SIEMENS PLC在平臺應(yīng)急發(fā)電機組中的應(yīng)用

[摘要]本文通過對平臺供電電網(wǎng)以及對應(yīng)急發(fā)電機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，提出了詳細的設(shè)計思路和方案，最后并給出了具體設(shè)計梯形圖以供參考。
[關(guān)鍵詞]PLC、應(yīng)急發(fā)電機、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)計周期長，費用高；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載，增加了系統(tǒng)的干擾，同時PCB的多焊接點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，綜合了計算機技術(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，近年來在工業(yè)自動控制、機電一體化、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)電機組用PLC控制有很多優(yōu)點，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)計功能
　　海上鉆井平臺一般設(shè)有單獨的電站，在生產(chǎn)過程中如果主站因為故障突然停電，沒有備用的電源繼續(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)急電站原動機一般采用一臺獨立冷卻和供油系統(tǒng)的柴油機，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)電機組供電，因此在應(yīng)急配電板上的應(yīng)急發(fā)電機主開關(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EG啟動后KE閉合向應(yīng)急負載和應(yīng)急照明送電。應(yīng)急發(fā)電機組作為一個平臺應(yīng)急電源，應(yīng)具備以下基本要求：
1、自動啟動
　　當正常供電出現(xiàn)故障(斷電)時，機組能自動啟動、自動升速、自動合閘，向應(yīng)急負載供電。
2、自動停機
　　當正常供電恢復(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、然后控制機組降速到怠速、停機。
3、自動保護
　　機組在運行過程中，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，同時發(fā)出聲光報警信號，如果出現(xiàn)水溫高（大于90度）、油溫高等故障。則發(fā)出聲光報警信號，提醒維護人員進行干預(yù)。
4、三次啟動功能
　　機組有三次啟動功能，若第一次啟動不成功，經(jīng)10秒延時后再次啟動，若第二次啟動不成功，則延時后進行第三次啟動。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)出聲光報警信號（也可以同時控制另一臺機組起動）。
5、自動維持準啟動狀態(tài)
　　機組能自動維持準啟動狀態(tài)。此時，機組的自動周期性預(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
　　我國建造的海上石油裝備，應(yīng)急電源多采用135系列的柴油機組，下面就以此為例用PLC實現(xiàn)對柴油機自啟動的控制。
電路設(shè)計見圖2所示：



2、電路分析
　　設(shè)計說明：控制面板上有“手動/自動”選擇旋鈕， “停機/怠速/額定轉(zhuǎn)速”選擇旋鈕、“啟動”、“合閘”、“分閘”按鈕，電機A帶動凸輪開關(guān)ZK轉(zhuǎn)動有3個位置ABC，分別對應(yīng)停機/怠速/額定轉(zhuǎn)速3個位置，也就是油門的3個位置。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)：柴油機油門桿控制電機處于“停機”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，油門控制器動作，電機A正轉(zhuǎn)將油門拉到“低速”位置，同時凸輪開關(guān)ZK動作使A斷開，B閉合，電機B啟動4秒鐘，如柴油機發(fā)火運行，在速度上升到600-700轉(zhuǎn)時傳感器動作，電機A再次動作將油門拉到“全速”這時凸輪B、A斷開，C、閉合，發(fā)電機開始發(fā)電，電壓正常后合上主開關(guān)KE向負載供電。
　　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)部的定時器來進行控制進行再次啟動，以10秒作為一個周期，三次啟動時間約30秒，32秒后輸出報警，
啟動失敗及柴油機組停機：啟動失敗后，系統(tǒng)進程50秒后，控制電機A反轉(zhuǎn)，把油門拉回到“停機”位置，當正常電恢復(fù)時電機A反轉(zhuǎn)，將油門拉回“停機”位置，柴油機缺油熄火。

3、根據(jù)所需的輸入/輸出點數(shù)選擇PLC機型
　　根據(jù)自動化機組的控制要求，所需PLC的輸入點數(shù)為14個，輸出點數(shù)為6個。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，輸入點數(shù)為14個，輸出點數(shù)為10個。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
　　根據(jù)以上的分析畫出流程圖如圖3根據(jù)自動化機組的控制流程和輸入、輸出分配表，畫出一次啟動成功時序圖如下圖：


　　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)電機組，硬件簡單，技術(shù)經(jīng)濟指標好，經(jīng)過在不同機組上使用，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：
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》