西门子S7-200在备用发电厂的应用

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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(SIEMENS S7-200)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

3.1 S7-200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*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。

3.2 PLC 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:

CPU214 PC Power Supply,DC Inputs,DCOutputs

EM 231 Analog Input,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

zui小输出值 VW126=180

zui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)

zui小输出值 VW126=420

zui大输出值 VW124=995

本系统中:n=1500r/mln z=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。