SIEMENS PLC在平台应急发电机组中的应用
2004/11/30 18:26:00
[摘要]本文通过对平台供电电网以及对应急发电机组自启动要求的分析，结合平台装备现状、配电系统的设计要求，利用PLC（可编程控制器）改造现有设备的优势，提出了详细的设计思路和方案，最后并给出了具体设计梯形图以供参考。
[关键词]PLC、应急发电机、应急电网、自启动、梯形图、PLC编程
一、引言
自1959年世界上第一片IC诞生后，微电子技术有了高速的发展，集成电路、印制电路板、可编程控逻辑器件等技术逐渐应用于智能仪器和自动化控制。由于集成电路（IC）的系统芯片种类繁多，体积大，设计周期长，费用高；印制电路板（PCB）上元件之间连线的交叉、重叠，不仅工艺复杂，又导致电连线的分布电容增大，加大了对前级电路的负载，增加了系统的干扰，同时PCB的多焊接点和双面布线的连接孔又导致系统的可靠性下降；而可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，综合了计算机技术、通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用。
应急发电机组用PLC控制有很多优点，它主要通过软件控制，从而省去了硬件开发工作，外围电路很少，大大提高了系统的可靠性与抗干扰能力；由于它简单易行的可编程序功能，无须改变系统的外部硬件接线，便能改变系统的控制要求，使系统的“柔性”大大提高。
二、主要设计功能
海上钻井平台一般设有单独的电站，在生产过程中如果主站因为故障突然停电，没有备用的电源继续供电，很可能造成事故。在应急情况下，应急电站应至少有能力向以下设备供电：
1、无线电通讯及航行信号灯设备。
2、重要区域照明，如逃生通道、中控室、无线电室等。
3、火灾及有毒气体报警装置。
4、井口防喷装置。
5、应急消防泵和舱底泵。
应急电站原动机一般采用一台独立冷却和供油系统的柴油机，并设有自启动装置，保证在主站失电后0-45秒内启动，应急电网通常为主电网的一部分，在正常情况下，这些用电设备由总配电板供电，只是在应急情况下由应急发电机组供电，因此在应急配电板上的应急发电机主开关与主开关向应急配电板供电的开关之间设有电气联锁，以保证安全。胜利七号平台配电系统见图1：
在正常电供电情况下， K13闭合使应急负载和应急照明线路作为正常线路的一部分正常工作，在正常电失电情况下，KT1-KT4、K13闸刀跳开，应急发电机EG启动后KE闭合向应急负载和应急照明送电。应急发电机组作为一个平台应急电源，应具备以下基本要求：
1、自动启动
当正常供电出现故障(断电)时，机组能自动启动、自动升速、自动合闸，向应急负载供电。
2、自动停机
当正常供电恢复，经判断正常后，控制切换开关，完成应急电到正常电的自动切换、然后控制机组降速到怠速、停机。
3、自动保护
机组在运行过程中，如果出现油压过低（小于0.3MP）、冷却水温过高（大于95度）、电压异常故障，则紧急停机，同时发出声光报警信号，如果出现水温高（大于90度）、油温高等故障。则发出声光报警信号，提醒维护人员进行干预。
4、三次启动功能
机组有三次启动功能，若第一次启动不成功，经10秒延时后再次启动，若第二次启动不成功，则延时后进行第三次启动。三次启动中只要有一次成功，就按预先设置的程序往下运行；若连续三次启动均不成功，则视为启动失败，发出声光报警信号（也可以同时控制另一台机组起动）。
5、自动维持准启动状态
机组能自动维持准启动状态。此时，机组的自动周期性预供油系统、油和水的自动加温系统、蓄电池的自动充电装置投入
工作。
6、具备手动、自动两种操作模式。
三、控制系统的硬件设计
我国建造的海上石油装备，应急电源多采用135系列的柴油机组，下面就以此为例用PLC实现对柴油机自启动的控制。
电路设计见图2所示：
2、电路分析
设计说明：控制面板上有“手动/自动”选择旋钮， “停机/怠速/额定转速”选择旋钮、“启动”、“合闸”、“分闸”按钮，电机A带动凸轮开关ZK转动有3个位置ABC，分别对应停机/怠速/额定转速3个位置，也就是油门的3个位置。速度继电器、电压检测、水温、油压都是外部开关信号。
原始状态：柴油机油门杆控制电机处于“停机”状态，凸轮开关A闭合，B、C均断开。
一次启动过程：正常电失电后，经5秒确认，油门控制器动作，电机A正转将油门拉到“低速”位置，同时凸轮开关ZK动作使A断开，B闭合，电机B启动4秒钟，如柴油机发火运行，在速度上升到600-700转时传感器动作，电机A再次动作将油门拉到“全速”这时凸轮B、A断开，C、闭合，发电机开始发电，电压正常后合上主开关KE向负载供电。
三次启动过程：若一次启动未成功，则速度继电器仍处在原位，由PLC内部的定时器来进行控制进行再次启动，以10秒作为一个周期，三次启动时间约30秒，32秒后输出报警，
启动失败及柴油机组停机：启动失败后，系统进程50秒后，控制电机A反转，把油门拉回到“停机”位置，当正常电恢复时电机A反转，将油门拉回“停机”位置，柴油机缺油熄火。
3、根据所需的输入/输出点数选择PLC机型
根据自动化机组的控制要求，所需PLC的输入点数为14个，输出点数为6个。系统的控制量基本上是开关量，只有电压和转速是模拟量，为了降低成本，可以通过检测电路把模拟量转换成开关量、如电压监测可以用电压保护器代替。这样可以选用不带模拟量输入的PLC。本系统选用西门子 S7-200小型可编程序控制器，可靠性高，体积小，输入点数为14个，输出点数为10个。电源、输入、输出电压均为24VDC。
4、分配PLC输入输出
根据自动化机组的控制要求和电气原理图，PLC输入、输出信号分配表见表1。
表1输入/输出分配表
四、软件设计
根据以上的分析画出流程图如图3根据自动化机组的控制流程和输入、输出分配表，画出一次启动成功时序图如下图：
根据以上分析编制出PLC控制的梯形图（采用SIEMENS STEP7-MICRO/WIN32绘制）如图所示：
五、结论
采用PLC控制的自动化柴油发电机组，硬件简单，技术经济指标好，经过在不同机组上使用，可靠性高，程序稍作修改，就可以满足用户不同的控制要求。
参考文献：
1.《海洋石油电气 》
2.《嘉华PLC使用说明》
3.《西门子PLC使用手册》
4.《PLC编程手册》
[关键词]PLC、应急发电机、应急电网、自启动、梯形图、PLC编程
一、引言
自1959年世界上第一片IC诞生后，微电子技术有了高速的发展，集成电路、印制电路板、可编程控逻辑器件等技术逐渐应用于智能仪器和自动化控制。由于集成电路（IC）的系统芯片种类繁多，体积大，设计周期长，费用高；印制电路板（PCB）上元件之间连线的交叉、重叠，不仅工艺复杂，又导致电连线的分布电容增大，加大了对前级电路的负载，增加了系统的干扰，同时PCB的多焊接点和双面布线的连接孔又导致系统的可靠性下降；而可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，综合了计算机技术、通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用。
应急发电机组用PLC控制有很多优点，它主要通过软件控制，从而省去了硬件开发工作，外围电路很少，大大提高了系统的可靠性与抗干扰能力；由于它简单易行的可编程序功能，无须改变系统的外部硬件接线，便能改变系统的控制要求，使系统的“柔性”大大提高。
二、主要设计功能
海上钻井平台一般设有单独的电站，在生产过程中如果主站因为故障突然停电，没有备用的电源继续供电，很可能造成事故。在应急情况下，应急电站应至少有能力向以下设备供电：
1、无线电通讯及航行信号灯设备。
2、重要区域照明，如逃生通道、中控室、无线电室等。
3、火灾及有毒气体报警装置。
4、井口防喷装置。
5、应急消防泵和舱底泵。
应急电站原动机一般采用一台独立冷却和供油系统的柴油机，并设有自启动装置，保证在主站失电后0-45秒内启动，应急电网通常为主电网的一部分，在正常情况下，这些用电设备由总配电板供电，只是在应急情况下由应急发电机组供电，因此在应急配电板上的应急发电机主开关与主开关向应急配电板供电的开关之间设有电气联锁，以保证安全。胜利七号平台配电系统见图1：
在正常电供电情况下， K13闭合使应急负载和应急照明线路作为正常线路的一部分正常工作，在正常电失电情况下，KT1-KT4、K13闸刀跳开，应急发电机EG启动后KE闭合向应急负载和应急照明送电。应急发电机组作为一个平台应急电源，应具备以下基本要求：
1、自动启动
当正常供电出现故障(断电)时，机组能自动启动、自动升速、自动合闸，向应急负载供电。
2、自动停机
当正常供电恢复，经判断正常后，控制切换开关，完成应急电到正常电的自动切换、然后控制机组降速到怠速、停机。
3、自动保护
机组在运行过程中，如果出现油压过低（小于0.3MP）、冷却水温过高（大于95度）、电压异常故障，则紧急停机，同时发出声光报警信号，如果出现水温高（大于90度）、油温高等故障。则发出声光报警信号，提醒维护人员进行干预。
4、三次启动功能
机组有三次启动功能，若第一次启动不成功，经10秒延时后再次启动，若第二次启动不成功，则延时后进行第三次启动。三次启动中只要有一次成功，就按预先设置的程序往下运行；若连续三次启动均不成功，则视为启动失败，发出声光报警信号（也可以同时控制另一台机组起动）。
5、自动维持准启动状态
机组能自动维持准启动状态。此时，机组的自动周期性预供油系统、油和水的自动加温系统、蓄电池的自动充电装置投入
工作。
6、具备手动、自动两种操作模式。
三、控制系统的硬件设计
我国建造的海上石油装备，应急电源多采用135系列的柴油机组，下面就以此为例用PLC实现对柴油机自启动的控制。
电路设计见图2所示：
2、电路分析
设计说明：控制面板上有“手动/自动”选择旋钮， “停机/怠速/额定转速”选择旋钮、“启动”、“合闸”、“分闸”按钮，电机A带动凸轮开关ZK转动有3个位置ABC，分别对应停机/怠速/额定转速3个位置，也就是油门的3个位置。速度继电器、电压检测、水温、油压都是外部开关信号。
原始状态：柴油机油门杆控制电机处于“停机”状态，凸轮开关A闭合，B、C均断开。
一次启动过程：正常电失电后，经5秒确认，油门控制器动作，电机A正转将油门拉到“低速”位置，同时凸轮开关ZK动作使A断开，B闭合，电机B启动4秒钟，如柴油机发火运行，在速度上升到600-700转时传感器动作，电机A再次动作将油门拉到“全速”这时凸轮B、A断开，C、闭合，发电机开始发电，电压正常后合上主开关KE向负载供电。
三次启动过程：若一次启动未成功，则速度继电器仍处在原位，由PLC内部的定时器来进行控制进行再次启动，以10秒作为一个周期，三次启动时间约30秒，32秒后输出报警，
启动失败及柴油机组停机：启动失败后，系统进程50秒后，控制电机A反转，把油门拉回到“停机”位置，当正常电恢复时电机A反转，将油门拉回“停机”位置，柴油机缺油熄火。
3、根据所需的输入/输出点数选择PLC机型
根据自动化机组的控制要求，所需PLC的输入点数为14个，输出点数为6个。系统的控制量基本上是开关量，只有电压和转速是模拟量，为了降低成本，可以通过检测电路把模拟量转换成开关量、如电压监测可以用电压保护器代替。这样可以选用不带模拟量输入的PLC。本系统选用西门子 S7-200小型可编程序控制器，可靠性高，体积小，输入点数为14个，输出点数为10个。电源、输入、输出电压均为24VDC。
4、分配PLC输入输出
根据自动化机组的控制要求和电气原理图，PLC输入、输出信号分配表见表1。
表1输入/输出分配表
四、软件设计
根据以上的分析画出流程图如图3根据自动化机组的控制流程和输入、输出分配表，画出一次启动成功时序图如下图：
根据以上分析编制出PLC控制的梯形图（采用SIEMENS STEP7-MICRO/WIN32绘制）如图所示：
五、结论
采用PLC控制的自动化柴油发电机组，硬件简单，技术经济指标好，经过在不同机组上使用，可靠性高，程序稍作修改，就可以满足用户不同的控制要求。
参考文献：
1.《海洋石油电气 》
2.《嘉华PLC使用说明》
3.《西门子PLC使用手册》
4.《PLC编程手册》
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