今天，随着对工业自动化的要求越来越高，以及大量控制设备和过程监控装置之间通信的需要，"监控和数据采集系统"越来越受到用户的重视。在动力系统方面，以柴油发电机组作为应急备用电源的发电厂，在工厂、矿山、高层建筑、医院、邮电、宾馆、银行等许多部门都得到了广泛的应用。为了提高供电质量和供电可靠性，改善操作人员的工作条件，减少维护运行人员，备用发电站迫切要求实现自动化运行和管理。该监控系统由监视主机(包括通信板)和若干现场的从站（正航A5）组成。实现发电机组的数据采集、报警、存储、备份等服务。本文主要介绍下位机A5的系统原理。

 

    2 系统的总体设计

 

    结合生产实际的需要，考虑该发电机组的自动化系统由5大功能部件组成(系统的硬件图如图1所示)。

 

    (1) 发电机组的自动启动和自动停机;

 

    (2) 工程市电和机电的自动切换;

 

    (3) 发电机组电压和频率的自动调节;

 

    (4) 发电机组故障自动检测，报警和故障处理;

 

    (5) 发电机组电压、电流、频率、有功功率、启动电池电压等电量参数的自动调节。

 

    3 系统组成

 

    3.1 A5系统PLC的特性和特点

 

    正航A5系列可编程控制器，性价比高，硬件配置齐全，它的特点与性能如下:

 

    (1)机内有高速计数器，最高可达10KHz高速脉冲输入，并可输出频率和脉宽可调的高速脉冲信号。

 

    (2)具有21个中断源的中断优先管理，并配有RS485接口，可实现PLC 与PC机之间的远程通讯，便于上位机监控和联网。

 

    (3)具有结构紧凑、组装灵活、编程简单，抗干扰能力强、可靠性高等特点。

 

    由此可见，它非常适用于工业控制中小型自动控制系统。经分析，决定采用A5系列可编程控制器作为发电机组自动控制系统的核心部件。

 

    3.2 PLC 配置及I/O的分配和功能

 

    经过分析，本系统采用10个开关量输入，10个开关量输出和3个模拟量输入，即可满足系统控制需求，因此——PLC配置如下:

 

    CPU模块：A5-CPU224-DT

 

    AI模块：  A5-EM231-AD4

 

    I/O的分配和功能如下:

 

    开关量输入:

 

    IO.0:输入中断 (配合脉宽调制使用)

 

    IO.1:方式选择 (0-远程控制 1-自动)

 

    IO.2:市电检测 (0-无市电 1-有市电)

 

    IO.3:机电检测 (0-无机电 1-有机电)

 

    IO.4:油压低 (0-油压正常 1-油压偏低)

 

    IO.5:油水温高 (0-油水温正常 1-油水温偏高)

 

    IO.6:高速计数器HSCI (利用高速计数器检测启动电池电压)

 

    IO.7:紧急停车 (0-非紧急停车状态 1-紧急停车状态)

 

    IO.0:复位 (1-手动复位)

 

    (利用高速计数器检测转速)

 

    开关量输入:

 

    Q0.0:高速脉冲输出 (通过控制直流电磁铁调节转速)

 

    Q0.1:停机 (1-停机电磁阀动作)

 

    Q0.2:启动 (1-启动马达动作)

 

    Q0.3:市电合闸 (1-市电主开关动作)

 

    Q0.4:机电合闸 (1-机电主开关动作)

 

    Q0.5:三启失败 (1-三启失败信号灯亮)

 

    Q0.6:机组故障 (1-机组故障信号灯亮)

 

    Q0.7:警铃 (1-警铃响)

 

    Q1.0:自动强激磁 (1-强激磁继电器动作)

 

    Q1.1:冷启动自动辅助 (1-冷启动辅助装置电磁阀动作)

 

    模拟量输入:

 

    AIW2:母线电压

 

    AIW4:母线电流

 

    AIW6:负载功率

 

    4 系统实现

 

    发电站自动化监控系统由机组自动启停控制，转速自动调节，电量参数自动检测，故障自动检测等功能模块组成。

 

    4.1 制动启停控制

 

    本功能模块是根据各开关量的输入状态，自动控制机组的启动、停止和机电与市电的相互切换。这主要属于顺序控制具有较强的逻辑控制。用A5实现简易而可靠。

 

    4.2 转速调节

 

    油机转速调节是通过CPU中高速脉冲输出脉宽调制(PWM)功能调节可控直流电磁铁控制柴油机油门开度来实现的。用CPU实现转速调节方法如下:转速信号由安装在柴油机上磁电式传感器获得，CPU通过高速计数器测量油机转速，测得转速信号送入PID调节器，将调节器输出的数字量转换为脉冲宽度的时间量，再通过CPU中的脉宽可调的高速脉冲输出(QO.0)，经过功率驱动器控制可控制直流电磁铁调节紧油机门开度大小，从而实现对油机转速的调节。

 

    本系统属于反馈控制和精确的数字控制，涉及到一些控制算法问题。

 

    在CPU中，方法实现了一种转速控制的PID调节器。PID的模拟表达式: M(t)=KC(1+1/Ti*fe(t)dt+Td*de(t)/de(t))

 

    在CPU中，微公和积分采用如下公式:

 

    微分运算:[新差值E(n)-旧差值E(n-1)]÷控制周期TC

 

    积分运算:[旧差值E(n-1)+新差值E(n)]×控制TO÷2

 

    转速-与转速传感器频率关系的计算公式如下:

 

    f----转速传感器信号频率

 

    n----转速(转/分)

 

    z----传感齿轮齿数

 

    为更好的实现全程调速我们采用分程PID限幅

 

    怠速时间:转速设定值 VW108=192

 

    最小输出值 VW126=180

 

    最大输出值 VW124=420

 

    高速期间:转速设定值 VW108=VW212(由模拟电位器设定)

 

    最小输出值 VW126=420

 

    最大输出值 VW124=995

 

    本系统中:n=1500r/mln z=128齿

 

    这样f>3200Hz，故采用7kHz的高速计数器HSC0测量转速。停机时，将转速设定值和网缓冲器全部置0。输出限制在VW106=5上，以使PWM能够连续工作。同时使Q0.1=1，停机磁阀动作，切断油路达到停机目的。