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案例详细
标题一种基于PLC的发电机组转速检测方法
技术领域
行业
简介本文介绍了一种基于PLC的检测船舶电站发电机组点火转速的方法。PLC采样发电机的剩磁电压，通过软件编程测取剩磁电压的周期,来获得原动机的点火转速信号。采用软件测速不需要附加转速检测装置, 硬件电路简单，工作可靠,成本低。
内容
1．  前言
        在船舶自动化电站中，为了保证电网供电的连续性与可靠性，发电机组具有自动起动并投入电网的功能。在机组起动过程中，控制系统要判断机组是否已经起动成功，船舶电站发电机组的原动机一般为柴油机，其起动成功与否的判别是检测机组转速是否超过了设定的点火转速，若机组转速超过了设定的点火转速则判定起动成功，否则就是不成功。
       在船舶电站控制系统中，对于点火转速的检测，为方便起见，大多用开关量来表示，即转速大于点火转速时为“1”信号，否则为“0”信号。
        为了取得转速信号，通常的方法是在机组上安装测速发电机或光电、磁电发讯装置，上述装置检测到的信号通过转换电路输出与柴油机转速成比例的直流电压信号，再加到电压比较电路来得到点火转速的开关量信号。
       不论采用测速发电机或其它测速装置都需要在柴油发电机组主轴上安装附加设备，这对于新设计的产品可以通盘考虑，但对于通用性的定型柴油机改装比较困难，并增加了系统成本，而且需要增加与控制设备相配套的接口电路，这给电路的设计带来麻烦。另外，过多的附加装置及硬件电路也降低了系统的可靠性。为了解决上述问题，本文介绍了一种用于可编程序控制器控制的自动化电站测取机组点火转速的方法，即通过PLC软件编程来测取机组的点火转速。
2．  测速原理
发电机电压频率与原动机转速间有下述关系： 
f ＝ｎP/60，         则  n=60f/P
式中 P ：发电机电枢绕组极对数
n ：原动机转速（转/分）
        因此柴油发电机组起动与运行时可通过测量发电机剩磁电压及建压后电源电压的频率来得到柴油机组的转速。
3. 软件测速的信号采集
 

 
       
        本文中点火转速检测的方法是通过软件编程测量发电机剩磁电压的周期来实现的。采用软件测速，不需要在发电机组上安装转速检测装置，其信号采集的硬件电路也比较简单。软件测速信号采集的硬件电路如图1所示。电压互感器检测的发电机交变的剩磁电压信号送到图中A、B两端，在信号处理板上通过过零比较器整形成同频率的矩形波脉冲信号，此脉冲信号连接到PLC的开关量输入接口，作为测速脉冲。
4. 软件测速的实现
        可编程序控制器是按扫描方式工作的，实验证明，PLC在稳定运行过程中，其扫描周期基本保持不变，因此可以用机组起动程序执行期间的PLC扫描周期作为测量剩磁电压周期的计时单位，即通过测量发电机剩磁电压一个周期所经过的PLC扫描周期数来测得机组的转速，以取得点火转速信号。软件测速的流程如图2所示。



         流程图中UF为测速脉冲，C0、C1为测速用的计数器。计数脉冲每2个PLC扫描周期产生一次上升沿，即测速脉冲为高电平时，每2个PLC扫描周期C0加1计数，在测速脉冲为低电平时，每2个PLC扫描周期C1加1计数。显然，机组转速越高，在每个测速脉冲周期，计数器所能加到的最大值越小，当小到一定数值A时，机组转速达到点火转速，即机组起动成功。
5. 软件测速程序实例
下面是上述软件测速方法在西门子S7-300PLC中用指令语句编程的实例。
A     "测速"
      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，"测速"为符号地址，是来自信号处理板的发电机剩磁电压脉冲信号，连接于PLC的开关量输入接口；存储位M2.0为点火转速标志位，若机组转速达到点火转速，M2.0为“1”，否则M2.0为“0”。为了提高测量的精度，在程序设计中，对来自信号处理板的发电机剩磁电压脉冲信号进行了分频处理，以M1.1位作为测速脉冲，其状态的变化频率为发电机剩磁电压频率的1/4。存储位M0.6为计数脉冲，其状态每一个PLC扫描周期翻转一次，则每2个PLC扫描周期产生一次计数脉冲。机组点火转速的比较限值存储在共享数据块DB1中，存储地址为DBW4，此数值要根据不同的原动机类型和所测得的PLC平均扫描周期适当设定。若在测速程序设计时，对发电机剩磁电压脉冲进行四分频，则确定点火转速比较限制A的计算方法为：


式中 P ：发电机电枢绕组极对数
nf ：设定的原动机点火转速（转/分）
Tj ：计数脉冲周期（ms），为2个PLC的平均扫描周期
根据控制系统的需要，对上述程序进行适当修改，也可同时获得发电机组停机转速和超速信号。
6. PLC扫描周期的测取

        上述点火转速的检测方法是以PLC平均扫描周期作为计时单位，要根据PLC平均扫描周期来确定比较限值A。PLC平均扫描周期可在运行测试中测取，如在西门子S7-300PLC中，在“ONLINE”状态打开SIMATIC管理器窗口，点击PLC>Module Information>Scan Cycle Time，即可显示PLC扫描周期设置及实际扫描周期信息如图3所示。


 
7.结论
        采用软件测速，不需要附加测速装置，系统改装方便且成本低，硬件电路简单，可靠性高。此测速方法已在我院电站实训室自动化电站中得到应用，经试用证明，此测速方法简单有效且运行可靠。
参考文献
［1］        姜锦范，《船舶电站及自动化》，大连海事大学出版社，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