PLC控制的直流发电机组自动监控系统设计

摘要：根据厂矿企业的实际需要，本系统综合运用西门子PLC S7-300，WinCC组态、工控机、全数字直流调速等装置进行组合，对发电机组进行串并联，实现发电机组的自动化运行，以达到提供工厂所需各种直流电源的目的。同时，系统能对供电过程进行实时监控，减少系统的并联环流量，提高发电机组工作的发电效率。现场试验结果表明，系统并联环流明显较少且能实现自动运行。
关键词：全数字直流调速；直流发电机组；PLC S7-300；工控机；WinCC

0 引言
    直流电机在现代工矿企业中有着广泛的应用，并在不断发展，与交流电机比较，直流电机具有良好的启动性能和调速性能。随着工业生产自动化程度的不断提高，要求直流电机具有更高的动态特性，更大的过载能力，更宽的调速范围，更低的转动惯量，更高的可靠性，耐用性和主要经济技术指标。而要使直流电机系统达到这些性能指标的必要条件是直流电机系统具有可靠，稳定的直流电源。在工程设计中，往往需要在输出功率一定的情况下得到大电流、小电压或小电流、大电压的稳定直流电源。这就需要将2个或几个大小相等的直流电源进行并联或串联，以得到所需要的直流电源。
    本系统中，要求直流发电机组能提供不同的电压和电流，这就要求对直流发电机组进行串、并联，而并联不可避免会出现环流，那么在系统中，消除环流是本系统的重要工作之一。PLC控制的直流发电机组自动监控系统能达到发电机组在各种工作方式下的性能要求。系统可以根据实际的需要，自由选择适当的工作方式，监控系统的运行参数，减少环流，使它控制在可行的范围内，以满足系统的各项性能要求。

1 系统构成
1．1 系统框架
    根据实际要求，系统采用图1所示的系统架构图进行设计。控制系统主要由工控机，PLC，全数字直流调速装置(CUD1)，发电机组(同步机(G1，G2)，直流发电机(GA、GB))4部份组成。其中，GA-G1-GB为1#发电机组，GA-G2-GB为2#发电机组。工控机通过以太网监控PLC的输入／输出数据，PLC控制直流调速装置。直流调速装置通过调节直流发电机的励磁电流来控制直流发电机，以输出所需要的电压、电流，最后得到实际所需的直流电源。发电机的输出数据(电枢电流、电枢电压)反馈至PLC进行误差分析，有效地实现了闭环控制。

1．2 直流发电机组并联环流分析
    两台参数一致的直流发电机并联，当它们的输出电压相等时，并联工作为最佳状态，在这种情况下系统不会产生环流，并将稳定运行。但实际系统中发电机由于制造工艺、材料等客观原因，造成发电机参数存在差异，往往使得两同轴发电机在相同励磁电流下的静态输出电流并不相等，而是存在差异。图2中将两直流发电机等效为两直流电源，其感应电动势分别为E1，E2，其内阻分别为R1，R2，其并联输出电流为Io，并联输出电压为Uo。这里设定E1大于E2形成环流Is，并对电路进行分析。单个发电机的输出电流由负载分量和环流分量组成，将负载分量定义为Io。
    对电路进行分析，可得以下关系：根据基尔霍夫电压、电流定律，得：
   
    式中：E为感应电动势；Ce为电动势常数；n为转速；φ为磁通；Kf为比例常数；If为励磁电流。
    根据式(2)～式(4)可得：

    即只要使励磁电流If1=If2即可保证环流为零。实际系统中，R1≠R2。式(5)中Ce，Kf1，Kf2，n，Uo是相对一定的，在既定的系统中是不可调的。故需要根据实际的需要来调节励磁电流If1，If2的大小，以使环流为零，或使得环流在系统所允许的范围内。

2 系统设计
    使用STEP7对西门子PLC S7-300进行组态和编程，使用WinCC组态人机界面，对系统进行在线监控。
2．1 系统调节方式
    整个系统运行，首先需要经过同步机的并网，用同步机拖动直流电机进行发电，根据需要输出的电压、电流要求，选择不同的运行方式。本系统共有单机或串联、先串联后并联、先并联后串联、三并联、四并联5种工作方式，通过对这5种方式的调控，输出系统所需要的电压、电流。并网后，当发电机组在不同试验步骤中要求运行在五种工作方式中的一种时，需对五种工作方式的发电机组进行调节。基本的调节方式有单机调节和两并联调节。其中，单机调节适用于所有工作方式，两并联调节适用于所有有相应机组并联的方式。
    (1)单机调节。单机调节是比较实际输出电压和给定电压的差值是否大于系统标准，若大于则进行判别，确定增加还是减少相应的励磁电流，使直流电机输出的电枢电压及其设定的电枢电压差值保持在一定范围内，具体调节流程如图3所示。

    系统启动后，对给定电压和实际输出判断，当实际输出大于给定电压ua(ua为系统设定的误差允许值)时，再进行进一步判断实际输出是否大于给定电压ub(ub为判定是用微调方式还是粗调方式的临界电压)，如大于ub则对励磁电流进行粗调，如小于、等于ub，则进行细调。
    (2)并联调节。并联调节中，同一直流电机组中的直流发电机A，B并联，虽然电机型号一样，但由于制造工艺和材料的差异，输出电压会有所不同，进而形成环流。如果A机的输出电枢电压大于B机的输出电压，则A机电动势大于B机，需要减少A机励磁电流，增大B机的励磁电流，反之，需要增加A机励磁电流，减少B机励磁电流，具体调节流程如图4所示。

    系统启动后，先进行单机调节，然后分别将两发电机的输出电流与并联输出电流的1／2进行比较，最后确定相应发电机的励磁电流调节，以达到系统的要求。
2．2 系统工作方式
    直流发电机组运行为了输出需要的电压、电流，有单机或串联，先串联后并联，先并联后串联，三并联，四并联5种工作方式。这5中工作方式的调节方式都是基于单机调节和并联调节的。由于在先并联后串联，先串联后并联两种工作方式中，其调节方式实际上就是单机调节和2并联调节的2种特殊情况，这里不在作具体分析。在此重点分析三并联和四并联两种工作方式。
    (1)三并联工作方式。使用1#A、B，2#A，三并联形成环流如图5所示。

    三并联调节方式要进行2个调节步骤：1#A，B并联调节；三并联时，各机1#A(I1)、1#B(I2)、2#A(I3)需单独将自身电枢电流与总电流的1／3进行比较，来确定增、减励磁电流使电枢电流平衡，具体调节流程如图6所示。系统启动后，先进行单机调节，再进行1#机组的并联调节，然后分别将3个发电机的输出电流与并联输出电流的1／3进行比较，确定相应发电机的励磁电流的调节。

    (2)四并联方式。四并联方式(使用1#A、B，2#A、B)，其连接和环流形成示意图如图7所示。

    四并联调节电枢电流平衡，要进行2个调节步骤：
    (1)1#A，B；2#A，B并联调节；
    (2)各机组1#A(I1)，1#B(I2)，2#A(I3)，2#B(I4)需将自身电枢电流与总电流的1／4进行比较，来确定增、减励磁电流使电枢电流平衡，具体调节流程如图8所示。

3 人机界面设计
    本设计中，利用WinCC完成系统的人机界面设置。WinCC操作界面由5部分组成：系统主界面，工作方式界面，1#机组操纵界面，2#机组操纵界面，报警界面。
    (1)系统主界面。系统主界面主要由系统工作方式、发电机组的选择以及报警界面的选择组成。其框架图如图9所示。

    (2)工作方式界面。工作方式界面由2个发电机组的工作方式设定组成。能够对2个发电机组的工作方式进行设定以满足系统的实际需要，其框架图如图10所示。

    (3)机组操纵界面。这里以机组1#为例，其界面截图如图11所示。

    通过机组操纵界面可以对同步电机的驱动电压、输出电流大小和频率，两直流发电机的输出电流、电压，两直流发电机的励磁电流、电压进行监控。同时通过操纵界面还可以对直流发电机组电压进行设定，和对同步电机和两直流发电机的励磁电压、电流进行调节。
    (4)状态与报警界面。系统的报警界面由各电动机的故障报警、熔断器状况、运行状况、串并联保护、断路器状态和控制方法选择组成，其界面截图如图12所示。

4 结语
    经试验调试后，PLC控制的直流发电机组自动监控系统被投入工厂运行。实际生产证明其能提供所需的稳定直流电源。系统运行结果表明，系统环流控制精度高，运行稳定，故障率低。系统控制操作简单，系统能对发电机组运行状态进行及时地监控和数据采集，发电机组的功率比得到提高，节能效果明显。