发电机检测.docx

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发电机检测

基于PLC的发电机检测控制系统设计

摘要

本系统设计的发电机检测控制系统主要由可编程控制器、探测器、执行机构等组成。

可编程控制器作为控制系统的大脑，按照工艺说明分析，对各种外部输入信号按照发电机检测系统的工艺分析结果及程序设计流程，完成系统各项工艺功能的实现，通过仿真将当前的状态进行显示和参数设定等控制。

按照方案的选择和设备型号的选择，采用的可编程控制器为西门子S7-300CPU313C，模拟量扩展模块为EM331。

确定该系统设计的工艺控制方案，完成系统硬件部分的型号选择计算以及总体控制方案的设计。

在此基础上进行硬件分析和图纸设计，完成工艺流程图的设计以及程序的编写，通过程序仿真设计调试和修改，系统安全可靠、使用灵活、扩展性强、开发周期短，后期修改方便，达到本设计的工艺要求，以及为后期系统升级改造创造条件。

关键词：

发电机检测；可编程控制器；仿真设计

Abstract

Thegeneratordetectionandcontrolsystemdesignedbythissystemismainlycomposedofprogrammablecontroller,detector,actuatorandsoon.Asthebrainofthecontrolsystem,theprogrammablecontrollercompletestherealizationoftheprocessfunctionsofthesystemaccordingtotheprocessanalysisresultsandtheprogrammingprocessofthegeneratordetectionsystem.Thecurrentstateisdisplayedandtheparametersaresetbysimulation.Accordingtothechoiceofschemeandequipmenttype,theprogrammablecontrollerisSiemensS7-300CPU313CandtheanalogexpansionmoduleisEM331.Determinetheprocesscontrolschemeofthesystemdesign,completethemodelselectioncalculationofthehardwarepartofthesystemandthedesignoftheoverallcontrolscheme.Onthisbasis,hardwareanalysisanddrawingdesignarecarriedout,processflowchartdesignandprogrammingarecompleted.Throughprogramsimulationdesigndebuggingandmodification,thesystemissafeandreliable,flexibleinuse,stronginexpansibility,shortindevelopmentcycle,convenientinlatermodification,whichmeetstheprocessrequirementsofthisdesign,andcreatesconditionsforlatersystemupgradeandtransformation.

Keywords:

generatordetection;programmablecontroller;simulationdesign

1绪论

1.1课题研究的目的及意义

本课题对发电机检测控制系统进行PLC控制设计，研究对象为发电厂的四极发电机，该发电机运行状态的好坏直接关系到发电厂的工作效率以及发电质量的稳定性。

发电机的重要参数包括输出电压、各相输出电流、发电机温度、发电机转速、发电机润滑压力、发电机冷却泵运行状态以及冷却水位状态等。

对这些重要参数进行监控，可以随时了解发电机当前的工作状态，并根据异常情况提前预知，制定管理方案，保证发电厂正常生产和运行。

发电机检测控制系统设计采用可编程控制器进行程序控制，达到系统工艺控制的目的。

在详细了解控制系统的工艺要求的基础上，采用可编程控制器进行系统的硬件设计和软件编程调试，通过程序流程的思路和编程技巧达到系统的工艺目的。

可编程控制器可靠性能高、抗干扰性强、经济实用、功能完善、体积小巧、扩展性好等优点，是现代工厂控制系统设计的最佳选择。

以往的继电器-接触器电路由于接线线路复杂，电器元件使用较多，触点容易老化，故障排查和解决比较困难，可靠性低等缺点，没法满足现代控制系统的使用要求。

根据本课题研究的工艺对象，采用可编程控制器进行系统设计，对本人大学学习期间的总结和实战，在认真学习可编程控制器的硬件手册和软件教程的基础上，完成图纸设计及程序编写和调试，达到系统的工艺要求。

详细了解控制系统设计的步骤和方法，认真学习控制系统的调试思路和仿真方法，为后期的设计工作打下基础。

1.2课题研究的内容

发电机是指将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。

本系统设计主要对发电机检测的电流、电压、温度、转速以及润滑压力等进行显示，并对出线侧的断路器进行合闸和分闸控制，对冷却泵进行启停控制，并对当前异常情况进行报警显示。

1.3课题研究的思路分析

按照发电机检测控制系统的设计内容，详细分析该系统的具体工艺，对要实现的功能进行说明，并明确系统的输入控制部分和输出控制部分，确定控制策略，提出控制方案，对方案进行综合比较，选择最佳设计策略。

按照系统选择的最佳策略进行总体分析设计，对可编程控制器进行具体型号选择，对传感器进行具体型号选择，以及其他的控制电气元件的型号。

根据选择的设备电气元件型号详细分析总体设计方案，保证工艺控制的基本要求。

硬件设计部分进行设计分析，明确硬件设计的基本要求，包括预留扩展、系统安全保护、以及电路的设计详细分析等，使用AUTOCAD软件完成系统的硬件图纸设计，并分析图纸接线的具体设计。

软件编程部分进行设计分析，为了方便系统设计和后期调试，进行系统I/O分配的设计，根据系统工艺控制策略以及硬件选型，进行程序流程的设计，详细考虑工艺功能的具体实现，按照程序流程，采用编程软件进行程序的设计编写，完成仿真调试，达到工艺设计的要求。

2发电机检测控制系统的总体设计

2.1发电机检测控制系统的工艺分析

发电机作为发电厂非常重要的设备，该设备的运行状况直接关系到发电厂的生产运行。

对发电机进行监控系统设计，主要对该发电机的输出电流、输出电压、发电机温度、转速以及润滑压力等进行显示，并对出线侧的断路器进行合闸和分闸控制，对冷却泵进行启停控制，并对当前异常情况进行报警显示。

本系统主要对220KW的发电机进行监控系统研究，该发电机为4极发电机，同步转速1500转/分钟，输出频率为50HZ工频。

按照系统的设计对象进行以下分析：

（1）系统分为逻辑控制和模拟量数据计算和转换控制。

（2）逻辑控制部分主要对发电机出线端的断路器进行控制，断路器分为主断路器和备用断路器，采用外部按钮进行断路器的合闸和分闸。

（3）发电机的冷却是保证发电机正常稳定运行的重要措施，系统采用循环水冷的方式进行发电机冷却，对冷却泵进行外部按钮启停控制。

并对水箱水位进行检测，当水位低于低限位时，发出报警信号。

（4）对发电机的输出电流、输出电压、发电机温度、转速以及润滑压力等进行显示。

当发电机温度大于70摄氏度时，发出报警信号；当发电机转速超过1550转/分钟时，发出报警信号；当润滑压力低于4Mpa时，发出报警信号。

2.2可编程控制器的介绍及选型

可编程控制器主要应用于工业控制环境，是一种通过数字运算和逻辑控制操作的电子系统。

可编程控制器通过专用的编程软件进行设备组态和工艺程序的编制，来实现工业现场逻辑控制运算、顺序功能控制、时间控制、计数控制以及各种数据计算和控制，达到工业现场系统自动化、智能化的工艺控制目的。

可编程控制器将先进的自动化控制技术、计算机硬件和软件技术、通信科学技术等多领域的学科融为一起，形成强大的电子控制产品。

就当前工业自动化发展趋势而言，可编程控制器是最重要、能够在各种场合下实现控制的工业工控产品。

2.2.1可编程控制器的结构

（1）中央处理单元

中央处理单元也称为CPU，是可编程控制器的“大脑”，CPU可以进行电源自检、硬件组态自检、存储器调用、I/O点的状态调用等。

当可编程控制器处于运行状态时，CPU通过循环扫描的方式将现场的信号数据接收，存入相应的输入映象区，然后按照用户编写的程序进行扫描执行程序，将程序运算的结果输出到输出映象区。

CPU不断地循环扫描执行程序，直到可编程控制器处于停止状态。

CPU的运行速度是非常重要的硬件参数，该参数往往决定着可编程控制器的指令处理能力，I/O数量的计算和软件程序的容量等。

（2）存储器

存储器分为系统存储器和用户存储器，系统存储器主要存放CPU系统的程序，该程序不为用户使用，是可编程控制器的内部程序。

而用户存储器可以存放用户编写的应用程序，在可编程控制器运行过程中，用户存储器随时调用参数，达到系统命令执行的目的。

（3）通信接口

通信接口是可编程控制器必不可少的接口，常用的接口有MPI接口，DP接口，以太网接口、RS-232接口/RS-485接口等。

可编程控制器通过这些接口可以连接上位机、仪表、变频器等其他单元。

（4）电源

可编程控制器为内部电子系统提供工作电源，为整个系统的稳定安全运行起着非常重要的作用，通常使用的可编程控制器有AC220V交流电源和DC24V直流电源两种。

2.2.2可编程控制器的接口电路

可编程控制器的输入接口为光耦合电路和微机的输入接口，通过该接口设计，可以达到现场干扰信号隔离、输入接口保护等作用；输出接口主要由数据寄存器、选通电路和中断请求电路等集成，可以将可编程控制器的计算结果进行输出，控制现场的执行机构，完成现场控制干预。

对于常用的可编程控制器接口信号分类如下：

（1）开关量：

开关量信号主要包括继电器隔离和晶体管隔离两种，有不同等级的电压，在可编程控制器选型时，要结合系统的输入输出信号电压类型，进行选择。

（2）模拟量：

按照当前常用的模拟量标准信号，主要分为电压型信号（0-10V）、电流型信号（4-20MA）,对于模拟量信号的输入输出，也有精度之分，常用的精度有12bit、14bit和16bit。

也有一些特殊的模拟量接口模块，专用于特殊场合，比如常用的热电偶接口模块、脉冲输入接口模块等。

2.2.3可编程控制器的选型

目前使用比较多的可编程控制器品牌主要为日本三菱公司生产的各系列PLC、德国西门子公司生产的各系列PLC、日本欧姆龙公司生产的各系列PLC、美国AB公司生产的各系列PLC等，按照本系统设计的工艺要求，选用西门子公司生产的S7-300中型PLC，进行系统的主控制器设计。

S7-300可编程控制器具有很高的可靠性能，指令集比较丰富，可以进行各种功能的设计编译，具有强大的通信功能，可以和上位机进行通信，具有丰富的扩展模块，最多可以连接7个扩展功能模块。

S7-300可编程控制器有各种型号，本系统按照功能要求，选用CPU313C型号可编程控制器，该型号控制器具有16个数字量输入点和16个数字量输出点，可以扩展7个模拟量模块，程序存储空间为128K，具有六路独立的30KHZ高速计数器和PID控制器。

通讯接口为两个RS-485接口，可以进行MPI协议通讯。

采用的编程软件为 Step7。

该可编程控制器运行速度快，扩展能力强，适合于一般场合的中型控制系统设计。

图2-1S7-300可编程控制器

2.2.4模拟量扩展模块的选型

西门子模拟量扩展模块型号包括EM331模拟量输入模块、EM332模拟量输出模块和EM335模拟量输入/输出模块。

在现场经常遇到模拟量信号，比如温度信号、压力信号、流量信号等，模拟量扩展模块将外部模拟量转换为标准的模拟量信号，通常为4-20MA电流信号或者0-10V电压信号，将标准的模拟量信号输入到可编程控制器的模拟量扩展模块，转换为可编程控制器内部对应的数值，4-20MA信号对应6400-32000；0-10V信号对应0-32000。

在模拟量扩展模块中有DIP开关进行输入类型的设置和量程范围的设置。

模拟量扩展模块使用时需要校准，校准时断开模块的输入电源，设置DIP开关，然后进行PLC和模拟量扩展模块上电，采用标准的电压源或电流源你模拟量接线到扩展模块上，通过可编程控制器进行数值显示，按照要求进行调节电位计，直到数值为零，表示校准成功。

本系统按照设计的要求，选用模拟量输入模块EM331,进行系统的模拟量信号输入和处理。

图2-2模拟量扩展模块

2.3电流互感器的选型

对于电流检测来说，需要对进线断路器等进行电流检测，观察当前设备是否运行正常。

而对于发电机来说，测量装置不能直接接入一次侧进行测量，而是需要按照比值变换的方式进行测量，对电气设备按照比例变换的测量，需要安装电流互感器进行比例变换。

按照计算容量和计算电流可知，选择的互感器型号为BH-0.4/200，该互感器主要应用于0.4KV测量的场合，选择的额定电流为200A，由于0.4KV侧的计算最大持续电流值为150A，所以本次选择的电流互感器满足使用条件。

2.4温度传感器的选型

PT100温度传感器的原理是如果外部的温度发生变化，传感器内的电阻阻值也跟随外部温度的变化而变化，基本上外部温度的变化和电阻阻值的变化成正比例关系。

经过研究表明，PT100温度传感器使用时，在-100摄氏度到500摄氏度之间的线性关系很好，外部温度每变化1摄氏度，传感器的电阻阻值就变化0.39欧姆。

PT100温度传感器的介质有两种，分别为铜介质和铂介质，铜介质在使用中的线性关系比较好，但是在长时间使用过程中，铜介质容易被氧化；而铂介质稳定性好，温度偏移很小。

所以按照系统设计的要求，铂介质的PT100温度传感器完全满足现场系统使用的需求，数据准确，响应快以及稳定性好。

2.5系统方案的确定

按照系统的设计思路及工艺分析，选用S7-300CPU313C可编程控制器进行设计，选用一个扩展模块EM331进行模拟量输入设计。

系统对发电机检测的电流、电压、温度、转速以及润滑压力等进行显示，并对出线侧的断路器进行合闸和分闸控制，对冷却泵进行启停控制，并对当前异常情况进行报警显示。

系统方案如下图2-3所示。

图2-3控制系统设计方案框图

3发电机检测控制系统的硬件图纸设计

3.1硬件设计的思路分析

按照发电机检测控制系统的设计工艺以及总体方案设计，对该系统的硬件部分进行详细设计。

认真学习掌握设备选型元件的工作原理和具体接线方法，结合系统的硬件设计要求，设计出适合本系统的硬件图纸。

特别是可编程控制器的硬件接线，认真考虑分析电源部分、输入接口部分及输出接口部分的具体接线，确保界限准确无误。

根据设备选型，可编程控制器的电源以及输入输出接口电路考虑使用DC24V，采用PS3075A进行电源模块设计，这样做的目的是保证系统不受干扰，运行稳定可靠，这就需要增加开关电源的设计。

按照以上的分析，可编程控制器的硬件设计重点考虑输入部分电路、输出部分电路和电源电路。

以上的输入和输出都要考虑预留余量，为后期的系统升级改造留有空间，要达到本系统可扩展性的要求。

电源部分按照设备硬件选型的具体要求，使用DC24V电源供电，确保使用的稳定性和可靠性。

模拟量扩展模块的硬件设计重点考虑该模块的电源部分和输入输出接线部分，这些接线都要按照硬件选型手册的接线原理进行。

3.2主电路的接线设计

主电路主要对发电机和冷却泵电机进行电路设计，主电路接线图如下图3-1所示。

图3-1主电路图

QF01主要切断主电源，QF2切断备用电源，通过KM1或KM2的合闸实现主电源和备用电源之间的切换。

对于冷却泵，主电路采用自锁电路，分别控制执行电机的启动和停止。

3.3I/O分配设计

按照发电机检测控制系统设计的工艺要求，进行I/O分配设计，对于可编程控制器的软件设计，I/O分配设计必不可少，这样做的目的是为后期程序设计和系统调试提供依据，可以有效的缩短系统研发周期、减小程序设计错误，调试过程中有利于故障查询和解决。

在程序设计过程中，通过查询I/O分配表，可以减小程序编译出错的可能性，也能够最大限度的完善系统功能，避免输入和输出的漏算，做到心中有数，有条不紊。

在进行系统仿真调试时，可以根据I/O分配表井然有序地进行逐步调试，比如某个开关的动作名称，按照工艺要求，该限位开关是否有信号输入，输入指示灯是否亮等，来判断系统执行的正确性和可靠性。

如果执行输出过程中，如果执行单元未动作，可以查询I/O分配表，判断该输出指示灯是否亮，如果不亮，说明程序没执行输出；如果亮，说明该执行元件的接线可能错误。

通过I/O分配设计，将快速准确的判断系统状态，非常方便。

对于本系统的设计，I/O分配设计如下表3-1和表3-2所示。

表3-1I点分配设计表

电气符号

I点地址

功能

SB1

I124.0

出线侧合闸

SB2

I124.1

出线侧分闸

SB3

I124.2

备用出线侧合闸

SB4

I124.3

备用出线侧分闸

SB5

I124.4

冷却泵打开

SB6

I124.5

冷却泵关闭

SQ1

I124.6

冷却水低液位

PIW256

A相电流模拟量

PIW258

B相电流模拟量

PIW260

C相电流模拟量

PIW262

电压模拟量

PIW264

温度模拟量

PIW266

实时转速模拟量

PIW268

润滑压力模拟量

表3-2O点分配设计表

电气符号

I点地址

功能

KM1

Q124.0

出线侧合闸接触器

KM2

Q124.1

备用侧合闸接触器

KM3

Q124.2

冷却泵接触器

HL1

Q124.3

出线侧合闸指示

HL2

Q124.4

备用侧合闸指示

HL3

Q124.5

冷却泵运行指示

HL4

Q124.6

低液位指示

HL5

Q124.7

温度报警指示

HL6

Q125.0

转速报警指示

HL7

Q125.1

压力报警指示

HD1

Q125.2

声光报警

3.3可编程控制器的接线设计

本系统设计采用S7-300可编程控制器，采用电源模块为PS3075A，采用的CPU为CPU313C，采用的模拟量扩展模块为EM331。

可编程控制器的硬件接线按照该型号PLC的硬件手册分为三部分设计。

首先是电源部分设计，采用可编程控制器专用的PS307电源供电，该电源模块的输入为AC220V，输出为DC24V，输出部分主要为CPU313C供电，并且对模拟量扩展模块和数字量输入输出部分进行DC24V供电。

输出的电源端子不能接反，否则可编程控制器有烧毁的现象。

其次是输入接口的电路设计，输入接口部分公共端子为M端子，该端子接负极，外部主令按钮或开关的一端接入24V正极，另一端接入相应的端子，比如外部输入元件FR1，该元件的一端接24V，另一端接入I124.0接口，当该元件动作，I124.0接口有电压输入，输入指示灯亮。

最后是输出接口的电路设计，输出接口部分的公共端子为L+，该端子接24V正极，执行元件线圈的一端接输出信号，另一端接负极。

比如外部输出元件KM1，一端接Q124.0，另一端接负极。

图3-1可编程控制器的接线图

3.4模拟量扩展模块的接线设计

本系统设计中采用EM331模拟量扩展模块进行设计，主要对电流、电压进行显示、温度显示、速度显示、润滑压力显示。

设计具体接线图如下图3-2所示。

图3-2模拟量输入模块接线图

模拟量输入扩展模块的接线按照硬件手册查询分为两部分设计接线。

首先是电源接线，模拟量模块的电源端子采用开关电源供电，输入DC24V直流电，电源接线端子分别为M、L+。

其中M端子接负极，L+端子接正极。

电源端子不能接反，否则模拟量扩展模块有烧毁的现象。

其次是信号输入接线，以第一组传感器接线为例，模拟量接线要采用两芯屏蔽电缆，型号为BVVP-2X1.0电缆，电线颜色分别为红色线和蓝色线。

在传感器侧，红线接模拟量信号的正极，蓝线接模拟量信号的负极。

在模块侧，红线接A+和RA,蓝线接A-。

屏蔽层连接至系统的公共屏蔽地线。

4发电机检测控制系统的软件程序设计

4.1程序设计流程的分析

本系统设计采用STEP7编程软件进行设计，当系统启动后，调用OB1进行运行，首先通过功能FC1对程序外部模拟量（6400-32000）进行数值变换和计算转换，转换出的值为相应的实数值。

以A相电流模拟量为例，输入信号为PIW256，该值为WORD类型，该值范围为6400-32000；将通过FC1转换后，可以将进线侧B相电流模拟量变换为0-200A的值。

在OB1里调用FC1，对12个模拟量进行数值转换，得到的结果存储在DB1数据块。

对外部的逻辑控制进行编写，主要通过外部合闸输入和分闸输入，对断路器进行合闸和分闸操作，并且对当前的合闸状态进行显示。

具体设计程序流程图如下图4-1所示。

图4-1程序设计结构图

对于系统的设计流程分析，当系统初始化后，首先启动冷却泵，冷却泵启动后，电动机开始启动运行。

系统启动后，首先将电流模拟量输入值、电流模拟量输入值、温度模拟量输入值、压力模拟量输入值以及转速模拟量输入值等进行数据转换处理，转换为显示的实数值。

当反馈的电流值大于设定的电流值，将进行电流报警输出；当反馈的电压值小于设定的电压值，将进行电压报警输出；当反馈的温度值大于设定的温度值，将进行温度报警输出，当反馈的压力值大于设定的压力值，将进行压力报警输出，当反馈的速度值大于设定的速度，将进行速度报警输出。

对当前所有的开关合闸状态进行监控，并进行状态显示。

如下图4-2所示。

图4-2程序设计流程图

4.2STEP7编程软件的介绍

西门子S7-300的编程软件STEP7必须安装在微软开发的操作系统上，比如经常使用的XP系统，WIN7系统等。

为了能够下载或监控程序，用户需要自备编程电缆，常用的编程电缆为MPI电缆。

当软件安装后，如果需要使用中文界面，可以在“工具”栏的“选项”对话框修改语言为中文，这样编程环境就转换为中文界面，便于学习和理解。

如果用户使用MPI编程电缆，在进行通讯之前必须安装该编程电缆的驱动程序，设置使用的波特率，一般情况下我们使用187.5kbis/s的波特率。

对通讯参数进行设置，选择可编程控制器的地址为2，选择波特率为187.5kbit/s，选择协议为MPI协议，使用计算机的USB端口。

以上设置好后，可以进行刷新，这样软件可以自动搜索S7-300的地址，并建立CPU型号的图标，表示通讯正常。

STEP7软件的主界面主要包含硬件组态、符号表、块等，菜单条的功能包含文件、编辑、视图、PLC、工具等。

如下图4-2所示。

图4-3STEP7软件编程界面

4.3程序的设计及分析

4.3.1系统硬件组态的设计

本系统设计组态如下：

图4-4系统设计组态图

该组态中包含设备的型号，CPU选择CP