今天，隨著對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的要求越來(lái)越高，以及大量控制設(shè)備和過(guò)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(lái)越受到用戶的重視。在動(dòng)力系統(tǒng)方面，以柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)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(mén)都得到了廣泛的應(yīng)用。為了提高供電質(zhì)量和供電可靠性，改善操作人員的工作條件，減少維護(hù)運(yùn)行人員，備用發(fā)電站迫切要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行和管理。該監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)視主機(jī)(包括通信板)和若干現(xiàn)場(chǎng)的從站(SIEMENS S7-200)組成。實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、存儲(chǔ)、備份等服務(wù)。本文主要介紹下位機(jī)S7-200的系統(tǒng)原理。
2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際的需要，考慮該發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)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(jī)組的自動(dòng)啟動(dòng)和自動(dòng)停機(jī);
(2) 工程市電和機(jī)電的自動(dòng)切換;
(3) 發(fā)電機(jī)組電壓和頻率的自動(dòng)調(diào)節(jié);
(4) 發(fā)電機(jī)組故障自動(dòng)檢測(cè)，報(bào)警和故障處理;
(5) 發(fā)電機(jī)組電壓、電流、頻率、有功功率、啟動(dòng)電池電壓等電量參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。
3 系統(tǒng)組成
3.1 S7-200系統(tǒng)PLC的特性和特點(diǎn)
西門(mén)子公司的S7-200系列可編程控制器，性價(jià)比高，硬件配置齊全，它的特點(diǎn)與性能如下:
(1)機(jī)內(nèi)有高速計(jì)數(shù)器，可同時(shí)輸入三路高速脈沖，并可輸出頻率和脈寬可調(diào)的高速脈沖信號(hào)。
(2)具有21個(gè)中斷源的中斷優(yōu)先管理，并配有RS485接口，可實(shí)現(xiàn)PLC 與PC機(jī)之間的遠(yuǎn)程通訊，便于上位機(jī)監(jiān)控和聯(lián)網(wǎng)。
(3)具有結(jié)構(gòu)緊湊、組裝靈活、編程簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。
由此可見(jiàn)，它非常適用于工業(yè)控制中小型自動(dòng)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(jī)組自動(dòng)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(guò)分析，本系統(tǒng)采用10個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入，10個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出和3個(gè)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(kāi)關(guān)量輸入:
IO.0:輸入中斷 (配合脈寬調(diào)制使用)
IO.1:方式選擇 (0-遠(yuǎn)程控制 1-自動(dòng))
IO.2:市電檢測(cè) (0-無(wú)市電 1-有市電)
IO.3:機(jī)電檢測(cè) (0-無(wú)機(jī)電 1-有機(jī)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(jì)數(shù)器HSCI (利用高速計(jì)數(shù)器檢測(cè)啟動(dòng)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(fù)位 (1-手動(dòng)復(fù)位)
(利用高速計(jì)數(shù)器檢測(cè)轉(zhuǎn)速)
開(kāi)關(guān)量輸入:
Q0.0:高速脈沖輸出 (通過(guò)控制直流電磁鐵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速)
Q0.1:停機(jī) (1-停機(jī)電磁閥動(dòng)作)
Q0.2:啟動(dòng) (1-啟動(dòng)馬達(dá)動(dòng)作)
Q0.3:市電合閘 (1-市電主開(kāi)關(guān)動(dòng)作)
Q0.4:機(jī)電合閘 (1-機(jī)電主開(kāi)關(guān)動(dòng)作)
Q0.5:三啟失敗 (1-三啟失敗信號(hào)燈亮)
Q0.6:機(jī)組故障 (1-機(jī)組故障信號(hào)燈亮)
Q0.7 警鈴 (1-警鈴響)
Q1.0:自動(dòng)強(qiáng)激磁 (1-強(qiáng)激磁繼電器動(dòng)作)
Q1.1:冷啟動(dòng)自動(dòng)輔助 (1-冷啟動(dòng)輔助裝置電磁閥動(dòng)作)
模擬量輸入:
AIWO:母線電壓
AIW2:母線電流
AIW4:負(fù)載功率
4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
發(fā)電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)由機(jī)組自動(dòng)啟停控制，轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)，電量參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)，故障自動(dòng)檢測(cè)等功能模塊組成。
4.1 制動(dòng)啟?？刂?nbsp;
本功能模塊是根據(jù)各開(kāi)關(guān)量的輸入狀態(tài)，自動(dòng)控制機(jī)組的啟動(dòng)、停止和機(jī)電與市電的相互切換。這主要屬于順序控制具有較強(qiáng)的邏輯控制。用S7-200實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易而可靠。
4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)
油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是通過(guò)CPU214中高速脈沖輸出脈寬調(diào)制(PWM)功能調(diào)節(jié)可控直流電磁鐵控制柴油機(jī)油門(mén)開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用CPU214實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法如下:轉(zhuǎn)速信號(hào)由安裝在柴油機(jī)上磁電式傳感器獲得，CPU214通過(guò)高速計(jì)數(shù)器測(cè)量油機(jī)轉(zhuǎn)速，測(cè)得轉(zhuǎn)速信號(hào)送入PID調(diào)節(jié)器，將調(diào)節(jié)器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度的時(shí)間量，再通過(guò)CPU214中的脈寬可調(diào)的高速脈沖輸出(QO，0)，經(jīng)過(guò)功率驅(qū)動(dòng)器控制可控制直流電磁鐵調(diào)節(jié)緊油機(jī)門(mén)開(kāi)度大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)油機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。
本系統(tǒng)屬于反饋控制和精確的數(shù)字控制，涉及到一些控制算法問(wèn)題。在CPU214中，方法實(shí)現(xiàn)了一種轉(zhuǎn)速控制的PID調(diào)節(jié)器。PID的模擬表達(dá)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(yùn)算:[新差值E(n)-舊差值E(n-1)]÷控制周期TC
積分運(yùn)算:[舊差值E(n-1)+新差值E(n)]×控制TO÷2
轉(zhuǎn)速-與轉(zhuǎn)速傳感器頻率關(guān)系的計(jì)算公式如下:
f----轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)頻率
n----轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)
z----傳感齒輪齒數(shù)
為更好的實(shí)現(xiàn)全程調(diào)速我們采用分程PID限幅
怠速時(shí)間:轉(zhuǎn)速設(shè)定值 VW108=192
最小輸出值 VW126=180
最大輸出值 VW124=420
高速期間:轉(zhuǎn)速設(shè)定值 VW108=VW212(由模擬電位器設(shè)定)
最小輸出值 VW126=420
最大輸出值 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(jì)數(shù)器HSC2測(cè)量轉(zhuǎn)速。停機(jī)時(shí)，將轉(zhuǎn)速設(shè)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(shí)使Q0.1=1，停機(jī)磁閥動(dòng)作，切斷油路達(dá)到停機(jī)目的。為了使設(shè)定值作常穩(wěn)定，這里將模擬電位器(SMB28)中的值經(jīng)數(shù)字濾波后送入轉(zhuǎn)速設(shè)定內(nèi)存單元VW108中。(軟件程序框圖見(jiàn)圖2主程序)
4.3 故障、電量參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)
該功能塊主要完成對(duì)油機(jī)運(yùn)行狀況的監(jiān)視，一旦發(fā)生故障，進(jìn)行報(bào)警和相應(yīng)處理。還完成對(duì)電壓、電流、頻率、功率、啟動(dòng)電池電壓等電量的測(cè)量，同時(shí)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理，為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供數(shù)據(jù)。電壓、電流、功率分別通過(guò)相應(yīng)變送器送至EM213模塊。由于模塊價(jià)格相對(duì)較高，為降低成本，提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比，對(duì)啟動(dòng)電池電壓的測(cè)量，來(lái)采用EM231，而是充分利用CPU214主機(jī)模塊上的帶有3個(gè)高速計(jì)數(shù)器的優(yōu)勢(shì)，使用高速計(jì)數(shù)器HSC1(7kHz)實(shí)現(xiàn)對(duì)軟起動(dòng)電池電壓的測(cè)量。具體方法如下:
每100ms調(diào)用一次中斷程序INT19，讀出高速計(jì)數(shù)器中的值，然后將其置0。(軟件程序框圖見(jiàn)圖2中斷程序)
5 總結(jié)
該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，性能價(jià)格比較高，易于維護(hù)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。
參 考 文 獻(xiàn)
(1)西門(mén)子公司《SIMATIC WINAC 基于PC的控制》，1999
(2)西門(mén)子公司《全數(shù)字直流調(diào)速裝置》，1998
(3)西門(mén)子公司《S7-200可編程控制器》，1998
（摘自DABECO網(wǎng)站）
（轉(zhuǎn)載）
