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案例頻道1． 前言
在船舶自動化電站中，為了保證電網供電的連續性與可靠性，發電機組具有自動起動并投入電網的功能。在機組起動過程中，控制系統要判斷機組是否已經起動成功，船舶電站發電機組的原動機一般為柴油機，其起動成功與否的判別是檢測機組轉速是否超過了設定的點火轉速，若機組轉速超過了設定的點火轉速則判定起動成功，否則就是不成功。
在船舶電站控制系統中，對于點火轉速的檢測，為方便起見，大多用開關量來表示，即轉速大于點火轉速時為“1”信號，否則為“0”信號。
為了取得轉速信號，通常的方法是在機組上安裝測速發電機或光電、磁電發訊裝置，上述裝置檢測到的信號通過轉換電路輸出與柴油機轉速成比例的直流電壓信號，再加到電壓比較電路來得到點火轉速的開關量信號。
不論采用測速發電機或其它測速裝置都需要在柴油發電機組主軸上安裝附加設備，這對于新設計的產品可以通盤考慮，但對于通用性的定型柴油機改裝比較困難，并增加了系統成本，而且需要增加與控制設備相配套的接口電路，這給電路的設計帶來麻煩。另外，過多的附加裝置及硬件電路也降低了系統的可靠性。為了解決上述問題，本文介紹了一種用于可編程序控制器控制的自動化電站測取機組點火轉速的方法，即通過PLC軟件編程來測取機組的點火轉速。
2． 測速原理
發電機電壓頻率與原動機轉速間有下述關系：
發電機電壓頻率與原動機轉速間有下述關系：
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f ＝ｎP/60， 則 n=60f/P
式中 P ：發電機電樞繞組極對數
n ：原動機轉速（轉/分）
因此柴油發電機組起動與運行時可通過測量發電機剩磁電壓及建壓后電源電壓的頻率來得到柴油機組的轉速。
3. 軟件測速的信號采集 |
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本文中點火轉速檢測的方法是通過軟件編程測量發電機剩磁電壓的周期來實現的。采用軟件測速，不需要在發電機組上安裝轉速檢測裝置，其信號采集的硬件電路也比較簡單。軟件測速信號采集的硬件電路如圖1所示。電壓互感器檢測的發電機交變的剩磁電壓信號送到圖中A、B兩端，在信號處理板上通過過零比較器整形成同頻率的矩形波脈沖信號，此脈沖信號連接到PLC的開關量輸入接口，作為測速脈沖。 |
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4. 軟件測速的實現
可編程序控制器是按掃描方式工作的，實驗證明，PLC在穩定運行過程中，其掃描周期基本保持不變，因此可以用機組起動程序執行期間的PLC掃描周期作為測量剩磁電壓周期的計時單位，即通過測量發電機剩磁電壓一個周期所經過的PLC掃描周期數來測得機組的轉速，以取得點火轉速信號。軟件測速的流程如圖2所示。
流程圖中UF為測速脈沖，C0、C1為測速用的計數器。計數脈沖每2個PLC掃描周期產生一次上升沿，即測速脈沖為高電平時，每2個PLC掃描周期C0加1計數，在測速脈沖為低電平時，每2個PLC掃描周期C1加1計數。顯然，機組轉速越高，在每個測速脈沖周期，計數器所能加到的最大值越小，當小到一定數值A時，機組轉速達到點火轉速，即機組起動成功。 5. 軟件測速程序實例
下面是上述軟件測速方法在西門子S7-300PLC中用指令語句編程的實例。
A "測速"
FP M 0.2
= M 0.3
A M 0.3
JCN m001
L MB 1
INC 1
T MB 1
m001: A M 1.1
FN M 0.4
= M 0.5
A M 1.1
FP M 8.4
= M 8.5
AN M 0.6
= M 0.6
A M 8.5
L C#0
S C 0 A M 1.1
A M 0.6
CU C 0
L C 0
L DB1.DBW 4
<=I
AN M 1.1
= M 8.6
A M 0.5
L C#0
S C 1
A M 0.6
AN M 1.1
CU C 1
L C 1
L DB1.DBW 4
<=I
A M 1.1
= M 8.7
O M 8.6
O M 8.7
= M 2.0
BE
在程序中，"測速"為符號地址，是來自信號處理板的發電機剩磁電壓脈沖信號，連接于PLC的開關量輸入接口；存儲位M2.0為點火轉速標志位，若機組轉速達到點火轉速，M2.0為“1”，否則M2.0為“0”。為了提高測量的精度，在程序設計中，對來自信號處理板的發電機剩磁電壓脈沖信號進行了分頻處理，以M1.1位作為測速脈沖，其狀態的變化頻率為發電機剩磁電壓頻率的1/4。存儲位M0.6為計數脈沖，其狀態每一個PLC掃描周期翻轉一次，則每2個PLC掃描周期產生一次計數脈沖。機組點火轉速的比較限值存儲在共享數據塊DB1中，存儲地址為DBW4，此數值要根據不同的原動機類型和所測得的PLC平均掃描周期適當設定。若在測速程序設計時，對發電機剩磁電壓脈沖進行四分頻，則確定點火轉速比較限制A的計算方法為：
式中 P ：發電機電樞繞組極對數 nf ：設定的原動機點火轉速（轉/分）
Tj ：計數脈沖周期（ms），為2個PLC的平均掃描周期
根據控制系統的需要，對上述程序進行適當修改，也可同時獲得發電機組停機轉速和超速信號。
6. PLC掃描周期的測取
上述點火轉速的檢測方法是以PLC平均掃描周期作為計時單位，要根據PLC平均掃描周期來確定比較限值A。PLC平均掃描周期可在運行測試中測取，如在西門子S7-300PLC中，在“ONLINE”狀態打開SIMATIC管理器窗口，點擊PLC>Module Information>Scan Cycle Time，即可顯示PLC掃描周期設置及實際掃描周期信息如圖3所示。 |
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7.結論
采用軟件測速，不需要附加測速裝置，系統改裝方便且成本低，硬件電路簡單，可靠性高。此測速方法已在我院電站實訓室自動化電站中得到應用，經試用證明，此測速方法簡單有效且運行可靠。
參考文獻
［1］ 姜錦范，《船舶電站及自動化》，大連海事大學出版社，2004年12月
［2］ SIEMENS《Statement List (STL) for S7-300 and S7-400 Programming Reference Manual》2002.12
［3］ SIEMENS , 《SIMATIC Programming with STEP 7 V5.2 Manual》2002.12 |
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號