PLC控制系统在螺杆动力机发电机组中的应用孙翔宇

孙翔宇

摘要：可编程控制器简称PLC，是近年来发展迅速的工业控制装置，已经广泛应用于各个领域。随着人们生活水平的不断提高和科学技术的飞速发展，人们更加注重自动化和人性化的产品。螺杆动力机发电机组自动控制系统，是该机组配套的自动化控制设备。采用自动化控制技术，实现了对螺杆动力机转速及输出功率的控制。为螺杆动力机发电机组得到广泛应用提供了重要保障。

关键词：PLC；螺杆动力机发电机组；自动控制系统

前言

螺杆动力机是在螺杆压缩机基础上研发的一种新型动力机，是一种专门回收低品位能源的高效率动力机，它利用蒸汽、湿蒸汽、热水和其它热液介质作为动力源，将热能转换为机械能，直接驱动发电机、各种泵、风机、压缩机等设备，达到节能降耗的经济效果。

螺杆动力机发电控制系统就是为螺杆动力机发电机组配套的转速控制设备，是螺杆机组主要的组成部分，它与外部调节阀配合可实现对动力机组转速及功率的控制。可以采用手动运行方式，也可以采用自动运行方式。除了能完成正常开、停机外，还具有对机组自动保护的功能，确保机组安全。

1设计总体概述

1.1系统工作原理

本控制系统就是为螺杆膨胀机组配套的转速控制设备，它与外部调节阀配合可实现对动力机组转速的控制。它可以采用手动运行方式，也可以采用自动运行方式。除了能完成开、停机及对速度控制外还有对机组进行自动保护的功能，如当机组出现异常时，可在设定的时间内自动停机，确保机组安全。

本调速系统由PLC控制单元、现场仪表及其他辅助元件等组成。PLC控制单元通过分布在动力机各点的传感器和变送器对机组各监测点进行数据采集，时时监控；并通过内部的PID运算，给调节阀执行器动作指令，进行调节控制。通过调节阀门开度的打开大小，实现调整动力机进口介质流量的大小，从而达到控制调节动力机转速的大小及做功的多少。

1.2系统功能描述

1.2.1检测油压和水压

PLC启动后，检测油压和水压，如果低于设定值或没有信号，则进行报警，同时不允许开机。水压和油压达到设定值后，报警关闭。

1.2.2检测快关阀是否打开

系统上电后，不仅检测油压和水压，还要对快关阀的开关状态进行检测，如果快关阀未打开，同样不允许开机。

1.2.3手动运行

机组开机及运行过程完全通过手动操作方式，操作人员通过观察测速编码器检测的动力机转速值，点动及长按控制柜上的手动按钮，调节阀门开度，最终达到控制机组转速及发电功率。

1.2.4自动运行

1）开机

按自动开机按钮，系统按照预先设定好的程序进行开机。

调速控制系统主要通过PLC的PID运算，输出的4～20mA的电流信号控制阀门开度，从而进行调节控制，通过调节阀门开度，调整进汽量的大小，从而达到控制调节动力机的转速的目的，减少或增加动力机做功能力。

一旦开机，系统就对现场的各采样点进行监控，当各采样点检测值超出设定值，则进行声光报警。对于一些较严重的故障，系统会自动做停机处理。

2）关机

按自动关机按钮，系统按照预先设定好的程序进行关机。

关机时，调节阀开度慢慢降下来，当功率降低到0，自动将发电机与电网解裂，当阀门开度完全关闭后，动力机组停止运行。系统自动延时关闭其他附属及保护设备，关机完毕。

1.3系统结构

本系统硬件设计由电气控制柜、调节阀、快关阀、压力变送器、测温传感器、测速编码器、流量计等组成。软件设计是由西门子S7-300系列PLC的编程软件STEP7-V5.5完成的。

电气控制柜内部以可编程控制器(PLC)为控制核心，包括开关、接触器、继电器、隔离栅、电源、触摸屏及接线端子等连接成控制电路；与外部仪表，即调节阀、压力变送器、测温传感器、编码器、流量计等进行通讯连接，组成完整的硬件系统。利用梯形图编程语言编写控制程序，组成软件系统。本设计是一个典型的可编程控制器（PLC）应用系统，它要求系统完成从信号采集、信号处理、转换、输入、运算到输出的控制过程，以实现对动力机转速及输出功率的控制。

2螺杆动力机发电机组控制系统的硬件设计

2.1控制器的选择

可编程控制器（PLC）是调速系统的核心部件，本调速系统选用的是西门子公司生产S7-300系列的可编程控制器。其特点是可实现全集成自动化，即将所有设备和系统集成到一个统一的、强大的系统平台。可靠性高，抗干扰能力强，控制功能与通讯功能强，具备较全面的故障自诊断功能，扩展简单方便，可在恶劣的环境下很好的运行，充分满足高性能的调速控制系统需要。采用功能强大的软件提高项目执行的效率，减少工程组态成本。此外，还可以减少调试、维护和维修的开销。

可编程控制器的程序中采用了PID调节方式，大大的提高了控制系统的调节品质，具有极高的响应速度与调节精度。PID的实际工作参数可以通过PLC程序根据动力机的工况进行现场调整设定，完全适应不同情况的需要，使得控制系统处于最佳的工作状态。

2.2电路设计

螺杆动力机硬件电路设计分为主回路设计；控制回路电路设计。控制回路设计包括CPU模块电路设计；4-20mA模拟量输入电路设计；PT100热电阻输入电路设计。

3系统软件设计

为了使本系统的整个程序清晰易懂，便于调试和修改，程序设计时把系统的各种功能分为若干部分，对每一部分功能编制相对独立的程序块，各程序块在运行时各负其责。本系统包括主程序模块、信号采集模块、中断模块、手动运行模块、自动运行模块等若干子程序，系统程序总流程图如图3-1所示。

(1)主程序模块：主要功能是负责各个子程序模块的调用及一些开关量的输入输出处理。

(2)信号采集模块：主要是负责将外部输入的模拟量采集信号进行处理。

(3)中断模块：该模块是时间中断模块，其不受扫描时间影响，当中断时间到，优先执行中断程序。主要负责本系统的核心控制功能，即PID处理功能。如果实际控制量，即转速或者是发电机功率值与设定值不符，就进行PID调节。

(4)手动运行模块：主要功能是执行手动控制调节阀开度的功能。

(5)自动运行模块：主要功能是执行自动控制调节阀开度的功能，自动程序启动后，按照预先设定好的工艺流程，进行开机及并网操作。

4结论

本文对螺杆动力机发电机组的PLC控制系统做了比较全面的阐述，从螺杆动力机用于发电的工艺要求出发，进行了硬件及软件设计，使该系统能真正的为螺杆动力机安全可靠运行提供重要保障。

螺杆动力机作为一种新型的节能、降耗、减排、提高效益、净化环境的技术设备，是目前唯一能适应汽、水两相全流介质的动力机。具有投资回收期短，见效快的特点。作为该设备用于发电配套的控制系统，对发电机的转速和有功功率以及各种操作和保护装置的自动控制，为建立节约型社会做出了贡献，实现了经济效益和社会效益的双丰收。

参考文献

[1]宫淑贞等.可编程控制器原理及应用[M].北京:人民邮电出版社,2002.7.P133-P172.

[2]林明星等.电气控制及可编程控制器[M].北京：机械工业出版社,2004.8.P5-P92.

[3]王建华.电气工程师手册.第3版].北京:机械工业出版社,2006.9.P775-P777.

[4]深入浅出西门子S7-300PLC/西门子（中国）自动化与驱动集团编[M].北京.北京航空航天大学出版社,2004.8.P91-P139.