6ES7314-6CH04-0AB0千万库存

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为了改善发电机励磁控制系统的动态调节品质，运用模糊规则设计了一种发电机励磁系统的模糊控制器，并给出了基于西门子可编程逻辑控制器（PLC）的模糊控制器的实现方法。和试验结果表明，控制器在改善发电机励磁系统的动态行为上具有的优势，对工程应用有实用。

0 引 言
    目前，工业控制中使用为广泛的仍是典型的PID控制，主要是因为这种控制策略结构简单，且具有一定的鲁棒性。但在实际的情况中，常规PID调节器固化的一组参数难以满足其调节品质的要求，因此，研究和改善现有的控制方式显得尤为重要，并具有实用。模糊控制作为一种智能控制方式，在工业控制中逐步得到了应用。模糊控制主要用于克服由于过程本身的不确定性、不性和噪声带来的控制问题，因而在处理发电机组励磁模型参数的不确定性、复杂性和非线性方面具有的优势。因此，模糊控制技术很适合应用于发电机励磁控制系统中。
    模糊控制技术己经成为当前研究者们较为关注的热点。但在发电机励磁系统，将模糊控制技术应用于控制器的设计却很少，相关的资料论文也很有限，在模糊控制大力发展和应用日益广泛的今天做一些这方面的探讨是有益的。

1 发电机励磁模糊控制系统组成
    1.1 模糊控制系统的一般结构
    模糊控制属于计算机智能控制的一种形式，模糊控制系统的结构如图1所示。

图1 模糊控制系统的一般结构

    它的部分为模糊控制器，模糊控制器的规则可由程序实现，规则是来自于人的经验形式化、模拟化。同时，应用相应的模糊判据，将其转化为量，实现对被控制对象的控制作用。
    常用的模糊控制器有一维、二维和三维模糊控制器，其中典型的是二维模糊控制器。二维模糊控制器是用系统输出的偏差e和输出的偏差变化率Δe作为控制系统的输入量。在实际模糊控制系统中，需要先构造模糊控制表，模糊控制表是根据系统的输入输出个数、隶属函数及控制规则等决定。

    1.2 发电机励磁系统数学模型的建立
    1.2.1 同步发电机的传递函数
    同步发电机的传递函数相当复杂，这里只研究发电机空载起励的过程，因此，可对发电机的数学描述进行简化。在转速为额定转速时，同步发电机的传递函数可以用一阶滞后环节来表示。电压大值在额定电压的附近，因此，该过程中可以忽略饱和现象，故同步发电机的传递函数为：
    
    TG表示其时间常数，主要为励磁绕组EW的时间常数，其数值较小，取5s，KG为发电机的电压放大系数，当忽略发电机的饱和影响时，KG可用发电机的定子电压和发电机空载额定转子电压之比表示。

    1.2.2 电压测量单元的传递函数
    电压测量单元由测量变压器、整流滤波电路等组成，作用是把发电机机端电压变成与之成正比的直流电压，在正常情况下，电压互感器和测量变压器均不会饱和，可近似用一个一阶滞后环节来描述。
    
    式中，其时间常数TR约为几十毫秒，KR=UCHE/UGE，UCHE为对应UGE时测量单元的输出电压。

    1.2.3 功率放大单元的传递函数
    调节器中的功率放大单元是晶闸管调节器，由于晶闸管整流元件工作是断续的，所以它的输出与控制信号间存在着时滞。
    
    式中：UL——晶闸管整流电路的输出电压；
    ULK——晶闸管整流电路输出开路时的输出电压；
    UHK——换相电抗形成的输出电压降；
    UT——晶闸管整流元件的电压降（每只晶闸管的管压降约为1V，在分析励磁系统时一般情况下可忽略不计）。
    发电机励磁控制系统一般都有非线性环节，这就要进行线性处理。线性处理时，要确定在哪一点线性化，也就是要确定系统各环节的定态工作点，然后定在整个运行过程中各环节的输入量和输出量在定态工作点附近变化的一直保持很小。这样就可以把本来是非线性的环节近似地当成线性环节对待。分析发电机励磁自动控制系统，一般定发电机在空载额定状态（即发电机空载额定转速额定定子电压）运行时各环节对应的输入、输出为定态工作点，而且励磁系统的输入信号只有很小变化。同时考虑到发电机空载运行时励磁电流较小，晶闸管整流电路的换相电抗压降不大，也可忽略。
    因此功率放大单元的传递函数可以简化为：
    
    因此，励磁系统总的传递函数框图如下图2所示。

图2 发电机励磁系统传递函数

2 基于西门子PLC的模糊系统设计
    目前，各PLC生产厂家推出的中、小型PLC模块虽然提供了PID指令，可以实现PID控制，但是都没有提供模糊控制模块和软件包。为了获得模糊PID控制特性，本文提出了一种在不增加任何PLC硬件开销的情况下，通过软件编程在PLC上实现模糊控制的新方法。
    2.1 输入输出的模糊集与论域确定
    各变量隶属函数的确定根据PID自整定原则，用于PID参数控制的模糊控制器采用2输入1输出的模糊控制器，该模糊器是以e(t)和Δe(t)为输人语言变量，以控制电压U为输出语言变量。
    e(t)和Δe(t)的模糊子集取值为：
    e(t) ={PB，PM，PS，PO，NO，NS，NM，NB}；
    Δe(t) ={PB，PM，PS，O，NS，NM，NB}。
    其中，{PB =“正大”，PM =“正中”，PS =“正小”，PO =“正零”，O =“零”，NO =“负零”，NS =“负小”，NM =“负中”，NB=“负大”}
    控制电压U的模糊子集取值为：
    U ={ -7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1 ，+2，+3，+4，+5，+6，+7}；
    模糊子集为：“负很大”、“负较大”、“负大”、“负中”、“负小”、“负较小”、“负很小”、“零”、“正很小”、“正较小”、“正小”、“正中”、“正大”、“正较大”、“正很大”。
    采用阶跃信号作为输入信号，根据模糊控制器的原理，选择其输入（e(t)、Δe(t)）输出(U)。取e(t)、Δe(t)、U的论域和模糊子集可得到隶属度曲线，图3、图4为变量e(t)与Δe(t)所对应的曲线。

图3 e(t)隶属函数曲线


图4 Δe(t)隶属函数曲线

    2.2 模糊规则设计
    模糊规则来自于人的经验，根据实际经验规则可以得出U的调节规则表如表1所示：

表1 模糊控制规则表

2.3 基于PLC的模糊控制器设计
    微机上实现模糊控制一般采用3种方式：强度转移方式、直接查表方式和公式计算方式。要想在PLC上实现模糊控制，考虑到PLC运算能力较差，宜采用直接查表方式。
    在设计中，选用西门子公司的S7-200型PLC，利用其A/D模块将输入量采集到PLC中，利用其D/A模块实现执行元件的输出，模糊控制流程图如图5所示。

图5 模糊控制系统流程图

    上面给出的是模糊规则表中查询求U值的一段程序。其余程序与上述程序类似。

3 系统
    某电厂发电机励磁系统的主要参数为：KG=20.15，UGE=400V，UCHE=6V，KR=UCHE=/UGE=0.015，KSCR=2.82，T=0.0045。
    利用Matlab6.0中的模糊工具箱进行模糊系统的设计，在模糊编译窗口中进行输入输出变量以及隶属度函数的设定，在模糊规则编辑器中设定规则，同时采取法进行解模糊化，后利用Simubbbb中的模糊工具集中的FuzyController元件将已经建立的2输入 — 1输出的Mamdani模糊控制系统导入Simubbbb被控系统，与被控系统进行无缝连接，终实现对系统进行，结果。
    系统的结构图如图6所示：

图6 系统结构图

    结果如图7所示。

图7 励磁控制系统结果图

    可见，引入模糊控制算法后明显改善了发电机励磁系统的调节特性，并具有良好的跟踪特性。结果表明，基于模糊控制算法的励磁系统的调节过程，都能很好地满足励磁系统的动态特性，所得到的系统响应曲线过程小，调节速度快且调节过程平稳（没有频繁的波动），具有良好的调节品质。

4 结 语
    随着大容量发电机组的使用和大规模电力系统的形成，对励磁系统的性和技术性能的要求越来越高，需要研究新型的励磁调节器来满足要求。同时，计算机技术和自动控制理论的发展也为研究新型励磁调节器和励磁系统提供了良好的基础。把模糊控制技术应用在发电机励磁系统将有很好的和潜在的应用前景，并有明显的理论意义和实际意义。
    本文介绍了发电厂励磁控制系统的模型和模糊控制在励磁控制中的应用，并讨论了其在PLC上的硬件实现。研究结果表明，该控制

柴油发电机组是自备电站交流供电设备的一种类型，是一种小型立的发电设备，以内燃机作动力，驱动同步交流发电机而发电。柴油发电机组又称移动电站，是一种备用电源，当外部电网发生供电紧张、故障或检修暂停供电时，可通过启动柴油发电机组供电，以维持正常供电，这在发生临时供电、连续生产时突然断电以及消防等方面发挥着重要作用。

可编程序控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC。PLC 的部分是微处理器，不仅具有逻辑控制功能，而且还具有运算、数据处理和数据传送等功能，是具有计算机功能的工业控制装置。可编程序控制器紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格、强大的指令以及较高的性和简便的维护 近乎的满足了自动控制要求。现使用西门子 S7-200 可编程控制器实现柴油发电机组与市电切换的自动控制。可编程序控制器的使用不但省略了许多繁琐的中间控制环节，还大大提高了性和性，达到了理想的效果。

1 系统的组成

基于PLC 的柴油发电机组与市电切换系统，由柴油发电机组和西门子可编程序逻辑控制器组成。通过此控制系统能实现：当电网正常时，负载由电网供电;当电网不正常时，控制系统立刻起动柴油发电机组，实现柴油机组输出对负载供电。当电网恢复正常后，系统恢复电网供电，并关闭柴油机组。通过此系统能确保负载的正常输出。可编程序控制器(PLC)选用西门子S7200 型CPU222 AC/DC/ RLY，共有8 点输入，6 点输出。可以满足系统控制要求。

1 . 1 柴油机启动与停机

合上接地开关SA1，整个系统开始工作，当可编程控制器通过三相电压保护继电器，检测到市电不正常时，立即起动柴油发电机组。柴油发电机组的启动分成以下两个阶段。① PLC 输出点Q0.1 输出，使柴油机进入运行状态，并将输出Q0.0 闭合使KA1 得电，启动马达M 运转，带动柴油机运转，当柴油机启动成功后，PLC 输出点Q0.0 输出点立即断开，KA1 失电，启动马达与柴油机飞轮分离。②当柴油机启动成功后进入怠速运行30s 后，PLC 输出点Q0.2 闭合，则柴油机进行全速运行，电子调速器驱动执行器，将柴油机油门加大，柴油机进入全速运行状态[1]。

柴油发电机组的停机也可以分成以下两个阶段。①在确定柴油机组对外供电开关已经断开，即停止对负载供电后，PLC 输出点Q0.2 断开，则柴油机进行怠速运行，电子调速器驱动执行器，将柴油机油门减小，柴油机进入怠速运行状态。② 30s 后，PLC 输出点Q0.1 断开，使柴油机进入停止状态。

1 . 2 柴油机组与市电切换供电控制

过载及短路保护断路器QF1 及QF2，在平时状态下为断开，在系统开启状态时，闭合断路开关。市电通过接触器KM1 向负载供电。机组通过接触器KM2 向负载供电。两个接触器通过联络柜进行防并联机械互锁。通过市电上的三相电压保护继电器，来检测市电是否正常。当市电正常并保持稳定时，三相保护继电器会给PLC 发出一个市电正常指示信号，PLC 检测到市电正常后，通过控制输出将机组供电接触器KM2 断开，闭合市电供电接触器KM1。此时，电站通过市电向负载供电。

当市电不正常时，三相保护继电器会给P L C 发出一个市电不正常指示信号，PLC 检测到市电不正常后，通过PLC 启动柴油机，使其全速运行后，控制输出将市电供电接触器KM1 断开，闭合机组供电接触器KM2。此时，电站通过机组向负载供电。

1.3 软件设计

PLC 由处理单元CPU，存贮器、输入、输出单元、电源和编程器等组成。PLC是采用循环扫描的工作方式，即每一次状态变化需要一个扫描周期。PLC 循环扫描时间一般为几毫秒至几十毫秒，整个过程分为内部处理，通信，输入处理，执行程序，输出处理几部分。

PLC 程序运行是从起始地址0000 开始到后一条地址(即END 指令)，做反复式巡回扫描，严格按梯形图、逻辑图逻辑行顺序和逻辑行逻辑元素的排列自上而下，从左到右逐字逐句处理程序。这样，继电器控制系统很难解决的结点竞争及延时继电器不的现象就不会产生，从而**了控制系统的性。

S7-200 可编程序控制器有3 种编程方法，即梯形图(LAD)、语句表(STL)和功能图块(FBD)。梯形图比较直观，编程、调试都很方便;语句表编程速度慢，调试起来较繁琐; 功能图块可以查看到象普通逻辑门图形的逻辑盒指令但是相对复杂，使用较少。用语句表编程的手持编程器的性价比，用户可根据习惯进行编程语言的选择[2]。

 

2 系统注意事项

① PLC 安装的应避免太阳光直接照射，**有足够的散热空间和通风条件，避免安装在干扰严重高温、高湿度有粉尘、不清洁以及有腐蚀气体的环境中。在此例中，要将PLC 安装在有减振措施的控制屏内。

② 不要将输入、输出线同用一根电缆，同时动力电缆和控制电缆要分开铺设，避免干扰。

③ 电源连接：PLC 通常用的是单相交流电源。接线时，要分清接线端子上“N”端“零线”和“接地”端。PLC 的交流电源线应单从机进入控制柜中，不能与其他直流信号线、模拟信号线捆在一起走线，以减少对其他控制线路的干扰。为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰，应给PLC 接上地线，接地点应柴油发电机组的接地点分开，平常要注意检查PLC 的接地是否良好。

④控制PLC 的工作环境(0℃～50℃为宜)，必要时要采用强迫风冷冷却方式，可以有效地提高它的工作效率和寿命[3]。

4 结语

西门子S7-200PLC 是性价比很高的PLC 控制器，在本例柴油机与市电切换供电的控制系统中，解决了原先继电器控制复杂、故障几率较高的难题，同时使电控元件之间的接线十分简洁，控制的性大为提高。无论从设计，加工和应用上都有表现其技术的优势，

4. 上位机程序设计

上位机程序设计是以Visual Basic 6.0 为平台，利用MS Comm控件，以事件驱动方式实现计算机与PLC之间串行通讯，完成数据间的交换。上位机程序包括用户界面设计、通讯和数据处理程序、显示程序等。

4.1 用户界面设计

本系统中，设计了两个窗体（bbbb1和bbbb2）。其中bbbb1为主界面，bbbb2为波形显示界面。在bbbb1中设计了一个MSComm控件、一个定时器控件（Timer1）和两个按钮控件（Command1和Command2）。其中Command1是开始按钮，即按下时开始和PLC通讯，读取其中的数据。Command2是显示按钮，即按下时调用窗体bbbb2，显示每个运行量的波形曲线。在bbbb2中设计了一个图片框控件（Picture1），用来显示图形。

4.2 通讯和数据处理程序设计

设置Timer1 的Interval属性等于500，MSComm的bbbbbMode属性为二进制方式，RThreshold属性等于5010。定时器每隔500毫秒发送一次传送命令，当发送到26次时，关闭定时器，这时接收缓冲区将收到5010个字节的数据并触发MSComm的OnComm事件。在OnComm事件子程序中，将接收缓冲区中的数据依次分配到全局数组U_data、If_data、P_data、Q_data和Ug_data中，再根据各运行量的额定值计算出百分比值。各个数组的前350字节需要根据指针Index进行调整，具体方法是将数组下标范围Index～349的数据移到，下标范围1～Index-1的数据移到后面。

4.3 显示程序设计

在窗体bbbb2的装载事件bbbb_Load中编写图形显示程序。在图片框控件Picture1中设置自定义坐标系。设置ScaleMode属性值等于3，即以象素为度量单位。然后在该坐标系下画出坐标轴。X轴以秒为单位，曲线上两点间的时间间隔是40毫秒，换算成象素等于1.47。Y轴以百分比为单位，每个单位刻度换算成象素等于2.1。后根据数组U_data、If_data、P_data、Q_data和Ug_data分别画出相应运行量的波形图。以机端电压波形为例，给出编写的程序如下：

Picture1.DrawWidth = 1 ‘线宽为1

Picture1.CurrentX = 0 ‘当前坐标的位置

Picture1.CurrentY = U_data（0） ＊ 2.1

For i= 1 To 499 ‘画出曲线

Picture1.Line -（1.47 ＊ i, U_data（i） ＊ 2.1）, vbBlue

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5. 系统的运行与实验结果

在系统运行前，要对PLC的通讯参数进行设置，包括波特率、校验方式、数据位位数和停止位位数等，此设置要和上位机一致。在S7-226中使用自由口模式和上位机进行串口通信时，可以通过特殊寄存器SMB30（端口0）或SMB130（端口1）来设定。下面以发电机空载停机实验为例说明系统的运行过程。

当发电机在正常空载下停机时，PLC检测到停机信号，将故障标志置位，然后记录下停机后13秒的数据。运行上位机程序，在主界面上按下“传送”按钮后，上位机开始读取PLC中数据。等到程序提示“数据传送完毕”后，按下“显示”按钮，将弹出“波形显示”窗口如图3所示。从图中可以看出，该曲线较好的反映了发电机停机前后机端电压、励磁电流的变化。

6. 结束语

此系统已经成功应用于中、小型同步发电机励磁系统中，通过发电机的动态模拟实验和实际中的应用来看，该系统性能、操作方便、界面友好，能够较好地满足电力系统对于故障记录、故障分析的需要。

一般情况下，采用微机控制或以微处理器为内核的工业嵌入式发电机励磁调节器较容易实现发电机运行参量的故障录波，采用PLC作为发电机励磁调节器的硬件平台，具有应用、运行性高但程序设计难度大的特点，其内部成功地嵌入发电机重要运行参量的故障录波具有较大的实用，尤其适用于目前大量开发的中小型水力发电站的水轮发电机组，对于**发电机组的、稳定、运行具有重要的意义。

1. 引言

发电机是电力系统的重要组成部分，它的运行对于**电力系统的稳定具有重要意义。发电机故障录波装置所记录的数据为工作人员正确分析发电机故障原因，研究事故对策，及时处理事故提供了的依据，同时，根据故障录波数据还可以分析系统的故障参数、各电气量的变化规律，进行故障定位等，这些对于**电力系统的运行起着十分重要的作用。可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）作为工业控制的计算机，由于其结构简单、性能优良，抗干扰性能好，性高，在机械、化工、橡胶、电力等行业工业控制现场已日趋广泛地得到应用，成为工控现场进行实时控制的主要的控制装置。本文介绍一种利用可编程控制器和扩展模拟量模块实现发电机故障录波的方法。

2. 系统的组成和工作原理

系统的组成框图如图1所示,由上位计算机和1套PLC测控系统组成。PLC通过外部变送器、互感器与发电机组相连，发电机机端电压U、定子电流I为三相交流电，分别经电压互感器（PT）和电流互感器（CT）转换成三相100V、的二次信号，发电机转子励磁电流经过分流器RS转换成75mV信号，再经过三相功率（含有功、无功）变送器、三相电压变送器、直流电流变送器转换成与其成比例的0～10V电压信号后输入到PLC的模拟量模块。模拟量经过A/D转换，然后根据互感器、变送器的变换比例计算出机端电压U、转子电流If、有功功率P和无功功率Q的等机组运行量。PLC每隔20毫秒采样一次，每40毫秒将采样的数据保存到故障数据区中。当发生故障后，PLC记录下故障发生以后的13秒数据，故障数据记录过程结束。当PLC接收到上位机发送来的传送命令时，PLC将记录的故障数据通过串口通讯传送给上位机。上位机将数据完整的接收下来，经过数据处理显示出机组运行量U、If、P、Q、Ug（电压给定）在故障前7秒、后13秒的波形曲线，这样就可以对发电机故障进行分析了。在本系统中，PLC选用SIMATIC S7-226;模拟量模块选用与S7-226配套的产品EM235;PLC与计算机之间通过PC/PPI电缆连接以串行方式进行通讯。

图1 发电机故障录波系统框图

3. 下位机程序设计

PLC属于下位机，其程序共分为3个模块，它们是初始化子程序、录波子程序和通信子程序。以下将分别说明各模块的设计思想。

3.1 初始化子程序

初始化子程序包括初始化自由口通信参数，设置接收命令RCV启动和结束条件，数据指针赋初值，连接20ms采样、接收和发送中断。

3.2 录波子程序

录波子程序在20ms采样中断中调用，负责记录机组运行量U、If、P、Q、Ug在故障前7秒、后13秒的数据。

在PLC中定义一个连续的数据区VW4000～VW8998，用来保存故障数据。每个运行量的数据占用1000字节的数据块，地址分配如下，U：VW4000～VW4998 If：VW5000～VW5998 P：VW6000～VW6998 Q：VW7000～VW7998 Ug：VW8000～VW8998。

录波子程序每隔40毫秒将采样的数据送到各自的数据块中。为每个数据块定义一个数据指针，其初始值分别指向各数据块的地址。每传送一次数据，各指针向下移动2字节。故障前7秒数据（350字节）是循环记录的，即如果在故障到来之前数据已存满，各数据指针将重新指向数据块的地址。定义指针index用来记录20秒故障数据开始的位置。当故障到来时，数据指针指向故障后13秒数据（后650字节），此时指针index将前7秒数据分为前后两部分，正确的顺序是将前后两部分交换过来。当后13秒数据记录完后，录波子程序结束。程序流程图如图2所示。

3.3 通信子程序

通信子程序负责与上位机通信，将存储在数据区的故障数据通过串口分批传送给上位机。上位机每发送一次传送命令（用整数255表示），PLC在接收中断程序中判断收到的字符是否为传送命令，如果是则将传送命令标志M6.0置位并且在主程序中调用通信子程序。

定义指针tran_pointer用来指向待传送数据的地址，其初值为&VW4000，即指向数据区地址。定义变量count用来记录传送的次数。在通信子程序中，停止自由口的接收，然后将以指针tran_pointer为地址，大小200字节的数据传送到发送缓冲区中，接着用发送命令通过串口发送出去。每发送一次数据，将指针tran_pointer向下移动200字节，变量count值加1， M6.0复位。当上位机发送完26次传送命令时，PLC中数据区VW4000～VW8998的5000个字节已发送完毕，再将额定电压、额定电流、额定有功功率、额定无功功率和指针index发送出去， count值清零，指针tran_pointer重新初始化，M6.0复位。至此，一次完整的故障数据传送过程结束。