西门子6GK7243-1EX01-0XE0详细资料
1 引言
某机场采用一个集中的油库给飞机加油车供应油料，由于加油点与油泵站有1000m左右，该油料股希望设计一个自动启动和停止油泵的控制系统，以取代原来人工控制的单片机的恒压供油系统。用户现有两台55kW的油泵，一个油压传感器，四个加油点。要求只要有加油点的油阀打开，油泵必须启动且恒压供油，当加油点的油阀都关闭了，油泵能自动停止。
2 需求分析
加油控制系统的控制对象是两台油泵，由于加油压力要恒定，而加油点的开启和关闭是随机的，要采用变频器来控制和调节油泵，才能达到恒压的目的。现场只一个油压传感器，必须充分利用这个信号。经过实地考察和实验，发现油管路的密闭性良好。采用压力差来控制油泵的启动和停止是可行的。加油点的油阀的流量是一致的，这给设计带来了一些便利。加油点比较分散，仍然可以把四个加油阀看成一个大的加油阀，将大的加油阀分为四级开度，可以对应加油阀的开启个数, 而不必考虑其组合。同样可以两个油泵合为一个考虑。这样我们就可以把一个较复杂的系统简化为一个简单的系统。我们现在可以很容易的给出控制的策略，根据加油阀的四级开度，也将泵的转速分为四级，在油压恒定条件下，使开度与转速一一对应。我们根据开度来控制变频器的速度，即可达到恒压的目的。但现场只一个油压传感器，如何能知道泵的开度呢？其实泵在静态运行时，泵速、油压、流量是恒定的，当开度增加或减少时，流量必然随着增加或减少，在泵速不变的情况下，流量与油压成反比。油压的变化可以由压力传感器反映出来，检测的信号比实际的动作滞后5s左右，但不影响系统的控制，我们可以根据这个变化量来控制泵速的增加或减少以及启动和停止。
3 硬件设计及系统简介
考虑到加油站是机场的重要部门，必须保证系统可靠，我们采用一台变频器带一台泵的设计方案，控制系统采用西门子S7-200系列PLC，型号为CPU224，数量一台;模拟输入输出模块一块，型号为EM235;显示元件为TD200;变频器采用三垦SHF系列变频器。系统控制方式分为自动和手动两种，自动方式用于正常运行情况，而手动方式用于调试和检测器失效情况下使用。油泵的起停按钮只有在手动方式时才有效。手动的调速旋钮R1，R2也是在手动方式时才有效，由K1在选择开关置于手动时接通。Q0.0和Q0.2分别为1#和2#变频器的启动信号, Q0.1和Q0.3为1#和2#变频器全速(50Hz)运行命令。Q0.7和Q1.0为1#和2#变频器的转速调节模拟信号切换。通过开关SW2可以选择那台台变频器优先启动。控制系统运行前，先在TD200文本显示器中设定目标压力值、启动压力值和停机压力值，将SW1置于自动。如果压力传感器检测到管道的压力高于启动压力值时，系统将处于等待状态。直到加油点的阀门打开，管道的压力低于启动压力值时，系统将自动启动一台油泵，变频器按级开度的对应频率运行。如果在预设的时间内，压力未达到设定值，变频器按第二级开度的对应频率运行。依此类推，当所有加油点的阀门全开时，则一台变频器处于全速运行，另一台调速运行。当加油点的阀门关闭时，压力传感器检测到管道压力有上升的趋势，则将变频器的频率按开度级依次降下来。直到变频器的运行频率低于级开度的对应频率或管道的压力高于停机压力值达到预定的时间，则系统停止变频器的运行，处于待机状态。变频器运行在任一开度级频率时，程序会根据压力的误差，模拟人工作一些细微的调整，使管道压力维持恒定。程序流程图如图1所示。
图1 程序流程图
4 结束语
本文详细分析一个实用的PLC系统的设计过程，借鉴了软件工程的一些分析方法，使得设计分析过程清晰，易于理解和编程，这对大型的PLC控制项目的设计分析非常有效。本系统运行两年的情况表明，PLC控制系统比原系统更可靠，压力更稳定，加油时间较原来缩短了5分钟(原来加满一辆油车需30分钟)。
1． 调相压水历史沉淀综述
电力系统的负载主要是感性负载（异步电动机和变压器），它们从电网中吸收感性无功功率，使电网的功率因数降低，线路压降和损耗增大，发电设备的利用率和效率降低。为了提高电力系统的功率因素cosψ和保持电压水平，常常装置调相机（同期补偿器）作为无功功率电源，提供感性无功，调相机通常都是在过励状态下（电流超前电压90°）运行，忽略定子绕组电阻时功角θ=0[01]。水轮发电机作调相机运行时从电力系统中吸取一部分有功功率以补偿其铜耗﹑铁耗和风摩损耗，通常采用压水调相，一般调相容量为(0.6～0.75) (KVA)， 为发电机额定容量。
利用水轮发电机组作同期调相机有许多优点，比装置专门的调相机经济，不需一次投资；运行切换灵活简便，一般调相运行转发电运行只需要十多秒，故承担电力系统的事故备用很灵活。缺点是消耗电能比其它静电容器大，故应设法（如压水调相并自动化）减小调相耗能。
可以承担调相任务的水电机组有三类情况：①枯水期间不能发电且距离负荷中心不远的某些径流式水电站机组；②电力系统负荷低谷期间不用发电的调峰水电机组；③电力系统正常运行期间不用发电的事故备用水电机组。当水轮发电机组作调相机运行时可能的方式分析与对比见表1：
方式二 水轮机转轮与发电机解离。 拆卸和安装工作颇费周折，短期内不能由调相转为发电。 ①类水电机组在通过可行性论证后可以采用；②、③类水电机组不能采用。
方式三 关闭进水口闸门和尾水闸门，抽空尾水管存水。 工况转换时抽水与充水时间都较长，且运行操作复杂。 ①类水电机组可以考虑采用；②、③类水电机组不能采用。
方式四 开启导水叶使水轮机空转，带动发电机作调相机运行。 水轮机在空载工况下效率很低，耗水量大，水轮机磨蚀与空蚀加剧。 ①、②、③类水电机组都不要采用。
方式五 关闭水轮机导水叶，利用压缩空气强制压低转轮室水位，使转轮在空气中旋转。 操作不复杂，调相和发电工况间的相互转换时间十多秒，且能量消耗少，满发无功时约为4% [02]，机组振动小。 ①类水电机组可以考虑采用；是②、③类水电机组都普遍采用的好方式。
利用压缩空气强制排水的方法在工程技术中早有应用，如打捞沉船的浮箱、潜水艇升降器、水下施工沉箱。调相压水的目的是减小阻力、减少电能消耗、减轻机组振动。压缩空气通常是从专用的调相贮气罐中引来，强制压低转轮室中的水位，压缩空气的小压力需等于要求压低的水位与下游水位之差，一般将水位压到尾水管进口边以下（0.5～1.0）D1，设置上限水位时应躲开转轮室“风扇效应”[03]浪涌摆幅0.5D1，设置下限水位时应考虑“封水效应”[03]防止一次性逸气；压水效果优的起始给气流量=转轮出口直径m3×机组额定转速（rpm)×(1-0.1×吸出高值m）/（4000～2000）(m3/s)。
2．调相给气压水系统自动控制要求
如前所述：水轮发电机组作调相运行时，导水叶是全关的，为了减少阻力和电能损耗，必须将水轮机转轮室水位压低，使转轮在空气中旋转。对机组调相压水系统自动化的要求是[04][05][06]：①当机组转为调相运行时，打开主给气阀（考虑与治理抬机[07][08][09]用电动调节补气阀合一）将压缩空气送入转轮室将水位压下，下降至“封水效应”[03]容许的下限水位时，关闭主给气阀；②由于流道逸气、携气，转轮室水位逐渐上升至“风扇效应”[03]容许的上限水位时，又自动开启主给气阀，将水位压低至下限水位；③为避免主给气阀操作过于频繁，在主给气阀处并联一只由电磁配压阀控制的较小的辅助液压给气阀（进气流量略小于逸气流量+携气流量），它在调相过程中一直开启。
3．治理甩负荷抬机新思路重申与控制要求简述
文献[07][08][09]已就此问题较详述，本文仅作两点强调：①传统治理抬机措施存在原理性缺陷，即强迫式真空破坏阀由调速环下斜块速压而动作，阀之出气位置处顶盖下转轮室四周压力较高区，转轮室内进气量很小；自吸式真空破坏阀动作时已形成大真空度，加之水击波[10]在t＝（2×25～2×50）/1000＝0.05～0.1秒后返回，入气位置虽佳但进气量仍极少；两段关闭导水叶法调保兼治抬只能略微减轻不能完全消除转轮室-尾水管段水击[10]，对解决小Kz值（机组转动部分相对重量）[07]的机组抬机几乎无效[11]。②注意到转轮室-尾水管段“短粗弯管”也发生水击是水轮机组甩负荷抬机的根源，我们应在甩负荷发生瞬间立即不延时自动向转轮室中心压力较低区域充入与由于快速关导叶造成过水流量减小值近似相等的压缩空气流量（换算到转轮室压力状态下），以时刻维持转轮室压强和甩负荷前稳定流状态一致，希冀状态空间[12]（又称相空间）不变。
4．调相给气压水系统与治理抬机[07][08][09]相结合时自动化元器件配置、I/O统计、PLC及扩展模块选择、内存地址分配
为满足上述自动控制要求，①转轮室水位由电极式水位信号器DSX反映，信号提供给PLC；②主给气阀为电动调节进气阀，该阀位于压缩空气供气总管与水轮机顶盖近中心区域入气口之间的供气支管上，管径d=max{30[贮气罐容积m3/(0.5～2)]1/2mm，33[水轮机大过流量m3/s]1/2mm }，由PLC控制；③辅给气阀为液压阀YF，由带ZT电磁铁的配压阀DP控制，DP又受控于PLC；④为防治甩负荷抬机需监测监控转轮室压强，在水轮机顶盖过流面直径为(D1＋Dz)／2的分布圆周上（D1为转轮标称直径；Dz为主轴直径）沿＋X、＋Y、―X、―Y方向分别布置1号、2号、3号、4号四只压力传感器，信号提供给PLC。
这里设计的PLC控制系统，由导叶主令开关提供导叶开度全关信号，需1个开关量输入点；由导叶主令开关提供导叶开度在空载以上，需1个开关量输入点；由断路器辅助触头提供DL状态，需1个开关量输入点；调相时由电极式水位信号器DSX提供上、下限两个水位信号，需2个开关量输入点；四只压力传感器提供转轮室甩负荷时不同方位的压力信号，需4个模拟量输入点；进入调相状态后须给电极式水位信号器投入电源，需1个开关量输出点；主给气阀为电动调节进气阀，需1个开关量输出点控制其工作电源投入与切除、需1个开关量输出点控制立即开闭、还需1个模拟量输出点用于PID调节进气量；辅给气阀之ZT电磁铁不带电工作，开启与关闭需PLC开关量输出点各1个（计2）。总计开关量输入点5个；开关量输出点5个；模拟量输入点4个；模拟量输出点1个。
在微机-PLC-PLC控制系统中设一台SIMATIC S7-222型[13]PLC（8输入／6输出）并带一个EM235型[13]（4路模拟量输入／1路模拟量输出）模拟量扩展模块控制水轮机组相压水系统并与治理抬机相结合成分层分布式计算机监控系统[14]中的一个神经元[15]，PLC型号可和网络中其它PLC一致，如选S7-224型。表2给出输入输出地址及内存变量分配。
表2：PLC输入、输出信号内存变量地址分配表
5． 程序设计[16][17]
5．1 总体思路
控制程序采用分块结构。设子程序SBR0控制机组调相压水系统；子程序SBR1控制机组甩负荷时立即不延时向转轮室补入恰当量气体[08]。主程序OB1分别调用SBR0、SBR1子程序块，对两个不事件分别控制。
5．2 主程序中的具体控制流程
采用子程序调用和甩负荷治抬PID算法中断程序，构建分块结构，在水轮发电机组运行过程中，本小系统主程序只要不间断查询两个子程序的起动条件，并根据起动条件决定是否调用调相压水子程序或治理甩负荷抬机子程序。
5．3 控制算法
应用算法控制甩负荷后向转轮室的进气量，从而控制转轮室状态空间量水位或者压强，调相压水时用的是乒乓策略，甩负荷治抬机时则是PID算法，PID的输出值用来控制主给气阀（电动调节阀）的开通大小。
5．4 控制程序
·OB1·（主程序）
LD SM0.0
A I0.0 //导水叶处于全关位置
A I0.2 //发电机出口断路器处于合闸状态
S M0.0，1 //机组调相运行状态标志置位
S Q0.0，3 //给主给气阀、电极式水位信号器加工作电源；开启主给气阀。
= Q0.3 //开启辅给气阀
CALL SBR_0
LD SM0.0
A I0.1 //导水叶开度位置在空载以上
AN I0.2 //断路器已跳闸
S M0.1，1 //机组甩负荷已发生标志置位
S Q0.0，2 //立即不延时给主给气阀加工作电源并开启主给气阀
= V5000.0 //发送上位机启动机组事故停机指令
CALL SBR_1
LD V5000.1
O V5000.2
R M0.0，1 //机组调相运行状态标志复位
R Q0.1，2 //关闭主给气阀、DSX切除电源
= Q0.4 //关闭辅给气阀
LD Q0.1
TON T37，50 //延时5S
LD T37
R Q0.0，1 //切除主给气阀电源。
LD SM0.0
A V5000.2
R Q0.1，1 //关闭主给气阀。
LD Q0.1
TON T37，50 //延时5S
LD T37
R Q0.0，1 //切除主给气阀电源
R M0.1，1 //机组甩负荷发生标志在停机完成后复位
END
·SBR0·（调相时供气压水子程序）
LDN I0.4 //转轮室水位低于下限值
R Q0.1，1 //关闭主给气阀
LD I0.3 //转轮室水位高于上限值
S Q0.1，1 //开启主给气阀
LD V5000.1 //机组进入发电运行状态
O V5000.2 //机组停机复归
CRET //供气压水子程序有条件返回
·SBR1·（甩负荷时输气治抬机子程序）
LD M0.1
LPS
S Q0.0，1 //电动进气调节阀加上工作电源
LRD
A SM0.1 //扫描置1
S Q0.1，1 //主给气阀立即开至全开
LPP
XORD AC0，AC0 //清空累加器AC0
XORD AC1，AC1 //清空累加器AC1
XORD AC2，AC2 //清空累加器AC2
XORD AC3，AC3 //清空累加器AC3
MOVW AIW6，AC3 //把4号压力传感器信号（模拟量）存入累加器AC3
／I 4，AC3 //取4号压力传感器信号量的1/4
MOVW AIW4，AC2 //把3号压力传感器信号（模拟量）存入累加器AC2
／I 4，AC2 //取3号压力传感器信号量的1/4
MOVW AIW2，AC1 //把2号压力传感器信号（模拟量）存入累加器AC1
／I 4，AC1 //取2号压力传感器信号量的1/4
MOVW AIW0，AC0 //把1号压力传感器信号（模拟量）存入累加器AC0
／I 4，AC0 //取1号压力传感器信号量的1/4
＋I AC1，AC0
＋I AC2，AC0
＋I AC3，AC0
ITD AC0，AC0 //把16位整数转换成32位整数
DTR AC0，AC0 //把32位整数转换成实数
／R 32000.0，AC0 //标准化AC0中的值作为PID运算设定值SPn（0.0～1.0之间）
LD SM0.1
A M0.1
CALL SBR_2 //调用初始化（回路表赋值）子程序
LD V5000.2 //机组停机复归
R Q0.1，1 //主给气阀立即全关
·SBR_2·（初始化/回路表赋值子程序）
LD SM0.0
MOVR AC0，VD104 //装入回路表设定值SPn（0.0～1.0之间）/甩前压强大小值
MOVR Kc，VD112 //装入回路增益Kc（常数）
MOVR 0.004，VD116 //装入采样时间0.004s
MOVR Ti，VD120 //装入积分时间Ti分钟
MOVR Td，VD124 //装入微分时间Td分钟
MOVR 4，SMB34 //设定定时中断0的时间间隔为4ms
ATCH INT_0，10 //设置定时中断以定时执行PID指令
ENI //允许中断
LD V5000.2 //机组停机复归
CRET
·INT_0·（中断程序）
LD SM0.0
XORD AC0，AC0
XORD AC1，AC1
XORD AC2，AC2
XORD AC3，AC3
MOVW AIW6，AC3
／I 4，AC3
MOVW AIW4，AC2
／I 4，AC2
MOVW AIW2，AC1
／I 4，AC1
MOVW AIW0，AC0
／I 4，AC0
＋I AC1，AC0
＋I AC2，AC0
＋I AC3，AC0 //此时AC0中的数值为转轮室顶盖下压强之平均值
ITD AC0，AC0 //把16位整数转换成32位整数
DTR AC0，AC0 //把32位整数转换成实数
／R 32000.0，AC0 //标准化AC0中的值作为PID运算过程变量PVn（0.0~1.0之间）
MOVR AC0，VD100 //将AC0中的值存入回路表VD100
LD M0.1
PID VB100，0 //执行PID指令
LD SM0.0
XORD AC0，AC0 //清空累加器AC0
MOVR VD108，AC0 // 把PID运算输出送到AC0（输出Mn，在0.0~1.0之间）
＊R 32000.0，AC0 //将AC0中的值刻度化
ROUND AC0，AC0 //四舍五入将实数转换成32位整数
DTI AC0，AC0 //将32位整数转换成16位整数
MOVW AC0，AQW0 //将16位整数值写到模拟量输出寄存器，去控制调节阀进气开度
LD V5000.2 //机组停机复归
CRETI //中断返回
5．5 程序编制说明
采用主程序、子程序、中断程序的程序结构形式，起到优化程序结构，减小扫描周期时间的效果。主程序OB1的功能是完成本合成神经元小系统控制，一级子程序SBR0、SBR1的功能是分别完成调相压水控制和甩负荷防治抬机控制；SBR2是一级子程序SBR1下嵌套的二级子程序，其功能是初始化给PID回路表赋值；INT0则是一级子程序SBR1下对甩负荷后向转轮室的进气量进行PID控制。
辅给气阀由不带电工作的ZT电磁铁驱动，故安排Q0.3、Q0.4分别控制开启、关闭；主给气阀是需工作电源的电动调节阀，为防止阀关闭进程中未到全关位置失电，采取关阀启动后延时5S再切除电源；为防止不调相期间向转轮室“乱”给气，程序中在调相结束时切除电极式水位信号器DSX电源；主给气阀在甩负荷治抬机时初始化即开启至全开，以后各扫描周期由PID输出控制其开度；使用AC0、AC1、AC2、AC3时先清零，读入采样数值后取其1/4再累加得到平均值，是为了防止数值溢出；SBR1中使用LPS、LRD、LPP是为了减小扫描时间[20]。
6． 调相压水与治理抬机合成神经元数理分析
我们把神经元U看作一个信息处理单元，神经元U可剖解为输入、处理、输出三块区域[15] 。其输入如同树突接受来自其它神经元的信号；其输出好比由轴突送往其它神经元的信号。信号可以是连续或离散量，可以是确定性量、随机或模糊量。在神经网络拓扑结构中，我们把与输入列（输入端）联接的元叫作层，显然调相压水与治理抬机合成神经元在分层分布式计算机监控系统[14]中属于层。
①当调相压水时，转轮室水位b是输入，而主辅给气阀开度r1、r2是输出，它们间的关系如图1：
r1＝1（when b≥b2∪b2→b1）＆ 0（when b＝b1∪b1→b2）；
r2≡1/a 。
②当甩负荷治理抬机时，进程中转轮室实时压强即过程变量PV是输入，甩负荷发生瞬间之转轮室压强作给定值SP，偏差e=SP-PV，PID控制器管理输出数值，以便使e为零，PID运算输出r(t)是时间的函数，其当前活化值不仅与当前整合输入有关，与以前时刻活化态有关。
r(t)=Kpe+Ki∫t0edt+Kdde/dt+ rinitial
式中Kp 、Ki 、Kd分别为回路比例、积分、微分系数；rinitial为回路输出初始值。
其离散化PID运算模式为：
rn=Kpen+Ki∑el+rinitial+Kd(en－en-1)
式中rn为采样时刻n的PID运算输出值；en 、en-1 、el分别为采样时刻n、n-1、l的PID回路偏差。
比例项是当前采样的函数，积分项是从采样至当前采样的函数，微分项是当前采样及前一采样的函数，CPU处理时储存前一次偏差及前一次积分项，上式简化为：
rn=Kpen+（Kien+rX）+ Kd(en－en-1)
式中rX为积分项前值。
即输出为比例项、积分项、微分项之和，Kp =Kc 、Ki=Kc Ts/Ti 、Ki=Kd Td/Ts。
7． 与展望
上述过程展示了合理继承传统又推陈出新的方法，也就是说，我们从传统和次新技术中去提取、归纳了高新技术下的活化规则，只有这样才能使我们的控制系统性能更优地完成任务，应该坚信：“科学研究方法是人类解决自然界各种实际问题的有力手段”，“善于运用科学方法是至关重要的”[21]。诚望这一神经元得到水力发电生产实践的检验。
我国确定的西部大开发战略，其中很重要的组成部分就是西部水力发电大开发，进而“西电东送”。在不久的将来，会有三峡、溪落渡、白鹤滩等一大批巨型水电站熠耀生辉，鉴于分层分布式网络较易组织和研究[15]，每一个现代水电站都将建设基于可编程控制器的分层分布式计算机监测控制系统，如三峡-葛洲坝整个监控系统分梯级调度层（连国调、CN、PN）、电厂控制层（有3个OS、2个IMS、1个GS、1个模拟屏控制站、2个对厂通信网关、2个桥B与开关站控网连接）和机组控制层（开放式的全冗余分布处理系统，每台机组控制单元由6个部分组成，Field Bus连接几大主要设备）[14]。在这种分层分布式计算机监测控制系统中，设计如[18]、[19]、[20]及本文等的神经元是必不可少的基础，欢迎更多的人来探索。