用PLC的发电机组自动化控制.docx

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用PLC的发电机组自动化控制

一、课程设计

1.1硬件条件

交流发电机实验机组、S7-200PLC单元（CPU226/EM235）、通讯电缆、通用电脑、彩色LCD触摸屏、模拟辅机与蝶阀控制。

1.2设计目的

培养学生参阅国家和行业标准，掌握发电机组启停车控制的基本要求、系统构成及工作原理；初步学会PLC的控制方法以及高级HMI的应用；同组同学应分别选择实现机组开机准备、开机、并网、正常停机、事故停机、事故紧急停机等逻辑控制功能；初步熟悉HMI的应用方法。

这里负责的是正常停机、事故停机、事故紧急停机逻辑控制功能。

1.3设计内容

1、发电机组构成和系统工作原理、工作过程；

2、基于PLC的系统总原理图，各部分工作原理、工作过程；

3、分别以机组开机准备、开机、并网、正常停机、事故停机、事故紧急停机等过程为侧重点简单编制PLC程序框图；

4、与调速系统、励磁系统、同期装置的协调控制。

1.4设计要求

1、通过设计原理图，掌握实验装置的接线方法、完成上述功能。

2、设计验收时必须现场演示、提交课程设计报告（电子版）。

二、PLC介绍

可编程逻辑控制器，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

2.1S7-200PLC单元

西门子（SIEMENS）公司应用微处理器技术生产的SIMATIC可编程控制器主要有S5和S7两大系列。

目前,前期的S5系列PLC产品已被新研制生产的S7系列所替代。

S7系列以结构紧凑、可靠性高、功能全等优点,在自动控制领域占有重要地位。

西门子S7-200PLC在实时模式下具有速度快，具有通讯功能和较高的生产力的特点。

一致的模块化设计促进了低性能定制产品的创造和可扩展性的解决方案。

来自西门子的S7-200微型PLC可以被当作独立的微型PLC解决方案或与其他控制器相结合使用。

CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点,可连接7个扩展模块,最大扩展至248路数字量I/O或35路模拟量I/O点,13KB程序和数据存储空间。

直流输入继电器输出；电源电压85～264V交流；输入电压：

24V直流；输出电压：

24V直流、24～230V交流；输出电流：

2A,继电器

另外EM235模块有AI4/AQ1×12的I/O规格，其功能为4路模拟输入,1路模拟输出,12位转换为模拟量扩展模块

三、发电机组的介绍

3.1发电机

是把动能或及其它形式的能量转化成电能的装置。

一般的发电机是通过发动机先将各类一次能源蕴藏的能量转换为机械能，然后通过发电机转换为电能，经输电、配电网络送往各种用电场合。

发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。

定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。

转子由转子铁芯（或磁极、磁扼）绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。

由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。

3.2发电机组

的工作原理就是发电机在柴油机的带动下不断地运转，从而达到发电的目的，在发电机组的汽缸里，空气经过空气滤清器过滤以后就变成了洁净的空气，发电机组工作时喷油嘴在高压状态下会喷出呈雾状的柴油，柴油和洁净的空气混合后在活塞的挤压下体积迅速缩小，温度上升到柴油的燃点，柴油和空气体积膨胀，推动活塞向下运动。

各个发电机组的汽缸轮流重复这种上下运动，就带动了发电机组曲轴的旋转。

发电机组属于自备型电站交流应急供电设备的一种类型，它是一种独立的小型发电设备，以柴油内燃机作动力，驱动同步交流发电机而发电。

是由柴油机（小型的会使用汽油引擎）、发电机、控制屏、公共底座等组件组成的钢性整体。

通常在医院、电信机房、资料中心、工厂、核电厂或重要国防、政府机构等地会安装，以在外部供电中断时使用。

由于发电机组启动需要时间，因此常会搭配设置电池组以保持连续稳定的供电。

3.3发电机组的结构

本次设计的题目是基于PLC的发电机组自动化控制，采用自动化控制的目的是采取各种措施使发电系统尽可能运行在正常运行状态。

在正常运行状态下，通过制定运行计划和运用计算机监控系统实时进行发电系统运行信息的收集和处理，在线安全监视和安全分析等，使系统处于最优的正常运行状态。

同时，在正常运行时，确定各项预防性控制，以对可能出现的紧急状态提高处理能力。

当发电系统一旦出现故障进入紧急状态后，则系统能够自动（也可手动）做出反应，采取控制措施。

这些控制措施包括继电保护装置正确快速动作和各种稳定控制装置。

通过紧急控制将系统恢复到正常状态或事故后状态。

当系统处于事故后状态时，系统采取恢复措施，使其重新进入正常运行状态。

对于实验室的电力系统动模与自动化综合实验台，这是一个自动化的电力系统综合试验装置。

该装置功能集成了发电机运行动态实验，发电机运行保护实验，线路保护实验，变压器保护，数字继电器保护曲线实验等。

发电机动模实验装置主体是由电动机（作为该实验装置的原动机）、同步发电机、调速器、励磁器、PLC和触摸屏组成。

无论从结构还是工作效果来看，它都可以说就是一个小型的发电厂。

该装置能够反映现代电能的生产、传输和使用的全过程，体现现代电力系统自动化、信息化、数字化的特点，实现电力系统的检测、控制、监视、保护的自动化。

图一自并励可控硅励磁

图二他励可控硅励磁

3.4发电机组自动化控制的组成 

a）发电机组：

发电机组是由同在一个轴上的三相同步发电机（SN=2.5kV·A，UN=400V， Nn=1500r/min），模拟原动机用的是直流电动机（PN=2.2Kw，UN=220V）以及测速装置和功率角指示器组成。

具体参数见电机铭牌。

直流电动机、同步发电机经弹性联轴器对轴联结后组装在一个活动底盘上构成可移动式机组。

具有结构紧凑、占地少、移动轻便等优点，机组的活动底盘有四个螺旋式支脚和三个橡皮轮，将支脚旋下即可开机实验。

     （b） 无穷大系统：

无穷大电源是由15kV·A的自耦变压器组成。

通过调整自耦变压器的电压可以改变无穷大母线的电压。

“准同期控制装置”它按恒定越前时间原理工作，主要特点如下：

 ①可选择全自动准同期合闸； ②可选择半自动准同期合闸； ③可测定断路器的开关时间； ④可测定合闸误差角； 

⑤可改变频率差允许值，电压差允许值，观察不同整定值时的合闸效果； ⑥按定频调宽原理实验均频均压控制，自由整定均频均压脉冲宽度系数，自由整定均频均压脉冲周期；观察不同整定值时的均频均压效果； 

⑦可观察合闸脉冲相对于三角波的位置，测量越前时间和越前角度； ⑧可自由整定越前（开关）时间； 

⑨输出合闸出口电平信号，供实验录波之用。

本实验采用 DZZB-502微机自动准同期装置，是新一代微机型数字式全自动并网装置，它采用80C196单片机为核心，以高精度的时标计算频差、相位差，以毫秒级的精度实现合闸提前时间，可实现快速全智能调频、调压。

本实验装置选用西门子S7-200型PLC做为主控制器，由于电力系统综合实验装置的控制要求并不复杂，且输入、输出控制信号只是一些低压的开关量和少量的模拟量，因此只需选择具有逻辑运算、定时器、计数器和D/A模块等基本功能的PLC即可。

西门子的S7-200 CPU226就是一款适合作为该实验装置主控制器的PLC。

触摸屏的规格要求不高，所选用的触摸屏必须与西门子PLC S7-226相匹配，即彼此能够实现通讯。

因此选用威纶公司出品的MT-506T触摸屏能够满足要求。

四、发电机组自动化控制原理

4.1同步电机的工作原理

同步电动机是一种交流电动机，转子旋转速度与所提供交流电的频率相同。

交流电动机的原理是由交流电在电动机的定子处产生旋转磁场，因此使电动机转子旋转。

在同步电动机的转子有电磁铁或永久磁铁，使用永久磁铁的称为永磁同步电动机。

同步电动机的定子所产生的磁场吸引转子磁场的异极，由于定子所产生的磁场是以若干速度旋转，因此转子会随着定子磁场的旋转速度，以相同的速度旋转。

同步电动机的特点是转速固定，不受电源电压的影响。

只要电动机的负载低于其最大转矩，转速也不会受负载的影响。

由于这种特性，同步电动机只能使用变频器进行调速。

由于无载的同步电动机，其电流相位超前于电压，为一个电容性负载。

因此，若一供电系统的负载为落后功率因子，可以无载的同步电动机来改进其功率因数。

在工作时，转子线圈通以直流电形成直流恒定磁场，在原动机的带动下转子快速旋转，恒定磁场也随之旋转，定子的线圈被磁场磁力线切割产生感应电动势，三相对称绕组中就会输出交流电。

平常工作的发电机的定子都接有负载，定子线圈被旋转磁场切割后产生的感应电动势通过负载形成感应电流，此电流流过线圈也会在间隙中产生一个磁场，称为定子磁场。

这样在转子和定子之间的间隙中出现了转子磁场和定子磁场两个磁场相互作用构成一个合成磁场，发电机就是合成磁场的磁力线切割定子线圈而发电的。

由于定子磁场是由转子磁场引起的，且它们之间总是保持着同速的同步关系，所以这种电机称为同步发电机。

4.2发电机组自动化控制原理

首先，对于原动机即直流电机，采用他励的励磁方式对其进行励磁，它的励磁是独立的，不受控制的。

而在转子的电枢绕组上改变感应电动势，由于，通过改变感应电势就可以改变转速。

在电枢绕组上独立加上三相交流电，经过整流变后接到SCR上，用电流互感器将整流变后的电流采集出来然后经过整流滤波，变成矩形脉冲经过A/D口进入PLC。

也可以通过手动进行改变直流电机的转速，采用能耗制动。

当启动能耗制动时，电枢绕组与SCR断开，与能耗电阻构成回路，将消耗在电阻上，转速就可以改变。

发电机是与电动机同轴相连的，对于同步发电机，其原理上面已经讲到，对于它的本次采用两种励磁方式：

自并励方式和他励方式。

自并励磁用发电机自身作为励磁电源的方法，即以接于发电机出口的变压器作为励磁电源，经整流硅供给发电机励磁，而他励只是从别处接电压到变压器，后面部分与自并励相同。

同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁控制器两部分组成，如下图：

图三励磁控制系统结构图

其中直流励磁控制方式有以下两种：

交流励磁控制方式分他励交流励磁机方式和自复励励磁方式为如下所示：

图四他励交流励磁机方式

通过手动也可以减小励磁电流，采用灭磁装置。

当转子磁场建立起来以后，如果由于某种原因（发电机内部故障等）需强迫发电机立即退出工作时，在断开发电机断路器的同时，必须使转子绕组内部的磁场尽快消失，否则发电机会因过励磁而产生过电压，或者会使定子绕组内部的故障继续扩大。

就需采用灭磁装置。

灭磁就是将发电机转子励磁绕组的磁场尽快地减弱到最小程度。

一般是将励磁回路断开，但由于励磁绕组是个大电感，将转子励磁绕组接入到放电电阻灭磁。

还有就是控制与保护模块，准同期装置的合闸不仅满足它检测到的电压、电流、相角差有关，还与系统的保护有关，他们共同控制合闸机构。

还有发电机的起励、电动机的停机、电动机转速是否正常的控制与保护。

最后就是人机接口模块，将PLC与触摸屏通过通讯接口连接，可以通过触摸屏进行参数显示、参数整定、开停机的控制以及查看趋势曲线。

还可以将PLC与监控机相连，来监视整个系统的运行。

如果发电机系统建在无人区，也可以通过远程控制来监视整个系统的运行。

五、发电机组自动化控制过程及流程图

5.1、发电机组的各过程

1、开机过程

当开机条件具备时（断路器跳位，无电气故障等），若按下开机指令，启动调速器（如果调速器启动失败，则跳出开机过程）。

当调速器升速至95%额定转速，若灭磁开关合闸，励磁装置合起励开关（起励过程一般小于5s，若大于20s,则起励失败，由励磁装置跳起励开关）。

当机端电压大于40%额定电压时，跳起励开关。

当机端电压为95%额定电压时，进行并网调节，直到并网条件满足，合并网断路器。

并网后，调速器和励磁器进入负载运行状态。

至此，开机过程结束。

2、正常停机过程

发停机指令给调速器，调速器自动卸掉负载进入空载状态，之后断路器跳闸，机组解列。

当转速降至80%额定值时，励磁逆变灭磁（若小于3％转速则灭磁结束，否则自动跳灭磁开关，设故障标志以阻止下次开机）。

当转速降至35%额定值时，机组制动装置启动制动，直至转速降为5%额定值，解除制动。

到机组完全停机后，复归制动回路。

至此，正常停机过程结束。

3、事故停机过程

当机组转速大于115%额定值，调速器启动失败，励磁器故障以及电气事故时，启动事故停机。

此时，断路器跳闸，跳灭磁开关。

之后，发出事故停机信号（信号保持，应手动解除），进入停机过程。

4、紧急停机过程

当机组转速达到140%额定值或紧急停机按钮按下时，启动紧急停机过程。

此时，断路器跳闸，跳灭磁开关。

之后，发出紧急停机信号（信号保持，应手动解除），进入停机过程。

本次工程训练主要对以上四种过程进行控制，为了达到自动化监控的母的，必须装设电磁操作或液压操作的自动阀门，一般称为执行元件。

本次工程训练的主控制器是PLC，输入信号是传感器或电压电流互感器采集的，而输出信号一般作用于执行元件来完成控制。

PLC为S7-200系列，主机CPU226，由于其输入点数和输出点数不够，又扩展了EM235定位模块和EM223混合输入输出模块。

从上面的各种过程中可以看出转速信号很重要，发电机组的转速是指发电机转子的转速，一般利用转速信号器进行测量而产生的，根据机组不同的转速值，转速信号器发出不同的信号，从而产生不同的命令对机组进行控制。

当机组转速达到额定转速的140%时，应当发出事故紧急停机命令，进一步发出关闭水阀门等停机命令；当机组转速达到额定转速的115%时，应发出过速信号，使过速保护装置动作，发出事故停机命令；当机组转速达到额定转速的98%时，应当发出同期信号，使发电机出口断路器合闸，将机组投入系统并列运行。

另外温度信号也有一定的限制。

5.2、发电机组正常停机流程及流程图

机组正常停机的条件是卸掉负荷，进入空载状态。

1、调速器卸载：

调速器自动卸掉负载进入空载状态。

2、解列操作：

断路器跳闸，停励磁。

3、灭磁：

当转速降至80%额定值时，励磁逆变灭磁（若小于3％转速则灭磁结束，否则自动跳灭磁开关，设故障标志以阻止下次开机）。

4、当转速降至35%额定值时，机组制动装置启动制动。

5、直至转速降为5%额定值，关闭蝶阀。

解除制动，到机组完全停机后，复归制动回路。

6、结束

流程图见图六

图六停机流程图

5.3紧急事故停机流程及流程图

事故紧急停机与正常停机得区别主要是在于是否需要空载运行再停机的过程，原则在于加快停机过程以免事故扩大。

1、机组转速达到140%额定值或紧急停机按钮按下时，启动紧急停机过程。

2、解列操作：

断路器跳闸。

3、灭磁：

灭磁开关跳开。

4、发出紧急停机信号（信号保持，应手动解除）。

5、检测转速：

制动，关闭蝶阀。

6、手动解除制动

7、结束

流程图见图七

图七紧急事故停机流程图

5.4事故停机流程及流程图

1、信号检测：

当机组转速大于115%额定值，调速器启动失败，励磁器故障以及电气事故时，启动事故停机。

2、解列操作：

断路器跳闸。

3、灭磁：

灭磁开关跳开。

4、发出事故停机信号（信号保持，应手动解除）。

5、检测转速：

制动，关闭蝶阀。

6、手动解除制动

图八事故停机流程图

六、总结

通过两个礼拜的课程设计，任务要求终于接近尾声了。

在此期间，通过查找资料、分析总结，也学到了许多相关的知识对未来要从事的职业也有了一些了解。

当前，发电机组已经实现了自动化控制，大大增强了发电的可靠运行，降低了故障的发生率，而且相关技术也在不断地发展，具有广阔的前景。

通过设计可以获得必要的基本技能理论，基本分析方法以及基本技能的培养和训练，为学习后续课程以及从事与电气工程专业有关的技术工程和科学研究打下一定的基础。

知道电力系统由发电厂、输电网、配电网、电力用户等组成。

各个组成部分的原理及结构都不是很清楚。

本次设计的题目是用 PLC 实现发电机组自动化控制，着重学习了发电机的组成及控制。

并且在小组的安排下分别选择实现机组开机准备、开机、并网、正常停机、事故停机、事故紧急停机等逻辑控制功能；初步熟悉HMI的应用方法。

对用PLC实现发电机组自动化控制课题的学习与研究，我们小组对资料的搜索能力有了大幅度的提升，这是由于在网上资料是相当的多，其中适合课题的仅仅是少数。

这个过程需要我们分析好课题要求，把握方向，同时也要我们端正态度，不懂之处可以向学长虚心学习请教。

并且为下学期做毕业设计做好一定的准备。

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