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西門子可編程S7200在電力方面的應用
1 引言
今天，隨著對工業自動化的要求越來越高，以及大量控制設備和過程監控裝置之間通信的需要，"監控和數據采集系統"越來越受到用戶的重視。在動力系統方面，以柴油發電機組作為應急備用電源的發電廠，在工廠、礦山、高層建筑、醫院、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，備用發電站迫切要求實現自動化運行和管理。該監控系統由監視主機(包括通信板)和若干現場的從站(SIEMENS S7-200)組成。實現發電機組的數據采集、報警、存儲、備份等服務。本文主要介紹下位機S7-200的系統原理。
2 系統的總體設計
結合生產實際的需要，考慮該發電機組的自動化系統由5大功能部件組成(系統的硬件圖如圖1所示)。
(1) 發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) 發電機組電壓和頻率的自動調節;
(4) 發電機組故障自動檢測，報警和故障處理;
(5) 發電機組電壓、電流、頻率、有功功率、啟動電池電壓等電量參數的自動調節。
3 系統組成
3.1 S7-200系統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個中斷源的中斷優先管理，并配有RS485接口，可實現PLC 與PC機之間的遠程通訊，便于上位機監控和聯網。
(3)具有結構緊湊、組裝靈活、編程簡單，抗干擾能力強、可靠性高等特點。
由此可見，它非常適用于工業控制中小型自動控制系統。經分析，決定采用S7-200系列可編程控制器作為發電機組自動控制系統的核心部件。
3.2 PLC 配置及I/O的分配和功能
經過分析，本系統采用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:高速計數器HSCI (利用高速計數器檢測啟動電池電壓)
IO.7:緊急停車 (0-非緊急停車狀態 1-緊急停車狀態)
IO.0:復位 (1-手動復位)
(利用高速計數器檢測轉速)
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 系統實現
發電站自動化監控系統由機組自動啟?？刂?，轉速自動調節，電量參數自動檢測，故障自動檢測等功能模塊組成。
4.1 制動啟?？刂?/p>
本功能模塊是根據各開關量的輸入狀態，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實現簡易而可靠。
4.2 轉速調節
油機轉速調節是通過CPU214中高速脈沖輸出脈寬調制(PWM)功能調節可控直流電磁鐵控制柴油機油門開度來實現的。用CPU214實現轉速調節方法如下:轉速信號由安裝在柴油機上磁電式傳感器獲得，CPU214通過高速計數器測量油機轉速，測得轉速信號送入PID調節器，將調節器輸出的數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)，經過功率驅動器控制可控制直流電磁鐵調節緊油機門開度大小，從而實現對油機轉速的調節。
本系統屬于反饋控制和精確的數字控制，涉及到一些控制算法問題。在CPU214中，方法實現了一種轉速控制的PID調節器。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
為更好的實現全程調速我們采用分程PID限幅
怠速時間:轉速設定值 VW108=192
最小輸出值 VW126=180
最大輸出值 VW124=420
高速期間:轉速設定值 VW108=VW212(由模擬電位器設定)
最小輸出值 VW126=420
最大輸出值 VW124=995
本系統中:n=1500r/mln z=128齒
這樣f>3200Hz，故采用7kHz的高速計數器HSC2測量轉速。停機時，將轉速設定值和網緩沖器全部置0。輸出限制在VW106=5上，以使PWM能夠連續工作。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定。
