西门子S7-200在备用发电厂的应用

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。
3.2 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/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，这里将模拟电位器(SMB28)中的值经数字滤波后送入转速设定内存单元VW108中。(软件程序框图见图2主程序)
4.3 故障、电量参数自动检测
该功能块主要完成对油机运行状况的监视，一旦发生故障，进行报警和相应处理。还完成对电压、电流、频率、功率、启动电池电压等电量的测量，同时进行必要的数据处理，为远程监控提供数据。电压、电流、功率分别通过相应变送器送至EM213模块。由于模块价格相对较高，为降低成本，提高系统的性能价格比，对启动电池电压的测量，来采用EM231，而是充分利用CPU214主机模块上的带有3个高速计数器的优势，使用高速计数器HSC1(7kHz)实现对软起动电池电压的测量。具体方法如下:
每100ms调用一次中断程序INT19，读出高速计数器中的值，然后将其置0。(软件程序框图见图2中断程序)


5 总结


该系统具有结构简单，可靠性高，性能价格比较高，易于维护，经济实用等优点。

参 考 文 献
(1)西门子公司《SIMATIC WINAC 基于PC的控制》，1999
(2)西门子公司《全数字直流调速装置》，1998
(3)西门子公司《S7-200可编程控制器》，1998