基于現(xiàn)場總線WWT型PLC水輪機微機調(diào)速器的設(shè)計

一、WWT微機調(diào)速器的數(shù)學(xué)模型

1.1控制規(guī)律的選擇

水輪機調(diào)節(jié)設(shè)備是通過調(diào)節(jié)導(dǎo)水機構(gòu)的開度來調(diào)節(jié)水輪機的流量及其流態(tài)的，這種調(diào)節(jié)需很大的推力，所以調(diào)速器的執(zhí)行機構(gòu)采用一級放大或二級放大的油壓裝置，從而利用其推力推動接力器來實現(xiàn)。

從自動控制原理的角度上講，控制水輪機流量存在著水輪慣性，對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定和響應(yīng)特性帶來不利影響，水輪調(diào)速系統(tǒng)是一個復(fù)雜的、多變的、非線性的控制系統(tǒng)。

1.2 WWT型PLC微機調(diào)速器的控制過程

水輪機調(diào)速器由測量元件、放大校正元件、給定元件、執(zhí)行機構(gòu)、反饋元件等組成，發(fā)電機組作為構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。它的控制過程是測量元件把機組轉(zhuǎn)速n(頻率)或其他被調(diào)參數(shù)測量出來，與給定信號和反饋信號綜合后，經(jīng)放大校正元件去控制水輪機組，同時反饋元件又把導(dǎo)葉開度變化的信號返回給加法器。

1.3 PID調(diào)節(jié)的控制算法

上面說到水輪調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)，因此選擇合適的控制規(guī)律是一個號的控制系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一。在設(shè)計WWT型微機調(diào)速器時我們選擇了PID調(diào)節(jié)規(guī)律，它的結(jié)構(gòu)簡單，并且提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

PID控制規(guī)律在實際中是由PLC的 軟件程序來實現(xiàn)的，PID的輸入為測量的頻差，其運算結(jié)果YPID為對應(yīng)的導(dǎo)葉開度Y的數(shù)字量，YPID送入交流伺服電機驅(qū)動器，以控制電機的運轉(zhuǎn)位置，電機的轉(zhuǎn)動位置通過電液轉(zhuǎn)換器對應(yīng)導(dǎo)葉接力器的開到對應(yīng)的開度Y。

為實現(xiàn)有差調(diào)節(jié)，調(diào)差的反饋信號可取自位置環(huán)控制式PID運算結(jié)果，并與 功率給定信號的數(shù)字調(diào)節(jié)量相減，然后經(jīng)Bp后與頻差信號綜合，改綜合信號送入PID調(diào)節(jié)通道。

PID微機調(diào)節(jié)器的控制算法為：

將上式進行拉氏變換得：

式中負號表示正的頻差對應(yīng)負的接力器的開度。

式中是PID調(diào)節(jié)的時間連續(xù)的傳遞函數(shù)表達式;若用PLC程序?qū)崿F(xiàn)則必須進行離散計算。

將式中的比例、積分、微分單獨的表達式寫出來：

用PLC程序來實現(xiàn)則必須進行PID調(diào)節(jié)計算，而采樣周期t式離散計算過程中極為重要的量。WWT型微機調(diào)速器是以種借助程序?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)和控制功能的數(shù)字電子裝置，它是以巡回掃描的或定時處理的原理工作的。PLC完整的執(zhí)行一次可編程器系統(tǒng)、用戶程序所占用的 時間為采樣周期。

二、WWT微機調(diào)速器的數(shù)學(xué)控制方案的設(shè)計

2.1 WWT型PLC微機調(diào)速器系統(tǒng)原理

由交流伺服電機(位置環(huán))及滾珠螺旋自動復(fù)中裝置構(gòu)成電液轉(zhuǎn)換器，由定位環(huán)控制PLC微機調(diào)節(jié)器的定位模塊，根據(jù)PID調(diào)節(jié)器輸出YPID與主接力器反饋(通道3-1)yf的差值，向交流伺服電機驅(qū)動器送出與此差值成比例的有方向的定位信號N，交流伺服電機同軸的旋轉(zhuǎn)編碼器將實際轉(zhuǎn)角(位移)y1以脈沖數(shù)的形式Nf送回驅(qū)動器，從而形成了以Ty1(交流伺服機構(gòu)反應(yīng)時間常數(shù))為特征參數(shù)的小閉環(huán)。在調(diào)速器穩(wěn)定狀態(tài)(靜態(tài))，y1使主配壓閥處于中間平衡位置。

YPID至y的傳遞函數(shù)為：

由于交流伺服電機具有很高的頻率響應(yīng)特性，其反應(yīng)時間常數(shù)可以忽略(取Ty1=0)不計，上式傳遞函數(shù)簡化為

2.2 PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在調(diào)速器電氣部分的控制核心的PLC系統(tǒng)包括CPU模塊，數(shù)字量輸入模塊，數(shù)字量輸出模塊，模擬量輸入模塊，定位模塊、觸摸屏等。PLC系統(tǒng)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，進行PID運算及狀態(tài)控制，輸出控制信號。

PLC調(diào)節(jié)器采集現(xiàn)場信息，對信息進行分析、運算得出控制信號，再以一定的方式實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的控制。PLC調(diào)節(jié)器的主要功能如下：

(1)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集功能

以足夠的精度及滿足要求的采樣時間采集現(xiàn)場模擬量信號，如：機組頻率值、電網(wǎng)頻率值、導(dǎo)葉開度反饋、槳葉角度反饋、實際功率反饋、機組水頭信號等，為保證控制精度及調(diào)速器的速動性，模擬量采集的精度及采樣周期必須達到一定要求，我們研制的PLC調(diào)節(jié)器頻率信號測量精度為<0.002Hz，其它模擬量的測量精度為12位，足以滿足國標中轉(zhuǎn)速死區(qū)<0.02%的要求;采樣周期為80µs，足以滿足國標中不動時間<0.2s的要求;

以足夠的刷新時間及可靠性采集現(xiàn)場開關(guān)量信號，如：開機令、停機令、油開關(guān)信號、調(diào)相信號、控制室操作指令、現(xiàn)地操作指令等。由于PLC是專為工業(yè)現(xiàn)場控制而設(shè)計的CPU，在開關(guān)量采集方面極其方便、可靠，具有光電隔離，自動防抖功能，刷新時間約為30 μs。

(2)自動調(diào)節(jié)與控制功能

頻率調(diào)節(jié)與頻率跟蹤：在頻率調(diào)節(jié)模式下運行時，實現(xiàn)機組頻率的調(diào)整。在空載工況下，可實現(xiàn)對電網(wǎng)頻率的跟蹤和相位的控制，能實現(xiàn)快速并網(wǎng);

開度調(diào)節(jié)與水位控制：在開度調(diào)節(jié)模式下運行時，可實現(xiàn)按水位控制機組出力，即根據(jù)上游水位控制機組出力并保持在某恒定值下運行;

功率調(diào)節(jié)與功率模式：在功率調(diào)節(jié)模式下運行時，將接入機組輸出功率反饋信號，機組將根據(jù)負荷給定值調(diào)整出力;

三、 PLC微機調(diào)速器控制設(shè)備的選型

3.1可編程控制器

3.1.1 PLC主模塊FX2N-64MT(32點輸入，32點輸出)

FX2N-64MT是由電源、CPU、存儲器和數(shù)字量輸入/輸出器件組成的單元型可編程控制器;由交流220V電源供電，模塊還提供內(nèi)裝DC24V電源作為輸入傳感器的輔助電源。它帶有通訊模塊FX2N-485-BD，傳送規(guī)格為RS485/RS422，能與上位機通訊。

3.1.2模擬量輸入模塊FX2N-4AD

FX2N-4AD是由四通道的模擬量輸入模塊，用于導(dǎo)葉開度、漿葉開度、水頭位置和功率四個模擬量的輸入。此次畢業(yè)設(shè)計PLC調(diào)速器用到導(dǎo)葉開度和水頭位置兩個模擬量輸入通道。且本次設(shè)計采用電壓輸入，輸入范圍為-10V～+10V(輸入電阻為200VKΩ)。數(shù)字輸出為帶符號的12位二進制,范圍為-2048～+2047,+2047以上固定為+2047,-2048以下固定為-2048。分辨率為5mV(即10Vx1/2000)。綜合精度±1%(相對于最大值)。轉(zhuǎn)換速度15mSx(1-2)通道。隔離方式采用光電隔離和采用DC/DC轉(zhuǎn)換器使輸入和PLC電源間隔離(各輸入端子間不隔離)。模擬量用DC24V±10%，55mA，輸入輸出占有點數(shù)程序上為8點(計輸入或輸出點均可)由PLC供電的消耗功率為5V30mA。

3.1.3定位模塊FX2N-1PG

本次設(shè)計采用FX2N-1PG為脈沖輸出模塊，用作對交流伺服電機的控制，通過FX2N的FROM/TO指令設(shè)定定位目標，運轉(zhuǎn)速度和各種參數(shù)。

本次設(shè)計FX2N-1PG電源由穩(wěn)壓電源提供DC5V，電源正端接止VIN端子;電源負端接止COM0端子，此端子亦為脈沖輸出公共端。此設(shè)計FX2N-1PG的FP端子為正轉(zhuǎn)脈沖輸出端，RP端子為反轉(zhuǎn)脈沖輸出端，其脈沖信號輸出止電機驅(qū)動器，從而控制電機工作。

3.2觸摸式圖形顯示操作終端

設(shè)計采用日本三菱電機公司觸摸式圖形顯示操作終端F970GOT—SWD—C更加簡捷、準確、方便地實現(xiàn)對PLC微機調(diào)速器監(jiān)視和操作，進一步提高PLC微機調(diào)速器人機交互界面水平。

F970GOT—SWD—C真彩觸摸屏安裝在電氣部分操作面板上，其含有預(yù)置的系統(tǒng)畫面。其操作畫面可自由切換，除顯示英文、漢字外，還能顯示直線、圓、四邊形等簡單圖形。

F970GOT—SWD—C真彩觸摸屏有三個通訊端口，本次設(shè)計采用其兩個RS422和RS232C。RS232C與上位計算機連接選用FX-232CAB-1型電纜，它的兩端均為D形9孔插座;RS422與可編程控制器連接其選用FX-50DU-CABO型電纜，它的一頭為D形9針插頭(與圖形顯示操作終端連接)，一頭為MINI-DIN型8針插頭(與FX2N基本單元編程連接器連接)。

3.3交流伺服電機及驅(qū)動器

本次設(shè)計調(diào)速器交流伺服電機采用日本松下MINAS A系列的MSMD082P1 750W全數(shù)字交流伺服電機。其驅(qū)動器采用型號為MCDDT3520的C型單相/三相200V的驅(qū)動器。

本次設(shè)計驅(qū)動器與交流伺服電機采用串行通訊。交流伺服電機軸上旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)角反饋信號由兩根信號線送至驅(qū)動器。其主回路控制回路交流伺服電機的1、2、3和4號端子分別接至驅(qū)動器的U、V、W和外殼接地端。這樣，驅(qū)動器將從FX2N-1PG輸入的正/反轉(zhuǎn)脈沖信號經(jīng)內(nèi)部模塊處理為控制信號通過U、V、W三相來控制電機正/反轉(zhuǎn)到指定位置。驅(qū)動器內(nèi)部采用四倍頻技術(shù)，其脈沖當量為360°/10000=0.36°。

四、 PLC微機調(diào)速器的運行狀態(tài)和調(diào)節(jié)模式

4.1 PLC微機調(diào)速器的運行狀態(tài)

1、調(diào)速器的運行狀態(tài)如下:

(1) 停機等待 (2) 開機 (3) 空載 (4) 負載 (5) 甩負荷 (6) 調(diào)相

2、調(diào)速器運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換見圖5.1.1

(1)PLC微機調(diào)速器處于非負載狀態(tài)(包括：空載、甩負荷、停機過程、開機過程等)下，均工作與頻率調(diào)節(jié)模式(FM)。

(2)PLC微機調(diào)速器第一次進入負載狀態(tài)(例如，機組油開關(guān)投入，并入電網(wǎng)運行)時，調(diào)速器強制切換至功率調(diào)節(jié)模式(PM)一次。

4.2 PLC微機調(diào)速器的調(diào)節(jié)模式

1、節(jié)模式可工作于“模式自動”和“模式手動”(從面板上的開關(guān)選擇)兩種方式。在“模式自動”方式下，調(diào)節(jié)模式主要由調(diào)速器的工作狀態(tài)及模式約束條件來決定;在“模式手動”方式下，對于負載工作狀態(tài)，可操作面板上的“回車”鍵，使其在3種模式間循環(huán)切換，它們也必須受調(diào)節(jié)模式約束條件的控制。

2、調(diào)節(jié)模式約束條件為：

(1)、功率調(diào)節(jié)模式(PM)的功率偏差約束條件。當PLC微機調(diào)速器的功率給定值PC與機組實際功率PG之差的絕對值大于某一事先給定的功率偏差△P0(一般取為額定功率的5%)時，即認為“功率超差”。當連續(xù)超差次數(shù)大于事先給定值(取800次，若采樣周期τ=0.02S，即持續(xù)時間為16S)時，調(diào)速器就認為出現(xiàn)機組傳感器故障，并自動切換至開度調(diào)節(jié)模式(YM)運行。

(2)、功率調(diào)節(jié)模式(PM)或開度調(diào)節(jié)模式(YM)的頻率偏差約束條件。當PLC微機調(diào)速器的機組頻率fg超差(一般取fg≤49.5HZ及fg≥50.5HZ)時，頻率超差計數(shù)Cf加1。當連續(xù)超差次數(shù)大于給定值時，調(diào)速器將自動切換到頻率調(diào)節(jié)模式(FM)運行。

3、編制程序中，按各種模式下的參數(shù)跟蹤程序，以保證PLC微機調(diào)速器在3種調(diào)節(jié)模式之間切換時，實現(xiàn)平滑無擾動的轉(zhuǎn)換過程。

五、 調(diào)試和在線實驗仿真

WWT型微機調(diào)速器設(shè)計完成并接好電氣柜后，在通電前要進行對開度表、平衡表、電氣接線的檢查和絕緣實驗、交直流回路檢查、柜內(nèi)電源檢查。

通電后，要對開關(guān)電源的輸出電壓、交直流切換板等進行測量檢查;然后在觸摸屏對內(nèi)部參數(shù)、運行參數(shù)進行設(shè)置。還要對字調(diào)理板上對反饋信號進行調(diào)節(jié)。

接著進行模擬實驗，包括模擬開機、模擬并網(wǎng)、模擬甩負荷、模擬停機、模擬頻率信號消失、模擬導(dǎo)葉反饋斷線、導(dǎo)葉手/自動切換、導(dǎo)葉電手動開機實驗、電源切換實驗。

六、結(jié)束語

微機控制的水輪調(diào)速器已普遍用于水力發(fā)電站，其可靠性和調(diào)節(jié)品質(zhì)已經(jīng)達到了電廠實現(xiàn)無人值班、少人職守的要求。為以后的自動發(fā)電控制打下了基礎(chǔ)。

參考文獻

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附錄：調(diào)速器的電氣元器件表( WWST-80-4.0“四無”型可編程微機調(diào)速器)