西门子6ES7223-1BL22-0XA8诚信交易

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RTU功能的PLC实现

RTU功能的PLC实现包括硬件实现和软件实现两个方面。

1　硬件实现方面

在硬件方面，主要存在PLC的电源如何提供，PLC如何实现长距离的通信，遥控、遥信、遥测、遥调如何具体实现等问题。

由于PLC都有配套的电源模块，因此在设计RTU时，主要应考虑电网断电后PLC 的供电问题，通常以配置充电电池的方式解决。

一般PLC的通信模块只具有短距离的通信能力，虽然有些公司为PLC提供配套的组网模块，但通信距离也限制在若干千米以内。而配电网的特点是点多、面广，因此，借助其它方式以延长PLC的通信距离。方法很多，有电话调制解调器方案、专线调制解调器方案、无线方案、寻呼台服务方案、光纤方案等。在同一个配电自动化工程中，可以根据具体情况，采用单一方法，也可以采用多种方法组合。

在RTU的四遥操作方面，由于PLC的电平以及功率容量同操作设备不可能正好一致，加上有电气隔离的要求，因此，增加辅助的电位转换、功率放大、电气隔离等模块和器件。

对于遥控，当PLC收到开关指令时，输出点到内部电源的通路被接通或关断，如果直接用输出点的输出电流去操作开关设备，则功率根本不够。因此，可把PLC的输出点作为一个小功率继电器的激磁电源，以控制该继电器的常开或常闭触点的开合，再由该继电器去控制配电网的配电开关的操作电源，使配电开关动作，线路或配电设备被投切。

对于遥信，则是将被测开关的辅助触点两端引线接到PLC的输入点和地，当配电开关动作时，辅助触点相应开闭，PLC的相应输入点与地之间被断开或短接，从而在PLC内部获得一个高电平或低电平。

对于遥测，经互感器出来的信号，落在PLC的A／D转换模块的测量范围之内，才能接入到相应模块的输入端。此外，在选择PLC的A／D模块时，还要考虑采样周期问题。周期太长，将无法获得数值。

PLC可以实现遥调功能，但因电网中应用很少，这里不予详述。

2　软件实现方面

在PLC软件方面，由于PLC以循环扫描和中断两种方式来执行程序，因此为了完成所有RTU功能，PLC软件应包括：循环扫描执行的主程序；通信程序（接收和发送报文）；收到报文分析程序；上发报文产生程序；输入点电平中断扫描程序；操作执行程序（遥控、遥信、遥测等）。

在上述程序模块的编制中，应考虑以下问题：

a）PLC的主CPU的速度是否足够快？如何编制出执行时间短的程序？

b）PLC和监控的通信要利用一套复杂的通信规约，PLC的程序容量能否容下所有程序？如何编制出短小精干的程序？

c）PLC是通过循环扫描输入点的内存映像以输入点的输入状态的，在配电开关动作时，相应辅助触点往往存在短暂的抖动。抖动的机械频率虽然很高，但相对于PLC的程序扫描执行的频率却是很低的，因此这种抖动会在PLC的内存映像中反映为多次不相干的开关动作，如何在程序上这种开关动作的象？

实践证明，采用恰当的编程技巧，以上各种问题都可以得到圆满解决

位元件与字元件。象X、Y、M、S等只处理ON/OFF信息的软元件称为位元件；而象T、C、D等处理数值的软元件则称为字元件，一个字元件由16位二进制数组成。

位元件可以通过组合使用，4个位元件为一个单元，通用表示方法是由Kn加起始的软元件号组成，n为单元数。例如K2 M0表示M0～M7组成两个位元件组（K2表示2个单元），它是一个8位数据，M0为位。如果将16位数据传送到不足16位的位元件组合（n<4）时，只传送低位数据，多出的高位数据不传送，32位数据传送也一样。在作16位数操作时，参与操作的位元件不足16位时，高位的不足部分均作0处理，这意味着只能处理正数（符号位为0），在作32位数处理时也一样。被组合的元件元件可以任意选择，但为避免混乱，建议采用编号以0结尾的元件，如S10，X0，X20等。

数据格式。在FX系列PLC内部，数据是以二进制（BIN）补码的形式存储，所有的四则运算都使用二进制数。二进制补码的位为符号位，正数的符号位为0，负数的符号位为1。FX系列PLC可实现二进制码与BCD码的相互转换。

为地进行运算，可采用浮点数运算。在FX系列PLC中提供了二进制浮点运算和十进制浮点运算，设有将二进制浮点数与十进制浮点数相互转换的指令。二进制浮点数采用编号连续的一对数据寄存器表示，例D11和D10组成的32位寄存器中，D10的16位加上D11的低7位共23位为浮点数的尾数，而D11中除位的前8位是阶位，位是尾数的符号位（0为正，1是负）。10进制的浮点数也用一对数据寄存器表示，编号小数据寄存器为尾数段，编号大的为指数段，例如使用数据寄存器（D1，D0）时，表示数为,10进制浮点数=〔尾数D0〕×10〔指数D1〕.其中：D0，D1的位是正负符号位。

现在许多小型的PLC都或多或少地提供了掉电保持寄存器，以便在PLC断电的时候，保存用户想要保存的数据。但大多数时候，PLC制造厂商为了节约成本，不可能提供足够数量的掉电保持寄存器供系统设计人员使用，所以当被调整的数据项目过PLC内部的掉电保持寄存器的数目的时候，我们不得不减少被调整的数据项目（固定或不用）或者购买具有多掉电保持寄存器数目的PLC，这样的话，就使得生产机械缺乏灵活性和适应性，从而降低产品档次或增加成本。  
  
本人在设计服装厂用热风缝合机时就遇到了这种情况，下面就介绍解决这种问题的一种方法，以便大家设计时参考。  
  
所用PLC：松下FP0－C16T，被调整数据：16个，PLC内部掉电保持寄存器数目：10个『8个数据寄存器（DT1652－DT1659：8个各16Bit）和2个字的内部继电器（WR61、WR62：2个各16Bit）』。如果按常规的一个被调整数据占用一个数据寄存器的方法，这显然不能调整16个被调整数据，而只能调整10个被调整数据。为此，本人专门分析了16个被调整数据的数据调整范围，发现多数数据的调整范围只需要从0～255，即0～28-1；而掉电保持数据寄存器DT1652等内部的数据大小为216-1，即256×256-1；所以我们可以将一个被调整的数据只用到数据寄存器的低8位，那么该数据寄存器的高8位就可以来存储另一个被调整数据。  
  
下面就列出该部分的程序：  
  
1、开机时，分开掉电保持寄存器中高8位和低8位至另外两个数据寄存器：  
其中，R9013是松下FP0系列PLC内部所规定的、在PLC从program状态到run状态时只动作一个PLC扫描周期的脉冲继电器。  
指令F65是一个字与指令，它的作用就是将掉电保持数据寄存器DT1655内的数据与十六进制数FF进行字与，然后将结果送到一般数据寄存器DT0，这样就可以分离出掉电保持数据寄存器DT1655内数据的低8位；  
同样二行的字与指令可以分离出掉电保持数据寄存器DT1655内数据的高8位。  
指令F120是一个不带进位右移指令，即：对数据字进行右移时，对高位进行补零。K8表示右移8位。  
指令F0是一个字传送指令，就是将一般数据寄存器DT10内的数据传送到一般数据寄存器DT1。  
上述程序段的目的就是在开机时将掉电保持数据寄存器DT1655内的数据分成两个被调整数据。  
  
2、开机之后，将另外两个数据寄存器的数据合并至掉电保持寄存器的高8位和低8位：  
R9014是松下FP0系列PLC内部所规定的、在PLC从program状态到run状态时、二个PLC扫描周期开始动作的脉冲继电器。  
指令F121是一个不带进位左移指令，K8即左移8位。  
指令F66是一个字或指令，将一般数据寄存器DT20内的数据与一般数据寄存器DT0内的数据进行字或，结果送掉电保持寄存器DT1655。  
由上可以看出，在PLC运行的时候，可以任意改变一般数据寄存器DT0和DT1中的数据，而这些改变也同时送到了掉电保持寄存器DT1655，这样，当PLC掉电时，所被调整的数据也就被保存了。  
通过同样的方法，我们可以视被调整数据的大小，灵活的使用掉电保持寄存器的每一个Bit位，从而使我们在不增加成本的情况下，提高小型PLC控制系统的性能。 

1 概述
随着风电技术的不断成熟与发展，变桨距风力发电机的优越性显得加：既能提高风力机运行的性，又能保证高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线。采用变桨距机构的风力机可使叶轮重量减轻，使整机的受力状况大为改善，使风电机组有可能在不同风速下始终保持转换效率，使输出功率大，从而提高系统性能。随着风电机组功率等级的增加，采用变桨距技术已是。目前变桨执行机构主要有两种：
液压变桨距和电动变桨距，按其控制方式可分为统一变桨和立变桨两种。在统一变桨基础上发展起来的立变桨距技术，每支叶片根据自己的控制规律立地变化桨距角，可以有效解决桨叶和塔架等部件的载荷不均匀问题，具有结构紧凑简单、易于施加各种控制、性高等优势，越来越受到风电市场的欢迎。
兆瓦级变速恒频变桨距风电机组是目前上技术比较的风力机型，从今后的发展趋势看，必然取代定桨距风力机而成为风力发电机组的主力机型。其中变桨距技术在变速恒频风力机研究中占有重要地位，是变速恒频技术实现的前提条件。研究这种技术，可以提高风电机组的柔性，延长机组的寿命，是目前国外研究的热点，但是国内对此研究甚少。对这一前瞻性课题进行立项资助，掌握具备自主知识产权的立变桨控制技术，对于发达国家对的风力发电技术的，促进我国风力发电事业的进一步发展都将具有重要意义。
为了获得足够的起动条件，在变桨距系统中需要具有高性的控制器，本文中采用了OMRON 公司的CJ1M 系列可编程控制器（PLC）作为变桨距系统的控制器，设计了PLC软件程序，并在国外某风电公司风力发电机组上作了实验。
2 变桨距风力机及其控制方式
变桨距调速是现代风力发电机主要的调速方式之一，变桨距风力发电机的简图如图1所示。调速装置通过增大桨距角的方式减小由于风速增大使叶轮转速加快的趋势。当风速增大时，变桨距液压缸动作，推动叶片向桨距角增大的方向转动使叶片吸收的风能减少，维持风轮运转在额定转速范围内。当风速减小时，实行相反操作，实现风轮吸收的功率能基本保持恒定。液压控制系统具有传动力矩大、重量轻、刚度大、定位、液压执行机构动态响应速度快等优点，能够保证加、准确地把叶片调节至预定节距[4][5]。目前国内生产和运行的大型风力发电机的变距装置大多采用液压系统作为动力系统。

变桨距控制器的原理框图如图2所示。在发动机并入电网之前由速度控制器根据发动机的转速反馈信号进行变桨距控制，根据转速及风速信号来确定桨叶处于待机或顺桨位置；发动机并入电网之后，功率控制器起作用，功率调节器通常采用PI（或PID）控制，功率误差信号经过PI 运算后得到桨距角位置。

当风力机在停机状态时，桨距角处于90毅的位置，这时气流对桨叶不产生转矩；当风力机由停机状态变为运行状态时，桨距角由90毅以一定速度（约1毅/s）减小到待机角度（本系统中为15毅）；若风速达到并网风速，桨距角继续减小到3毅（桨距角在3毅左右时具有风能吸收系数）；发电机并入电网后，当风速小于额定风速时，使桨距角保持在3毅不变；当风速额定风速时，根据功率反馈信号，控制器向比例阀输出-10~+10 V 的电压，控制比例阀输出流量的方向和大小。变桨距液压缸按比例阀输出的和方向来操纵叶片的桨距角，使输出功率维持在额定功率附近。若出现故障或有停机命令时，控制器将输出顺桨命令，使得风力机能快速停机，顺桨速度可达20毅/s。
3 变桨控制器的设计
3.1 系统的硬件构成
本文采用国外某风电公司风力发电机组作为实验对象，其额定功率为550 kW，采用液压变桨系统，液压变桨系统原理图如图猿所示。从图猿中可以看出，通过改变液压比例阀的电压可以改变进桨或退桨速度，在风力机出现故障或紧急停机时，可控制电磁阀J-B 闭合、J-A 和J-C 打开，使储压罐1 中的液压油进入变桨缸，推动桨叶达到顺桨位置（90毅）。

本系统中采用OMRON 公司的CJ1M 系列PLC。发电机的功率信号由高速功率变送器以模拟量的形式（0耀10 V 对应功率0耀800 kW）输入到PLC，桨距角反馈信号（0耀10 V对应桨距角0耀90毅）以模拟量的形式输入到PLC 的模拟输入单元；液压传感器1、2 也要以模拟量的形式输入。在这里选用了4 路模拟量的输入单元CJ1W-AD041；模拟量输出单元选用CJ1W-DA021，输出信号为-10耀+10 V，将信号输出到比例阀来控制进桨或退桨速度；为了测量发电机的转速，选用高速计数单元CJW-CT021，发电机的转速是通过与发电机相连的光电码盘，每转输出10 个脉冲，输入给计数单元CJW-CT021。
3.2 系统的软件设计
本系统的主要功能都是由PLC 来实现的，当满足风力机起动条件时，PLC发出指令使叶片桨距角从90毅匀速减小；当发电机并网后PLC 根据反馈的功率进行功率调节，在额定风速下保持较高的风能吸收系数，在额定风速之上，通过调整桨距角使输出功率保持在额定功率上。在有故障停机或急停信号时，PLC 控制电磁阀J-A 和J-C 打开，J-B 关闭，使得叶片变到桨距角为90毅的位置。
风力机起动时变桨控制程序流程如图4 所示。当风速起动风速时PLC 通过模拟输出单元向比例阀输出1.8 V电压，使叶片以0.9毅/s的速度变化到15毅。此时，若发电机的转速跃800 r/min或者转速持续1 min跃700 r/min，则桨叶继续进桨到3毅位置。PLC 到高速计数单元的转速信号大于1 000 r/min 时发出并网指令。若桨距角在到达3毅后2 min未并网则由模拟输出单元给比例阀输出-4.1 V的电压，使桨距角退到15毅位置。

发电机并上电网后通过调节桨距角来调节发电机输出功率，功率调节程序流程图如图5 所示。
当实际功率大于额定功率时，PLC 的模拟输出单元CJ1W-DA021 输出与功率偏差成比例的电压信号，并采用LMT指令使输出电压限制在-4.1 V（对应变桨速度4.6毅/s）以内。当功率偏差小于零时需要进桨来增大功率，进桨时给比例阀输出的大电压为1.8 V（对应变桨速度0.9毅/s）。为了防止频繁的往复变桨，当功率偏差在依10 kW时不进行变桨。

在变桨距控制系统中，高风速段的变桨距调节功率是非常重要的部分，若退桨速度过慢则会出现过功率或过电流现象，甚至会烧毁发电机；若桨距调节速度过快，不但会出现过调节现象，使输出功率波动较大，而且会缩短变桨缸和变桨轴承的使用寿命，这样会影响发电机的输出功率，使发电量降低。在本系统中在过功率退桨和欠功率进桨时采用不同的变桨速度。退桨速度较进桨速度大，这样可以防止在大的阵风时出现发电机功率过高现象。
图6 为变桨距功率调节部分的梯形图程序。
100.08 是启动功率调节命令，当满足功率调节条件时，继电器100.08 由0 变为1；D2100 存放的是发动机额定功率与实际功率的偏差，当偏差驻P满足-10 kW<驻P<10 kW 时将0 赋给D2100；60.07为1 时即功率偏差为负值，D2100 中的功率偏差按一定比例进行缩放，并通过LMT指令限位输出到比例阀，输出的小值对应-4.1 V电压；若继电器60.07 为0，即功率偏差为正值，将D2100 的值通过SCL3 指令按比例系数缩放，并通过LMT 指令输出到比例阀，输出的电压大值为1.8 V。
4 结语
采用OMRON 公司的CJ1M 系列PLC 作为大型风力发电机变桨距系统的控制器，已经在广东南澳岛的国外某风电公司型变桨距风力机上作了实验。现场的实验记录表明，采用这种PLC 控制系统可以使风力机运行，在出现停机故障时可以顺桨停机；运行时满足功率优的原则，在额定风速之下时桨距角保持在3毅不变，在高风速时能够根据输出功率调整桨距角的位置，使输出功率维持在550 kW左右，在高风速阵风时，功率波动不过额定功率的10%，满足了设计要求。由于变桨距系统中采用了PLC 作为控制器，使得该系统仅用简单的软件程序就完成了复杂的逻辑控制，而且抗干扰能力强，性能。

一、系统概述：
本系统主要是针对煤粉蒸汽或热水锅炉的控制。具有锅炉水位自动控制、燃烧经济性自动控制、炉膛负压自动控制、炉压波动补偿点火系统、蒸汽压、缺水保护等自动联锁保护功能。
本系统的控制方式分自动/手动/就地，三种方式可转换。锅炉正常运行生产时，使用自动方式，设备按工艺要求的顺序和流程由控制台自动控制、联锁保护；手动时，可在控制台操作各设备，有互锁和联动关系；就地时，在现场操作可启停设备，闭锁，保护现场操作人员的。
二、系统的实现：
①、初始化
检测各电气设备已通电，并且有动作；然后依次检测锅炉水位是否下限，蒸汽压力是否限，煤粉罐料位是否下限，中间料仓是否下限，如上述条件有任意一条为“是”均不能。　 
②、点火
关闭一、二次风电动调节阀，然后依次启动引风机、二次风机、全开二次风阀门，如任意动作未执行，则停炉并报警；如设备运行正常，则延时吹扫1分钟，然后调节二次风电动阀至设定位置，启动点，此时监测火焰是否建立，延时30秒，启动一次风机，调节一次风阀门至设定位置，启动搅拌器，启动给料螺旋并调节至设定转速，此时监测火焰是否建立，如火焰建立，则油与煤粉混燃10分钟后关闭点，火焰检测器继续监测火焰是否建立，如上述任意条件为“否”或任意动作未执行，则执行停炉控制程序。
③、运行
实时监测蒸汽压力，如过设定压力，则执行停炉控制程序；如未出设定压力，则执行经济燃烧控制程序。
④、停炉
检测点是否关闭，然后依次停止搅拌器、供料螺旋、一次风机；将二次风阀门调至全开位置，延时吹扫1分钟后；检测炉膛温度直至设定温度后停止引风机、停二次风机，关闭一、二次风阀门。
锅炉紧急或异常停车：
２、锅筒水位自动控制
根据本系统锅炉容量，采用单冲量控制方式。
３、燃烧经济性自动控制
根据5分钟内对烟气中氧气含量检测的平均值，改变送风量的大小，进而达到调节锅炉经济、燃烧的目的。
燃烧经济性自动控制条件：
①、在一定的采样周期内，实际含氧量浓度变化率大于或小于工艺设定的含氧量目标值时，差值经PID运算后控制二次风阀执行器，执行器调整二次送风量，并在一定的时间内保持，以满足燃烧的经济性。
②、在一定的采样周期内，实际含氧浓度变化率在工艺含氧量目标值范围内时，系统不做运算，二次送风量保持原状态。
４、炉膛负压自动控制
考虑到燃烧过程的波动性，控制系统应设有死区不响应功能。但是当炉压持续出现波动时，起动给油泵，同时点火器动作并延时，当炉压趋于稳定，关闭点火器同时停给油泵。启动给油泵、点火器点火并在给定的延迟时间内炉压还不能趋于稳定状态，则停止锅炉的运行。
５、中间粉仓料位自动控制
根据粉仓重量控制煤粉罐旋转阀的启停，当中间粉仓重量到达下，启动旋转阀；当中间粉仓重量到达上，停止旋转阀。
６、煤粉锅炉系统连锁保护
①、水位保护
锅炉水位报警共设定水位高、水位高、水位低、水位低等4种水位报警信号。
锅炉水位保护共社水位高、水位低等两种保护。当水位高或低时停止锅炉运行。
②、蒸汽压力高保护。当蒸汽压力过设定的压力保护值时停止锅炉运行。
③、锅炉炉膛熄火保护。即锅炉在正常的运行状态下的非正常的熄火保护。
④、紧急停车保护。在现场设备调试及设备试运行期间，如果设备出现故障而设置的手动紧急保护功能
三、控制系统硬件配置：
根据工艺要求及操作使用方便，本系统将配置：低压电气柜一台和操作箱一台。
（1） 主要的低压电气元件选用富士。
（2） 数据集中采集及控制采用日立EH-150系列。
（3） 变频器采用日立L300P系列。
（4） 集中监控采用工控机。
（5） 温度传感器选用符合IEC标准的热电阻和热电偶。
（6） 锅筒水位采用配备就地式水位表和的压差变送器。
（7） 蒸汽压力采用蓝宝石高温压力传感器。
（8） 蒸汽流量和给水流量采用一体化带温补的涡街计。
四、 上位机控制系统：
五、 结束语：
该煤粉锅炉控制系统性高、自动化程度高、使用方便、操作简单、功能丰富、控制灵活，满足用户的控制要求，运行正常稳定