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1 引言

今天，隨著對工業(yè)自動化的要求越來越高，以及大量控制設備和過程監(jiān)控裝置之間通信的需要，"監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)"越來越受到用戶的重視。在動力系統(tǒng)方面，以柴油發(fā)電機組作為應急備用電源的發(fā)電廠，在工廠、礦山、高層建筑、醫(yī)院、郵電、賓館、銀行等許多部門都得到了廣泛的應用。為了提高供電質量和供電可靠性，改善操作人員的工作條件，減少維護運行人員，備用發(fā)電站迫切要求實現(xiàn)自動化運行和管理。該監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)視主機(包括通信板)和若干現(xiàn)場的從站(SIEMENS S7-200)組成。實現(xiàn)發(fā)電機組的數(shù)據(jù)采集、報警、存儲、備份等服務。本文主要介紹下位機S7-200的系統(tǒng)原理。

2 系統(tǒng)的總體設計

結合生產(chǎn)實際的需要，考慮該發(fā)電機組的自動化系統(tǒng)由5大功能部件組成(系統(tǒng)的硬件圖如圖1所示)。

(1) 發(fā)電機組的自動啟動和自動停機;

(2) 工程市電和機電的自動切換;

(3) 發(fā)電機組電壓和頻率的自動調節(jié);

(4) 發(fā)電機組故障自動檢測，報警和故障處理;

(5) 發(fā)電機組電壓、電流、頻率、有功功率、啟動電池電壓等電量參數(shù)的自動調節(jié)。

3 系統(tǒng)組成

3.1 S7-200系統(tǒng)PLC的特性和特點

西門子公司的S7-200系列可編程控制器，性價比高，硬件配置齊全，它的特點與性能如下:

(1)機內有高速計數(shù)器，可同時輸入三路高速脈沖，并可輸出頻率和脈寬可調的高速脈沖信號。

(2)具有21個中斷源的中斷優(yōu)先管理，并配有RS485接口，可實現(xiàn)PLC 與PC機之間的遠程通訊，便于上位機監(jiān)控和聯(lián)網(wǎng)。

(3)具有結構緊湊、組裝靈活、編程簡單，抗*力強、可靠性高等特點。

由此可見，它非常適用于工業(yè)控制中小型自動控制系統(tǒng)。經(jīng)分析，決定采用S7-200系列可編程控制器作為發(fā)電機組自動控制系統(tǒng)的核心部件。

3.2 PLC 配置及I/O的分配和功能

經(jīng)過分析，本系統(tǒng)采用10個開關量輸入，10個開關量輸出和3個模擬量輸入，即可滿足系統(tǒng)控制需求，因此-

PLC配置如下:

CPU214 PC Power Supply,DC Inputs,DCOutputs

EM 231 Analog Input,A13*12Bits

I/O的分配和功能如下:

開關量輸入:

IO.0:輸入中斷 (配合脈寬調制使用)

IO.1:方式選擇 (0-遠程控制 1-自動)

IO.2:市電檢測 (0-無市電 1-有市電)

IO.3:機電檢測 (0-無機電 1-有機電)

IO.4:油壓低 (0-油壓正常 1-油壓偏低)

IO.5:油水溫高 (0-油水溫正常 1-油水溫偏高)

IO.6:高速計數(shù)器HSCI (利用高速計數(shù)器檢測啟動電池電壓)

IO.7:緊急停車 (0-非緊急停車狀態(tài) 1-緊急停車狀態(tài))

IO.0:復位 (1-手動復位)

(利用高速計數(shù)器檢測轉速)

開關量輸入:

Q0.0:高速脈沖輸出 (通過控制直流電磁鐵調節(jié)轉速)

Q0.1:停機 (1-停機電磁閥動作)

Q0.2:啟動 (1-啟動馬達動作)

Q0.3:市電合閘 (1-市電主開關動作)

Q0.4:機電合閘 (1-機電主開關動作)

Q0.5:三啟失敗 (1-三啟失敗信號燈亮)

Q0.6:機組故障 (1-機組故障信號燈亮)

Q0.7 警鈴 (1-警鈴響)

Q1.0:自動強激磁 (1-強激磁繼電器動作)

Q1.1:冷啟動自動輔助 (1-冷啟動輔助裝置電磁閥動作)

模擬量輸入:

AIWO:母線電壓

AIW2:母線電流

AIW4:負載功率

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

發(fā)電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)由機組自動啟停控制，轉速自動調節(jié)，電量參數(shù)自動檢測，故障自動檢測等功能模塊組成。

4.1 制動啟?？刂?/P>

本功能模塊是根據(jù)各開關量的輸入狀態(tài)，自動控制機組的啟動、停止和機電與市電的相互切換。這主要屬于順序控制具有較強的邏輯控制。用S7-200實現(xiàn)簡易而可靠。

4.2 轉速調節(jié)

油機轉速調節(jié)是通過CPU214中高速脈沖輸出脈寬調制(PWM)功能調節(jié)可控直流電磁鐵控制柴油機油門開度來實現(xiàn)的。用CPU214實現(xiàn)轉速調節(jié)方法如下:轉速信號由安裝在柴油機上磁電式傳感器獲得，CPU214通過高速計數(shù)器測量油機轉速，測得轉速信號送入PID調節(jié)器，將調節(jié)器輸出的數(shù)字量轉換為脈沖寬度的時間量，再通過CPU214中的脈寬可調的高速脈沖輸出(QO，0)，經(jīng)過功率驅動器控制可控制直流電磁鐵調節(jié)緊油機門開度大小，從而實現(xiàn)對油機轉速的調節(jié)。

本系統(tǒng)屬于反饋控制和的數(shù)字控制，涉及到一些控制算法問題。在CPU214中，方法實現(xiàn)了一種轉速控制的PID調節(jié)器。PID的模擬表達式:

M(t)=KC(1+1/Ti*fe(t)dt+Td*de(t)/de(t))

在CPU214中，微公和積分采用如下公式:

微分運算:[新差值E(n)-舊差值E(n-1)]÷控制周期TC

積分運算:[舊差值E(n-1)+新差值E(n)]×控制TO÷2

轉速-與轉速傳感器頻率關系的計算公式如下:

f----轉速傳感器信號頻率

n----轉速(轉/分)

z----傳感齒輪齒數(shù)

為更好的實現(xiàn)全程調速我們采用分程PID限幅

怠速時間:轉速設定值 VW108=192

zui小輸出值 VW126=180

zui大輸出值 VW124=420

高速期間:轉速設定值 VW108=VW212(由模擬電位器設定)

zui小輸出值 VW126=420

zui大輸出值 VW124=995

本系統(tǒng)中:n=1500r/mln z=128齒

這樣f>3200Hz，故采用7kHz的高速計數(shù)器HSC2測量轉速。停機時，將轉速設定值和網(wǎng)緩沖器全部置0。輸出限制在VW106=5上，以使PWM能夠連續(xù)工作。同時使Q0.1=1，停機磁閥動作，切斷油路達到停機目的。為了使設定值作常穩(wěn)定。