西门子6ES7232-0HB22-0XA8技术数据

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1 引言

　　水电站综合自动化装置的研制主要集中在大、中型水电站，小水电自动化程度相对落后，相当一部分的小水电采用传统的控制方式。如果照搬大、中型水电站综合自动化系统的模式来设计，其成本太高。本文根据某水电站实际情况设计的综合自动化系统，其设计与开发周期短，系统功能强，运行可靠，人机界面友好，操作简单，成本低。

2 系统硬件设计

　　2.1 总体设计

　　本文采用单元机组控制方式，以一种简洁的体系结构和设计方法对小水电站实现顺序控制、转速测量、频率测量、温度巡检、励磁控制、同期控制、电量采集、开关电量采集、通信于一体，同时能将前池水位（或水库水位）、集水井水位、尾水水位显示查询，实时监控单元机组及辅机设备的运行状态，tigao了小水电站的综合自动化的可靠性。以西门子的plc s7-200和德州仪器公司ti的高性能数字信号处理器（tms320f2812）为核心控制器，触摸屏为人机交互界面，系统硬件结构如图1所示。

　　plc为监控的核心部件，由西门子的s7-200cpu226、1台数字量扩展模块em223和1台模拟量扩展模块em235组成。cpu226本身带有24个输入点和16个输出点，大允许扩展7个模块。数字量扩展模块em223具有16个输入点和16个输出点。模拟量扩展模块em235具有4路模拟量输入，1路模拟量输出。本系统设计中plc主要完成发电机组的正常开关机，事故和紧急停机，以及辅助设备的监控，该plc的配置是完全满足了自动化设计的要求了。

　　数字信号处理器（dsp）为调速控制、励磁控制、同期控制、综合保护和通信的核心控制器，本文采用美国ti（texasinstruments）公司的定点32位dsp芯片tms320f2812。该芯片资源丰富，片内高达128k字的flash程序存储器，高达18k字节的单口ram（saram）；两个事件管理器模块eva和evb，每个包括：4个16位通用定时器；16个16位的脉宽调制（pwm）通道；12位16通道a/d转换器，每通道小转换时间为80ns，可选择由两个事件管理器来触发的两个8通道输入a/d转换器或一个16通道输入的a/d转换器；增强的控制局域网络（ecan）模块；高达56个可单独编程或复用的输入输出口（gpio）；丰富的外设接口包括一个spi串行外设接口、两个sci串行通信接口、一个uart标准通用异步收发接口、一个can总线接口、一个mcbsp多通道缓冲串行接口［2］，完全能够满足系统设计的要求。

　　触摸屏采用的mt506触摸屏属于256色5.6“tft四线电阻式触摸屏，是专门面向plc应用而设计的，可以实时显示机组的数据信息、图形、字符串、报警信息、历史记录、趋势图等，通过触摸按钮可产生相应的开关信号，或输入数值、字符给plc进行数据交换［5］。

　　2.2 监控原理

　　本系统中tms320f2812dsp的功能是接受plc的控制信号，快速采集发电机和系统电压、电流值，以快速傅立叶算法计算当前的电流、电压、相位、频率，自动调节调速器、励磁单元，快速跟踪系统电网的电压、频率以及相位的变化，自动并网，并按机组负荷要求自动加载，并将调速、励磁、同期和保护的状态信息反映到plc上。dsp开发环境texasinstruments公司的dsp集成开发环境ccs（code composerstudio），是ti公司开发的专门进行tms320系列dsp软件设计的集成开发环境，它采用bbbbbbs风格界面，集编辑、编译、链接、软件仿真、硬件调试及时跟踪功能与一体。程序采用具有良好模块化结构的c语言编写，具有灵活简便、良好的可读性及高可靠性的特点。整个软件程序由自检、通讯、励磁调节、转速调节、并网等几大模块构成。

触摸屏mt506的编程环境为eview mt500，系统共包含3个模块 easyload［upload（上传）和download（下载）］，easy bbbbbb（在线模拟和离线模拟）及easybuilder。其中easybuilder组态软件可以非常方便地为mt506触摸屏进行组态设计，本系统包括初始画面、开机流程画面、停机（紧急停）流程画面、事故报警画面、常用参数设定画面、输入（输出）开关量监测画面、运行统计画面、密码验证画面、报警提示、留言板等。其人性化的操作界面和提示画面简化了系统的操作过程，有效的防止误操作。

3 模块化软件设计

　　本系统plc的功能是发电机组的开关机控制和辅助设备监控。主要包括系统初始化，自动开关机，事故停机，紧急停机和油气水的控制。这些功能是由编程实现的，本文选用梯形图来编制plc程序［1］。

　　为了使程序标准化，同时具有一定的可扩展性，方便日后对程序进行完善、修改，plc程序设计采用了模块化结构设计。整个程序由初始化模块、自动开机控制模块、自动停机控制模块（包括事故、紧急停机）、触摸屏通信模块、遥信和报警控制模块、保护模块等组成。

　　3.1 初始化模块

　　完成对所有使用的中间继电器（m）、定时器（t）和数据寄存器（d）进行初始化处理， 对一些需要初值的参量赋值。

　　3.2 自动开机控制模块

　　在机组自检满足了开机条件之后，当工作人员发出开机令后，自动按照正常安全开机的流程，plc对dsp和辅助设备发出控制信号，dsp启动自动调速，励磁及准同期并网，各辅助设备正常投入工作状态，完成水轮发电机组从安全开机到并网的全过程。自动开机流程图如图2所示。

　3.3 自动停机控制模块

　　在机组处于发电状态，当工作人员发出正常停机令后，或机组出现紧急事故的情况下，将机组从电力系统中解列，然后按照顺序将水轮发电机组安全停机，各辅助设备完成安全退出发电工作状态，机组自动停机流程图如图3所示。

　　3.4 通信和报警控制模块

　　处理plc与触摸屏和上位机监控主机通信，实时处理触摸屏和上位机监控主机的控制命令，同时采集一些机组的运行参数（如机组转速、油温、油压等），在触摸屏和上位机监控软件上进行实时显示，实时提示系统遥信遥测报警，并立即弹出报警窗口。

　　3.5 保护模块

　　实时监控发电机组和辅助设备运行状态，当出现运行异常时，快速反映到触摸屏和监控主机，同时启动事故停机，将发电机组从电网中解列，从而保护发电机组的安全和电网的稳定。

4 结束语

　　本系统可以简化操作过程，可以同时在触摸屏和上位机监控主机上，实现“一键开机”、“一键关机”，高自动化设计适用于小型水电站的运行管理，有效防止人为误操作，tigao运行的安全性，有效实现无人值班少人值守。

1 引言

　　随着小区供水管网的更新，改造和扩建，某些地区的管网压力不均问题日益突出，即当供水管线较长时，在管网中产生较大的沿程水头损失，为了维持管网末梢服务压力，势必tigao水厂的出厂压力，以至在管网前端服务压力过高，造成区域之间的水压差过大，在高压区供水能量浪费，漏水严重，甚至可能出现爆管，但如果降低出厂水压，又满足不了低压区的用水需求。

2恒压供水系统节能分析控制器

　　变频调速供水系统是技术成熟的工业自动化供水解决方案，原理如图1所示。

　　当水泵以额定转速运行在工频状态下时，其特性如图2所示。在该运行方式下，为了满足大liuliang下的压力要求，应该使pm=pd。由特性曲线可知，当liuliang减小时，管网压力随之升高。由于在大部分时间里q＜qm，所以如果水泵总是以工频方式运行就会形成图中ptpdpm三角形阴影区域所表示的能量浪费。而且，通过特性曲线我们还可以发现，在该工作方式下，管网压力变化范围很大，这会减少管网的使用寿命。

　　当水泵电机采用变频调速技术控制以后，水泵运行特性曲线如图3所示。由图可知，在该供水方式下，由于针对水liuliang的变化相应地及时调整水泵电机的转速，所以系统总能够运行在佳效率状态下。这既保证了管网供水压力恒定，又达到了节能目的。

根据流体力学的有关原理知道，当采用变频调速控制方式时，、扬程h、轴功率p、转速n存在如下关系：

　　通过这一组关系式我们可以进一步知道，由于轴功率的比值与电机转速的比值的3次方成正比，所以当liuliang的减小而使得电机转速减小时，节能的效果是很明显的。在理想情况下，当电机转速降为额定转速的80%时，水泵功率会下降到额定值的51.2%，即节约48.8%的电能。因此，变频调速控制方式在供水系统中的应用对节能的意义重大。

3 自动化方案实现

　　变频恒压供水控制系统，主要是由西门子公司生产s7-200plc、变频器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及4台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的按钮、转换开关和指示灯来控制系统的运行。系统方框图如图4所示。

　　通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成标准的电压或电流信号经em235送入s7-200plc，经与给定压力参数比较进行pid运算后，发出控制信号送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上。当用水量超过一台泵的供水量时，通过plc控制增加水泵。根据用水量的大小由plc控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水同时系统通过软件设计具有定时换泵和系统声、光报警及多种保护功能。

4西门子pid指令应用

　　4.1 控制系统主程序设计

　　plc主程序主要由系统初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机变频/工频切换程序、水泵电机换机程序、模拟量比较计算程序（pid）、停机程序和报警程序等构成。系统的主程序流程图如图5所示。

4.2 西门子pid指令应用

　　西门子s7-200系列plc指令族提供pid闭环控制专用指令。当过程控制中某个变量出现偏差时，pid控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。以plc为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，tigao了系统的可靠性。在有模拟量的控制系统中，经常用到pid运算来执行pid回路的功能，pid回路指令使这一任务的编程和实现变得非常容易。

　　（1）pid算法。如果一个pid回路的输出m是时间t的函数，则可以看作是比例项、积分项和微分项三项部分之和。即：

　　以上各量都是连续量，项为比例项，后一项为微分项，中间两项为积分项。其中e是给定值与被控制变量之差，即回路偏差。kc为回路的增益。用计算机处理这样的控制算式，即连续的算式必须周期性地采样并进行离散化，同时各信号也要离散化，公式如下：

　　mn=kc（spn-pvn）+kc（ts/ti）（spn-pvn）+mx+kc（td/ts）（pvn-1-pvn）

　　公式中包含9个用来控制和监视pid运算的参数，在pid指令使用时要构成回路表，回路表的格式如表1所示。

　　本设计中生活用水为系统给定值满量程的70%。系统使用比例、积分及微分控制，采用下列控制参数值：

　　增益kc=0.25； 采样时间ts=0.2s；

　　积分时间ti=30min； 微分时间td=15min；

　　（2）pid算法编程实现。本程序只是模拟量控制系统的pid程序主干，对于现场实现问题，还要考虑诸多方面的影响因素。pid控制算法程序框图如图6所。

5 结束语

　　本文针对我国中小城市小区供水的特点，设计开发了一套基于plc的变频调速恒压供水自动控制系统。该系统利用单台变频器实现四台水泵电机的软起动和调速，同时把阀门控制和水泵电机控制都纳入自动控制系统。压力传感器采样管网压力信号经pid处理传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速，通过改变水泵性能曲线来实现水泵的liuliang调节，保证管网压力恒定。水泵在变频下均为软启动，切换平滑，冲击电流小，水泵机组寿命相应延长。用plc设计恒压供水系统的方案，稍加变化可适用于任何需要恒压的liuliang系统