西门子6ES7253-1AA22-0XA0诚信交易

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 1  引言

    随着中央提出大力发展清洁能源的建设并为激励农村和边远山区的进一步发展，国家对小水电事业给予越来越多的关注。我国的小型水电站在近20年得到了极为迅速的发展，其中以万千瓦以下的小型水电站居多。对这些小型水电站的监控保护和自动控制也显得尤为重要。本文主要讲述了三菱FX2N系列PLC在水电站有功调节中的应用。  

    水电站的有功调节通常是通过调速器实现的，但当水轮机组并入电网运行时，对于单台发电机来说转速反馈几乎不起作用。近年来，随着自动发电控制（AGC）的需要，有功功率在控制系统中的调节品质已成为当前电力系统自动化领域的突出问题。

2  系统组成

    本系统中控制的两台水轮发电机型号为SFW2500-10/1730、6.3kV/286A。本系统采用分层分布式布局，配置如图1所示。主要由2个机组监控屏、发电机保护屏、公用监控屏、主编线路保护屏和电量屏构成。通讯采用高速以太网与上级调度、操作员工作站进行通讯。其中公用监控屏由可编程控制器（由三菱FX2N-80MR和2个FX0N-16EX扩展模块组成）、自动准同期装置、触摸屏、电力测控仪和逆变电源组成，在公用监控屏中实现对发电机的有功调节。

图1     系统配置图

3  控制要求

    在电力系统中，频率与电压是电能的2个主要质量指标，电力系统中的频率变化的主要原因是由于有功功率不平衡引起的。系统的负荷经常发生变化，要保持系统的频率为额定值，就必须使发送的功率不断跟随着负荷的变动，时刻保持整个系统有功功率的平衡。否则，系统的频率就会大起大落，保证不了电能的质量，甚至会造成事故与损失。

    当负荷吸取的有功功率下降时，频率增高;当负荷吸取的有功功率增高时，频率降低，即负荷调节效应。由于负荷调节效应的存在，当电力系统中因功率平衡破坏而引起频率变化时，负荷功率随之的变化引起补偿作用。如系统中因有功功率缺额而引起频率下降时，相应的负荷功率也随之减小，能补偿一些有功功率缺额，有可能使系统稳定在一个较低的频率上运行。如果没有负荷调节效应，当出现有功功率缺额系统频率下降时，功率缺额无法得到补偿，就不会达到新的有功功率平衡，频率会一直下降，直到系统瓦解为止。

频率和有功功率自动调节的方法主要有:
（1） 利用机组调速器的调节特性进行调频;
（2） 根据频率瞬时偏差，按比例分配负荷，构成虚有差调节频率和负荷的方法;
（3） 按频率积分偏差调节频率，满足“等微增率”原则分配负荷;
（4） 按给定负荷曲线调节有功功率（本文所介绍的是按给定负荷曲线调节有功功率）。

    电站的调节系统应该使总功率等于负荷曲线给定的功率。而机组之间则按“等微增率”原则经济分配负荷。如果系统频率偏差不超过调频电站所能补偿的范围，则调功电站的调节系统对频率偏差不应作出任何响应。如果系统运行工况发生了变化，出现了较大的频率偏差则调频电站无力完全补偿偏差值，那么调功电站的自动调节装置应该作用于各台机组的调速器，使之改变各台机组的有功出力来帮助恢复系统频率。 PLC资料网

图2      功率与频率关系曲线

    图2示出功率与频率的关系曲线。在死区±Δfmax范围内，频率偏差信号Δf不起作用，此时电站的实际功率 与给定的总功率PG之间的偏差ΔP产生调节作用。
  
    PG为电站负荷曲线给定装置取得的，使由各台机组有功功率测量元件测到的有功信号相加后得到的。当时，两台机组的调节作用只受有功偏差ΔP的影响，而与频率偏差Δf无关，此时调节特性方程为:
     
    

4  系统的硬件设计

    图3示出系统硬件框图。根据系统的控制要求配置硬件如下:

图3      系统硬件简图

·控制器:三菱FX2N-80MR和两个FX0N-16EX扩展模块组成;
·人机界面:触摸屏;
·其它设备:2个DC24V继电器、功率表以及其它的辅助器件。

5  系统软件设计

    本系统确保整个系统频率的稳定和电网的稳定供电。控制流程图如图4所示。

图4     系统流程图

    部分梯形图如图5所示:当系统需要进行有功调节时，系统的软件或是手动发出信号开始调节，此时采集1个实时有功数据此数据与设定值（即目标功率值）进行比较并进行数据处理算出需要调节的时间，然后发出信号使调节继电器动所开始调节。如未达到则有可能是系统内部有故障。为了避免使程序进入死循环，则调节四次仍未能达到要求就自动中止程序）。如图4所示，当M10接到触发信号后瞬时接通使D300采到的瞬时有功功率数据与D301（设定值）进行比较。当D300 >D301时输出信号M300使PLC的Y001输出并使调节继电器动作进行调节。

图5      部分程序梯形图

6  结束语

    本文所设计的系统操作简单、自动化程度高、应用广泛。减小了小型水电站工人的劳动强度，增加了整个系统的稳定性。经过一段时间的认真测试证明该系统已经完全符合小型水电厂的有功调节的要求。

1、引言

　　传统的远程监控只具备数据采集功能，在需要实时控制和数据处理时，会显得力不从心。PLC 作为工业控制的核心部件，其在网络、通信等方面的能力越来越强，具备远程监控要求的数据采集、实时控制和数据处理功能。随着国产 PLC 市场占有量的提升，PLC 的价格也比以前更具优势，使用 PLC 做 DAS系统或者用 PLC 平台开发数据采集系统将是大势所趋或者说相当有吸引力的选择。德维森公司的 V80 小型 PLC 在供热、交通监控、楼宇监控等行业有许多的成功应用.


　　下面以其在东北某供热网监控为例说明 PLC 在数据采集和远程监控行业中的应用。

　　2、远程监控系统

　　供热网远程监控系统的示意图如下：

图 1 供热网远程监控系统示意图

V80 系列 PLC 采集现场每个换热子站的温度、压力、流量，并根据采集数据进行供热流量的控制，以达到节能的目的。根据室外气温的变化，通过调节一级管网电动阀门的开度来及时控制二级管网的回水温度，通过调度给定的控制曲线，保证每个换热站的运行参数始终在给定的范围内。同时，中央监控室根据需要调度和遥控子站的电动阀门，调整运行参数。系统配置 GPRS DTU，可以实现温度的控制、补水泵变频的远程控制。上位机选用组态王组态软件，与数据库结合起来，对所有数据进行存储和分析，并可以配合优化软件进行优先控制。

图 2 V80 系统结构示意图

　针对前面提到的各种问题，本文提出了一个更为优胜的方案，其特点如下：

　　1、 网络通信功能

　　V80 系列 PLC 可同时支持 2 个以上的通信口，可利用 RS485 通信口组建控制网络，把多台 V80 小型 PLC 组进同一个现场总线网络内，主控 PLC 上连接一个 GPRSDTU 模块，为监控网络提供透明的上网通道。选用 GPRS DTU 代替无线 RTU 可以大大降低成本，在敷设了电话线的地方可选用 Modem，使整个系统的造价达到优。

　　2、CPU 模块功能

　　M32DT 模块是 16 路数字量输入和 16 路晶体管输出的 CPU 模块，本身带有两个通信口，一个 RS232 和一个 RS485，内部带 MODBUS 主从通信协议和 FREE 通信协议，可以与各种 HMI 或者各种组态软件通信，通信协议库文件使各厂商自行开发上位机软件提供了诸多便利。

　　M32DT 内带 FLASH 存储器，可将各种参数存储在本地，还带有掉电保持功能，从而保证使用的可靠性和便利性。高速运算速度和完备数学运算能力使其更适合通信和模拟量处理环境。

　　3、抗干扰能力强

　　整个系统的宽温和宽电源供电设计使其可以在恶劣的环境中游刃有余，V80 系列产品已通过 CE 认证。
　　4、 编程简单方便

　　V80 系列 PLC 的编程语言支持 IEC61131-3 标准，可以方便编程。同时，支持在线编程，也就是在运行态下可以进行程序修改和调试，为监控现场的在线升级和扩展提供方便。

　　5、

　　V80 系列 PLC 比同样点数的数采模块具有价格优势，而且其图形化编程功能使其成为一个强有力的分布式监控平台。

　　4、结论

　　本文以供热网的远程监控为例，介绍了 V80 系列 PLC 联网、通信协议与第三方产品集成特点，说明 V80 系列 PLC 在数据采集和远程监控行业中的应用，实际运行结果表明 V80系列 PLC 是客户将采集、控制、远程监控合而为一的理想选择。

 0 引言

    供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能：(1)维持水压恒定；(2)控制系统可手动/自动运行；(3)多台泵自动切换运行；(4)系统睡眠与唤醒。当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒；(5)在线调整PID参数；(6)泵组及线路保护检测报警，信号显示等。

    将管网的实际压力经反馈后与给定压力进行比较，当管网压力不足时，变频器增大输出频率，水泵转速加快，供水量增加，迫使管网压力上升。反之水泵转速减慢，供水量减小，管网压力下降，保持恒压供水。

    1 系统硬件构成

    系统采用压力传感器、PLC和变频器作为中心控制装置，实现所需功能。

    安装在管网干线上的压力传感器，用于检测管网的水压，将压力转化为4～20mA的电流信号，提供给PLC与变频器。

    变频器是水泵电机的控制设备，能按照水压恒定需要将0～50Hz的频率信号供给水泵电机，调整其转速。ACS变频器功能强大，预置了多种应用宏，即预先编置好的参数集，应用宏将使用过程中所需设定的参数数量减小到小，参数的缺省值依应用宏的选择而不同。系统采用PID控制的应用宏，进行闭环控制。该宏提供了6个输入信号：启动/停止(DI1、DI5)、模拟量给定(AI1)、实际值(AI2)、控制方式选择(DI2)、恒速(DI3)、允许运行(DI4)；3个输出信号：模拟输出(频率)、继电器输出1(故障)、继电器输出2(运行)；DIP开关选择输入0～10V电压值或0～20mA电流值(系统采用电流值)。变频器根据给定值AI1和实际值AI2，即根据恒压时对应的电压设定值与从压力传感器获得的反馈电流信号，利用PID控制宏自动调节，改变频率输出值来调节所控制的水泵电机转速，以保证管网压力恒定要求。

    根据泵站供水实际情况与需求，利用一台变频器控制3台水泵，因此除改变水泵电机转速外，还要通过增减运行泵的台数来维持水压恒定，当运行泵满工频抽水仍达不到恒压要求时，要投入下一台泵运行。反之，当变频器输出频率降至小，压力仍过高时，要切除一台运行泵。所以不仅需要开关量控制，还需数据处理能力，采用FX－4AD(4模拟量入)获得模拟量信号。它在应用上的一个重要特征就是由PLC自动采样，随时将模拟量转换为数字量，放在数据寄存器中，由数据处理指令调用，并将计算结果随时放在指定的数据接触器中。通过其可将压力传感器电流信号和变频器输出频率信号转换为数字量，提供给PLC[1>，与恒压对应电流值、频率上限、频率下限(考虑到水泵电机在低速运行时危险，必须保证其频率不低于20Hz，因此频率上限设为工频50Hz，下限设为20Hz)进行比较，实现泵的切换与转速的变化。

    系统在设计时应使水泵在变频器和工频电网之间的切换过程尽可能快，以保证供水的连续性，水压波动尽可能小，从而提高供水质量。但元件动作过程太快，会有回流损坏变频器。为了防止故障的发生，硬件上必须设置闭锁保护，即1Q与4Q，2Q与5Q，3Q与6Q不能同时闭合。    

    2 系统软件设计

    控制系统软件是指用梯形图语言编制的对3台泵进行控制的程序。它对3台泵的控制，主要解决系统的手动及自动切换、各元件和参数的初始化、信号及通讯数据的预处理、3台泵的启动、切换及停止的条件、顺序、过程等问题。

    当变频器输出频率达到频率上限，供水压力未达到预设值时，发出加泵信号，投入下1台泵供水。当供水压力达到预设值，变频器输出频率降到频率下限时，发出减泵信号，切除在工频运行方式中的1台泵。系统刚启动时，情况简单，首先启动一号泵即可。但考虑3台泵联合运行时情况复杂，任1台或2台泵可能正在工频自动方式下运行，而其他泵则可能在变频器控制下运行，因此必须预先设定增减水泵的顺序。即获得加泵信号后，按照1号泵、2号泵、3号泵的顺序优先考虑。获得减泵信号后，按照3号泵、2号泵、1号泵的顺序优先考虑。

    为了防止故障的发生，软件上也必须设置保护程序，保证1Q与4Q、2Q与5Q、3Q与6Q不能同时闭合。在加减泵时必须设置元件动作顺序及延时，防止误动作发生。系统切换泵流程见图3。

    考虑到系统工作环境对运行状态的影响，在设计中采用硬件、软件上的双重滤波来消除干扰的影响。硬件上变频器提供了滤波时间常数，当模拟输入信号变化时，63％的变化发生在所定义的时间常数中；软件上采用数字滤波的方式，系统采用平均值的方法[2>。

    计算近10次采样的平均值，其计算公式如下：

    3 系统参数的确定

    系统变频运行主要靠变频器来实现。变频器有一数量很大的参数群，初始情况下，只有所谓的基本参数可以看到。只需设定简单的几个参数，变频器就可以工作。

PLC资料网

    除基本参数外，还必须对完整参数进行设定。

    完整参数的设定主要是PID参数的整定，它是按照工艺对控制性能的要求，决定调节器的参数Kp，TI，TD。控制表达式为：

    变频器根据偏差调节PID的参数，当运行参数远离目标参数时，调节幅度加快，随着偏差的逐步接近，跟踪的幅度逐渐减小，近似相等时，系统达到一个动态平衡，维持系统的恒压稳定状态[3、4>。

    4 试验结果

    由于系统的显示和通讯功能，可以对系统工作情况进行监测。考虑到管网覆盖面积大，泵站海拔高度相对低，远端供水压力需维持3kg，因此泵站出水口压力必须维持5kg。试验条件为管网初始无压力，电磁阀控制一定量相同用水情况下启动系统。获得的数据经MATLAB进行插值拟合可得系统在不同条件下跟踪压力变化的曲线[5>。

    试验记录的数据显示，系统在未进行滤波和PID控制时，响应速度特别慢、误差大、振荡严重，见图5。在未进行滤波而引入数字PID控制时，响应速度明显加快，但振荡问题未能得到解决，这是由于喘振现象的存在；当管道压力与设定值近似相当时，水锤效应影响明显，压力波动异常，PID的参数跟踪整定，形成恶性循环，管道中空气的存在也会导致振荡问题。 PLC资料网

    该系统是按照工业生产需求设计的，实现了预定的一系列功能，保证了系统的稳定和安全性，在长时间运行中取得了良好的效果。只需作相应修改就可推广到相关供水系统中。