SIEMENS PLC在平臺應(yīng)急發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用
2004/11/30 18:26:00
[摘要]本文通過對平臺供電電網(wǎng)以及對應(yīng)急發(fā)電機(jī)組自啟動要求的分析，結(jié)合平臺裝備現(xiàn)狀、配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，利用PLC（可編程控制器）改造現(xiàn)有設(shè)備的優(yōu)勢，提出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)思路和方案，最后并給出了具體設(shè)計(jì)梯形圖以供參考。
[關(guān)鍵詞]PLC、應(yīng)急發(fā)電機(jī)、應(yīng)急電網(wǎng)、自啟動、梯形圖、PLC編程
一、引言
自1959年世界上第一片IC誕生后，微電子技術(shù)有了高速的發(fā)展，集成電路、印制電路板、可編程控邏輯器件等技術(shù)逐漸應(yīng)用于智能儀器和自動化控制。由于集成電路（IC）的系統(tǒng)芯片種類繁多，體積大，設(shè)計(jì)周期長，費(fèi)用高；印制電路板（PCB）上元件之間連線的交叉、重疊，不僅工藝復(fù)雜，又導(dǎo)致電連線的分布電容增大，加大了對前級電路的負(fù)載，增加了系統(tǒng)的干擾，同時(shí)PCB的多焊接點(diǎn)和雙面布線的連接孔又導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性下降；而可編程控制器（PLC）是以微處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)而發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用、易于編程、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，近年來在工業(yè)自動控制、機(jī)電一體化、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。
應(yīng)急發(fā)電機(jī)組用PLC控制有很多優(yōu)點(diǎn)，它主要通過軟件控制，從而省去了硬件開發(fā)工作，外圍電路很少，大大提高了系統(tǒng)的可靠性與抗干擾能力；由于它簡單易行的可編程序功能，無須改變系統(tǒng)的外部硬件接線，便能改變系統(tǒng)的控制要求，使系統(tǒng)的“柔性”大大提高。
二、主要設(shè)計(jì)功能
海上鉆井平臺一般設(shè)有單獨(dú)的電站，在生產(chǎn)過程中如果主站因?yàn)楣收贤蝗煌ｋ姡瑳]有備用的電源繼續(xù)供電，很可能造成事故。在應(yīng)急情況下，應(yīng)急電站應(yīng)至少有能力向以下設(shè)備供電：
1、無線電通訊及航行信號燈設(shè)備。
2、重要區(qū)域照明，如逃生通道、中控室、無線電室等。
3、火災(zāi)及有毒氣體報(bào)警裝置。
4、井口防噴裝置。
5、應(yīng)急消防泵和艙底泵。
應(yīng)急電站原動機(jī)一般采用一臺獨(dú)立冷卻和供油系統(tǒng)的柴油機(jī)，并設(shè)有自啟動裝置，保證在主站失電后0-45秒內(nèi)啟動，應(yīng)急電網(wǎng)通常為主電網(wǎng)的一部分，在正常情況下，這些用電設(shè)備由總配電板供電，只是在應(yīng)急情況下由應(yīng)急發(fā)電機(jī)組供電，因此在應(yīng)急配電板上的應(yīng)急發(fā)電機(jī)主開關(guān)與主開關(guān)向應(yīng)急配電板供電的開關(guān)之間設(shè)有電氣聯(lián)鎖，以保證安全。勝利七號平臺配電系統(tǒng)見圖1：
在正常電供電情況下， K13閉合使應(yīng)急負(fù)載和應(yīng)急照明線路作為正常線路的一部分正常工作，在正常電失電情況下，KT1-KT4、K13閘刀跳開，應(yīng)急發(fā)電機(jī)EG啟動后KE閉合向應(yīng)急負(fù)載和應(yīng)急照明送電。應(yīng)急發(fā)電機(jī)組作為一個(gè)平臺應(yīng)急電源，應(yīng)具備以下基本要求：
1、自動啟動
當(dāng)正常供電出現(xiàn)故障(斷電)時(shí)，機(jī)組能自動啟動、自動升速、自動合閘，向應(yīng)急負(fù)載供電。
2、自動停機(jī)
當(dāng)正常供電恢復(fù)，經(jīng)判斷正常后，控制切換開關(guān)，完成應(yīng)急電到正常電的自動切換、然后控制機(jī)組降速到怠速、停機(jī)。
3、自動保護(hù)
機(jī)組在運(yùn)行過程中，如果出現(xiàn)油壓過低（小于0.3MP）、冷卻水溫過高（大于95度）、電壓異常故障，則緊急停機(jī)，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號，如果出現(xiàn)水溫高（大于90度）、油溫高等故障。則發(fā)出聲光報(bào)警信號，提醒維護(hù)人員進(jìn)行干預(yù)。
4、三次啟動功能
機(jī)組有三次啟動功能，若第一次啟動不成功，經(jīng)10秒延時(shí)后再次啟動，若第二次啟動不成功，則延時(shí)后進(jìn)行第三次啟動。三次啟動中只要有一次成功，就按預(yù)先設(shè)置的程序往下運(yùn)行；若連續(xù)三次啟動均不成功，則視為啟動失敗，發(fā)出聲光報(bào)警信號（也可以同時(shí)控制另一臺機(jī)組起動）。
5、自動維持準(zhǔn)啟動狀態(tài)
機(jī)組能自動維持準(zhǔn)啟動狀態(tài)。此時(shí)，機(jī)組的自動周期性預(yù)供油系統(tǒng)、油和水的自動加溫系統(tǒng)、蓄電池的自動充電裝置投入
工作。
6、具備手動、自動兩種操作模式。
三、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
我國建造的海上石油裝備，應(yīng)急電源多采用135系列的柴油機(jī)組，下面就以此為例用PLC實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)自啟動的控制。
電路設(shè)計(jì)見圖2所示：
2、電路分析
設(shè)計(jì)說明：控制面板上有“手動/自動”選擇旋鈕， “停機(jī)/怠速/額定轉(zhuǎn)速”選擇旋鈕、“啟動”、“合閘”、“分閘”按鈕，電機(jī)A帶動凸輪開關(guān)ZK轉(zhuǎn)動有3個(gè)位置ABC，分別對應(yīng)停機(jī)/怠速/額定轉(zhuǎn)速3個(gè)位置，也就是油門的3個(gè)位置。速度繼電器、電壓檢測、水溫、油壓都是外部開關(guān)信號。
原始狀態(tài)：柴油機(jī)油門桿控制電機(jī)處于“停機(jī)”狀態(tài)，凸輪開關(guān)A閉合，B、C均斷開。
一次啟動過程：正常電失電后，經(jīng)5秒確認(rèn)，油門控制器動作，電機(jī)A正轉(zhuǎn)將油門拉到“低速”位置，同時(shí)凸輪開關(guān)ZK動作使A斷開，B閉合，電機(jī)B啟動4秒鐘，如柴油機(jī)發(fā)火運(yùn)行，在速度上升到600-700轉(zhuǎn)時(shí)傳感器動作，電機(jī)A再次動作將油門拉到“全速”這時(shí)凸輪B、A斷開，C、閉合，發(fā)電機(jī)開始發(fā)電，電壓正常后合上主開關(guān)KE向負(fù)載供電。
三次啟動過程：若一次啟動未成功，則速度繼電器仍處在原位，由PLC內(nèi)部的定時(shí)器來進(jìn)行控制進(jìn)行再次啟動，以10秒作為一個(gè)周期，三次啟動時(shí)間約30秒，32秒后輸出報(bào)警，
啟動失敗及柴油機(jī)組停機(jī)：啟動失敗后，系統(tǒng)進(jìn)程50秒后，控制電機(jī)A反轉(zhuǎn)，把油門拉回到“停機(jī)”位置，當(dāng)正常電恢復(fù)時(shí)電機(jī)A反轉(zhuǎn)，將油門拉回“停機(jī)”位置，柴油機(jī)缺油熄火。
3、根據(jù)所需的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)選擇PLC機(jī)型
根據(jù)自動化機(jī)組的控制要求，所需PLC的輸入點(diǎn)數(shù)為14個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)為6個(gè)。系統(tǒng)的控制量基本上是開關(guān)量，只有電壓和轉(zhuǎn)速是模擬量，為了降低成本，可以通過檢測電路把模擬量轉(zhuǎn)換成開關(guān)量、如電壓監(jiān)測可以用電壓保護(hù)器代替。這樣可以選用不帶模擬量輸入的PLC。本系統(tǒng)選用西門子 S7-200小型可編程序控制器，可靠性高，體積小，輸入點(diǎn)數(shù)為14個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)為10個(gè)。電源、輸入、輸出電壓均為24VDC。
4、分配PLC輸入輸出
根據(jù)自動化機(jī)組的控制要求和電氣原理圖，PLC輸入、輸出信號分配表見表1。
表1輸入/輸出分配表
四、軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)以上的分析畫出流程圖如圖3根據(jù)自動化機(jī)組的控制流程和輸入、輸出分配表，畫出一次啟動成功時(shí)序圖如下圖：
根據(jù)以上分析編制出PLC控制的梯形圖（采用SIEMENS STEP7-MICRO/WIN32繪制）如圖所示：
五、結(jié)論
采用PLC控制的自動化柴油發(fā)電機(jī)組，硬件簡單，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好，經(jīng)過在不同機(jī)組上使用，可靠性高，程序稍作修改，就可以滿足用戶不同的控制要求。
參考文獻(xiàn)：
1.《海洋石油電氣 》
2.《嘉華PLC使用說明》
3.《西門子PLC使用手冊》
4.《PLC編程手冊》
[關(guān)鍵詞]PLC、應(yīng)急發(fā)電機(jī)、應(yīng)急電網(wǎng)、自啟動、梯形圖、PLC編程
一、引言
自1959年世界上第一片IC誕生后，微電子技術(shù)有了高速的發(fā)展，集成電路、印制電路板、可編程控邏輯器件等技術(shù)逐漸應(yīng)用于智能儀器和自動化控制。由于集成電路（IC）的系統(tǒng)芯片種類繁多，體積大，設(shè)計(jì)周期長，費(fèi)用高；印制電路板（PCB）上元件之間連線的交叉、重疊，不僅工藝復(fù)雜，又導(dǎo)致電連線的分布電容增大，加大了對前級電路的負(fù)載，增加了系統(tǒng)的干擾，同時(shí)PCB的多焊接點(diǎn)和雙面布線的連接孔又導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性下降；而可編程控制器（PLC）是以微處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)而發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用、易于編程、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，近年來在工業(yè)自動控制、機(jī)電一體化、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。
應(yīng)急發(fā)電機(jī)組用PLC控制有很多優(yōu)點(diǎn)，它主要通過軟件控制，從而省去了硬件開發(fā)工作，外圍電路很少，大大提高了系統(tǒng)的可靠性與抗干擾能力；由于它簡單易行的可編程序功能，無須改變系統(tǒng)的外部硬件接線，便能改變系統(tǒng)的控制要求，使系統(tǒng)的“柔性”大大提高。
二、主要設(shè)計(jì)功能
海上鉆井平臺一般設(shè)有單獨(dú)的電站，在生產(chǎn)過程中如果主站因?yàn)楣收贤蝗煌ｋ姡瑳]有備用的電源繼續(xù)供電，很可能造成事故。在應(yīng)急情況下，應(yīng)急電站應(yīng)至少有能力向以下設(shè)備供電：
1、無線電通訊及航行信號燈設(shè)備。
2、重要區(qū)域照明，如逃生通道、中控室、無線電室等。
3、火災(zāi)及有毒氣體報(bào)警裝置。
4、井口防噴裝置。
5、應(yīng)急消防泵和艙底泵。
應(yīng)急電站原動機(jī)一般采用一臺獨(dú)立冷卻和供油系統(tǒng)的柴油機(jī)，并設(shè)有自啟動裝置，保證在主站失電后0-45秒內(nèi)啟動，應(yīng)急電網(wǎng)通常為主電網(wǎng)的一部分，在正常情況下，這些用電設(shè)備由總配電板供電，只是在應(yīng)急情況下由應(yīng)急發(fā)電機(jī)組供電，因此在應(yīng)急配電板上的應(yīng)急發(fā)電機(jī)主開關(guān)與主開關(guān)向應(yīng)急配電板供電的開關(guān)之間設(shè)有電氣聯(lián)鎖，以保證安全。勝利七號平臺配電系統(tǒng)見圖1：
在正常電供電情況下， K13閉合使應(yīng)急負(fù)載和應(yīng)急照明線路作為正常線路的一部分正常工作，在正常電失電情況下，KT1-KT4、K13閘刀跳開，應(yīng)急發(fā)電機(jī)EG啟動后KE閉合向應(yīng)急負(fù)載和應(yīng)急照明送電。應(yīng)急發(fā)電機(jī)組作為一個(gè)平臺應(yīng)急電源，應(yīng)具備以下基本要求：
1、自動啟動
當(dāng)正常供電出現(xiàn)故障(斷電)時(shí)，機(jī)組能自動啟動、自動升速、自動合閘，向應(yīng)急負(fù)載供電。
2、自動停機(jī)
當(dāng)正常供電恢復(fù)，經(jīng)判斷正常后，控制切換開關(guān)，完成應(yīng)急電到正常電的自動切換、然后控制機(jī)組降速到怠速、停機(jī)。
3、自動保護(hù)
機(jī)組在運(yùn)行過程中，如果出現(xiàn)油壓過低（小于0.3MP）、冷卻水溫過高（大于95度）、電壓異常故障，則緊急停機(jī)，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號，如果出現(xiàn)水溫高（大于90度）、油溫高等故障。則發(fā)出聲光報(bào)警信號，提醒維護(hù)人員進(jìn)行干預(yù)。
4、三次啟動功能
機(jī)組有三次啟動功能，若第一次啟動不成功，經(jīng)10秒延時(shí)后再次啟動，若第二次啟動不成功，則延時(shí)后進(jìn)行第三次啟動。三次啟動中只要有一次成功，就按預(yù)先設(shè)置的程序往下運(yùn)行；若連續(xù)三次啟動均不成功，則視為啟動失敗，發(fā)出聲光報(bào)警信號（也可以同時(shí)控制另一臺機(jī)組起動）。
5、自動維持準(zhǔn)啟動狀態(tài)
機(jī)組能自動維持準(zhǔn)啟動狀態(tài)。此時(shí)，機(jī)組的自動周期性預(yù)供油系統(tǒng)、油和水的自動加溫系統(tǒng)、蓄電池的自動充電裝置投入
工作。
6、具備手動、自動兩種操作模式。
三、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
我國建造的海上石油裝備，應(yīng)急電源多采用135系列的柴油機(jī)組，下面就以此為例用PLC實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)自啟動的控制。
電路設(shè)計(jì)見圖2所示：
2、電路分析
設(shè)計(jì)說明：控制面板上有“手動/自動”選擇旋鈕， “停機(jī)/怠速/額定轉(zhuǎn)速”選擇旋鈕、“啟動”、“合閘”、“分閘”按鈕，電機(jī)A帶動凸輪開關(guān)ZK轉(zhuǎn)動有3個(gè)位置ABC，分別對應(yīng)停機(jī)/怠速/額定轉(zhuǎn)速3個(gè)位置，也就是油門的3個(gè)位置。速度繼電器、電壓檢測、水溫、油壓都是外部開關(guān)信號。
原始狀態(tài)：柴油機(jī)油門桿控制電機(jī)處于“停機(jī)”狀態(tài)，凸輪開關(guān)A閉合，B、C均斷開。
一次啟動過程：正常電失電后，經(jīng)5秒確認(rèn)，油門控制器動作，電機(jī)A正轉(zhuǎn)將油門拉到“低速”位置，同時(shí)凸輪開關(guān)ZK動作使A斷開，B閉合，電機(jī)B啟動4秒鐘，如柴油機(jī)發(fā)火運(yùn)行，在速度上升到600-700轉(zhuǎn)時(shí)傳感器動作，電機(jī)A再次動作將油門拉到“全速”這時(shí)凸輪B、A斷開，C、閉合，發(fā)電機(jī)開始發(fā)電，電壓正常后合上主開關(guān)KE向負(fù)載供電。
三次啟動過程：若一次啟動未成功，則速度繼電器仍處在原位，由PLC內(nèi)部的定時(shí)器來進(jìn)行控制進(jìn)行再次啟動，以10秒作為一個(gè)周期，三次啟動時(shí)間約30秒，32秒后輸出報(bào)警，
啟動失敗及柴油機(jī)組停機(jī)：啟動失敗后，系統(tǒng)進(jìn)程50秒后，控制電機(jī)A反轉(zhuǎn)，把油門拉回到“停機(jī)”位置，當(dāng)正常電恢復(fù)時(shí)電機(jī)A反轉(zhuǎn)，將油門拉回“停機(jī)”位置，柴油機(jī)缺油熄火。
3、根據(jù)所需的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)選擇PLC機(jī)型
根據(jù)自動化機(jī)組的控制要求，所需PLC的輸入點(diǎn)數(shù)為14個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)為6個(gè)。系統(tǒng)的控制量基本上是開關(guān)量，只有電壓和轉(zhuǎn)速是模擬量，為了降低成本，可以通過檢測電路把模擬量轉(zhuǎn)換成開關(guān)量、如電壓監(jiān)測可以用電壓保護(hù)器代替。這樣可以選用不帶模擬量輸入的PLC。本系統(tǒng)選用西門子 S7-200小型可編程序控制器，可靠性高，體積小，輸入點(diǎn)數(shù)為14個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)為10個(gè)。電源、輸入、輸出電壓均為24VDC。
4、分配PLC輸入輸出
根據(jù)自動化機(jī)組的控制要求和電氣原理圖，PLC輸入、輸出信號分配表見表1。
表1輸入/輸出分配表
四、軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)以上的分析畫出流程圖如圖3根據(jù)自動化機(jī)組的控制流程和輸入、輸出分配表，畫出一次啟動成功時(shí)序圖如下圖：
根據(jù)以上分析編制出PLC控制的梯形圖（采用SIEMENS STEP7-MICRO/WIN32繪制）如圖所示：
五、結(jié)論
采用PLC控制的自動化柴油發(fā)電機(jī)組，硬件簡單，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好，經(jīng)過在不同機(jī)組上使用，可靠性高，程序稍作修改，就可以滿足用戶不同的控制要求。
參考文獻(xiàn)：
1.《海洋石油電氣 》
2.《嘉華PLC使用說明》
3.《西門子PLC使用手冊》
4.《PLC編程手冊》
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