基于S7的发电机组控制系统设计论文.doc

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1、基于S7-300的发电机组控制系统的设计摘 要 介绍了一种以可编程控制器 ( PL C) 为核心的燃气轮发电机组监控系统 。在其控制下 , 可实现燃气轮发电机组的自动起动 、运行及停机过程 ,并对运行期间的各种参数和状态进行检测 ,对故障状态及时做出处理 。实现在无人职守条件下燃气轮发电机组的自动运行 。关键词 可编程控制器，燃气轮发电机组，控制系统，PLCAbstract A Programmable Controller (PL C) as its core gas turbine generator set monitoring system. Under its control can

2、 be realized turbine generating units of the automatic starting, running andshutdown process, and during operation of the various parameters and status of testing of the fault condition to make a timely treatment. In the absence of duty to achieve under the conditions of gas turbine generating units

3、 automatically.Key words programmable controller, gas turbine generator sets, control systems, PLC目 录1 前言 - 3 -1.1 课题背景 - 4 -1.2 课题的国内外研究动态、目前的发展水平及趋势 - 7 -1.3 课题研究内容 - 8 -2 设计要求及原理简介 - 9 -2.1 控制系统的设计要求 - 9 -2.2 控制系统的结构和工作原理 - 10 -3 系统硬件设计 - 12 -3.1 硬件系统设计思想 - 12 -3.2 SIEMENS S7300 PLC系统特性与总体结构 - 12

4、 -3.3 S7300 PLC的主要模块介绍 - 14 -3.3.1 中央处理单元CPU模块 - 14 -3.3.2 电源模块 - 14 -3.3.3 数字量模块 - 14 -3.3.4 模拟量输入模块 - 15 -3.4 主要模块的选择及其与硬件系统的连接 - 16 -3.4.1 主要模块的选择 - 16 -3.4.2 继电控制系统 - 16 -3.4.3 油泵控制系统 - 17 -3.4.4 电压、电流、频率、功率测量系统 - 18 -3.4.5 模拟信号采集系统 - 19 -3.4.6 系统供电设计 - 20 -4 系统软件设计 - 20 -4.1 软件设计思想 - 20 -4.2 控制

5、系统软件设计 - 21 -4.2.1 起动控制系统 - 21 -4.2.2 检测报警及停车控制 - 26 -4.2.3 燃料调节系统 - 31 -4.3 控制系统的软件编程 - 32 -4.3.1 控制系统I0地址表 - 32 -4.3.2 启动流程图 - 34 -4.3.3 燃油控制流程图 - 34 -4.3.4 点火控制流程图 - 35 -4.3.5 慢车暖机控制流程图 - 36 -5 系统仿真设计 - 36 -5.1 起动过程的控制 - 36 -5.2 转速闭环控制 - 39 -6 总结与致谢 - 40 -6.1 总结 - 40 -6.2 致谢 - 41 -参考文献 - 41 -梯形图

6、- 43 - 1 前言PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简单尤其是它的高可靠性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。它应用大规模集成电路，微型机技术和通讯技术的发展成果，逐步形成了具有多种优点和微型，中型，大型，超大型等各种规格的系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多控制领域。根据确定的方案和工程实际要求，完成了控制系统的结构、硬件和软件的设计。以西门子S7300PLC及相关的开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块作为发电机组的中心控制单元。完成了各PLC模块硬件连接电路的设计，以及系统供电电路的设计，并完成了燃机

7、发电机组的起动控制、检测报警及停车控制的软件设计。编程采用梯形图语言，使程序更具可读性。 燃机发电机组大都采用回热循环，通常它由透平、压气机、燃烧室、回热器、发电机、变换及控制部分组成。燃机发电机组提供了一种清洁、可靠、高质量、多用途的小型分布式供电的最佳方式，使电站更靠近用户，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。有理由相信，一旦达到适当的批量，燃气轮发电机组有能力与中心发电厂相匹敌。对终端用户来说，与其它小型发电机装置相比，燃气轮发电机组是一种更好的环保型发电装置。燃气轮发电机组可用作常规机组或紧急备用电源，也可以用于分布式发电及冷热电联供系统，汽车混合动力系统和微型燃机一燃料电

8、池联合系统等。1.1 课题背景21世纪的人类面临着能源与环境的双重压力，在能源方面，化石燃料属不可再生资源，将逐渐耗尽；在环境方面，酸雨、温室效应和臭氧层破坏这三大问题严重威胁着人类的生存环境。面对不堪重负的环境压力和有限的化石能源，迫使人类开发和建立更加清洁、高效的能源系统，这已成为人类社会的共识。由于燃气轮机作为动力装置和发电设备在上一世纪所表现出的优异性和巨大的发展潜力，发展燃气轮发电机组技术及其联合循环技术将成为新世纪能源动力发展的主要方向，世界各先进国家均提出了各自的燃气轮机技术发展计划。近20年来，我国电力工业生产发展迅速。1982年，全国总装机容量为7236万kW，年发电量为32

9、7678亿kwh，到2002年底，全国发电装机容量突破35亿kW大关，全国共完成发电量16400亿kwh。目前，我国电力工业居世界第二位。随着电力工业的发展，发电厂的装机容量在不断扩大，单机容量为20、30、60万kw的机组已成为我国电网的主力机型。从电网方面看，电压等级越来越高，输送距离越来越远，我国仅跨省连接的大电网就有6个(即：华北电网、东北电网、华东电网、华中电网、南方电网和西北电网)。在不远的将来，将形成以三峡电站为中心的全国性联合电网。尽管如此，由于我国幅员辽阔，电力发展及分布很不均匀，而经济发展又极不平衡，偏远地区用电困难，中心城市用电高峰期电力供应不足的情况仍很严重。集中发电、

10、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分配的主要方式，正在为全世界90以上的电力负荷供电。这种集中供电方式，对不同地区的用户共享电力资源，缓解局部地区电力紧张是十分有利的。但这种模式并非没有缺点，如：电力输送所需要的成本随着输电距离的增加而增大；电能在输送过程中存在着损耗；电力需求随时州、季节的不断变化，造成电力生产与用户需求的不协调等等。另外，集中式供电模式面临的更为严重的问题是：一旦供电中枢或电力网出现故障，所造成的经济损失将是难以估量的。20世纪后半叶发生在美国的五次灾难性大停电给以集中供电为主导的现代电力系统敲响了警钟。采用分布式供电系统作为辅助手段，可以较好地解决这些

11、问题。分布式供电是指将发电系统以小舰模(几千瓦至50Mw)、分散式的方式御置在用户附近，可独立地输出电能、热能或(和)冷能的系统。与集中式供电模式相比，分靠式供电具有许多优点，如：不需远距离输配电设备，输电损失显著减少；可利用排气热量实现热、电联产或热、电、冷三联产，提高能源利用率；可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足，在电网崩溃和意外灾害情况下，可维持重要用户的供电；分布式供电系统体积小，各电站相互独立，非常适合对农村、牧区、山区以及发展中地区提供电力，也可作为军用车载或舰载电源；用户可根据时间、季节变化自行控制供电系统的工作，缓解电力生产与用户需求的不协调等等。纵观西方发达国家电力工业的发

12、展过程，可以发现：电力工业的发展经历了从分布式供电到集中式供电，又到分布式供电方式的演变。造成这种现象不仅仅是由于生活水平提高的需求，而且也是集中式供电方式自身所固有的缺陷造成的。毋借胃疑，随着社会的发展，我国电力工业也将面临类似的问题。虽然，从目前电力工业的发展情况来看，集中式供电仍是我国电力工业发展的主要方向，但从长远看，只有合理地调整供电结构、有效地将分布式供电和集中式供电相结合，才能构架更加安全、稳定的电力系统。在各种分布式发电方案中，微型燃气轮发电机(MicroTurbineGenerator)MTG是目前最成熟、最有商业竞争力的分布式发电设备，也是目前国际上分布式供电系统的主要发展

13、方向，有可能成为21世纪能源技术的主流。随着微型燃机技术的不断完善，燃气轮发电机效率己从17一20上升到当前的26一30，但和发电效率为35一55的大型发电厂相比，以燃气轮机作为动力的简单分布式供电系统的热转功效率依然较低。如果利用燃气轮机排气热量实现热、电联产或热、电、冷三联产，能源利用率可达到70-90。与其它的发电机相比，燃气轮发电机具有以下优势。(1)寿命长，燃气轮发电机组工作寿命达45000h。(2)移动性好30kw燃气轮发电机组的重量比3组柴油发电机组还轻。(3)安全性好由于采用单轴结构，运动部件少，故障率大为降低。采用无接触支撑和空气冷却，无需更换机油和冷却介质，发电机组的首次维

14、修时间在运行8000h以后，维修费用低。(4)环保性好噪声低，废气排出少，对环境污染程度较轻，有利于环境保护。目前，美国和同本都有多家企业在积极开发制造燃气轮发电机组，在美国，Capstone公司已经制造出65kw级燃气轮机发电机组，发电效率达到26；Honeywell公司开发成功了75kw级的发电机组，发电效率为285。 在我国，燃气轮机发电技术仍处于研制阶段，一些科研机构、高等院校以及部分航空发动机制造公司正在开展相关技术的研究。2002年由哈尔滨东安集团和中科院工程物理研究所、西安交通大学组成的联合体承担了国家863计划重大专项课题燃气轮机发电机设计与研发，计划到2005年推出具有自主知

15、识产权的国产燃气轮发电机组，其产品水平与美国2000年产品相当a我国正在积极致力于独立研制开发燃气轮发电系统。燃气轮发电系统在未来我国电力、动力等国民经济领域和国家安全等方面具有重要作用和战略意义，先进的燃气轮发电技术是21世纪能源动力系统中的核心关键技术，对于我国相关领域，如：能源、电力、航空、航天、军事等国民经济和固防建设中的高新技术发展和移植有重大作用。因此，研究燃气轮机驱动高速磁悬浮永磁发电机控制技术具有十分重要的现实意义。燃气轮机在未来我国电力、动力等国民经济领域、国家安全、急需电力和缺电地区等方面具有重要作用和战略意义，特别是我国目前的电力发展及分布很不均匀，而经济发展又极不平衡；

16、随着西部大开发“西气东输”工程的实施以及能源供应多样化的发展趋势，国 课题的国内外研究动态、目前的发展水平及趋势燃气轮机的雏形可追溯至60年代，但真正发展是在90年代初，出现了由燃气轮机直接带动高速交流发电机的燃气轮发电机组，发出的高频电流经变频为5060Hz后去应用；这样不仅大大简化了结构，而且使整台发电机组的尺寸显著减少，重量减轻。将燃气轮机与发电机设计成一整体，这是一个新的设计概念，优点显著，故一出现后即获得强大的生命力。国内外现在有多家公司正在研制和生产这种燃气轮机。1999年在美国动力年会上，Allied、Signal、Capstone与Elliott等公司推出了2575kw燃气轮机

17、样机，得到了电力、交通和军事等领域的高度重视。在美、欧等国燃气轮机发展迅猛，每年均有样机推出。美国专家预测燃气轮机的潜在全球市场将达到每年80100亿美元。美国能源部(DOE)在其制定的21世纪能源规划(vision21)中指出，21世纪的“Energy Plans”应该具备高效率、低污染的特点。目前尽管出现了大量的可供利用的其它能源形式，如太阳能、风能等，但当前能源工厂仍主要集中在使用化石燃料。高效率和对环境的最小破坏，是未来能源工厂必须具备的特点，并应能在经济性方面具备吸引力。美国、日本和欧洲国家都在进一步强化新一代燃气轮机系统的研究、开发。美国国家能源部(DOE)制定了年度“燃气轮机系统

18、”财政计划项目，该项目投资近163亿USD。它所研制的燃气轮机系统的功率范围从251000kw之间，在燃气轮机系统中采用了带回热装置的燃气轮机，使得系统效率和寿命都有了很大的提高。目前，燃气轮机的最大单机功率为80200kw。2001年8月美国建设了号称目前世界上最大的燃气轮发电机电站，总容量为15MW，共有50台capstone 30kw燃气轮发电机。日本后起直追，东京透平系统公司和三菱重工也都开发出了燃气轮发电机产品投入市场。我国燃气轮机技术研发由于历史原因，与国外相比差距很大。对于微型燃气轮机的研发，总体上比较系统的研究和研发尚未深入进行：至今为止，只有极少几个型号的燃气轮机用于商业运行

19、中。国内一些研究单位虽说对燃气轮发电机组进行了大量的研究工作，与国外相比还有很大差距。在燃气轮机领域进行过研究的单位有中国北方车辆研究所、北京理工大学热能工程系等一些研究单位。因此，科研院所和生产企业应该联合起来，积极开展燃气轮发电机组的技术合作与联合攻关，以尽快推动国内燃气轮发电机组技术的进步。国家科技部已将燃气轮发电机组列为863攻关项目，此项目已由哈尔滨东安集团承担。针对我国燃气轮机的研究现状，燃气轮机的研制需要采用先进技术，需要进行大量研究工作。具体研究涉及如下几个方面：燃气轮机总体设计技术研究，包括总体方案、节点参数和全工况性能；压气机、燃烧室、涡轮机及回热器等主要的热力参数匹配和最

20、优化技术；旋转部件轴系稳定性研究，高效减噪音技术；紧凑、合理的结构设计，进气系统设计，外形设计；高效高压比单级离心式压气机研制；低Nox排放高效燃烧室研制；数字控制系统的研制；60000rpm高速发电机和变频系统研制：高速、高温轴承研制：燃气轮机产品总成、安装、调试或试验等。国产燃气轮机发电机组的控制系统多数采用传统继电器控制装置进行控制。然而随着工业现代化的发展，对燃气轮机运用率和燃气轮机质量的要求在不断的提高，这样对燃气轮机控制系统的可靠性就提出更高的要求。因此继电器控制系统的控制性能已无法满足适应现代工业控制的要求和发展。而可编程序控制器(Programmable Logic Contm

21、ller，简称PLC)是以微处理器为核心的通用工业自动控制装置，它的发展适应了工业生产过程控制的要求和发展的，它不仅能方便地处理开关量和模拟量，还能实现自动定时、计数和算术运算处理等功能。 PLC配有大容量的存贮器，用软件代替常规的继电器，使控制系统具有体积小、重量轻、速度快、可靠性高和易调试等特点。同时还能适应高低温、冲击振动、电磁干扰、电源波动等较恶劣的工作环境。所以PLC完全可以取代继电器逻辑控制装置，并且采用以PLC为主的控制系统能够提高燃气轮机发电机组的性能。1.3 课题研究内容(1)课题研究的主要内容本课题研究的具体内容包括如下几个方面：1) 制定以PLC为主控制系统总体设计方案；

22、2）针对设计方案进行燃机发电机组控制系统的结构设计：3）进行基于PLC的燃机发电机组控制系统硬件设计；4）完成基于PLC的燃机发电机组控制系统软件设计(编写软件程序)以及仿真；5) 完成基于PLC燃机发电机组控制系统的研究。(2)设计中遇到的问题以及采取的解决方法和措施1）燃机控制系统主控制器的选择问题。本次设计拟采用德国西门子PLC(S7-300)及配套的系列IO卡件；2）电机的启动是由直流电源供电，需要考虑电源的节能与充电问题。3) 如何在停车后彻底切断电瓶的负载问题。本设计采用启停自锁逻辑在停车后彻底切断电瓶的负载。2 设计要求及原理简介 2.1 控制系统的设计要求(1)机组控制系统应能

23、完成使机组从启动带转、点火、加速直至额定状态以及停车全过程及各种状态的自动控制。(2)机组控制系统应能保证机组安全稳定运行，保证机组在任何情况下，不发生超温、超转现象。(3)机组控制系统应考虑机组从点火、加速、直至额定运行过程中，使机组能够充分预热，以降低对机组的热冲击，提高机组寿命。(4)机组转子转速达到95额定转速后投入按额定转速控制的闭环控制，保证发电机输出电压和电力输出单元稳定工作。(5)当发生一般性故障(按给定列表)且为无人职守状态时，机组控制系统应正常停车；当机组发生一般性故障且为有人职守时，机组控制系统应发出声光报警。(6)当机组发生严重故障时机组控制系统应发出声光报警并紧急停车

24、。(7)机组控制系统应设有“启动”、“停车”、“紧急停车”等按钮，同时应考虑设置机组调试时所需的按钮、开关等。(8)组控制系统应设有用于系统主要运行参数显示，操作提示等的人机交互界面，同时应考虑设置机组调试时所需的与其它通信的数据接口。2.2 控制系统的结构和工作原理以当前应用较为普及的黎明发动机集团的wD095燃气轮机为例，发电机组是黎明公司研制的具有自主知识产权的燃气轮机发电机组，该机组为可移动的不并网独立电源，发电功率95Kw(380V 50HZ)可长期在100Kw功率范围内满足用户要求：机组体积小、重量轻、维护性好，可在无人看守的条件下运行，可应用于多种工作条件，全自动调节，自动保护，

25、自动化程度高，机组工作寿命长，运行和维护费用大大低于现广泛应用的燃气轮发电机组。应用的相关技术：电磁轴承一保持转子在每分钟6万转运行：烟气回注-将燃烧后的高温烟气通过小型回热器实现回热循环，对燃料预热；永磁电机技术； 变频技术。燃气轮发电机组由涡轮机、压缩机、燃烧室、回热器、轴承、高速发电机、电力变换系统、喷油系统等部分组成。其中发电机与涡轮机、压缩机同轴。系统工作过程如下：清洁的空气经过压缩机增压后，进入回热器，与涡轮机排出的尾气进行热交换，加热后的空气送入燃烧室，与燃油嘴喷出的燃料混合燃烧，推动涡轮机做功，带动同轴的发电机发电。发电机发出的电力，经过电力变换系统变换后，输出满足用户要求的交

26、流电。控制系统的结构如图22所示。燃气轮发电机组的控制系统由中央控制单元、传感器、开关面板、显示单元和控制器等几部分组成。中央控制单元是微型燃气轮发电机组控制系统的核心，它负责对整个系统的监测与控制。传感器负责各种信号的采集，系统中测量参数显示，主令控制信号的实施以及控制器的工 作都是在中央控制器的操控下实现的。压力控制器通过燃油压力的闭环控制系统，保持燃油压力恒定。采用功率和速度反馈实现燃油的闭环控制。空载时，功率反馈信号为零，燃机在控制器的指挥下维持在某一转速(自持转速)。当负载功率变化时，功率反馈信号与原来的供油量信号迭加以改变了燃机的转速给定值通过闭环控制，最终使系统维待在该功率所对应

27、的转速上。中央控制单元通过电力变换实现微型燃机的启动、停止控制。图21说明燃气轮机的控制过程。 图2.1燃气轮机的控制系统结构框图(1)微型燃机的启动控制微型燃机启动过程包括驱动、点火、暖机和加速到满载。从冷启动到满载整个过程大约需要2分钟。启动过程中，用户负载断开，发电机用作启动机。备用电池组为整个系统供 电。电力变换系统的启动变频器输出频率由零到某一频率(由燃机点火的转速决 定)的交流电源给启动机，启动机拖动燃机的转子加速，当转速达到点火转速时，燃机供油、点火，使其转速按一定规律(升速曲线)上升到自持转速。然后控制 系统断开启动机电源，撤销逆变器控制信号，系统进入自持状态，为下一个步骤 做

28、好准备。燃机进入自持状态后，主变流器开始工作，整流输出电压最终稳定在额定值。 此时，整个系统转换为发电机供电，系统向用户和控制系统自身提供电能。(2)微型燃机的停止控制系统接到正常停机命令后，功率输出自动终止(停止向用户提供电能)。燃机继续以一定的转速运转一段时间以冷却各部件，此过程称为冷机，整个时间大 约10分钟。从进入冷机过程的6分钟之内，如果需要，系统还可以再次启动。 当发出正常停机指令后，如果系统监测到蓄电池需要充电，则微型燃机将持 续运转大约需要20分钟时间为蓄电池充电，以保证电池的电量充到额定容量的 9095。当紧急停机时，需要进行如下操作：1)功率输出终止(停止向用户提供电能)；

29、2)输出接触器断开(切断外部电路)；3)燃料控制电磁阀关闭(停止燃料供给)；4)压缩机旁路阀打开(停止向涡轮机提供空气)；5)内部能量被断开；6)转子减速到停止。紧急停机仅在紧急情况下使用，它可能对燃机使用寿命产生影响。本论文重点实现机组起动控制(包括起动机启动、燃机点火、慢车暖机、加 速过程控制)、检测报警及停车等控制系统的没计。3 系统硬件设计 3.1 硬件系统设计思想(1)电机组的中心控制单元设计由德国西门子S7-300系列PLC及相关的开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、触摸屏等组成。(2)系统的主要工作参数、工作状态和操作指导，由TPl70A触摸屏显示和操

30、作。(3)通过起停自锁逻辑解决停车后彻底切断电瓶负载问题。（4）启动过程中，控制系统本身采用DC24V直流电源供电。油泵电机采用AC220V的UPS电源供电。启动机由DC312V电源供电，系统启动进入发电状态后，出发电机向所有部分提供电能。3.2 SIEMENS S7300 PLC系统特性与总体结构热工控制系统对硬件的要求很高，其生产过程中的特点决定了系统必须具备 较高的可靠性，较快的速度等，在众多的PLC产品中，S7300PLC功能强、速度快、扩展灵活：它具有紧凑、无槽位限制的模块化结构，并易于扩展，便于以 后系统应用于电厂。本设计的控制系统选用的是SIMENS的S7-300型PLC，它是目

31、的国内应用较多，性能价格比较好的高性能PLC。SIEMENS S7300和其他可编程控制器一样，都是采用循环扫描工作方式，即CPU首先扫描输入模块的状态，并更新输入过程映像寄存器，然后执行程序，最后在输出过程映像寄存器中将值输出到输出模块，因此循环下去。S7300 PLC的主要组成部分有：导轨(RACK)、电源模块(PS)、中央处理器CPU模块、接口模块(IM)，信号模块(SM)，功能模块(FM)等，通过MPl网的接口直接与PC或其他PLC相连。其系统构成如图31所示。S7300是模块化的组合结构，根据应用对象的不同，可选用不同型号和不 同数量的模块，并可以将这些模块安装在同一机架(导轨)或多

32、个机架上。CPU314315最多可扩展为四个机架，IM360IM361接口模块将S7300 背板总线从一个机架连接到下一个机架。中央处理单元CPU总是在O号机架的2号槽位上，l号槽安装电源模块，3 号槽总是安装接口模块，槽号4至11，可自由分配信号模块、功能模块和通信 模块，需要注意的是，槽位号是相对的，每一机架的导轨并不存在物理的槽位。 用于发送的接口模块IM360装在O号机架3号槽，通过专用电缆，将数据从IM360发送到IM361，两者之间的最大距离为10m。具有接收功能的模块IM36l，用于S7300的机架l到机架3的扩展，通过连接电缆把数据从IM360接收到IM36l或者从一个IM36

33、1传到另一个IM361，它们之间的距离也不应大于10m。3.3 S7300 PLC的主要模块介绍S7300是模块化的组合结构，有多种型号的模块，下面就常用的模块结构及接线方式简单介绍一下。3.3.1 中央处理单元CPU模块S7300有CPU312 IFM。CPU 313。CPU 314，CPU 315，CPu 3152 DP等中央处理单元可供选择。CPU 312 lFM模块上集成有lO个数字量输入点和6个数字量输出点，其余模块上还带有继承IO端口，其存储器容量、指令执行速度、可扩展的加I/O点数、计数器定时器数量，软件块的数量等，随序号的递增而增加。 CPU 315 DP除具有现场总线扩展功能

34、外，其它特性与CPU315相同。3.3.2 电源模块PLC的数字量模块S7300有多种型号的数字量IO模块供选择，如数字量输入模块SM321、 数字量输出模块SM322，数字量I0模块SM323，此外还有仿真模块SM374，占位模块SM370等。数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成S7300模拟量输入模块模拟量输入模块是将外部生产过程缓慢变化的模拟信号，转换为能为可编程序控制器识别的数字信号。模拟量信号类型相比于数字量信号类型要烦琐的多， 模拟量值的表示方法、测量方法、测量范围、输出范围，以及其于传感器、负载 或执行器的连接也都十分复杂。S7-300的CPU用16位的二进制补码表示

35、模拟量值，其中最高位符号位S，“O”表示正值，“l”表示负值。被测量的精度可以调整，取决于模拟量模块敲 性能和它的设定参数。S3700模拟量模块的输入范围很宽，它可以直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号。模拟量输入模块SM331有两种规格型号：一种是8*12位模块，另一种是 2*12位模块。前者是8通道的输入模块，后者是2通道的输入模块。除了通道 数不一样外，其工作原理、性能、参数设胃等个方面都完全一样。SM33l输入模块主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、 光电分离部件、逻辑电路等组成。A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法。3.4 主要模块的选择及其与硬件系

36、统的连接 3.4.1 主要模块的选择 本次设计不需要扩展，因此只使用一个机架。中央处理单元CPU模块采用CPU314型号，安装在2号槽位上。电源模块采用PS 307 2A型号，安装在1号槽位上。八个信号模块的安装，其中包括1个开关量输入模块PLC8，安装在8号槽位上：3个开关量输出模块PLC9、PLCl0、PLCll，分别安装在9、10、11槽位上：4个模拟量输入模块PLC4、PLC5、PLC6、PLC7，分别安装在4、5、6、7槽位上。开关量输入模块全部采用SM 32l D116+DC20V型号；开关量输出模块全部采用SM 322 D08*DC24VO5A型号；模拟量输入模块除了PLC7采用

37、SM33IA12*12Bit型号外，其他均采用SM33l A18*12Bit型号。3.4.2 继电控制系统继电控制系统是为了保证PLC正常工作而设计的，主要任务是给全系统的PLC和人机界面供应直流24V电源，系统的硬件结构图如图32所示。启动按钮QDA与开关量输入模块PLC8的第四个触点连接，当按下此按钮则进入启动状态。启动模式选择开关FSK，与开关量输入模块PLC8的第五个和第六个触点连接，用于当点火成功后，系统进入慢车暖机控制，选择人为点动升速或自动控制升速。 停车按钮TZA，与开关量输入模块PLC8的第二个触点连接，当按下此按钮则进入停车状态。紧急停车按钮JTA与歼关量输入模块PLC8的

38、第三个触点连接，当按下此按钮则进入紧急停车状态。机组的主要参数显示由TPl70A触摸屏和指针表来完成。其中指针表只用来 直观地显示机组的输出电压。在电源供给方面：PLC8、PLC2和触摸屏TPl70A都由直流电源1(DYl)提供直流24v4A的电源：PLC9由直流电源2(DY2)提供直流24V6A电源；PLCl1出直流电源3(DY3)提供直流12V4A电源。图中的2KM、3KM、4KM是三个接触器的线圈，它们主要用于控制发电机电动机的两种工作状态的切换，不允许三个器件同时动作，所以需要将三者进行互锁。图中所示，接触器3KM的线圈与2KM的常闭开关串联，然后与开关量输出模块PLC9的14触点连接

39、：接触器2KM分别与3KM、4KM的常闭开关串联，然后与开关量输出模块PLC9的16触点连接；lKJ的常开开关与2KM的常闭开关以及4KM的线圈串联从而形成2KM与3KM、4KM的互锁。紧急停车按钮JTA与接触器4KJ的线圈连接来控制4KJ；接触器4KJ与PLCll的3、4触点和5触点连接来控制供油电磁阀DCFG和燃油泻放电磁阀DCFX。当发生紧急故障时，按下紧急按钮时4KJ断开，同时燃油输出也断开，因此实现了紧急停车的控制。当不发生故障时则有PLCll的3、5触点控制电磁阀，从而来控制燃油系统。当停车过程结束后为了彻底解决切断电瓶的负载，本设计采用起停自锁逻辑。如图33所示，K2为由主控制器

40、操纵的继电器，当停车过程结束后，由主 控制器发出指令将该接点断开，进而切断直流电瓶(+VS)的全部负载。 3.4.3 油泵控制系统燃油泵与滑油泵的接线方式如图34所示，在发电之前，3KJ闭合，由电源UPS通过变频器BPQ3、BPQ4分别为滑油泵和燃油泵供电，当点火成功后发电机开始发电时，由发电机为UPS充电，同时为油泵供电。其中变频器的启动由PLCl0来控制。3.4.4 电压、电流、频率、功率测量系统电压、电流、频率、功率量测量系统是为了能够满足供应380V、50Hz的电 流而设计的，主要是测量电压值、电流值、频率值、功率值。再把测量出来的电 压、电流、频率、功率值输入到PLC的AD转换模块中

41、。图中，3KM和4KM用于控制将启动电机发电机与外电路隔离；三个电流变送器DLBl、DLB2、DLB3用于向PLC6反馈外部电流值；电压变送器VBl、VB2、VB3用于反馈外部电压值；频率变送器FBl用于反馈外部的频率值；功率变送器PB用于反馈功率值。这些信号经过AD转换后送入PLC6中。本测量系统采用的各个变送器都是WB系列。WB系列电量隔离传感器是根据自动控制和数据采集技术发展的需要，由我省首创研制并率先向市场推出的新一代的高性能电量检测产品。本产品的输入端和输出端完全隔离，可以对电流、电压、频率、功率、相角、 功率因数等电参量进行高速、高精度的隔离测量和变换；也可以对微弱的电量信号进行高

42、速、高精度的隔离放大和传送，将其变换成数字量输出、开关量状态输 出等。也可以和传统的指针式仪表连接，更适合于现代的数字式自控仪表、各种 AD转换器、以及计算机系统直接配接。本系列产品的特点是精度高、体积小、功耗低、频响宽，可以解决自动检测 及多路数据采集中的隔离、变换、传送和共地、共电源等关键技术问题，能有效 克服共模干扰，提高系统可靠性，简化系统设计，降低系统成本。与传统的电测 器具相比，WB系列电量隔离传感器体积缩小了815倍，重量减轻了1030倍，功率缩小了410倍，通频带拓展到DC100KHz，而价格只有同类进口产品的l1013。下面表31是本设计所选用的电流、电压、频率变送器的型号及

43、参数表。 3.4.5 模拟信号采集系统模拟信号采集系统是为了实现PLC的AD转换而设计的，主要任务是采集信息，把各种信号转变成420mA的电流值的信号。其中包括涡轮温度、滑油压力、燃油压力、燃料调节、机组震动以及A、B、C相温度等信号。本系统的硬件图如图36所示。图中的PLC4、5、7用于接收，发电机三相温度、滑油泵温度、机组震动、燃油压力、滑油压力、涡轮温度、燃料调节等方面的模拟信号，然后经过AD转换送给PLC进行对应的闭环和开环控制。3.4.6 系统供电设计系统供电的硬件接线图如3.4.6所示。按下启动按钮(QDA)时，系统进入启动状态。控制系统由DC24V(图中的DYl、DY2)直流电源

44、供电。 滑油泵和燃油泵由AC220Jps提供电源。启动机由DC312V直流电源(图中DCX)供电。当点火成功，发电机进入稳定运行即发电状态时，发电机通过变压器(BYQ) 给控制系统供电，通过UPS为滑油泵和燃油泵供电，同时UPS进入充电状态。 4 系统软件设计 4.1 软件设计思想(1)启动-点火：此时是将发电机作为启动机，将燃气轮机带转到点火转速的过程。此过程由中心控制单元控制变频启动单元，按给定频率斜升速率驱动高速永磁发电机(开环过程)运行。(2)点火-脱开：控制系统给定的启动过程中，燃料供给曲线(开环过程)及温度限制线(闭环过程)，低选操纵燃料调节阀；点火成功后涡轮开始对外作功，变频启动

45、单元的驱动功率将逐渐降低(开环过程)，当驱动电流小于某一定值(此值与启动拖开转速一致，通过实验确定)时，由接触器将启动机切换到发电状念，并关闭变频启动器(闭环过程)。该过程应保证机组充分暖机，而且不发生超温现象。(3)加速过程：控制系统给定的斜升率(开环过程)及温度限制线(闭环过程)低选操纵燃料调节阀，增加燃料供给量，机组加速。(4)额定运行：当机组转速达到95额定值后，系统投入按额定转速和输出 功率调节及相关参数控制，启动恒频恒压输出单元，机组进入闭环控制状态。4.2 控制系统软件设计有了硬件做运行平台，软件才能发挥其应有的功效，而硬件固定后，软件的功能也基本确定；由于软件的灵活性，可以根据

46、系统的要求随意的更改、增减， 所以一个应用系统能否满足要求在很大程度取决于软件的结构是否合理，功能设 计是否全面。本章主要对燃机发电机组的起动控制、检测报警及停车控制进行了软件设计，以及对燃料调节系统做出相应介绍。4.2.1 起动控制系统微型燃机的起动过程包括系统启动检查、起动机起动、燃机点火、暖机和加 速剑窄载转速，进入额定发电状态。系统接剑起动命令后，进行系统检查，当所有起动条件满足后，发出系统启 动命令，燃机进入启动状念；当电机速度达到燃机点火转速时，燃机点火，进入 暖机和加速阶段；当电机速度达到燃机发电转速时，系统进入发电状态，进行正 常的系统对外供电，燃机起动过程结束。下面对燃机起动

47、过程的各部进行分析设 计。(1)系统启动检查当系统接到启动命令时，先检查运行标志m-RUN，然后根据运行标志位所表示的含义，执行起动动控制或其他控制。其中mRUN=0-1时为滑油系统的启动过程：mRUN=l2时为启动变频器的启动过程：mRUN=23时为燃油系统的启动过程；mRUN=3-4时为供油点火过程；m-RUN=45时为进入慢车状态过程；mRUN=56时为暖机延时状念；mRUN=67时为升速、进入额定状念过程；mRUN=89时为正常停车减速过程；mRUN=910时为J下常停车降温过程；mRUN=1l时为启动应急停车过程；mRUN=12时为启动紧急停车过程。(2)起动机起动起动初始阶段发电机用作起动机，发电机处于电动状态。启动变频器的输出断路器闭合，蓄电池组经DCDC单元投入直流母线，经斩控整流桥逆变为O 400Hz(由燃机点火时的转速决定)的交流电源供给发电机，起动控制的逻辑图 如图41所示。