西门子6ES7221-1BF22-0XA8技术数据

通过对应急发电机自启动要求的分析，结合装备现状、配电系统的设计要求，利用PLC（可编程控制器）改造现有设备的优势，提出了详细的设计思路和方案以供参考。 

关键词：PLC 应急发电机 方案 配电系统 
　　通过对应急发电机自启动要求的分析，结合装备现状、配电系统的设计要求，利用PLC（可编程控制器）改造现有设备的优势，提出了详细的设计思路和方案以供参考。
　　通常传统发电机控制采用落后继电接触器控制方式，中间继电器和时间继电器太多，体积大，功能少，寿命短，线路复杂，接点多，造成故障多可靠性差，维修困难；而采用微电子技术由于集成电路（IC）的系统芯片种类繁多，体积大，设计周期长，费用低，工艺复杂，抗干扰性差，可靠性差；而可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，综合了计算机技术、通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用。
　　应急发电机组用PLC控制有很多优点，它主要通过软件控制，从而省去了硬件开发工作，外围电路很少，大大提高了系统的可靠性与抗干扰能力；由于它简单易行的可编程序功能，无须改变系统的外部硬件接线，便能改变系统的控制要求，使系统的“柔性”大大提高。

主要设计功能
　　在生产过程中突然停电，应急发电机立即给设备继续供电。应急电源原动机一般采用一台独立冷却和供油系统的柴油机，并设有自启动装置，保证在主站失电后0-50秒内启动，应急电网通常为主电网的一部分，在正常情况下，这些用电设备由总配电板供电，只是在应急情况下由应急发电机组供电，因此在应急配电板上的应急发电机主开关与主开关向应急配电板供电的开关之间设有电气联锁，以保证安全。
　　应急发电机组作为一个应急电源，应具备以下基本要求：
1、自动启动
　　 当正常供电出现故障(断电)时，机组能自动启动、自动升速、自动合闸，向应急负载供电。
2、自动停机
　　当正常供电恢复，经判断正常后，控制切换开关，完成应急电到正常电的自动切换、然后控制机组降速到怠速、停机。
3、自动保护
　　机组在运行过程中，如果出现油压过低（小于0.3MP）、冷却水温过高（大于95度）、电压异常故障，则紧急停机，同时发出声光报警信号，如果出现水温高（大于90度）、油温高等故障。则发出声光报警信号，提醒维护人员进行干预。
4、三次启动功能
　　机组有三次启动功能，若次启动不成功，经10秒延时后再次启动，若第二次启动不成功，则延时后进行第三次启动。三次启动中只要有一次成功，就按预先设置的程序往下运行；若连续三次启动均不成功，则视为启动失败，发出声光报警信号（也可以同时控制另一台机组起动）。
5、自动维持准启动状态
　　 机组能自动维持准启动状态。此时，机组的自动周期性预供油系统、油和水的自动加温系统、蓄电池的自动充电装置投入工作。
6、具备手动、自动两种操作模式。

控制系统的硬件设计
　　 应急电源多采用135系列的柴油机组，下面就以此为例用PLC实现对柴油机自启动的控制。
电路分析
　　 设计说明：控制面板上有“手动/自动”选择旋钮， “启动”、“加速” 、 “减速、”“合闸”、“分闸”按钮，柴油机上加装接近开关(旋转编码器),用于测速度，加装油门电机用于控制柴油机转速，加装电磁铁用于停机熄火，电压检测、水温、油压都是外部开关信号。
　　 一次启动过程：正常电失电后，经5秒确认，“启动电机”启动4秒钟，如柴油机发火运行，则接近开关(旋转编码器)测到柴油机达到启动转速，PLC立即停止“启动电机”。柴油机怠速30S后开始根据接近开关的信号加速，直到稳定转速，发电机开始发电，电压正常后合上主开关向负载供电。运行中PLC自动稳定转速。 　　      三次启动过程：若一次启动未成功，则接近开关(旋转编码器)测到柴油机达不到启动转速速度，并在5秒后测不到柴油机转速，由PLC内部的定时器来进行控制进行再次启动，以10秒作为一个周期，三次启动时间约30秒，32秒后输出报警，如启动中接近开关(旋转编码器)测不到柴油机达转速，则直接启动失败。
　　启动失败及柴油机组停机：启动失败后，电磁电把油门拉回到“停机”位置，当正常电恢复时，PLC发出分闸信号并由油门电机减速到怠速60S后，电磁电将油门拉回“停机”位置，柴油机缺油熄火。
　　并可根据用户需要增加小型人机界面，以文字﹑指示灯﹑图案等形式显示柴油机的各种数值及状态。并可通过其面板的按钮改变柴油机的数值及状态。可修改有与时间有关的参数，对输入的数据进行范围设定，超出范围的数据拒绝输入。可以对柴油机的各种故障以文字形式显示以便于查找故障，如三次起动失败，转速高，缸温高，市电供电等等。带密码保护功能，可以防止非授权用户更改重要数据和开关量。

机组--自控的特点
（1）机组由柴油机发电机组和中心控制柜组成，可以单机单柜、双机单柜或联网自动化控制（无人值守）。
（2）控制柜的核心是可编程序控制器（PLC），通常选用选用北京凯迪恩公司CPU306小型可编程序控制器，运行可靠，质量稳定。
（3）充分利用PLC的指令和功能编制程序，尽量减少外围控制元器件和接口，电路简单，操作方便，便于维护。
（4）利用PLC的高速计数器功能，准确测出机组转速，不采用原来的测速发电机、转速表，避免了安装困难并提高了可靠性。
（5）控制器采用直流24V供电，并配备先进的高频开关式直流充电设备，可对蓄电池进行浮充电，保证控制柜直流供电。
（6）PLC中的EPROM（只读存储器）可固化程序，使原程序长期不丢失。
（7）利用PLC的通信功能可实现近程、远程集中监控。

技术要求：

采用旋转编码器比接近开关性能效果更好。

接近开关技术要求：

　　螺纹式接近开关检测距离10mm±10%工作电压DC型：10-30VDC   三线型响应频率400Hz

　　接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。
根据所需的输入/输出点数选择PLC机型
　　 根据自动化机组的控制要求，所需PLC的输入点数为14个，输出点数为10个。系统的控制量基本上是开关量，只有电压是模拟量，为了降低成本，可以通过检测电路把模拟量转换成开关量、如电压监测可以用电压保护器代替。这样可以选用不带模拟量输入的PLC。对于小型发电机可不加装油门电机用于控制柴油机转速。本系统选用北京凯迪恩公司CPU306小型可编程序控制器，可靠性高，体积小，输入点数为14个，输出点数为10个。电源、输入、输出电压均为24VDC。
分配PLC输入输出
　　根据自动化机组的控制要求和电气原理图，PLC输入、输出信号分配表见表1。

表1输入/输出分配表

注： I全为直流24V输入Q为无源触点输出（24V3A）1表示接通0表示断开

　　电路设计见附录1所示：（Autocad2004打开）

　　发电机时序图见附录2所示：（Autocad2004打开）

　　发电机PLC源程序见附件：（从北京凯迪恩自动化技术有限公司网站下载新版EasyProg软件打开）源程序是加装接近开关，柴油机每转发出6个脉冲信号，柴油机每分钟1000转，0.5秒一个周期测速，如采用旋转编码器则0.1秒一个周期测速，效果更佳。

结论
　　采用PLC控制的自动化柴油发电机组，硬件结构简单，成本低廉，响应速度快，性能、价格比很高，和单片机系统相比具有极高的可靠性。经现场使用考验，性能稳定，运行可靠。另外还可以根据实际需要很方便地进行扩展。程序稍作修改，就可以满足用户不同的控制要求，对于现代智能楼宇，控制系统还可以通过通讯模块纳入到整个楼宇的监控系统之中，体现出极大的灵活性和适应性，具有极高的实际推广价值。

    长期以来，PLC始终活跃于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因在于，它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化应用的需求。
      随着PC及因特网时代的到来，工业PC或PC-based控制器由于可以完全融入到网络时代的信息系统中，具有网络系统的基本特性，即具有高性能、低价格、系统开放、丰富的人才基础等优势，因此PC-based控制器一经出现就具有很强的生命力，发展极为迅猛。有观点说，PC-BASED控制器将取代传统PLC，当然首先必须解决可靠性及编程问题。近几年来，这些问题已基本得到解决，PC-based控制器从外观到可靠性也都开始可以与PLC相近。在编程方面，由于IEC61131-3编程语言标准的推出和广泛采用，为PC-based控制器的高速发展铺平了道路。这样，PC-based控制器不仅具有PC的优势，也具有传统PLC的优势。它可无缝地融合到网络时代的信息系统中。

    那么，PC-based一定会取代PLC吗？二者应用于包装生产线时，它们各自发挥着何种不同的作用？让我们听听来自三位专家的看法。
    在自动控制领域，PLC技术和PC-based技术是当前比较具有代表性的控制技术，两者的技术起源和发展有较大的差异。
    PLC（Programmable Logic Controller）产生于上世纪70年代初。早的PLC是以替换继电器系统的角色出现，其主要实现的功能仅仅是逻辑简单的顺序控制功能。PLC一经出现，就以其高可靠性、小体积和直观的编程模式而显示出强大的生命力，成为自动控制领域的“明星”。   　　
    PC-based是一种基于PC技术的控制系统。早的PC-based控制系统是以工控机为核心，通过扩展带PCI接口的专用板卡组成。PC-based借助于IT技术的发展，在运算、存储、组网和软件开放性方面具有优势。
    从以上的阐述可知，PLC和PC-based两者在技术特点上存在明显区别。PLC具有体积小、功耗低、抗干扰能力强；具有很高的可靠性，其平均无故障率时间间隔（MTBF）可达50万、甚至100万个小时；具有简单直观的编程模式（如梯形图）；具有内部实时时钟。而PC-based具有大运算能力；具有开放标准的系统平台和PCI接口；精美且低成本的显示技术；丰富的组网能力。但系统的可靠性略差，如性能较好的IPC的平均无故障时间间隔约5万小时。此外，PC-based虽然具有很强的CPU，但其多任务操作系统是非实时的，所以程序的循环周期反而没有高性能的PLC快。
   
    这些差异决定了PLC和PC-based两者在包装机械上发挥不同的作用。PLC通常处于设备底层，为设备提供可靠的、实时的控制，包括IO和Motion方面的控制。而PC-based通常处于设备的操作层，用于数据的采集、存储和人机界面显示等。就目前国内的包装机械的发展水平来说，与国际领导厂商相比还存在较大差距，拥有高度自动化和大型化的成套包装机械设计、生产能力的厂商不多。控制简单、自动化程度较低的单机设备占主流，所以基本都采用PLC作为控制器。    
      随着中国包装技术的飞速发展，未来包装设备的控制器应该能够融合PLC和PC-base两者的技术优势。事实上现代控制技术发展的确呈现出这种趋势，如贝加莱公司的B&R 2005系列PCC控制器就是这种发展趋势的杰出代表。这种融合了PLC和PC-based的控制器，其技术优势是非常明显的，势必成为未来包装机械自动化的主流控制器。
     尽管PLC和PC-based均可用于包装设备自动化，但二者的侧重点有所不同。PLC更适合于设备控制，而PC-based更多地用于设备运行状态的监视。相对于PC-based而言，PLC具有配置灵活、体积小、适应恶劣环境、抗干扰性强、可靠性高等优点，但在软件功能及系统开放性等方面比PC-based稍差。当然，随着计算机技术和控制技术的不断发展，PLC和PC-based都在吸收对方的优点，以适应更多的应用现场。就我所了解的情况而言，PLC在包装设备中的应用远远多于PC-based在包装设备中的应用。
    凭借十几年工业控制产品的开发经验和雄厚的技术积累，和利时公司研制出新一代小型一体化PLC产品HOLLiAS-LEC G3。该产品已在各类包装设备中成功应用，应用案例包括DXD自动包装机、挂面包装机等。应用G3 PLC控制的DXD全自动包装机集送料、制袋、填充、封切等包装工序于一体，具有电眼跟踪、PLC控制、无级变速纠偏等功能，计量jingque，符合行业标准，具有性能稳定、操作方便、运行效率高等优点。
      随着包装设备自动化需求的不断增多，越来越多的包装设备厂商考虑在其设备中配备先进的自动化产品，以提高产品的技术含量，提升市场竞争力。个人认为，在通用设备中，用户更倾向于采用PLC加HMI的方式对包装设备进行控制。在部分具有特殊需求的设备中，一部分用户也可能会采用PC-based作为自动化解决方案，或者用PLC加PC-based的解决方案。就产品的可靠性、稳定性、灵活性、性价比等方面考虑，PLC在包装设备自动化领域比PC-based具有更广阔的应用前景。 
      PLC又叫做可编程控制器。从传统意义上讲，它主要应用在逻辑控制，顺序控制及时序控制等相对比较简单的工业控制场合。它具有体积小，编程简单实用，安装方便灵活等优点。缺点是处理速度慢、扩展不够灵活，各个厂商的编程语言不同等。    
      随着PC-BASED的工业计算机（简称工业PC，与普通的计算机相比，它具有防尘、防振、抗电磁、耐高低温等优点）的发展，以工业PC、I/O及监控装置、控制网络组成的PC-BASED的自动化系统逐渐成为工业自动化的另一种实现方式。PC-BASED自动化系统源于PC，可完全融入到网络时代的信息系统中，具有高性能、低价格、系统开放、丰富的人才和应用基础等优势。
      对于一般的包装设备，如袋成型/填充/封口机、饮料灌装机等等，主要用到的是逻辑，顺序及时序等控制。西门子公司的S7-200和S7-300系列PLC广泛地应用于这一类包装机。
      如某个场合不仅要有逻辑、顺序及时序等控制，还要有强大的计算、数据处理和过程控制，PLC则很难胜任。如一条可生产上百种产品的食品加工和包装生产线，需要大量的配方存贮与调用。普通的PLC受内存的影响，很难完成此任务。在类似这种场合，SIEMENS基于PC的工业自动化控制系统WinAC是非常合适的产品。通过适当的二次开发，还可实现设备运行状态动态显示；电气参数、工艺参数、实时显示；实时曲线显示、历史曲线显示、大型动态标准数据库，提供年报表、月报表、日报表和随机打印报表的功能。
    当前基于PLC的控制系统仍占主导地位，这和包装机械的整体水平有关。目前国内包装机械的状况是单机的自动化应用多，整条包装线联网的少，全厂或全公司联网控制的更少。随着经济的发展，MES和ERP的普及，PC-BASED控制系统会越来越多地被采用。
      PLC目前较多地应用于工业控制，因为它有较高的稳定性和可靠性。兼有PLC和PC的优势，在网络化和信息时代，它更符合时代的潮流。这样看来，在工业控制和信息管理要求日益提高的情况下，PLC确实将逐渐失去部分市场；但我们还应看到，PLC生产商早已经开始利用IT业的一些新的软硬件成果不断完善和扩充PLC的功能。PLC上现场总线、通讯和网络接口的出现，使得一个个PLC不再是孤立的。PLC将继续向开放式控制系统方向发展，使现代意义上的PLC具有新的内涵。实际应用中常常是PLC和IPC结合在一起，PLC在下位，IPC在上位。从技术上看，PLC在逐渐采用一些IT技术，IPC也在向PLC的某些特性靠拢。PLC和PC-BASED控制系统将呈现融合和竞争并存的状况。

 1 引言
      在国内，小水电综合自动化正日益得到重视，因为传统落后的控制方式使每个小水电都不得不依靠值班人员在现场运行，不仅浪费人力物力资源,而且不利于小水电的大量开发。本控制装置是专门为中小型水轮发电机组自动控制而设计的。这一系统充分考虑了我国目前小型水电站操作的特点，替代原继电接触器控制系统，已在我院模拟电站运行良好。下面以混流式机组为例，机组配用T-100型调速器，简要说明用PLC实现水轮机组自动控制的过程。

2 设备工艺特点及控制要求
2.1 电站的自动控制工程内容
(1) 发出命令脉冲以后，机组的起动、并网、调节负荷、停机，发电转为调相运行及调相转发电运行等操作，都需自动完成;
(2) 能自动保持机组的正常工作条件，如速度调整和励磁调整，轴承的润滑和冷却，调相的压水等等;
(3) 水轮机前闸门及机组附属设备和公共设备的自动操作;
(4) 机组发生事故时，自动停机并将机组从系统中切除;当机组发生不正常状态时，自动发出报警信号，并采取预定的措施以恢复正常工作。
2.2 机组控制流程
      机组的自动控制包括机组润滑系统、冷却系统、制动系统及调相压水系统的自动控制，机组的启动、停机，机组由调相转发电、由发电转调相等工况的转换，机组的保护与信号等。
下面分别给出机组起动、停止、发电转调相操作程序框图，如图1、2、3所示。

图1 机组起动操作程序框图

图2 机组正常停机操作程序流程图

图3 机组由发电转调相操作程序流程图

3 系统设计
3.1 硬件设计
(1) 输入和输出点分配及辅助继电器M的安排见附表所示。

附表 输入和输出点分配及主要辅助继电器M的安排表

根据I/O的使用点数，并考虑将来的发展需要，确定采用三菱FX2N-128MR型PLC。
(2) PLC接线图
      对于PLC接线，见图4。PLC的输入点一律用常开触头，负载统一采用110V直流电源。调相水位信号装置41DSX及导水叶剪断销信号装置41JDX需另接220V交流电源(此部分电路略)，将其接点接入PLC的输入点。取消频差继电器CLJ的比较回路，其接点用开关模拟替代。

图4 PLC接线图

3.2 程序设计
梯形图程序如图5所示。

图5 梯形图(a)

图5 梯形图(b)

图5 梯形图(c)

4 结束语
      PLC用于模拟小型水电站水轮机组自动控制系统运行以来，其性能比原来的继电接触器式控制优越得多。同时由于操作方便，安全可靠，各种信号显示直观，故障率大大降低，几乎实现了控制系统lingguzhang。该装置有良好的开拓市场。