西门子模块6ES7222-1EF22-0XA0型号齐全
1. 引言
发电机是电力系统的重要组成部分，它的可靠运行对于保证电力系统的稳定具有重要意义。发电机故障录波装置所记录的数据为工作人员正确分析发电机故障原因，研究事故对策，及时处理事故提供了可靠的依据，同时，根据故障录波数据还可以分析系统的故障参数、各电气量的变化规律，进行故障定位等，这些对于保证电力系统的安全可靠运行起着十分重要的作用。可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）作为工业控制专用的计算机，由于其结构简单、性能优良，抗干扰性能好，可靠性高，在机械、化工、橡胶、电力等行业工业控制现场已日趋广泛地得到应用，成为工控现场进行实时控制的主要的控制装置。本文介绍一种利用可编程控制器和扩展模拟量模块实现发电机故障录波的方法。
2. 系统的组成和工作原理
系统的组成框图如图1所示,由上位计算机和1套PLC测控系统组成。PLC通过外部变送器、互感器与发电机组相连，发电机机端电压U、定子电流I为三相交流电，分别经电压互感器（PT）和电流互感器（CT）转换成三相100V、5A的二次信号，发电机转子励磁电流经过分流器RS转换成75mV信号，再经过三相功率（含有功、无功）变送器、三相电压变送器、直流电流变送器转换成与其成比例的0～10V电压信号后输入到PLC的模拟量模块。模拟量经过A/D转换，然后根据互感器、变送器的变换比例计算出机端电压U、转子电流If、有功功率P和无功功率Q的等机组运行量。PLC每隔20毫秒采样一次，每40毫秒将采样的数据保存到故障数据区中。当发生故障后，PLC记录下故障发生以后的13秒数据，故障数据记录过程结束。当PLC接收到上位机发送来的传送命令时，PLC将记录的故障数据通过串口通讯传送给上位机。上位机将数据完整的接收下来，经过数据处理显示出机组运行量U、If、P、Q、Ug（电压给定）在故障前7秒、后13秒的波形曲线，这样就可以对发电机故障进行分析了。在本系统中，PLC选用SIMATIC S7-226;模拟量模块选用与S7-226配套的产品EM235;PLC与计算机之间通过PC/PPI电缆连接以串行方式进行通讯。
图1 发电机故障录波系统框图
3. 下位机程序设计
PLC属于下位机，其程序共分为3个模块，它们是初始化子程序、录波子程序和通信子程序。以下将分别说明各模块的设计思想。
3.1 初始化子程序
初始化子程序包括初始化自由口通信参数，设置接收命令RCV启动和结束条件，数据指针赋初值，连接20ms采样、接收和发送中断。
3.2 录波子程序
录波子程序在20ms采样中断中调用，负责记录机组运行量U、If、P、Q、Ug在故障前7秒、后13秒的数据。
在PLC中定义一个连续的数据区VW4000～VW8998，用来保存故障数据。每个运行量的数据占用1000字节的数据块，地址分配如下，U：VW4000～VW4998 If：VW5000～VW5998 P：VW6000～VW6998 Q：VW7000～VW7998 Ug：VW8000～VW8998。
录波子程序每隔40毫秒将采样的数据送到各自的数据块中。为每个数据块定义一个数据指针，其初始值分别指向各数据块的首地址。每传送一次数据，各指针向下移动2字节。故障前7秒数据（350字节）是循环记录的，即如果在故障到来之前数据已存满，各数据指针将重新指向数据块的首地址。定义指针index用来记录20秒故障数据开始的位置。当故障到来时，数据指针指向故障后13秒数据（后650字节），此时指针index将前7秒数据分为前后两部分，正确的顺序是将前后两部分交换过来。当后13秒数据记录完后，录波子程序结束。程序流程图如图2所示。
3.3 通信子程序
通信子程序负责与上位机通信，将存储在数据区的故障数据通过串口分批传送给上位机。上位机每发送一次传送命令（用整数255表示），PLC在接收中断程序中判断收到的字符是否为传送命令，如果是则将传送命令标志M6.0置位并且在主程序中调用通信子程序。
定义指针tran_pointer用来指向待传送数据的首地址，其初值为&VW4000，即指向数据区首地址。定义变量count用来记录传送的次数。在通信子程序中，首先停止自由口的接收，然后将以指针tran_pointer为首地址，大小200字节的数据传送到发送缓冲区中，接着用发送命令通过串口发送出去。每发送一次数据，将指针tran_pointer向下移动200字节，变量count值加1， M6.0复位。当上位机发送完第26次传送命令时，PLC中数据区VW4000～VW8998的5000个字节已发送完毕，再将额定电压、额定电流、额定有功功率、额定无功功率和指针index发送出去， count值清零，指针tran_pointer重新初始化，M6.0复位。至此，一次完整的故障数据传送过程结束。
图2. 录波子程序流程图
4. 上位机程序设计
上位机程序设计是以Visual Basic 6.0 为平台，利用MS Comm控件，以事件驱动方式实现计算机与PLC之间串行通讯，完成数据间的交换。上位机程序包括用户界面设计、通讯和数据处理程序、显示程序等。
4.1 用户界面设计
本系统中，设计了两个窗体（bbbb1和bbbb2）。其中bbbb1为主界面，bbbb2为波形显示界面。在bbbb1中设计了一个MSComm控件、一个定时器控件（Timer1）和两个按钮控件（Command1和Command2）。其中Command1是开始按钮，即按下时开始和PLC通讯，读取其中的数据。Command2是显示按钮，即按下时调用窗体bbbb2，显示每个运行量的波形曲线。在bbbb2中设计了一个图片框控件（Picture1），用来显示图形。
4.2 通讯和数据处理程序设计
设置Timer1 的Interval属性等于500，MSComm的bbbbbMode属性为二进制方式，RThreshold属性等于5010。定时器每隔500毫秒发送一次传送命令，当发送到第26次时，关闭定时器，这时接收缓冲区将收到5010个字节的数据并触发MSComm的OnComm事件。在OnComm事件子程序中，将接收缓冲区中的数据依次分配到全局数组U_data、If_data、P_data、Q_data和Ug_data中，再根据各运行量的额定值计算出百分比值。各个数组的前350字节需要根据指针Index进行调整，具体方法是将数组下标范围Index～349的数据移到前面，下标范围1～Index-1的数据移到后面。
4.3 显示程序设计
在窗体bbbb2的装载事件bbbb_Load中编写图形显示程序。首先在图片框控件Picture1中设置自定义坐标系。设置ScaleMode属性值等于3，即以象素为度量单位。然后在该坐标系下画出坐标轴。X轴以秒为单位，曲线上两点间的时间间隔是40毫秒，换算成象素等于1.47。Y轴以百分比为单位，每个单位刻度换算成象素等于2.1。后根据数组U_data、If_data、P_data、Q_data和Ug_data分别画出相应运行量的波形图。以机端电压波形为例，给出编写的程序如下：
Picture1.DrawWidth = 1 ‘线宽为1
Picture1.CurrentX = 0 ‘指定当前坐标的位置
Picture1.CurrentY = U_data（0） ＊ 2.1
For i= 1 To 499 ‘画出曲线
Picture1.Line -（1.47 ＊ i, U_data（i） ＊ 2.1）, vbBlue
Next i
5. 系统的运行与实验结果
在系统运行前，要对PLC的通讯参数进行设置，包括波特率、校验方式、数据位位数和停止位位数等，此设置要和上位机一致。在S7-226中使用自由口模式和上位机进行串口通信时，可以通过特殊寄存器SMB30（端口0）或SMB130（端口1）来设定。下面以发电机空载停机实验为例说明系统的运行过程。
当发电机在正常空载下停机时，PLC检测到停机信号，将故障标志置位，然后记录下停机后13秒的数据。运行上位机程序，在主界面上按下“传送”按钮后，上位机开始读取PLC中数据。等到程序提示“数据传送完毕”后，按下“显示”按钮，将弹出“波形显示”窗口如图3所示。从图中可以看出，该曲线较好的反映了发电机停机前后机端电压、励磁电流的变化。
图3 波形显示窗口
6. 结束语
此系统已经成功应用于中、小型同步发电机励磁系统中，通过发电机的动态模拟实验和实际中的应用来看，该系统性能可靠、操作方便、界面友好，能够较好地满足电力系统对于故障记录、故障分析的需要。
一般情况下，采用微机控制或以微处理器为内核的工业嵌入式发电机励磁调节器较容易实现发电机运行参量的故障录波，采用PLC作为发电机励磁调节器的硬件平台，具有应用成本低、运行可靠性高但程序设计难度大的特点，其内部成功地嵌入发电机重要运行参量的故障录波具有较大的实用价值，尤其适用于目前大量开发的中小型水力发电站的水轮发电机组，对于保证发电机组的安全、稳定、可靠运行具有重要的意义
1 引言
目前，我国对大型锅炉的给水与蒸汽质量指标要求十分严格，因而需要对炉水品质连续监控。测量pH值大多采用传统的PID控制算法.但在反应过程中，因其中和点附近的高增益使得难以调整传统PID控制器参数。因此只能采用很小的比例增益，否则系统不稳定，而比例增益过小，又将使系统的动态特性变坏。对于锅炉给水加药测控装置，已经实现了加药系统的自动化，但无自动配药设备，仍需根据汽水实验室的化验结果人工配药，这样不仅工作强度大，而且所加的氨、联胺均属有剧毒易挥发物质，会给操作者造成严重危害，并导致环境污染。为此，提出变增益三区段非线性PID和积分模糊控制（IFC）算法的两种新型pH值控制法。通过对带有时滞的pH值中和过程进行数字仿真，结果表明，这两种控制算法均具有鲁棒性强，响应速度快和控制精度高的特点，尤其是IFC算法能克服pH值中和过程中的较大时滞。通过在某电厂的实际应用，已实现了锅炉给水配药、加药系统的全自动控制。
2 pH值控制方法的研究
2.1 常规PID控制
PID控制是按偏差的比例（P—Proportional）、积分（I—Integral）和微分（D—Derivative）线性组合的控制方式。图1为常规的PID控制系统。其中，r为参考输入信号;PID为控制器;P为被控对象模型;d为干扰量;e（k）为系统误差;u（k）为控制量;pH（k）为被控过程输出量。由图可见，常规PID控制中的比例作用实际上是一种线性放大或缩小作用，很难适应酸碱中和过程中被控对象非线性的特点。
2.2 变增益三区段非线性PID控制
将pH值变化按拐点分为：一个高增益区和两个增益系数不同的低增益区。高增益区控制器采用较低增益;低增益区控制器采用不同的高增益，以满足系统期望的性能指标。此外为防止积分饱和，采用带死区和输出限幅的PID控制算法。
2. 3 模糊控制
模糊控制算法概括为：根据本次采样得到的系统输出值，计算出输入变量;将输入变量的jingque量变为模糊量;根据输入变量（模糊量）及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量（模糊量）;由上述得到的控制量（模糊量）计算jingque的控制量。
3 电厂锅炉给水加药控制系统
某发电厂共有4台300 MW的发电机组，分为两个单元，一单元为1#、2#机组，二单元为3#和4#机组。每个单元加药计量泵包括锅炉补给水（生水经各种水处理方式净化后.用于补充火力发电厂的汽水损失）和炉水两种用水。现以二单元为例，加药系统采用两用一备共3台加药计量泵，即3#和4#机组各用l台加药计量泵，当其中l台出现故障时切换到备用泵。在该系统中通过检测pH值来控制炉水中磷酸盐的加入量，pH值要求控制在914～9.78，当其中1台机组的pH值低于9.4时，启动相应机组的加药泵。此时，磷酸盐加药箱内的磷酸盐溶液经过管道（管道上的阀门都为手动阀，正常时为打开状态）被泵入相应机组的除氧器出水管加药点。若3#机组的加药计量泵出现故障，则打开备用泵与其相连管道上的阀门，备用泵接替3#机组的加药计量泵，为3#机组的炉水加药;4#机组亦然。由于炉水中加入了适当的磷酸盐及氢氧化钠，可tigao炉水的缓冲性能，并有利于维持炉水pH值的稳定性，从而防止锅炉水冷壁的结垢和腐蚀。
该系统将炉水水样经过减温减压装置引入磷酸表及pH表探头进行测量，经过模拟量转换，再经控制系统PID运算后控制变频器输出，控制加药泵转速，从而实时控制炉水的加药量，使炉水的磷酸根浓度与pH较好地保持在合格的范围内。图2给出其控制流程图。该控制分为调节器、执行器、被控对象及变送器4部分。其中，调节器由S7-200 PLC和相应控制软件组成;执行器由变频器、电机和计量泵组成;被控对象为炉水;变送器采用分析仪表，即pH表。
3.1 控制流程
图3给出3#机组的炉水加药控制系统。该系统从在线分析仪表（磷酸根表、pH表）中提取4～20mA信号，根据运行工艺参数和确定的数学模型进行窗口式PID复合运算，中间结果送变频器，控制加药泵加药量以实现加药的自动闭环调节。
3.2 控制系统组成
该控制系统选用上位机软件WinCC+西门子PLC的组合方案。PLC系统通过PorfiBus总线方式与上位机WinCC连接。如图4所示。其中上位监控部分由工业计算机（WinCC）来完成。监控工作人员可通过CRT实时监控系统的运行状况.设定或修改系统的运行参数，同时通过CRT远程软件控制系统运行。上位工控机进行数据处理和管理，并与MIS系统等联网。上位机可对控制器进行组态，组态范围包括控制器的网络地址和时间、选择控制算法、设定算法参数、设定控制量的设定点、选择算法中输入量及输出量的通道等。下位控制部分由安装在现场的一套可编程控制器（PLC）来完成。它是自动加药控制系统的核心，用于采集相应的水质数据。由于化学加药系统具有纯滞后性质，会导致控制作用不及时，引起系统产生超调或振荡，而利用计算机可方便实现滞后补偿。采用改进的数字PID控制算法和模糊控制算法，使控制器利用输出控制信号调节现场的交流变频器，进而控制电机的转速，以调节加药泵。电气部分的控制方式设计为远程和本地两种，以实现手动/半自动/自动三种功能，后两种功能由上位机切换。
4 IFC算法的滤波处理应用
控制系统中.滤波程序的基本原理是在周期内连续采样5个数值，并求出其平均值采集当前值，并求出采集值与平均值的差值△=Xi一X;若|△|>0.2，则舍弃Xi，取X=0.2作为按实际情况设定的信号波动范围值;若|△|≤0.2，则Xl出栈，X2替换X1，X3替换X2，X4替换X3，依次递推。用当前采样的X6替换X5，然后用这5个新数值再求X，进行比较，如此循环执行该程序即可实现滤波功能。图5为采用滤波程序后，放大了的pH值趋势，由此可见，滤波效果良好。图6给出控制操作界面图。
5 结语
实践证明.基于PLC的化学自动加药控制系统可灵活满足各类化学加药系统的在线监控。该系统投运以来，运行稳定、可靠、锅炉及辅机设备能全面实现自动调节，达到了预期效果，解决了以往手动控制难保证水质指标稳定的问题，减轻了运行人员的工作强度，得到。
二、系统结构：
控制系统以Haiwell（海为）PLC为核心元件，上位机由组太王6.50软件、视频监视卡组成
采用MT506L触摸屏、VFD-B/F系列变频器，利用Haiwell（海为）PLC的主机自带的RS485通讯端口控制5台变频器，完成鼓风机、引风机、进煤系统、输煤系统、水泵系统的控制，利用PLC的PORT1完成与MT506L的通讯，由于Haiwell（海为）PLC具有强大的通讯功能，可以非常方便的扩展通讯端口，利用扩展端口完成与上位机的通讯。
电气自动控制系统包括如下部分：
1） 异常情况报警：高限报警、高高限报警、低限报警、低低限报警、锅炉超负荷报警、锅炉超压报警、变频器通讯质量报警、电动机接地、电动机缺相报警、电动机超载、变频温度过高报警等
2）过程参数测量： 沸上温度、沸下温度、沸中温度、燃尽室温度、旋风室温度、出气温度测量、进水温度测量、上水压力测量、上水liuliang测量、上汽包压力测量、上汽包液位测量、炉膛负压测量、引风负压测量、鼓风压力测量、蒸汽liuliang测量等
3）自动控制系统：
上汽包液位控制、鼓风压力控制、引风负压控制等
4）电气系统
鼓风机、引风机、进煤系统、输煤系统、水泵系统、除尘器控制系统
三、电气控制系统的特点：
由于系统采用了Haiwell（海为）PLC，具有编程简单、硬件系统稳定可靠、通讯功能强大，非常轻松地完成了PLC与变频器、人机屏、和上位机的通讯控制。
