用PLC的發(fā)電機組自動化控制

1、一、課程設計1.1硬件條件交流發(fā)電機實驗機組、 S7-200 PLC 單元（CPU226/EM235）、通訊電纜、通用電腦、彩色 LCD 觸摸屏、模擬輔機與蝶閥控制。1.2設計目的培養(yǎng)學生參閱國家和行業(yè)標準，掌握發(fā)電機組啟停車控制的基本要求、系統(tǒng)構成及工作原理；初步學會 PLC 的控制方法以及高級 HMI 的應用；同組同學應分別選擇實現(xiàn)機組開機準備、 開機、 并網、 正常停機、 事故停機、 事故緊急停機等邏輯控制功能； 初步熟悉 HMI的應用方法。這里負責的是正常停機、事故停機、 事故緊急停機邏輯控制功能。1.3設計內容 1、發(fā)電機組構成和系統(tǒng)工作原理、工作過程；2、基于 PLC 的系統(tǒng)總原理

2、圖，各部分工作原理、工作過程；3、分別以機組開機準備、開機、并網、正常停機、事故停機、事故緊急停機等過程為側重點簡單編制 PLC 程序框圖；4、與調速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、同期裝置的協(xié)調控制。1.4設計要求 1、通過設計原理圖，掌握實驗裝置的接線方法、完成上述功能。2、設計驗收時必須現(xiàn)場演示、提交課程設計報告（電子版）。二、 PLC介紹可編程邏輯控制器，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。2.1 S7-200 PLC 單元西門子(SIEMENS)公司應用微處理器技術生產的

3、 SIMATIC 可編程控制器主要有 S5 和 S7 兩大系列。目前,前期的 S5 系列 PLC 產品已被新研制生產的 S7 系列所替代。S7 系列以結構緊湊、可靠性高、功能全等優(yōu)點,在自動控制領域占有重要地位。西門子S7-200PLC在實時模式下具有速度快，具有通訊功能和較高的生產力的特點。一致的模塊化設計促進了低性能定制產品的創(chuàng)造和可擴展性的解決方案。來自西門子的S7 - 200微型PLC可以被當作獨立的微型PLC解決方案或與其他控制器相結合使用。CPU 226 集成 24 輸入 / 16 輸出共 40 個數(shù)字量 I / O 點,可連接 7 個擴展模塊,最大擴展至 248路數(shù)字量 I /

4、O 或 35 路模擬量 I / O 點,13 KB 程序和數(shù)據(jù)存儲空間。直流輸入繼電器輸出；電源電壓85 264 V 交流；輸入電壓： 24 V 直流；輸出電壓：24 V 直流、24 230 V 交流；輸出電流：2 A,繼電器另外EM235 模塊有AI4 /AQ1× 12的I/O規(guī)格，其功能為 4 路模擬輸入,1 路模擬輸出,12 位轉換為模擬量擴展模塊三、發(fā)電機組的介紹3.1發(fā)電機 是把動能或及其它形式的能量轉化成電能的裝置。一般的發(fā)電機是通過發(fā)動機先將各類一次能源蘊藏的能量轉換為機械能，然后通過發(fā)電機轉換為電能，經輸電、配電網絡送往各種用電場合。發(fā)電機通常由定子、轉子、端蓋及軸承

5、等部件構成。定子由定子鐵芯、線包繞組、機座以及固定這些部分的其他結構件組成。轉子由轉子鐵芯（或磁極、磁扼）繞組、護環(huán)、中心環(huán)、滑環(huán)、風扇及轉軸等部件組成。由軸承及端蓋將發(fā)電機的定子，轉子連接組裝起來，使轉子能在定子中旋轉，做切割磁力線的運動，從而產生感應電勢，通過接線端子引出，接在回路中，便產生了電流。3.2發(fā)電機組的工作原理就是發(fā)電機在柴油機的帶動下不斷地運轉，從而達到發(fā)電的目的，在發(fā)電機組的汽缸里，空氣經過空氣濾清器過濾以后就變成了潔凈的空氣，發(fā)電機組工作時噴油嘴在高壓狀態(tài)下會噴出呈霧狀的柴油，柴油和潔凈的空氣混合后在活塞的擠壓下體積迅速縮小，溫度上升到柴油的燃點，柴油和空氣體積膨脹，推動

6、活塞向下運動。各個發(fā)電機組的汽缸輪流重復這種上下運動，就帶動了發(fā)電機組曲軸的旋轉。發(fā)電機組屬于自備型電站交流應急供電設備的一種類型，它是一種獨立的小型發(fā)電設備，以柴油內燃機作動力，驅動同步交流發(fā)電機而發(fā)電。是由柴油機（小型的會使用汽油引擎）、發(fā)電機、控制屏、公共底座等組件組成的鋼性整體。通常在醫(yī)院、電信機房、資料中心、工廠、核電廠或重要國防、政府機構等地會安裝，以在外部供電中斷時使用。由于發(fā)電機組啟動需要時間，因此常會搭配設置電池組以保持連續(xù)穩(wěn)定的供電。3.3發(fā)電機組的結構本次設計的題目是基于PLC的發(fā)電機組自動化控制，采用自動化控制的目的是采取各種措施使發(fā)電系統(tǒng)盡可能運行在正常運行狀態(tài)。在正

7、常運行狀態(tài)下，通過制定運行計劃和運用計算機監(jiān)控系統(tǒng)實時進行發(fā)電系統(tǒng)運行信息的收集和處理，在線安全監(jiān)視和安全分析等，使系統(tǒng)處于最優(yōu)的正常運行狀態(tài)。 同時，在正常運行時，確定各項預防性控制，以對可能出現(xiàn)的緊急狀態(tài)提高處理能力。當發(fā)電系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障進入緊急狀態(tài)后，則系統(tǒng)能夠自動（也可手動）做出反應，采取控制措施。這些控制措施包括繼電保護裝置正確快速動作和各種穩(wěn)定控制裝置。通過緊急控制將系統(tǒng)恢復到正常狀態(tài)或事故后狀態(tài)。當系統(tǒng)處于事故后狀態(tài)時，系統(tǒng)采取恢復措施，使其重新進入正常運行狀態(tài)。對于實驗室的電力系統(tǒng)動模與自動化綜合實驗臺，這是一個自動化的電力系統(tǒng)綜合試驗裝置。該裝置功能集成了發(fā)電機運行動態(tài)實驗

8、，發(fā)電機運行保護實驗，線路保護實驗，變壓器保護，數(shù)字繼電器保護曲線實驗等。發(fā)電機動模實驗裝置主體是由電動機（作為該實驗裝置的原動機）、同步發(fā)電機、調速器、勵磁器、PLC和觸摸屏組成。無論從結構還是工作效果來看，它都可以說就是一個小型的發(fā)電廠。該裝置能夠反映現(xiàn)代電能的生產、傳輸和使用的全過程，體現(xiàn)現(xiàn)代電力系統(tǒng)自動化、信息化、數(shù)字化的特點，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的檢測、控制、監(jiān)視、保護的自動化。圖一 自并勵可控硅勵磁圖二 他勵可控硅勵磁3.4發(fā)電機組自動化控制的組成 a）發(fā)電機組： 發(fā)電機組是由同在一個軸上的三相同步發(fā)電機（SN=2.5kV·A，UN=400V， Nn

9、=1500r/min），模擬原動機用的是直流電動機（PN=2.2Kw，UN=220V）以及測速裝置和功率角指示器組成。具體參數(shù)見電機銘牌。 直流電動機、同步發(fā)電機經彈性聯(lián)軸器對軸聯(lián)結后組裝在一個活動底盤上構成可移動式機組。具有結構緊湊、占地少、移動輕便等優(yōu)點，機組的活動底盤有四個螺旋式支腳和三個橡皮輪，將支腳旋下即可開機實驗。     (b) 無窮大系統(tǒng)： 無窮大電源是由15kV·A的自耦變壓器組成。通過調整自耦變壓器的電壓可以改變無窮大母線的電壓。 “準同期控制裝置”它按恒定越前時間原理工作，

10、主要特點如下： 可選擇全自動準同期合閘； 可選擇半自動準同期合閘； 可測定斷路器的開關時間； 可測定合閘誤差角； 可改變頻率差允許值，電壓差允許值，觀察不同整定值時的合閘效果； 按定頻調寬原理實驗均頻均壓控制，自由整定均頻均壓脈沖寬度系數(shù)，自由整定均頻均壓脈沖周期；觀察不同整定值時的均頻均壓效果； 可觀察合閘脈沖相對于三角波的位置，測量越前時間和越前角度； 可自由整定越前（開關）時間； 輸出合閘出口電平信號，供實驗錄波之用。 本實驗采用 DZZB-502微機自動準同期裝置，是新一代微機

11、型數(shù)字式全自動并網裝置，它采用80C196單片機為核心，以高精度的時標計算頻差、相位差，以毫秒級的精度實現(xiàn)合閘提前時間，可實現(xiàn)快速全智能調頻、調壓。本實驗裝置選用西門子S7-200型PLC做為主控制器，由于電力系統(tǒng)綜合實驗裝置的控制要求并不復雜，且輸入、輸出控制信號只是一些低壓的開關量和少量的模擬量，因此只需選擇具有邏輯運算、定時器、計數(shù)器和D/A模塊等基本功能的PLC即可。西門子的S7-200 CPU226就是一款適合作為該實驗裝置主控制器的PLC。 觸摸屏的規(guī)格要求不高，所選用的觸摸屏必須與西門子PLC S7-226相匹配，即彼此能夠實現(xiàn)通訊。因此選用威綸公司

12、出品的MT-506T觸摸屏能夠滿足要求。四、發(fā)電機組自動化控制原理4.1 同步電機的工作原理同步電動機是一種交流電動機，轉子旋轉速度與所提供交流電的頻率相同。交流電動機的原理是由交流電在電動機的定子處產生旋轉磁場，因此使電動機轉子旋轉。在同步電動機的轉子有電磁鐵或永久磁鐵，使用永久磁鐵的稱為永磁同步電動機。同步電動機的定子所產生的磁場吸引轉子磁場的異極，由于定子所產生的磁場是以若干速度旋轉，因此轉子會隨著定子磁場的旋轉速度，以相同的速度旋轉。同步電動機的特點是轉速固定，不受電源電壓的影響。只要電動機的負載低于其最大轉矩，轉速也不會受負載的影響。由于這種特性，同步電動機只能使用變頻器進行調速。由

13、于無載的同步電動機，其電流相位超前于電壓，為一個電容性負載。因此，若一供電系統(tǒng)的負載為落后功率因子，可以無載的同步電動機來改進其功率因數(shù)。在工作時，轉子線圈通以直流電形成直流恒定磁場，在原動機的帶動下轉子快速旋轉，恒定磁場也隨之旋轉，定子的線圈被磁場磁力線切割產生感應電動勢，三相對稱繞組中就會輸出交流電。平常工作的發(fā)電機的定子都接有負載，定子線圈被旋轉磁場切割后產生的感應電動勢通過負載形成感應電流，此電流流過線圈也會在間隙中產生一個磁場，稱為定子磁場。這樣在轉子和定子之間的間隙中出現(xiàn)了轉子磁場和定子磁場兩個磁場相互作用構成一個合成磁場，發(fā)電機就是合成磁場的磁力線切割定子線圈而發(fā)電的。由于定子磁

14、場是由轉子磁場引起的，且它們之間總是保持著同速的同步關系，所以這種電機稱為同步發(fā)電機。4.2發(fā)電機組自動化控制原理首先，對于原動機即直流電機，采用他勵的勵磁方式對其進行勵磁，它的勵磁是獨立的，不受控制的。而在轉子的電樞繞組上改變感應電動勢，由于，通過改變感應電勢就可以改變轉速。在電樞繞組上獨立加上三相交流電，經過整流變后接到SCR上，用電流互感器將整流變后的電流采集出來然后經過整流濾波，變成矩形脈沖經過A/D口進入PLC。也可以通過手動進行改變直流電機的轉速，采用能耗制動。當啟動能耗制動時，電樞繞組與SCR斷開，與能耗電阻構成回路，將消耗在電阻上，轉速就可以改變。發(fā)電機是與電動機同軸相連的，對

15、于同步發(fā)電機，其原理上面已經講到，對于它的本次采用兩種勵磁方式：自并勵方式和他勵方式。自并勵磁用發(fā)電機自身作為勵磁電源的方法，即以接于發(fā)電機出口的變壓器作為勵磁電源，經整流硅供給發(fā)電機勵磁，而他勵只是從別處接電壓到變壓器，后面部分與自并勵相同。同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)一般由勵磁功率單元和勵磁控制器兩部分組成，如下圖：圖三 勵磁控制系統(tǒng)結構圖其中直流勵磁控制方式有以下兩種：交流勵磁控制方式分他勵交流勵磁機方式和自復勵勵磁方式為如下所示：圖四 他勵交流勵磁機方式通過手動也可以減小勵磁電流，采用滅磁裝置。當轉子磁場建立起來以后，如果由于某種原因（發(fā)電機內部故障等）需強迫發(fā)電機立即退出工作時，在斷開發(fā)電機

16、斷路器的同時，必須使轉子繞組內部的磁場盡快消失，否則發(fā)電機會因過勵磁而產生過電壓，或者會使定子繞組內部的故障繼續(xù)擴大。就需采用滅磁裝置。滅磁就是將發(fā)電機轉子勵磁繞組的磁場盡快地減弱到最小程度。一般是將勵磁回路斷開，但由于勵磁繞組是個大電感，將轉子勵磁繞組接入到放電電阻滅磁。還有就是控制與保護模塊，準同期裝置的合閘不僅滿足它檢測到的電壓、電流、相角差有關，還與系統(tǒng)的保護有關，他們共同控制合閘機構。還有發(fā)電機的起勵、電動機的停機、電動機轉速是否正常的控制與保護。最后就是人機接口模塊，將PLC與觸摸屏通過通訊接口連接，可以通過觸摸屏進行參數(shù)顯示、參數(shù)整定、開停機的控制以及查看趨勢曲線。還可以將PLC

17、與監(jiān)控機相連，來監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行。如果發(fā)電機系統(tǒng)建在無人區(qū)，也可以通過遠程控制來監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行。五、發(fā)電機組自動化控制過程及流程圖5.1、發(fā)電機組的各過程1、開機過程當開機條件具備時（斷路器跳位，無電氣故障等），若按下開機指令，啟動調速器（如果調速器啟動失敗，則跳出開機過程）。當調速器升速至95%額定轉速，若滅磁開關合閘，勵磁裝置合起勵開關（起勵過程一般小于5s，若大于20s,則起勵失敗，由勵磁裝置跳起勵開關）。當機端電壓大于40%額定電壓時，跳起勵開關。當機端電壓為95%額定電壓時，進行并網調節(jié)，直到并網條件滿足，合并網斷路器。并網后，調速器和勵磁器進入負載運行狀態(tài)。至此，開機過程結束

18、。2、正常停機過程發(fā)停機指令給調速器，調速器自動卸掉負載進入空載狀態(tài)，之后斷路器跳閘，機組解列。當轉速降至80%額定值時，勵磁逆變滅磁（若小于3轉速則滅磁結束，否則自動跳滅磁開關，設故障標志以阻止下次開機）。當轉速降至35%額定值時，機組制動裝置啟動制動，直至轉速降為5%額定值，解除制動。到機組完全停機后，復歸制動回路。至此，正常停機過程結束。3、事故停機過程當機組轉速大于115%額定值，調速器啟動失敗，勵磁器故障以及電氣事故時，啟動事故停機。此時，斷路器跳閘，跳滅磁開關。之后，發(fā)出事故停機信號（信號保持，應手動解除），進入停機過程。4、緊急停機過程當機組轉速達到140%額定值或緊急停機按鈕按

19、下時，啟動緊急停機過程。此時，斷路器跳閘，跳滅磁開關。之后，發(fā)出緊急停機信號（信號保持，應手動解除），進入停機過程。本次工程訓練主要對以上四種過程進行控制，為了達到自動化監(jiān)控的母的，必須裝設電磁操作或液壓操作的自動閥門，一般稱為執(zhí)行元件。本次工程訓練的主控制器是PLC，輸入信號是傳感器或電壓電流互感器采集的，而輸出信號一般作用于執(zhí)行元件來完成控制。PLC為S7-200系列，主機CPU226，由于其輸入點數(shù)和輸出點數(shù)不夠，又擴展了EM235定位模塊和EM223混合輸入輸出模塊。從上面的各種過程中可以看出轉速信號很重要，發(fā)電機組的轉速是指發(fā)電機轉子的轉速，一般利用轉速信號器進行測量而產生的，根據(jù)機

20、組不同的轉速值，轉速信號器發(fā)出不同的信號，從而產生不同的命令對機組進行控制。當機組轉速達到額定轉速的140%時，應當發(fā)出事故緊急停機命令，進一步發(fā)出關閉水閥門等停機命令；當機組轉速達到額定轉速的115%時，應發(fā)出過速信號，使過速保護裝置動作，發(fā)出事故停機命令；當機組轉速達到額定轉速的98%時，應當發(fā)出同期信號，使發(fā)電機出口斷路器合閘，將機組投入系統(tǒng)并列運行。另外溫度信號也有一定的限制。5.2、發(fā)電機組正常停機流程及流程圖機組正常停機的條件是卸掉負荷，進入空載狀態(tài)。1、調速器卸載：調速器自動卸掉負載進入空載狀態(tài)。2、解列操作：斷路器跳閘，停勵磁。3、滅磁：當轉速降至80%額定值時，勵磁逆變滅磁（若小于3轉速則滅磁結束，否則自動跳滅磁開關，設故障標志以阻止下次開機）。4、當轉速降至35%額定值時，機組制動裝置啟動制動。5、直至轉速降為5%額定值，關閉蝶閥。解除制動，到機組完全停機后，復歸制動回路。6、結束流程圖見圖六圖六 停機流程圖5.3 緊急事故停機流程及流程圖事故緊急停機與正常停機得區(qū)別主要是在于是否需要空載運行再停機的過程，原則在于加快停機過程以免事故擴大。1、機組轉速達到140%額定值或緊急停機按鈕按下時，啟動緊急停機過程。2、解列操作：斷路器跳閘。3、滅磁：滅磁開關跳開。4、發(fā)出緊急停機信號（信號保持，應手動解除）。5、檢測轉速：制動，關閉蝶閥。6、手動解除制動