PLC控制的直流發(fā)電機(jī)組自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)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(jī)、全數(shù)字直流調(diào)速等裝置進(jìn)行組合，對發(fā)電機(jī)組進(jìn)行串并聯(lián)，實現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的自動化運行，以達(dá)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(jìn)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(jī)組工作的發(fā)電效率。現(xiàn)場試驗結(jié)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(guān)鍵詞：全數(shù)字直流調(diào)速；直流發(fā)電機(jī)組；PLC S7-300；工控機(jī)；WinCC

0 引言
    直流電機(jī)在現(xiàn)代工礦企業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，并在不斷發(fā)展，與交流電機(jī)比較，直流電機(jī)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(jī)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(jì)技術(shù)指標(biāo)。而要使直流電機(jī)系統(tǒng)達(dá)到這些性能指標(biāo)的必要條件是直流電機(jī)系統(tǒng)具有可靠，穩(wěn)定的直流電源。在工程設(shè)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(jìn)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(jī)組能提供不同的電壓和電流，這就要求對直流發(fā)電機(jī)組進(jìn)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(jī)組自動監(jiān)控系統(tǒng)能達(dá)到發(fā)電機(jī)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(dāng)?shù)墓ぷ鞣绞剑O(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(gòu)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(gòu)圖進(jìn)行設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)主要由工控機(jī)，PLC，全數(shù)字直流調(diào)速裝置(CUD1)，發(fā)電機(jī)組(同步機(jī)(G1，G2)，直流發(fā)電機(jī)(GA、GB))4部份組成。其中，GA-G1-GB為1#發(fā)電機(jī)組，GA-G2-GB為2#發(fā)電機(jī)組。工控機(jī)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(jī)的勵磁電流來控制直流發(fā)電機(jī)，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(jī)的輸出數(shù)據(jù)(電樞電流、電樞電壓)反饋至PLC進(jìn)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(jī)組并聯(lián)環(huán)流分析
    兩臺參數(shù)一致的直流發(fā)電機(jī)并聯(lián)，當(dāng)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(jī)由于制造工藝、材料等客觀原因，造成發(fā)電機(jī)參數(shù)存在差異，往往使得兩同軸發(fā)電機(jī)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(jī)等效為兩直流電源，其感應(yīng)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(shè)定E1大于E2形成環(huán)流Is，并對電路進(jìn)行分析。單個發(fā)電機(jī)的輸出電流由負(fù)載分量和環(huán)流分量組成，將負(fù)載分量定義為Io。
    對電路進(jìn)行分析，可得以下關(guān)系：根據(jù)基爾霍夫電壓、電流定律，得：
   
    式中：E為感應(yīng)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(shè)計
    使用STEP7對西門子PLC S7-300進(jìn)行組態(tài)和編程，使用WinCC組態(tài)人機(jī)界面，對系統(tǒng)進(jìn)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(jī)的并網(wǎng)，用同步機(jī)拖動直流電機(jī)進(jìn)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(jī)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(dāng)發(fā)電機(jī)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(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)?；镜恼{(diào)節(jié)方式有單機(jī)調(diào)節(jié)和兩并聯(lián)調(diào)節(jié)。其中，單機(jī)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(yīng)機(jī)組并聯(lián)的方式。
    (1)單機(jī)調(diào)節(jié)。單機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，若大于則進(jìn)行判別，確定增加還是減少相應(yīng)的勵磁電流，使直流電機(jī)輸出的電樞電壓及其設(shè)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(dāng)實際輸出大于給定電壓ua(ua為系統(tǒng)設(shè)定的誤差允許值)時，再進(jìn)行進(jìn)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(jìn)行粗調(diào)，如小于、等于ub，則進(jìn)行細(xì)調(diào)。
    (2)并聯(lián)調(diào)節(jié)。并聯(lián)調(diào)節(jié)中，同一直流電機(jī)組中的直流發(fā)電機(jī)A，B并聯(lián)，雖然電機(jī)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(jìn)而形成環(huán)流。如果A機(jī)的輸出電樞電壓大于B機(jī)的輸出電壓，則A機(jī)電動勢大于B機(jī)，需要減少A機(jī)勵磁電流，增大B機(jī)的勵磁電流，反之，需要增加A機(jī)勵磁電流，減少B機(jī)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(jìn)行單機(jī)調(diào)節(jié)，然后分別將兩發(fā)電機(jī)的輸出電流與并聯(lián)輸出電流的1／2進(jìn)行比較，最后確定相應(yīng)發(fā)電機(jī)的勵磁電流調(diào)節(jié)，以達(dá)到系統(tǒng)的要求。
2．2 系統(tǒng)工作方式
    直流發(fā)電機(jī)組運行為了輸出需要的電壓、電流，有單機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)行單機(jī)調(diào)節(jié)，再進(jìn)行1#機(jī)組的并聯(lián)調(diào)節(jié)，然后分別將3個發(fā)電機(jī)的輸出電流與并聯(lián)輸出電流的1／3進(jìn)行比較，確定相應(yīng)發(fā)電機(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)界面設(shè)計
    本設(shè)計中，利用WinCC完成系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)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(jī)組操縱界面，2#機(jī)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(jī)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(jī)組的工作方式設(shè)定組成。能夠?qū)?個發(fā)電機(jī)組的工作方式進(jìn)行設(shè)定以滿足系統(tǒng)的實際需要，其框架圖如圖10所示。

    (3)機(jī)組操縱界面。這里以機(jī)組1#為例，其界面截圖如圖11所示。

    通過機(jī)組操縱界面可以對同步電機(jī)的驅(qū)動電壓、輸出電流大小和頻率，兩直流發(fā)電機(jī)的輸出電流、電壓，兩直流發(fā)電機(jī)的勵磁電流、電壓進(jìn)行監(jiān)控。同時通過操縱界面還可以對直流發(fā)電機(jī)組電壓進(jìn)行設(shè)定，和對同步電機(jī)和兩直流發(fā)電機(jī)的勵磁電壓、電流進(jìn)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(jī)的故障報警、熔斷器狀況、運行狀況、串并聯(lián)保護(hù)、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(jié)語
    經(jīng)試驗調(diào)試后，PLC控制的直流發(fā)電機(jī)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(jié)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(jī)組運行狀態(tài)進(jìn)行及時地監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，發(fā)電機(jī)組的功率比得到提高，節(jié)能效果明顯。