基于PLC的同步发电远程测控

黄麒

摘 要：在电力系统的设备当中，发电机是其中关键的设备之一。可靠运行发电机是电力系统发电的前提。所以工程师应该注重监测发电机的状态，注重诊断故障。尽量减少事故的发生，并且延长设备的使用寿命。对发电机进行在线监测可以及时发现事故的隐患，对保证发电机正常运行具有重要意义。基于此，本文主要从发电机需要测量的各个参数，包括外部运行温度方面进行检测分析，实现基于PLC的同步发电机远程测控系统的硬件设计。本项目主要实现测量同步发电机参数的功能，并把采集的数据上传到PC机，显示在PC机界面。

关键词：同步发电机；PLC；多功能仪表

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）21-0048-05

1 绪论

基于PLC的测控系统的介绍和现状：上个世纪的80年代开始，就有人提出了“无人值班”或者说“少人值守”的概念体系。工业自动化生产进步的同时，对组态软件的要求也越来越高，所以应对组态软件不断更新。因此，所选远程的测控系统的发展应有利于工业自动化系统控制的发展，并为我国的工业现代化提供有效可行的方法[1]。在电力系统方面，很多国家会对同步发电机进行深入的研究就是因为同步发电机本身拥有独特的优点。小型水电站工程系统的建设在逐渐完善，那么也就会提高对发电机的容量以及运行效率有更高的要求，来达到降低工程建设成本的目的。

2 同步发电机的测量参数的选择

同步发电机的工作原理：由于主发电机与从发电机是相互连接的，所以相互之间具有一定的关系，通过调节主发电机就可以调节发电机的各项数据。

同步发电机的基本结构：一般的发电机主要由以下几个部分构成：用于整流的装置，以及运行的发电机，还有就是交流的励磁机。

测量参数的选定：基于对同步发电机的了解以及对同步发电机结构的分析，对于测量的参数，我们选择的测量参数有温度、频率、有功功率、无功功率、视在功率、励磁电流、励磁电压、定子电流、定子电压[2]。另外，同步发电机的转速由频率计算的得到，可以不用测量。参数的选定多数是在网上查阅，然后确定参数才可以选择对应的测量仪表。

3 PLC的选型分析

3.1 PLC的工作原理、功能特点及规模编程方式确定

3.1.1 PLC工作原理

PLC开始运行之后，首先是对数据进行采样；然后是程序的执行过程；输出执行完毕后，就是下一个周期，这个时候如果之前有新的数据现在就可以读取了。

3.1.2 PLC的主要功能以及特点

PLC的主要功能有：定时控制、記录周期技术模块、逻辑处理功能、PID控制、通讯功能。特点：①能可靠的工作；②I/O的接口模块丰富：③模块化的方式；④简单的编程方法；⑤安装简单，维修方便。

3.1.3 PLC的控制系统

工业系统中比较常见的有单机的控制系统、集中的控制系统、分散控制系统。

规模编程方式确定：PLC有很多个生产厂家，在应对客户需求方面，每个公司都会根据用户的不同需求，设计出可以应对不同状况的PLC。所包括的原理主要有规模、编程的方式、网络通信功能的确定、专用模块选用、冗余问题、工作环境、售后服务、技术支持。

3.2 西门子S7-200的CPU选型

选择CPU226 CN AC/DC/RLY的型号，电源为24V，本机数字输入量为24输入，本机数字量的输出为16输出，允许最大的扩展为64（32输入、32输出））允许最大的智能模块有7个模块，用CAD画出CPU226图片。

3.3 西门子扩展模EM231 CN

EM231 CN主要是用来处理温度信号，这样的方式简单，高效，EM 231测量温度的方式有两线制、三线制、四线制，多数情况下选择三线制，相对比较稳定，而且有相关的资料可以借鉴，网上可以搜索到EM 231温度控制模块的接线如图1所示，用于采集模拟量，也就是温度的模块。或者采用了智能温度仪表用于测量温度。

4 测量控制系统的分析和设计

4.1 总体技术要求

本设计利用电动机（变频器驱动）拖动发电机发电，需要测量发电机侧的测量P、Q、S、U、I、f，测得数据需要处理并传送至上位机，上位机进行数据显示及存储；测量P、Q、S、f以及需要测量的定子电流、定子电压都利用多功能智能仪表测量；需要测量的励磁电流、励磁电压利用电流传感器、电压传感器测量，需要测量PT100温度选择温度测量仪表测量。

4.2 测试系统方案

总体的设计遵循“安全、可靠、性价比高、维护简便”的原则，测量系统采用控制部分主要是工业计算机，下位机由PLC组成，对系统进行数据的采集，上位机与下位机相结合组成测量控制系统。如图2所示。

4.3 系统测量参数的硬件选型及设计

定子电流、定子电压分别选用电流传感器、电压传感器进行测量；温度采用PT100的温度测量仪器仪表来测量；S、P、Q、f、励磁电流、励磁电压均采用多功能仪表测量。可以直接显示出来。见表1。

4.3.1 多功能仪表

（1）概述。我们测量的精度为0.5级，依靠RS485数据线传输实现现场的显示，或通讯功能，多功能仪表采用MODBUS-RTU通讯协议。

（2）编程以及使用。

参数设置：使用的多功能电力仪表可以测量需要的电力参数，其中有定子电压、定子电流、视在功率、有功功率、无功功率、频率。如图3所示。

编程操作：多功能仪表是可以编程的，本文选择的多功能仪表有设置功能、输入功能、通讯功能以及更改设置密码的功能[3]。如图4所示。

数字通讯：首先，给每个设备包括主要的控制计算机都设置一个地址；然后，计算机可以识别地址的信息，并且找到对应的设备。在返回的信息当中，一般都会包含地址、校验、功能信息的码。下面有一个数据帧的结构，就是我们所说的报文格式。如表2所示。endprint

4.3.2 WDXK-A型智能数显温度控制器

（1）概述。仪表采用高精度铂电阻（Pt100）传感器做感应元件，高精度转换电路，具有1～4路独立开关点及4-20mA电流信号的输出，高亮度的数码管显示实测温度值，可通过面板按键设置参数，所有参数均存贮在非易失的存贮器中。

（2）主要技术性能。

精度：显示及输出：0.25级；

控制：0.5级～1级；

工作电源：18～36VDC；86～260VAC；110～360VDC；

信号输出：4～20mADC。

（3）规格型号（图5）。

4.3.3 电压、电流传感器

（1）技术指标（表3）。

（2）下面是传感器的信号的调整以及图示的情况说明。

（3）接线方式（具体以产品实物为准）（如图6）。

4.4 系统设计

4.4.1 I/O口的分配

现在开始系统的电路图设计，首先是I/O口的分配。见表4。

4.4.2 电气接线图

温控仪表以及多功能仪表均采用RS485通信由PLC读取数据，励磁电流电压变送器输出4-20mA电流送至EM231模块，PLCport0链接电脑，PLCport1用于以及温控仪表及多功能仪表通信。

4.4.3 电气控制图

设计电气接线图，驱动变频器拖动电机，有利于实现无极调速；变频器驱动同步发电机，进行调速；温度仪表以及多功能仪表连接到电机线路，进行测量。如图7所示。

5 系统软件的编程

5.1 S7-200的编程方法介

S7-200PLC的梯形图包括有经验设计法以及顺序控制设计法。经验设计法的特点有：没有规律可遵循、实验的试探性。这样的设计方法所编写的程序的结果不是唯一的。经验设计的方法与设计者的经验有很大的关系，它一般多用于比较简单的梯形图设计，比如手动程序的设计。顺序控制的这种方法很容易被初学者接受，便于初学者学习。而且还可以锻炼出初学者的逻辑功能、提高工作效率、节约时间。另外，顺序控制可以很清楚的看到控制系统的执行顺序。如图8所示。

5.2 程序的设计

5.2.1 程序设计的准备

由以上基础介绍，现在可以设计程序了，首先我们需要了解整个测控系统的大致情况以及相互之间的连接，首先我们知道了外部硬件有哪些，主要的是西门子PLC，型号是S7-200，控制中心的型号选择CPU226，然后是测量仪表，其中包括了多功能仪表，还有温度测量仪表，以及电压传感器和电流传感器。最后还有一个计算机。所以整个的架构大致就是如图9所示。

5.2.2 程序设计流程图

PLC开始运行，如果启动就有故障，可以停机检查，确保无误继续往下面运行，工作流程图如10所示。

5.3 编程环境简介

首先，根据选定的西门子公司的PLC，系列是200系列，所以编程软件是西门子公司的S7-200编程软件，在网上可以下载到STEP7 MicroWIN V4.0 SP9的软件。

5.4 程序的实现

I/O口分配好之后，就开始编写程序。端口连接分配好之后，就开始编写程序。即首先启动按钮，然后设置停止按钮，接下来启动变频器，最后拖动点击运行。

5.5 程序的下载

首先把线在硬件之间连接好，然后用数据线直接连接。其中，与计算机之间的连接采用RS485线，采用了PPI协议。如图11所示。

6 结语

综上所述，发电机设备作为电力系统重要的组成部分，在了解该设备应用意义的基础上，对其进行运行状态监测和参数测定，这不仅能够及时发现运行故障，制定合理的故障解决方案，而且还会促进电力系统稳定、安全運行。基于PLC的同步发电机远程测控系统的硬件设计分析，即对发电机各个参数、外部运行温度全面分析，这对系统硬件设计完善具有积极作用，同时，有利于优化发电机运行质量、减少运行失误。

参考文献

[1]任光合.采用状态监测确保设备稳定运行[J].设备管理与维修，2014（10）：18-20.

[2]柳英杰，胥芳，潘国兵.三通道分布式电能质量检测系统研究[J].机电工程，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