PLC控制的直流發(fā)電機組自動監(jiān)控系統(tǒng)設計

摘要：根據(jù)廠礦企業(yè)的實際需要，本系統(tǒng)綜合運用西門子PLC S7-300，WinCC組態(tài)、工控機、全數(shù)字直流調(diào)速等裝置進行組合，對發(fā)電機組進行串并聯(lián)，實現(xiàn)發(fā)電機組的自動化運行，以達到提供工廠所需各種直流電源的目的。同時，系統(tǒng)能對供電過程進行實時監(jiān)控，減少系統(tǒng)的并聯(lián)環(huán)流量，提高發(fā)電機組工作的發(fā)電效率?，F(xiàn)場試驗結果表明，系統(tǒng)并聯(lián)環(huán)流明顯較少且能實現(xiàn)自動運行。
關鍵詞：全數(shù)字直流調(diào)速；直流發(fā)電機組；PLC S7-300；工控機；WinCC

0 引言
    直流電機在現(xiàn)代工礦企業(yè)中有著廣泛的應用，并在不斷發(fā)展，與交流電機比較，直流電機具有良好的啟動性能和調(diào)速性能。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，要求直流電機具有更高的動態(tài)特性，更大的過載能力，更寬的調(diào)速范圍，更低的轉(zhuǎn)動慣量，更高的可靠性，耐用性和主要經(jīng)濟技術指標。而要使直流電機系統(tǒng)達到這些性能指標的必要條件是直流電機系統(tǒng)具有可靠，穩(wěn)定的直流電源。在工程設計中，往往需要在輸出功率一定的情況下得到大電流、小電壓或小電流、大電壓的穩(wěn)定直流電源。這就需要將2個或幾個大小相等的直流電源進行并聯(lián)或串聯(lián)，以得到所需要的直流電源。
    本系統(tǒng)中，要求直流發(fā)電機組能提供不同的電壓和電流，這就要求對直流發(fā)電機組進行串、并聯(lián)，而并聯(lián)不可避免會出現(xiàn)環(huán)流，那么在系統(tǒng)中，消除環(huán)流是本系統(tǒng)的重要工作之一。PLC控制的直流發(fā)電機組自動監(jiān)控系統(tǒng)能達到發(fā)電機組在各種工作方式下的性能要求。系統(tǒng)可以根據(jù)實際的需要，自由選擇適當?shù)墓ぷ鞣绞?，監(jiān)控系統(tǒng)的運行參數(shù)，減少環(huán)流，使它控制在可行的范圍內(nèi)，以滿足系統(tǒng)的各項性能要求。

1 系統(tǒng)構成
1．1 系統(tǒng)框架
    根據(jù)實際要求，系統(tǒng)采用圖1所示的系統(tǒng)架構圖進行設計?？刂葡到y(tǒng)主要由工控機，PLC，全數(shù)字直流調(diào)速裝置(CUD1)，發(fā)電機組(同步機(G1，G2)，直流發(fā)電機(GA、GB))4部份組成。其中，GA-G1-GB為1#發(fā)電機組，GA-G2-GB為2#發(fā)電機組。工控機通過以太網(wǎng)監(jiān)控PLC的輸入／輸出數(shù)據(jù)，PLC控制直流調(diào)速裝置。直流調(diào)速裝置通過調(diào)節(jié)直流發(fā)電機的勵磁電流來控制直流發(fā)電機，以輸出所需要的電壓、電流，最后得到實際所需的直流電源。發(fā)電機的輸出數(shù)據(jù)(電樞電流、電樞電壓)反饋至PLC進行誤差分析，有效地實現(xiàn)了閉環(huán)控制。

1．2 直流發(fā)電機組并聯(lián)環(huán)流分析
    兩臺參數(shù)一致的直流發(fā)電機并聯(lián)，當它們的輸出電壓相等時，并聯(lián)工作為最佳狀態(tài)，在這種情況下系統(tǒng)不會產(chǎn)生環(huán)流，并將穩(wěn)定運行。但實際系統(tǒng)中發(fā)電機由于制造工藝、材料等客觀原因，造成發(fā)電機參數(shù)存在差異，往往使得兩同軸發(fā)電機在相同勵磁電流下的靜態(tài)輸出電流并不相等，而是存在差異。圖2中將兩直流發(fā)電機等效為兩直流電源，其感應電動勢分別為E1，E2，其內(nèi)阻分別為R1，R2，其并聯(lián)輸出電流為Io，并聯(lián)輸出電壓為Uo。這里設定E1大于E2形成環(huán)流Is，并對電路進行分析。單個發(fā)電機的輸出電流由負載分量和環(huán)流分量組成，將負載分量定義為Io。
    對電路進行分析，可得以下關系：根據(jù)基爾霍夫電壓、電流定律，得：
   
    式中：E為感應電動勢；Ce為電動勢常數(shù)；n為轉(zhuǎn)速；φ為磁通；Kf為比例常數(shù)；If為勵磁電流。
    根據(jù)式(2)～式(4)可得：

    即只要使勵磁電流If1=If2即可保證環(huán)流為零。實際系統(tǒng)中，R1≠R2。式(5)中Ce，Kf1，Kf2，n，Uo是相對一定的，在既定的系統(tǒng)中是不可調(diào)的。故需要根據(jù)實際的需要來調(diào)節(jié)勵磁電流If1，If2的大小，以使環(huán)流為零，或使得環(huán)流在系統(tǒng)所允許的范圍內(nèi)。

2 系統(tǒng)設計
    使用STEP7對西門子PLC S7-300進行組態(tài)和編程，使用WinCC組態(tài)人機界面，對系統(tǒng)進行在線監(jiān)控。
2．1 系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式
    整個系統(tǒng)運行，首先需要經(jīng)過同步機的并網(wǎng)，用同步機拖動直流電機進行發(fā)電，根據(jù)需要輸出的電壓、電流要求，選擇不同的運行方式。本系統(tǒng)共有單機或串聯(lián)、先串聯(lián)后并聯(lián)、先并聯(lián)后串聯(lián)、三并聯(lián)、四并聯(lián)5種工作方式，通過對這5種方式的調(diào)控，輸出系統(tǒng)所需要的電壓、電流。并網(wǎng)后，當發(fā)電機組在不同試驗步驟中要求運行在五種工作方式中的一種時，需對五種工作方式的發(fā)電機組進行調(diào)節(jié)?；镜恼{(diào)節(jié)方式有單機調(diào)節(jié)和兩并聯(lián)調(diào)節(jié)。其中，單機調(diào)節(jié)適用于所有工作方式，兩并聯(lián)調(diào)節(jié)適用于所有有相應機組并聯(lián)的方式。
    (1)單機調(diào)節(jié)。單機調(diào)節(jié)是比較實際輸出電壓和給定電壓的差值是否大于系統(tǒng)標準，若大于則進行判別，確定增加還是減少相應的勵磁電流，使直流電機輸出的電樞電壓及其設定的電樞電壓差值保持在一定范圍內(nèi)，具體調(diào)節(jié)流程如圖3所示。

    系統(tǒng)啟動后，對給定電壓和實際輸出判斷，當實際輸出大于給定電壓ua(ua為系統(tǒng)設定的誤差允許值)時，再進行進一步判斷實際輸出是否大于給定電壓ub(ub為判定是用微調(diào)方式還是粗調(diào)方式的臨界電壓)，如大于ub則對勵磁電流進行粗調(diào)，如小于、等于ub，則進行細調(diào)。
    (2)并聯(lián)調(diào)節(jié)。并聯(lián)調(diào)節(jié)中，同一直流電機組中的直流發(fā)電機A，B并聯(lián)，雖然電機型號一樣，但由于制造工藝和材料的差異，輸出電壓會有所不同，進而形成環(huán)流。如果A機的輸出電樞電壓大于B機的輸出電壓，則A機電動勢大于B機，需要減少A機勵磁電流，增大B機的勵磁電流，反之，需要增加A機勵磁電流，減少B機勵磁電流，具體調(diào)節(jié)流程如圖4所示。

    系統(tǒng)啟動后，先進行單機調(diào)節(jié)，然后分別將兩發(fā)電機的輸出電流與并聯(lián)輸出電流的1／2進行比較，最后確定相應發(fā)電機的勵磁電流調(diào)節(jié)，以達到系統(tǒng)的要求。
2．2 系統(tǒng)工作方式
    直流發(fā)電機組運行為了輸出需要的電壓、電流，有單機或串聯(lián)，先串聯(lián)后并聯(lián)，先并聯(lián)后串聯(lián)，三并聯(lián)，四并聯(lián)5種工作方式。這5中工作方式的調(diào)節(jié)方式都是基于單機調(diào)節(jié)和并聯(lián)調(diào)節(jié)的。由于在先并聯(lián)后串聯(lián)，先串聯(lián)后并聯(lián)兩種工作方式中，其調(diào)節(jié)方式實際上就是單機調(diào)節(jié)和2并聯(lián)調(diào)節(jié)的2種特殊情況，這里不在作具體分析。在此重點分析三并聯(lián)和四并聯(lián)兩種工作方式。
    (1)三并聯(lián)工作方式。使用1#A、B，2#A，三并聯(lián)形成環(huán)流如圖5所示。

    三并聯(lián)調(diào)節(jié)方式要進行2個調(diào)節(jié)步驟：1#A，B并聯(lián)調(diào)節(jié)；三并聯(lián)時，各機1#A(I1)、1#B(I2)、2#A(I3)需單獨將自身電樞電流與總電流的1／3進行比較，來確定增、減勵磁電流使電樞電流平衡，具體調(diào)節(jié)流程如圖6所示。系統(tǒng)啟動后，先進行單機調(diào)節(jié)，再進行1#機組的并聯(lián)調(diào)節(jié)，然后分別將3個發(fā)電機的輸出電流與并聯(lián)輸出電流的1／3進行比較，確定相應發(fā)電機的勵磁電流的調(diào)節(jié)。

    (2)四并聯(lián)方式。四并聯(lián)方式(使用1#A、B，2#A、B)，其連接和環(huán)流形成示意圖如圖7所示。

    四并聯(lián)調(diào)節(jié)電樞電流平衡，要進行2個調(diào)節(jié)步驟：
    (1)1#A，B；2#A，B并聯(lián)調(diào)節(jié)；
    (2)各機組1#A(I1)，1#B(I2)，2#A(I3)，2#B(I4)需將自身電樞電流與總電流的1／4進行比較，來確定增、減勵磁電流使電樞電流平衡，具體調(diào)節(jié)流程如圖8所示。

3 人機界面設計
    本設計中，利用WinCC完成系統(tǒng)的人機界面設置。WinCC操作界面由5部分組成：系統(tǒng)主界面，工作方式界面，1#機組操縱界面，2#機組操縱界面，報警界面。
    (1)系統(tǒng)主界面。系統(tǒng)主界面主要由系統(tǒng)工作方式、發(fā)電機組的選擇以及報警界面的選擇組成。其框架圖如圖9所示。

    (2)工作方式界面。工作方式界面由2個發(fā)電機組的工作方式設定組成。能夠?qū)?個發(fā)電機組的工作方式進行設定以滿足系統(tǒng)的實際需要，其框架圖如圖10所示。

    (3)機組操縱界面。這里以機組1#為例，其界面截圖如圖11所示。

    通過機組操縱界面可以對同步電機的驅(qū)動電壓、輸出電流大小和頻率，兩直流發(fā)電機的輸出電流、電壓，兩直流發(fā)電機的勵磁電流、電壓進行監(jiān)控。同時通過操縱界面還可以對直流發(fā)電機組電壓進行設定，和對同步電機和兩直流發(fā)電機的勵磁電壓、電流進行調(diào)節(jié)。
    (4)狀態(tài)與報警界面。系統(tǒng)的報警界面由各電動機的故障報警、熔斷器狀況、運行狀況、串并聯(lián)保護、斷路器狀態(tài)和控制方法選擇組成，其界面截圖如圖12所示。

4 結語
    經(jīng)試驗調(diào)試后，PLC控制的直流發(fā)電機組自動監(jiān)控系統(tǒng)被投入工廠運行。實際生產(chǎn)證明其能提供所需的穩(wěn)定直流電源。系統(tǒng)運行結果表明，系統(tǒng)環(huán)流控制精度高，運行穩(wěn)定，故障率低。系統(tǒng)控制操作簡單，系統(tǒng)能對發(fā)電機組運行狀態(tài)進行及時地監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，發(fā)電機組的功率比得到提高，節(jié)能效果明顯。