基于PLC的同步發電遠程測控

黃麒

摘 要：在電力系統的設備當中，發電機是其中關鍵的設備之一。可靠運行發電機是電力系統發電的前提。所以工程師應該注重監測發電機的狀態，注重診斷故障。盡量減少事故的發生，并且延長設備的使用壽命。對發電機進行在線監測可以及時發現事故的隱患，對保證發電機正常運行具有重要意義。基于此，本文主要從發電機需要測量的各個參數，包括外部運行溫度方面進行檢測分析，實現基于PLC的同步發電機遠程測控系統的硬件設計。本項目主要實現測量同步發電機參數的功能，并把采集的數據上傳到PC機，顯示在PC機界面。

關鍵詞：同步發電機；PLC；多功能儀表

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）21-0048-05

1 緒論

基于PLC的測控系統的介紹和現狀：上個世紀的80年代開始，就有人提出了“無人值班”或者說“少人值守”的概念體系。工業自動化生產進步的同時，對組態軟件的要求也越來越高，所以應對組態軟件不斷更新。因此，所選遠程的測控系統的發展應有利于工業自動化系統控制的發展，并為我國的工業現代化提供有效可行的方法[1]。在電力系統方面，很多國家會對同步發電機進行深入的研究就是因為同步發電機本身擁有獨特的優點。小型水電站工程系統的建設在逐漸完善，那么也就會提高對發電機的容量以及運行效率有更高的要求，來達到降低工程建設成本的目的。

2 同步發電機的測量參數的選擇

同步發電機的工作原理：由于主發電機與從發電機是相互連接的，所以相互之間具有一定的關系，通過調節主發電機就可以調節發電機的各項數據。

同步發電機的基本結構：一般的發電機主要由以下幾個部分構成：用于整流的裝置，以及運行的發電機，還有就是交流的勵磁機。

測量參數的選定：基于對同步發電機的了解以及對同步發電機結構的分析，對于測量的參數，我們選擇的測量參數有溫度、頻率、有功功率、無功功率、視在功率、勵磁電流、勵磁電壓、定子電流、定子電壓[2]。另外，同步發電機的轉速由頻率計算的得到，可以不用測量。參數的選定多數是在網上查閱，然后確定參數才可以選擇對應的測量儀表。

3 PLC的選型分析

3.1 PLC的工作原理、功能特點及規模編程方式確定

3.1.1 PLC工作原理

PLC開始運行之后，首先是對數據進行采樣；然后是程序的執行過程；輸出執行完畢后，就是下一個周期，這個時候如果之前有新的數據現在就可以讀取了。

3.1.2 PLC的主要功能以及特點

PLC的主要功能有：定時控制、記錄周期技術模塊、邏輯處理功能、PID控制、通訊功能。特點：①能可靠的工作；②I/O的接口模塊豐富：③模塊化的方式；④簡單的編程方法；⑤安裝簡單，維修方便。

3.1.3 PLC的控制系統

工業系統中比較常見的有單機的控制系統、集中的控制系統、分散控制系統。

規模編程方式確定：PLC有很多個生產廠家，在應對客戶需求方面，每個公司都會根據用戶的不同需求，設計出可以應對不同狀況的PLC。所包括的原理主要有規模、編程的方式、網絡通信功能的確定、專用模塊選用、冗余問題、工作環境、售后服務、技術支持。

3.2 西門子S7-200的CPU選型

選擇CPU226 CN AC/DC/RLY的型號，電源為24V，本機數字輸入量為24輸入，本機數字量的輸出為16輸出，允許最大的擴展為64（32輸入、32輸出））允許最大的智能模塊有7個模塊，用CAD畫出CPU226圖片。

3.3 西門子擴展模EM231 CN

EM231 CN主要是用來處理溫度信號，這樣的方式簡單，高效，EM 231測量溫度的方式有兩線制、三線制、四線制，多數情況下選擇三線制，相對比較穩定，而且有相關的資料可以借鑒，網上可以搜索到EM 231溫度控制模塊的接線如圖1所示，用于采集模擬量，也就是溫度的模塊。或者采用了智能溫度儀表用于測量溫度。

4 測量控制系統的分析和設計

4.1 總體技術要求

本設計利用電動機（變頻器驅動）拖動發電機發電，需要測量發電機側的測量P、Q、S、U、I、f，測得數據需要處理并傳送至上位機，上位機進行數據顯示及存儲；測量P、Q、S、f以及需要測量的定子電流、定子電壓都利用多功能智能儀表測量；需要測量的勵磁電流、勵磁電壓利用電流傳感器、電壓傳感器測量，需要測量PT100溫度選擇溫度測量儀表測量。

4.2 測試系統方案

總體的設計遵循“安全、可靠、性價比高、維護簡便”的原則，測量系統采用控制部分主要是工業計算機，下位機由PLC組成，對系統進行數據的采集，上位機與下位機相結合組成測量控制系統。如圖2所示。

4.3 系統測量參數的硬件選型及設計

定子電流、定子電壓分別選用電流傳感器、電壓傳感器進行測量；溫度采用PT100的溫度測量儀器儀表來測量；S、P、Q、f、勵磁電流、勵磁電壓均采用多功能儀表測量。可以直接顯示出來。見表1。

4.3.1 多功能儀表

（1）概述。我們測量的精度為0.5級，依靠RS485數據線傳輸實現現場的顯示，或通訊功能，多功能儀表采用MODBUS-RTU通訊協議。

（2）編程以及使用。

參數設置：使用的多功能電力儀表可以測量需要的電力參數，其中有定子電壓、定子電流、視在功率、有功功率、無功功率、頻率。如圖3所示。

編程操作：多功能儀表是可以編程的，本文選擇的多功能儀表有設置功能、輸入功能、通訊功能以及更改設置密碼的功能[3]。如圖4所示。

數字通訊：首先，給每個設備包括主要的控制計算機都設置一個地址；然后，計算機可以識別地址的信息，并且找到對應的設備。在返回的信息當中，一般都會包含地址、校驗、功能信息的碼。下面有一個數據幀的結構，就是我們所說的報文格式。如表2所示。endprint

4.3.2 WDXK-A型智能數顯溫度控制器

（1）概述。儀表采用高精度鉑電阻（Pt100）傳感器做感應元件，高精度轉換電路，具有1～4路獨立開關點及4-20mA電流信號的輸出，高亮度的數碼管顯示實測溫度值，可通過面板按鍵設置參數，所有參數均存貯在非易失的存貯器中。

（2）主要技術性能。

精度：顯示及輸出：0.25級；

控制：0.5級～1級；

工作電源：18～36VDC；86～260VAC；110～360VDC；

信號輸出：4～20mADC。

（3）規格型號（圖5）。

4.3.3 電壓、電流傳感器

（1）技術指標（表3）。

（2）下面是傳感器的信號的調整以及圖示的情況說明。

（3）接線方式（具體以產品實物為準）（如圖6）。

4.4 系統設計

4.4.1 I/O口的分配

現在開始系統的電路圖設計，首先是I/O口的分配。見表4。

4.4.2 電氣接線圖

溫控儀表以及多功能儀表均采用RS485通信由PLC讀取數據，勵磁電流電壓變送器輸出4-20mA電流送至EM231模塊，PLCport0鏈接電腦，PLCport1用于以及溫控儀表及多功能儀表通信。

4.4.3 電氣控制圖

設計電氣接線圖，驅動變頻器拖動電機，有利于實現無極調速；變頻器驅動同步發電機，進行調速；溫度儀表以及多功能儀表連接到電機線路，進行測量。如圖7所示。

5 系統軟件的編程

5.1 S7-200的編程方法介

S7-200PLC的梯形圖包括有經驗設計法以及順序控制設計法。經驗設計法的特點有：沒有規律可遵循、實驗的試探性。這樣的設計方法所編寫的程序的結果不是唯一的。經驗設計的方法與設計者的經驗有很大的關系，它一般多用于比較簡單的梯形圖設計，比如手動程序的設計。順序控制的這種方法很容易被初學者接受，便于初學者學習。而且還可以鍛煉出初學者的邏輯功能、提高工作效率、節約時間。另外，順序控制可以很清楚的看到控制系統的執行順序。如圖8所示。

5.2 程序的設計

5.2.1 程序設計的準備

由以上基礎介紹，現在可以設計程序了，首先我們需要了解整個測控系統的大致情況以及相互之間的連接，首先我們知道了外部硬件有哪些，主要的是西門子PLC，型號是S7-200，控制中心的型號選擇CPU226，然后是測量儀表，其中包括了多功能儀表，還有溫度測量儀表，以及電壓傳感器和電流傳感器。最后還有一個計算機。所以整個的架構大致就是如圖9所示。

5.2.2 程序設計流程圖

PLC開始運行，如果啟動就有故障，可以停機檢查，確保無誤繼續往下面運行，工作流程圖如10所示。

5.3 編程環境簡介

首先，根據選定的西門子公司的PLC，系列是200系列，所以編程軟件是西門子公司的S7-200編程軟件，在網上可以下載到STEP7 MicroWIN V4.0 SP9的軟件。

5.4 程序的實現

I/O口分配好之后，就開始編寫程序。端口連接分配好之后，就開始編寫程序。即首先啟動按鈕，然后設置停止按鈕，接下來啟動變頻器，最后拖動點擊運行。

5.5 程序的下載

首先把線在硬件之間連接好，然后用數據線直接連接。其中，與計算機之間的連接采用RS485線，采用了PPI協議。如圖11所示。

6 結語

綜上所述，發電機設備作為電力系統重要的組成部分，在了解該設備應用意義的基礎上，對其進行運行狀態監測和參數測定，這不僅能夠及時發現運行故障，制定合理的故障解決方案，而且還會促進電力系統穩定、安全運行。基于PLC的同步發電機遠程測控系統的硬件設計分析，即對發電機各個參數、外部運行溫度全面分析，這對系統硬件設計完善具有積極作用，同時，有利于優化發電機運行質量、減少運行失誤。

參考文獻

[1]任光合.采用狀態監測確保設備穩定運行[J].設備管理與維修，2014（10）：18-20.

[2]柳英杰，胥芳，潘國兵.三通道分布式電能質量檢測系統研究[J].機電工程，2014，31（2）：244-248.

[3]Power-Efficient Spatial Reusable Channel Assignment Scheme in WLAN Mesh Networks Rongbo Zhu · Jiangqing Wang Published online： 22 March 2011 Springer Science+Business Media，LLC[J].2011.endprint