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西门子S7-200在备用发电厂中的应用

   日期:2006-10-16     来源:西门子公司    作者:管理员    
   1、引言  

    今天,随着对工业自动化的要求越来越高,以及大量控制设备和过程监控装置之间通信的需要,"监控和数据采集  

    系统"越来越受到用户的重视。在动力系统方面,以柴油发电机组作为应急备用电源的发电厂,在工厂、矿山、高层建筑、医院、邮电、宾馆、银行等许多部门都得到了广泛的应用。为了提高供电质量和供电可靠性,改善操作人员的工作条件,减少维护运行人员,备用发电站迫切要求实现自动化运行和管理。该监控系统由监视主机(包括通信板)和若干现场的从站(SIEMENSS7-200)组成。实现发电机组的数据采集、报警、存储、备份等服务。本文主要介绍下位机S7-200的系统原理。  

    2、系统的总体设计  

    结合生产实际的需要,考虑该发电机组的自动化系统由5大功能部件组成(系统的硬件图如图1所示)。  

    (1)发电机组的自动启动和自动停机;  

    (2)工程市电和机电的自动切换;  

    (3)发电机组电压和频率的自动调节;  

    (4)发电机组故障自动检测,报警和故障处理;  

    (5)发电机组电压、电流、频率、有功功率、启动电池电压等电量参数的自动调节。  

    3、系统组成  

    3.1S7-200系统PLC的特性和特点  

    西门子公司的S7-200系列可编程控制器,性价比高,硬件配置齐全,它的特点与性能如下:  

    (1)机内有高速计数器,可同时输入三路高速脉冲,并可输出频率和脉宽可调的高速脉冲信号。  

    (2)具有21个中断源的中断优先管理,并配有RS485接口,可实现PLC与PC机之间的远程通讯,便于上位机监控和联网。  

    (3)具有结构紧凑、组装灵活、编程简单,抗干扰能力强、可靠性高等特点。  

    由此可见,它非常适用于工业控制中小型自动控制系统。经分析,决定采用S7-200系列可编程控制器作为发电机组自动控制系统的核心部件。  

    3.2PLC配置及I/O的分配和功能  

    经过分析,本系统采用10个开关量输入,10个开关量输出和3个模拟量输入,即可满足系统控制需求,因此-  

    PLC配置如下:  

    CPU214PCPowerSupply,DCInputs,DCOutputs  

    EM231AnalogInput,A13*12Bits  

    I/O的分配和功能如下:  

    开关量输入:  

    IO.0:输入中断(配合脉宽调制使用)  

    IO.1:方式选择(0-远程控制1-自动)  

    IO.2:市电检测(0-无市电1-有市电)  

    IO.3:机电检测(0-无机电1-有机电)  

    IO.4:油压低(0-油压正常1-油压偏低)  

    IO.5:油水温高(0-油水温正常1-油水温偏高)  

    IO.6:高速计数器HSCI(利用高速计数器检测启动电池电压)  

    IO.7:紧急停车(0-非紧急停车状态1-紧急停车状态)  

    IO.0:复位(1-手动复位)  

    (利用高速计数器检测转速)  

    开关量输入:  

    Q0.0:高速脉冲输出(通过控制直流电磁铁调节转速)  

    Q0.1:停机(1-停机电磁阀动作)  

    Q0.2:启动(1-启动马达动作)  

    Q0.3:市电合闸(1-市电主开关动作)  

    Q0.4:机电合闸(1-机电主开关动作)  

    Q0.5:三启失败(1-三启失败信号灯亮)  

    Q0.6:机组故障(1-机组故障信号灯亮)  

    Q0.7警铃(1-警铃响)  

    Q1.0:自动强激磁(1-强激磁继电器动作)  

    Q1.1:冷启动自动辅助(1-冷启动辅助装置电磁阀动作)  

    模拟量输入:  

    AIWO:母线电压  

    AIW2:母线电流  

    AIW4:负载功率 

   4系统实现  

    发电站自动化监控系统由机组自动启停控制,转速自动调节,电量参数自动检测,故障自动检测等功能模块组成。  

    4.1制动启停控制  

    本功能模块是根据各开关量的输入状态,自动控制机组的启动、停止和机电与市电的相互切换。这主要属于顺序控制具有较强的逻辑控制。用S7-200实现简易而可靠。  

    4.2转速调节  

    油机转速调节是通过CPU214中高速脉冲输出脉宽调制(PWM)功能调节可控直流电磁铁控制柴油机油门开度来实现的。用CPU214实现转速调节方法如下:转速信号由安装在柴油机上磁电式传感器获得,CPU214通过高速计数器测量油机转速,测得转速信号送入PID调节器,将调节器输出的数字量转换为脉冲宽度的时间量,再通过CPU214中的脉宽可调的高速脉冲输出(QO,0),经过功率驱动器控制可控制直流电磁铁调节紧油机门开度大小,从而实现对油机转速的调节。  

    本系统属于反馈控制和精确的数字控制,涉及到一些控制算法问题。在CPU214中,方法实现了一种转速控制的PID调节器。PID的模拟表达式:  

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

    在CPU214中,微公和积分采用如下公式:  

    微分运算:[新差值E(n)-旧差值E(n-1)]÷控制周期TC  

    积分运算:[旧差值E(n-1)+新差值E(n)]×控制TO÷2  

    转速-与转速传感器频率关系的计算公式如下:  

    f----转速传感器信号频率  

    n----转速(转/分)  

    z----传感齿轮齿数 

    为更好的实现全程调速我们采用分程PID限幅 

    怠速时间:转速设定值VW108=192 

    最小输出值VW126=180 

    最大输出值VW124=420 

    高速期间:转速设定值VW108=VW212(由模拟电位器设定) 

    最小输出值VW126=420 

    最大输出值VW124=995 

    本系统中:n=1500r/mlnz=128齿 

    这样f>3200Hz,故采用7kHz的高速计数器HSC2测量转速。停机时,将转速设定值和网缓冲器全部置0。输出限制在VW106=5上,以使PWM能够连续工作。同时使Q0.1=1,停机磁阀动作,切断油路达到停机目的。为了使设定值作常稳定。  
 
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