基于PLC的同步發(fā)電遠程測控

黃麒

摘 要：在電力系統(tǒng)的設(shè)備當中，發(fā)電機是其中關(guān)鍵的設(shè)備之一?？煽窟\行發(fā)電機是電力系統(tǒng)發(fā)電的前提。所以工程師應(yīng)該注重監(jiān)測發(fā)電機的狀態(tài)，注重診斷故障。盡量減少事故的發(fā)生，并且延長設(shè)備的使用壽命。對發(fā)電機進行在線監(jiān)測可以及時發(fā)現(xiàn)事故的隱患，對保證發(fā)電機正常運行具有重要意義?；诖耍疚闹饕獜陌l(fā)電機需要測量的各個參數(shù)，包括外部運行溫度方面進行檢測分析，實現(xiàn)基于PLC的同步發(fā)電機遠程測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計。本項目主要實現(xiàn)測量同步發(fā)電機參數(shù)的功能，并把采集的數(shù)據(jù)上傳到PC機，顯示在PC機界面。

關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機；PLC；多功能儀表

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）21-0048-05

1 緒論

基于PLC的測控系統(tǒng)的介紹和現(xiàn)狀：上個世紀的80年代開始，就有人提出了“無人值班”或者說“少人值守”的概念體系。工業(yè)自動化生產(chǎn)進步的同時，對組態(tài)軟件的要求也越來越高，所以應(yīng)對組態(tài)軟件不斷更新。因此，所選遠程的測控系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)有利于工業(yè)自動化系統(tǒng)控制的發(fā)展，并為我國的工業(yè)現(xiàn)代化提供有效可行的方法[1]。在電力系統(tǒng)方面，很多國家會對同步發(fā)電機進行深入的研究就是因為同步發(fā)電機本身擁有獨特的優(yōu)點。小型水電站工程系統(tǒng)的建設(shè)在逐漸完善，那么也就會提高對發(fā)電機的容量以及運行效率有更高的要求，來達到降低工程建設(shè)成本的目的。

2 同步發(fā)電機的測量參數(shù)的選擇

同步發(fā)電機的工作原理：由于主發(fā)電機與從發(fā)電機是相互連接的，所以相互之間具有一定的關(guān)系，通過調(diào)節(jié)主發(fā)電機就可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的各項數(shù)據(jù)。

同步發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)：一般的發(fā)電機主要由以下幾個部分構(gòu)成：用于整流的裝置，以及運行的發(fā)電機，還有就是交流的勵磁機。

測量參數(shù)的選定：基于對同步發(fā)電機的了解以及對同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)的分析，對于測量的參數(shù)，我們選擇的測量參數(shù)有溫度、頻率、有功功率、無功功率、視在功率、勵磁電流、勵磁電壓、定子電流、定子電壓[2]。另外，同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速由頻率計算的得到，可以不用測量。參數(shù)的選定多數(shù)是在網(wǎng)上查閱，然后確定參數(shù)才可以選擇對應(yīng)的測量儀表。

3 PLC的選型分析

3.1 PLC的工作原理、功能特點及規(guī)模編程方式確定

3.1.1 PLC工作原理

PLC開始運行之后，首先是對數(shù)據(jù)進行采樣；然后是程序的執(zhí)行過程；輸出執(zhí)行完畢后，就是下一個周期，這個時候如果之前有新的數(shù)據(jù)現(xiàn)在就可以讀取了。

3.1.2 PLC的主要功能以及特點

PLC的主要功能有：定時控制、記錄周期技術(shù)模塊、邏輯處理功能、PID控制、通訊功能。特點：①能可靠的工作；②I/O的接口模塊豐富：③模塊化的方式；④簡單的編程方法；⑤安裝簡單，維修方便。

3.1.3 PLC的控制系統(tǒng)

工業(yè)系統(tǒng)中比較常見的有單機的控制系統(tǒng)、集中的控制系統(tǒng)、分散控制系統(tǒng)。

規(guī)模編程方式確定：PLC有很多個生產(chǎn)廠家，在應(yīng)對客戶需求方面，每個公司都會根據(jù)用戶的不同需求，設(shè)計出可以應(yīng)對不同狀況的PLC。所包括的原理主要有規(guī)模、編程的方式、網(wǎng)絡(luò)通信功能的確定、專用模塊選用、冗余問題、工作環(huán)境、售后服務(wù)、技術(shù)支持。

3.2 西門子S7-200的CPU選型

選擇CPU226 CN AC/DC/RLY的型號，電源為24V，本機數(shù)字輸入量為24輸入，本機數(shù)字量的輸出為16輸出，允許最大的擴展為64（32輸入、32輸出））允許最大的智能模塊有7個模塊，用CAD畫出CPU226圖片。

3.3 西門子擴展模EM231 CN

EM231 CN主要是用來處理溫度信號，這樣的方式簡單，高效，EM 231測量溫度的方式有兩線制、三線制、四線制，多數(shù)情況下選擇三線制，相對比較穩(wěn)定，而且有相關(guān)的資料可以借鑒，網(wǎng)上可以搜索到EM 231溫度控制模塊的接線如圖1所示，用于采集模擬量，也就是溫度的模塊?；蛘卟捎昧酥悄軠囟葍x表用于測量溫度。

4 測量控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計

4.1 總體技術(shù)要求

本設(shè)計利用電動機（變頻器驅(qū)動）拖動發(fā)電機發(fā)電，需要測量發(fā)電機側(cè)的測量P、Q、S、U、I、f，測得數(shù)據(jù)需要處理并傳送至上位機，上位機進行數(shù)據(jù)顯示及存儲；測量P、Q、S、f以及需要測量的定子電流、定子電壓都利用多功能智能儀表測量；需要測量的勵磁電流、勵磁電壓利用電流傳感器、電壓傳感器測量，需要測量PT100溫度選擇溫度測量儀表測量。

4.2 測試系統(tǒng)方案

總體的設(shè)計遵循“安全、可靠、性價比高、維護簡便”的原則，測量系統(tǒng)采用控制部分主要是工業(yè)計算機，下位機由PLC組成，對系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的采集，上位機與下位機相結(jié)合組成測量控制系統(tǒng)。如圖2所示。

4.3 系統(tǒng)測量參數(shù)的硬件選型及設(shè)計

定子電流、定子電壓分別選用電流傳感器、電壓傳感器進行測量；溫度采用PT100的溫度測量儀器儀表來測量；S、P、Q、f、勵磁電流、勵磁電壓均采用多功能儀表測量。可以直接顯示出來。見表1。

4.3.1 多功能儀表

（1）概述。我們測量的精度為0.5級，依靠RS485數(shù)據(jù)線傳輸實現(xiàn)現(xiàn)場的顯示，或通訊功能，多功能儀表采用MODBUS-RTU通訊協(xié)議。

（2）編程以及使用。

參數(shù)設(shè)置：使用的多功能電力儀表可以測量需要的電力參數(shù)，其中有定子電壓、定子電流、視在功率、有功功率、無功功率、頻率。如圖3所示。

編程操作：多功能儀表是可以編程的，本文選擇的多功能儀表有設(shè)置功能、輸入功能、通訊功能以及更改設(shè)置密碼的功能[3]。如圖4所示。

數(shù)字通訊：首先，給每個設(shè)備包括主要的控制計算機都設(shè)置一個地址；然后，計算機可以識別地址的信息，并且找到對應(yīng)的設(shè)備。在返回的信息當中，一般都會包含地址、校驗、功能信息的碼。下面有一個數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)，就是我們所說的報文格式。如表2所示。endprint

4.3.2 WDXK-A型智能數(shù)顯溫度控制器

（1）概述。儀表采用高精度鉑電阻（Pt100）傳感器做感應(yīng)元件，高精度轉(zhuǎn)換電路，具有1～4路獨立開關(guān)點及4-20mA電流信號的輸出，高亮度的數(shù)碼管顯示實測溫度值，可通過面板按鍵設(shè)置參數(shù)，所有參數(shù)均存貯在非易失的存貯器中。

（2）主要技術(shù)性能。

精度：顯示及輸出：0.25級；

控制：0.5級～1級；

工作電源：18～36VDC；86～260VAC；110～360VDC；

信號輸出：4～20mADC。

（3）規(guī)格型號（圖5）。

4.3.3 電壓、電流傳感器

（1）技術(shù)指標（表3）。

（2）下面是傳感器的信號的調(diào)整以及圖示的情況說明。

（3）接線方式（具體以產(chǎn)品實物為準）（如圖6）。

4.4 系統(tǒng)設(shè)計

4.4.1 I/O口的分配

現(xiàn)在開始系統(tǒng)的電路圖設(shè)計，首先是I/O口的分配。見表4。

4.4.2 電氣接線圖

溫控儀表以及多功能儀表均采用RS485通信由PLC讀取數(shù)據(jù)，勵磁電流電壓變送器輸出4-20mA電流送至EM231模塊，PLCport0鏈接電腦，PLCport1用于以及溫控儀表及多功能儀表通信。

4.4.3 電氣控制圖

設(shè)計電氣接線圖，驅(qū)動變頻器拖動電機，有利于實現(xiàn)無極調(diào)速；變頻器驅(qū)動同步發(fā)電機，進行調(diào)速；溫度儀表以及多功能儀表連接到電機線路，進行測量。如圖7所示。

5 系統(tǒng)軟件的編程

5.1 S7-200的編程方法介

S7-200PLC的梯形圖包括有經(jīng)驗設(shè)計法以及順序控制設(shè)計法。經(jīng)驗設(shè)計法的特點有：沒有規(guī)律可遵循、實驗的試探性。這樣的設(shè)計方法所編寫的程序的結(jié)果不是唯一的。經(jīng)驗設(shè)計的方法與設(shè)計者的經(jīng)驗有很大的關(guān)系，它一般多用于比較簡單的梯形圖設(shè)計，比如手動程序的設(shè)計。順序控制的這種方法很容易被初學者接受，便于初學者學習。而且還可以鍛煉出初學者的邏輯功能、提高工作效率、節(jié)約時間。另外，順序控制可以很清楚的看到控制系統(tǒng)的執(zhí)行順序。如圖8所示。

5.2 程序的設(shè)計

5.2.1 程序設(shè)計的準備

由以上基礎(chǔ)介紹，現(xiàn)在可以設(shè)計程序了，首先我們需要了解整個測控系統(tǒng)的大致情況以及相互之間的連接，首先我們知道了外部硬件有哪些，主要的是西門子PLC，型號是S7-200，控制中心的型號選擇CPU226，然后是測量儀表，其中包括了多功能儀表，還有溫度測量儀表，以及電壓傳感器和電流傳感器。最后還有一個計算機。所以整個的架構(gòu)大致就是如圖9所示。

5.2.2 程序設(shè)計流程圖

PLC開始運行，如果啟動就有故障，可以停機檢查，確保無誤繼續(xù)往下面運行，工作流程圖如10所示。

5.3 編程環(huán)境簡介

首先，根據(jù)選定的西門子公司的PLC，系列是200系列，所以編程軟件是西門子公司的S7-200編程軟件，在網(wǎng)上可以下載到STEP7 MicroWIN V4.0 SP9的軟件。

5.4 程序的實現(xiàn)

I/O口分配好之后，就開始編寫程序。端口連接分配好之后，就開始編寫程序。即首先啟動按鈕，然后設(shè)置停止按鈕，接下來啟動變頻器，最后拖動點擊運行。

5.5 程序的下載

首先把線在硬件之間連接好，然后用數(shù)據(jù)線直接連接。其中，與計算機之間的連接采用RS485線，采用了PPI協(xié)議。如圖11所示。

6 結(jié)語

綜上所述，發(fā)電機設(shè)備作為電力系統(tǒng)重要的組成部分，在了解該設(shè)備應(yīng)用意義的基礎(chǔ)上，對其進行運行狀態(tài)監(jiān)測和參數(shù)測定，這不僅能夠及時發(fā)現(xiàn)運行故障，制定合理的故障解決方案，而且還會促進電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運行?；赑LC的同步發(fā)電機遠程測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計分析，即對發(fā)電機各個參數(shù)、外部運行溫度全面分析，這對系統(tǒng)硬件設(shè)計完善具有積極作用，同時，有利于優(yōu)化發(fā)電機運行質(zhì)量、減少運行失誤。

參考文獻

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