1 引言

今天，隨著對工業(yè)自動化的要求越來越高，以及大量控制設(shè)備和過程監(jiān)控裝置之間通信的需要，"監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)"越來越受到用戶的重視。在動力系統(tǒng)方面，以柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急備用電源的發(fā)電廠，在工廠、礦山、高層建筑、醫(yī)院、郵電、賓館、銀行等許多部門都得到了廣泛的應(yīng)用。為了提高供電質(zhì)量和供電可靠性，改善操作人員的工作條件，減少維護(hù)運(yùn)行人員，備用發(fā)電站迫切要求實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)行和管理。該監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)視主機(jī)(包括通信板)和若干現(xiàn)場的從站（正航A3）組成。實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)采集、報警、存儲、備份等服務(wù)。本文主要介紹下位機(jī)A3的系統(tǒng)原理。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際的需要，考慮該發(fā)電機(jī)組的自動化系統(tǒng)由5大功能部件組成(系統(tǒng)的硬件圖如圖1所示)。

(1) 發(fā)電機(jī)組的自動啟動和自動停機(jī);

(2) 工程市電和機(jī)電的自動切換;

(3) 發(fā)電機(jī)組電壓和頻率的自動調(diào)節(jié);

(4) 發(fā)電機(jī)組故障自動檢測，報警和故障處理;

(5) 發(fā)電機(jī)組電壓、電流、頻率、有功功率、啟動電池電壓等電量參數(shù)的自動調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)組成

3.1 A3系統(tǒng)PLC的特性和特點(diǎn)

正航A3系列可編程控制器，性價比高，硬件配置齊全，它的特點(diǎn)與性能如下:

(1)機(jī)內(nèi)有高速計數(shù)器，可同時輸入三路高速脈沖，并可輸出頻率和脈寬可調(diào)的高速脈沖信號。

(2)具有21個中斷源的中斷優(yōu)先管理，并配有RS485接口，可實(shí)現(xiàn)PLC 與PC機(jī)之間的遠(yuǎn)程通訊，便于上位機(jī)監(jiān)控和聯(lián)網(wǎng)。

(3)具有結(jié)構(gòu)緊湊、組裝靈活、編程簡單，抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。

由此可見，它非常適用于工業(yè)控制中小型自動控制系統(tǒng)。經(jīng)分析，決定采用A3系列可編程控制器作為發(fā)電機(jī)組自動控制系統(tǒng)的核心部件。

3.2 PLC 配置及I/O的分配和功能

經(jīng)過分析，本系統(tǒng)采用10個開關(guān)量輸入，10個開關(guān)量輸出和3個模擬量輸入，即可滿足系統(tǒng)控制需求，因此——PLC配置如下:

CPU模塊：A3-C2405DT

AI模塊： A3-AI0401LA

I/O的分配和功能如下:

開關(guān)量輸入:

IO.0:輸入中斷 (配合脈寬調(diào)制使用)

IO.1:方式選擇 (0-遠(yuǎn)程控制 1-自動)

IO.2:市電檢測 (0-無市電 1-有市電)

IO.3:機(jī)電檢測 (0-無機(jī)電 1-有機(jī)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(shù)器HSCI (利用高速計數(shù)器檢測啟動電池電壓)

IO.7:緊急停車 (0-非緊急停車狀態(tài) 1-緊急停車狀態(tài))

IO.0:復(fù)位 (1-手動復(fù)位)

(利用高速計數(shù)器檢測轉(zhuǎn)速)

開關(guān)量輸入:

Q0.0:高速脈沖輸出 (通過控制直流電磁鐵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速)

Q0.1:停機(jī) (1-停機(jī)電磁閥動作)

Q0.2:啟動 (1-啟動馬達(dá)動作)

Q0.3:市電合閘 (1-市電主開關(guān)動作)

Q0.4:機(jī)電合閘 (1-機(jī)電主開關(guān)動作)

Q0.5:三啟失敗 (1-三啟失敗信號燈亮)

Q0.6:機(jī)組故障 (1-機(jī)組故障信號燈亮)

Q0.7:警鈴 (1-警鈴響)

Q1.0:自動強(qiáng)激磁 (1-強(qiáng)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(fù)載功率

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

發(fā)電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)由機(jī)組自動啟停控制，轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)，電量參數(shù)自動檢測，故障自動檢測等功能模塊組成。

4.1 制動啟停控制

本功能模塊是根據(jù)各開關(guān)量的輸入狀態(tài)，自動控制機(jī)組的啟動、停止和機(jī)電與市電的相互切換。這主要屬于順序控制具有較強(qiáng)的邏輯控制。用A3實(shí)現(xiàn)簡易而可靠。

4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是通過CPU中高速脈沖輸出脈寬調(diào)制(PWM)功能調(diào)節(jié)可控直流電磁鐵控制柴油機(jī)油門開度來實(shí)現(xiàn)的。用CPU實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法如下:轉(zhuǎn)速信號由安裝在柴油機(jī)上磁電式傳感器獲得，CPU通過高速計數(shù)器測量油機(jī)轉(zhuǎn)速，測得轉(zhuǎn)速信號送入PID調(diào)節(jié)器，將調(diào)節(jié)器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度的時間量，再通過CPU中的脈寬可調(diào)的高速脈沖輸出(QO，0)，經(jīng)過功率驅(qū)動器控制可控制直流電磁鐵調(diào)節(jié)緊油機(jī)門開度大小，從而實(shí)現(xiàn)對油機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

本系統(tǒng)屬于反饋控制和精確的數(shù)字控制，涉及到一些控制算法問題。

在CPU中，方法實(shí)現(xiàn)了一種轉(zhuǎn)速控制的PID調(diào)節(jié)器。PID的模擬表達(dá)式: M(t)=KC(1+1/Ti*fe(t)dt+Td*de(t)/de(t))

在CPU中，微公和積分采用如下公式:

微分運(yùn)算:[新差值E(n)-舊差值E(n-1)]÷控制周期TC

積分運(yùn)算:[舊差值E(n-1)+新差值E(n)]×控制TO÷2

轉(zhuǎn)速-與轉(zhuǎn)速傳感器頻率關(guān)系的計算公式如下:

f----轉(zhuǎn)速傳感器信號頻率

n----轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)

z----傳感齒輪齒數(shù)

為更好的實(shí)現(xiàn)全程調(diào)速我們采用分程PID限幅

怠速時間:轉(zhuǎn)速設(shè)定值 VW108=192

最小輸出值 VW126=180

最大輸出值 VW124=420

高速期間:轉(zhuǎn)速設(shè)定值 VW108=VW212(由模擬電位器設(shè)定)

最小輸出值 VW126=420

最大輸出值 VW124=995

本系統(tǒng)中:n=1500r/mln z=128齒

這樣f>3200Hz，故采用7kHz的高速計數(shù)器HSC2測量轉(zhuǎn)速。停機(jī)時，將轉(zhuǎn)速設(shè)定值和網(wǎng)緩沖器全部置0。輸出限制在VW106=5上，以使PWM能夠連續(xù)工作。同時使Q0.1=1，停機(jī)磁閥動作，切斷油路達(dá)到停機(jī)目的。