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案例頻道1． 前言
在船舶自動化電站中，為了保證電網(wǎng)供電的連續(xù)性與可靠性，發(fā)電機組具有自動起動并投入電網(wǎng)的功能。在機組起動過程中，控制系統(tǒng)要判斷機組是否已經(jīng)起動成功，船舶電站發(fā)電機組的原動機一般為柴油機，其起動成功與否的判別是檢測機組轉(zhuǎn)速是否超過了設(shè)定的點火轉(zhuǎn)速，若機組轉(zhuǎn)速超過了設(shè)定的點火轉(zhuǎn)速則判定起動成功，否則就是不成功。
在船舶電站控制系統(tǒng)中，對于點火轉(zhuǎn)速的檢測，為方便起見，大多用開關(guān)量來表示，即轉(zhuǎn)速大于點火轉(zhuǎn)速時為“1”信號，否則為“0”信號。
為了取得轉(zhuǎn)速信號，通常的方法是在機組上安裝測速發(fā)電機或光電、磁電發(fā)訊裝置，上述裝置檢測到的信號通過轉(zhuǎn)換電路輸出與柴油機轉(zhuǎn)速成比例的直流電壓信號，再加到電壓比較電路來得到點火轉(zhuǎn)速的開關(guān)量信號。
不論采用測速發(fā)電機或其它測速裝置都需要在柴油發(fā)電機組主軸上安裝附加設(shè)備，這對于新設(shè)計的產(chǎn)品可以通盤考慮，但對于通用性的定型柴油機改裝比較困難，并增加了系統(tǒng)成本，而且需要增加與控制設(shè)備相配套的接口電路，這給電路的設(shè)計帶來麻煩。另外，過多的附加裝置及硬件電路也降低了系統(tǒng)的可靠性。為了解決上述問題，本文介紹了一種用于可編程序控制器控制的自動化電站測取機組點火轉(zhuǎn)速的方法，即通過PLC軟件編程來測取機組的點火轉(zhuǎn)速。
2． 測速原理
發(fā)電機電壓頻率與原動機轉(zhuǎn)速間有下述關(guān)系：
發(fā)電機電壓頻率與原動機轉(zhuǎn)速間有下述關(guān)系：
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f ＝ｎP/60， 則 n=60f/P
式中 P ：發(fā)電機電樞繞組極對數(shù)
n ：原動機轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）
因此柴油發(fā)電機組起動與運行時可通過測量發(fā)電機剩磁電壓及建壓后電源電壓的頻率來得到柴油機組的轉(zhuǎn)速。
3. 軟件測速的信號采集 |
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本文中點火轉(zhuǎn)速檢測的方法是通過軟件編程測量發(fā)電機剩磁電壓的周期來實現(xiàn)的。采用軟件測速，不需要在發(fā)電機組上安裝轉(zhuǎn)速檢測裝置，其信號采集的硬件電路也比較簡單。軟件測速信號采集的硬件電路如圖1所示。電壓互感器檢測的發(fā)電機交變的剩磁電壓信號送到圖中A、B兩端，在信號處理板上通過過零比較器整形成同頻率的矩形波脈沖信號，此脈沖信號連接到PLC的開關(guān)量輸入接口，作為測速脈沖。 |
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4. 軟件測速的實現(xiàn)
可編程序控制器是按掃描方式工作的，實驗證明，PLC在穩(wěn)定運行過程中，其掃描周期基本保持不變，因此可以用機組起動程序執(zhí)行期間的PLC掃描周期作為測量剩磁電壓周期的計時單位，即通過測量發(fā)電機剩磁電壓一個周期所經(jīng)過的PLC掃描周期數(shù)來測得機組的轉(zhuǎn)速，以取得點火轉(zhuǎn)速信號。軟件測速的流程如圖2所示。
流程圖中UF為測速脈沖，C0、C1為測速用的計數(shù)器。計數(shù)脈沖每2個PLC掃描周期產(chǎn)生一次上升沿，即測速脈沖為高電平時，每2個PLC掃描周期C0加1計數(shù)，在測速脈沖為低電平時，每2個PLC掃描周期C1加1計數(shù)。顯然，機組轉(zhuǎn)速越高，在每個測速脈沖周期，計數(shù)器所能加到的最大值越小，當(dāng)小到一定數(shù)值A(chǔ)時，機組轉(zhuǎn)速達(dá)到點火轉(zhuǎn)速，即機組起動成功。 5. 軟件測速程序?qū)嵗?/DIV>
下面是上述軟件測速方法在西門子S7-300PLC中用指令語句編程的實例。
A "測速"
FP M 0.2
= M 0.3
A M 0.3
JCN m001
L MB 1
INC 1
T MB 1
m001: A M 1.1
FN M 0.4
= M 0.5
A M 1.1
FP M 8.4
= M 8.5
AN M 0.6
= M 0.6
A M 8.5
L C#0
S C 0 A M 1.1
A M 0.6
CU C 0
L C 0
L DB1.DBW 4
<=I
AN M 1.1
= M 8.6
A M 0.5
L C#0
S C 1
A M 0.6
AN M 1.1
CU C 1
L C 1
L DB1.DBW 4
<=I
A M 1.1
= M 8.7
O M 8.6
O M 8.7
= M 2.0
BE
在程序中，"測速"為符號地址，是來自信號處理板的發(fā)電機剩磁電壓脈沖信號，連接于PLC的開關(guān)量輸入接口；存儲位M2.0為點火轉(zhuǎn)速標(biāo)志位，若機組轉(zhuǎn)速達(dá)到點火轉(zhuǎn)速，M2.0為“1”，否則M2.0為“0”。為了提高測量的精度，在程序設(shè)計中，對來自信號處理板的發(fā)電機剩磁電壓脈沖信號進(jìn)行了分頻處理，以M1.1位作為測速脈沖，其狀態(tài)的變化頻率為發(fā)電機剩磁電壓頻率的1/4。存儲位M0.6為計數(shù)脈沖，其狀態(tài)每一個PLC掃描周期翻轉(zhuǎn)一次，則每2個PLC掃描周期產(chǎn)生一次計數(shù)脈沖。機組點火轉(zhuǎn)速的比較限值存儲在共享數(shù)據(jù)塊DB1中，存儲地址為DBW4，此數(shù)值要根據(jù)不同的原動機類型和所測得的PLC平均掃描周期適當(dāng)設(shè)定。若在測速程序設(shè)計時，對發(fā)電機剩磁電壓脈沖進(jìn)行四分頻，則確定點火轉(zhuǎn)速比較限制A的計算方法為：
式中 P ：發(fā)電機電樞繞組極對數(shù) nf ：設(shè)定的原動機點火轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）
Tj ：計數(shù)脈沖周期（ms），為2個PLC的平均掃描周期
根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，對上述程序進(jìn)行適當(dāng)修改，也可同時獲得發(fā)電機組停機轉(zhuǎn)速和超速信號。
6. PLC掃描周期的測取
上述點火轉(zhuǎn)速的檢測方法是以PLC平均掃描周期作為計時單位，要根據(jù)PLC平均掃描周期來確定比較限值A(chǔ)。PLC平均掃描周期可在運行測試中測取，如在西門子S7-300PLC中，在“ONLINE”狀態(tài)打開SIMATIC管理器窗口，點擊PLC>Module Information>Scan Cycle Time，即可顯示PLC掃描周期設(shè)置及實際掃描周期信息如圖3所示。 |
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7.結(jié)論
采用軟件測速，不需要附加測速裝置，系統(tǒng)改裝方便且成本低，硬件電路簡單，可靠性高。此測速方法已在我院電站實訓(xùn)室自動化電站中得到應(yīng)用，經(jīng)試用證明，此測速方法簡單有效且運行可靠。
參考文獻(xiàn)
［1］ 姜錦范，《船舶電站及自動化》，大連海事大學(xué)出版社，2004年12月
［2］ SIEMENS《Statement List (STL) for S7-300 and S7-400 Programming Reference Manual》2002.12
［3］ SIEMENS , 《SIMATIC Programming with STEP 7 V5.2 Manual》2002.12 |
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號