通过记录各设备的动作状态，动作时间详细展示机组运行流程，当模拟故障信号下机组运行时，学习人员能通过Eventlog和控制程序查找故障点，提升故障查找能力。

培训平台工作流程如图3所示：

首先运行模拟仿真程序，事件记录仪开始记录机组控制程序运行时各设备运行及报警信息，点击初始化按钮，执行控制程序初始化操作，使控制程序处于停机稳态状态。通过操作员站发启动机组命令(可以是CP工况、P工况、GC工况、G工况或SR工况启动)，PLC收到启动命令控制程序开始运行，运行过程中输出DO/AO控制信号，控制信号经OPC Sever传递给Labview模拟仿真软件作为DI/AI输入信号，模拟仿真软件按输入信号执行模拟程序，输出机组正常运行所需要的运行信号。仿真软件发出的DO/AO信号经OPCSever传递给PLC作为DI/AI输入信号，控制程序按输入信号运行程序。如果不通过故障模拟器设置故障，程序将一直按流程运行直到达到控制命令所下发的工况稳态(如P稳态、PC稳态、G稳态、GC稳态、SR稳态、S稳态)。当程序运行到稳态时，将保持稳态等待下一个启动命令。(注：SR：旋转备用，P：抽水，CP：抽水调相，G：发电，CG：发电调相)

如果通过故障模拟器设置机组运行中的故障，PLC将不能及时接收到仿真程序发出的正确的运行信号，则会产生故障信号，通过操作员站的HMI画面我们可以查看程序在运行过程中是发生了什么故障。如果故障信号不是跳机信号，不影响机组运行，则控制程序会继续执行，若故障信号是跳机信号，则会激活控制程序跳机流程，程序执行直至机组停机，恢复跳机信号后控制程序就能达到停机稳态。

相关专业人员可以通过此平台学习机组各工况运行流程，熟悉各设备在机组运行中的动作情况及状态。通过故障模拟可以让相关专业人员了解机组故障运行状态，还可以通结合件记录(Evntlog)、报警信号及控制程序查找故障点(当培训人员不知道设置的是什么故障时)。提升相关专业人员故障查找能力。

抽水蓄能机组工况转换灵活、启停快速，是电网稳定调节必不可少的手段，合理、优化的机组控制程序是支持蓄能机组实现此功能的核心技术之一。抽水蓄能机组工况复杂，控制环节比较多，借助研制培训平台，可对抽水蓄能机组控制系统中各个信号进行模拟，可模拟机组实际的开机、停机的流程，包括启动发电、BTB启泵、SFC启泵、发电正常停机及跳机、抽水正常停机及跳机的过程，可作为不同厂家类型机组控制系统软硬件升级或者新控制系统优化测试的通用培训开发平台。该培训平台具备检验实际机组启停顺控流程的功能，机组顺控流程对应的模型与实际机组运行情况相似，可模拟出各工况转换的流程。工程师站及操作员站组态人机界面友好，具备实际抽水蓄能机组上位机功能要求。可模拟机组故障信号，模拟机组故障状态下运行情况，有事件记录功能，记录机组运行信息。

作为上述实施例方案的优选方案，本实施例中所述可编程逻辑控制器(PLC)采用西门子S7-400PLC，所述西门子S7-400PLC配置有西门子414-5H PN/DP CPU以及西门子PS405电源10A。

作为上述实施例方案的优选方案，本实施例中所述西门子S7-400PLC删除原有的硬件组态中的远程I/O站，并在主机架上添加数字输入模块、数字输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及用于数字输入(DI)、数字输出(DO)、模拟量输入(AI)、模拟量输出(AO)映射的数据块。

其中，数据块的大小根据程序硬件点的数目来确定：DO点大致有36*8个，DI点大致有86*8个，AI点大致有312个，AO点大致有8个，根据点数做一个硬点的映射程序，此程序方便连接和断开硬件点。当硬件点连接起来的时候就是完整的可以用来控制的程序。当连接断开之后就可以用来测试程序逻辑。

并且，现有的S7程序无法直接实现模拟，主要是程序中直接使用的硬点的DI、DO、AI、AO进行编程。仿真软件无法对硬点进行操作，因此需要对程序进行修改。把程序中的硬件点全部修改成数据块中的点。硬件点修改如下：

DI点的修改，通过程序比对把程序中用到的DI的硬件点的逻辑关系全部修改成数据块点的逻辑关系；

DO点的修改，通过程序比对把程序中用到的DO的硬件点的逻辑关系全部修改成数据块点的逻辑关系；

AI点的修改，通过程序比对把程序中用到的模拟量输入点的全部修改成数据块点。主要是修改其中用的IW的采集点；

AO点的修改，通过程序比对把程序中用到的模拟量输出点全部修改成数据库点，主要是修改QW的输出点。

作为上述实施例方案的优选方案，本实施例中所述子控制系统包括机组调速器系统、励磁系统、SFC系统、技术供水系统、球阀系统、尾闸系统等子控制系统。

作为上述实施例方案的优选方案，本实施例中所述工程师站通过以太网与所述现地控制单元(LCU)进行通讯，以对PLC程序进行修改和下载；所述操作员站也通过以太网与所述现地控制单元(LCU)进行通讯，以对PLC的程序进行操作测试；所述工程师站和所述操作员站用西门子平台进行通讯，以实现所述工程师站向所述操作员站提供操作软件。

如图2所示，作为上述实施例方案的优选方案，本实施例中所述现地控制单元(LCU)与所述模拟仿真器通过OPC服务器通讯，仿真软件读取和写入OPC的值。然后OPC在把数据请求发给PLC或者在从PLC请求数据。然后在把数据传递给仿真软件。

在仿真软件的通讯实施方案如下：

配置OPC：在S7项目中配置OPC的通讯，在OPC服务器中设置远程访问OPC的通讯配置；

测试OPC连接：在配置好的OPC中添加各种类型的变量，在本系统中主要是添加M类型(中间变量)和数据块类型的变量。然后测试OPC与PLC之间的通讯，直至能正常的读取和写入PLC的值；

添加OPC变量：当OPC与PLC之间的通讯测试好之后，我们在OPC里面添加仿真程序所需要的M类型的数据点和DB类型的数据点。此步的工作量比较大需要细心的对照S7程序点；

测试OPC与仿真的通讯：在LabView中创建连接，读取或写入少量的OPC里面的数据点。使之能正常的读取或者写入PLC。此步测试工作需要时间来完成通讯和测试通讯程序的稳定性；

读/写OPC中的变量：当LabView与OPC的通讯测试成功后，在LabView中创建仿真需要的数据点，然后将仿真软件中需要的所有变量与OPC的ITEM一一映射。创建的变量供仿真程序使用。

机组的主控程序就是机组LCU的主程序。在主程序中调用各个子程序，对机组进行控制。在仿真软件中也要进行相应LCU主程序的主程序，然后在调用各个子系统的程序来实现仿真。仿真软件中的主程序的架构主要是调用各子程序。

顺控程序的仿真主要是根据LCU的程序来实现，在LCU中有个显示顺控程序执行步的数据块，仿真软件通过OPC去读取顺控程序执行步的标志，当顺控程序执行到某步程序时，仿真软件模拟当前步的所有条件，以此来达到控制程序顺利运行的目的。

顺控步的仿真主要有：SFC START、BTB START、P->PC、S->SR、SR->G、G->GC、S->L、S->BS、P->G、S->LC、GC->S、PC->S、P->S、PC->P、GC->G、G->SR、SR->S、Shoutdown、fillingcontrol和filling trip。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种抽水蓄能机组运行流程及故障查找培训方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、仿真模拟器中的Labview仿真程序开始执行，事件记录仪开始记录控制程序运行信息；

2)向现地控制单元LCU的PLC发出停机稳态和启动运行所需的初始状态信号，机组处于满足初始条件状态；

3)、操作员站通过Wincc HMI监控软件发机组控制命令；

4)、PLC收到控制命令后，机组控制程序开始执行；

5)、PLC在控制程序在执行过程中输出DO/AO控制信号；

6)、Labview模拟程序收到PLC输出DO/AO控制信号，运行输出相应DO/AO信号，此信号是各系统运行时发出的信号，也是机组控制程序正常运行所需的信号；

7)、PLC收到Labview模拟程序输出的DO/AO信号，认为PLC发出的控制命令得到有效执行，达到机组控制程序继续执行的条件，机组控制程序顺序执行直到程序流程结束；

8)、HMI画面实时监视机组控制程序运行情况以及主要设备运行状态及参数变化；

9)、程序运行过程中，通过故障模拟软件发出故障信号，PLC接收到故障信号后，控制流程会按故障模式下的流程运行，并报警或跳机，事件记录仪Eventlog记录机组运行中的所有信号；

10)、通过HMI画面查看学习抽水蓄能机组运行过程，了解机组运行过程中各设备动作先后顺序及运行过程中各参数变化情况，通过球阀、调速器、尾闸、技术供水泵的动态画面了解机组运行时主要设备的运行情况；

11)、Eventlog信息通过记录各设备的动作状态，动作时间详细展示机组运行流程，当模拟故障信号下机组运行时，学习人员能通过Eventlog和控制程序查找故障点，提升故障查找能力。

2.如权利要求1所述的抽水蓄能机组运行流程及故障查找培训方法，其特征在于：

仿真模拟器和PLC通过OPC服务器通讯来实现数据交换，具体如下：

1)配置OPC，在OPC服务器中设置远程访问OPC的通讯配置；

2)测试OPC连接，在配置好的OPC中添加各种类型的变量，然后测试OPC与PLC之间的通讯，直至能正常的读取和写入PLC的值；

3)添加OPC变量，当OPC与PLC之间的通讯测试好之后，OPC里面添加仿真程序所需要的M类型的数据点和DB类型的数据点；

4)测试OPC与仿真的通讯，在Labview模拟程序中创建连接，读取或写入少量的OPC里面的数据点，使之能正常的读取或者写入PLC；

5)读/写OPC中的变量，当Labview模拟程序与OPC的通讯测试成功后，在Labview模拟程序中创建仿真需要的数据点，然后将仿真软件中需要的所有变量与OPC的ITEM一一映射，创建的变量供仿真程序使用。

3.如权利要求1所述的抽水蓄能机组运行流程及故障查找培训方法，其特征在于还包括以下步骤：

修改PLC的硬件组态，删除冗余的CPU，添加数字输入模块、数字输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块。

4.如权利要求1所述的抽水蓄能机组运行流程及故障查找培训方法，其特征在于还包括以下步骤：

添加用于模拟仿真之用的数据块，并把程序中的硬件点全部修改成数据块中的点：

DI点的修改，通过程序比对把程序中用到的DI的硬件点的逻辑关系全部修改成数据块点的逻辑关系；

DO点的修改，通过程序比对把程序中用到的DO的硬件点的逻辑关系全部修改成数据块点的逻辑关系；

AI点的修改，通过程序比对把程序中用到的模拟量输入点全部修改成数据块点；

AO点的修改，通过程序比对把程序中用到的模拟量输出点全部修改成数据库点。