薛 芹，呂國芳

（河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100）

水電站恒壓技術(shù)供水是水力發(fā)電的輔助設(shè)備之一，其作用是向水輪發(fā)電機組提供冷卻、潤滑水，保證水輪發(fā)電機組安全、高效的運行。水輪機組在發(fā)電過程中會產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量如果不能及時散發(fā)出去，不僅會降低發(fā)電機組的效率和出力，而且還會因局部過熱，影響使用壽命，甚至導(dǎo)致水輪發(fā)電機組事故，因此必須對運轉(zhuǎn)中的水輪發(fā)電機組的受熱零部件加以冷卻。水輪發(fā)電機組的大部分組件外圍安裝有冷卻器，讓冷卻水通過冷卻器，以達到散熱的效果[1]。

本論文采用的控制方案是PLC和變頻器聯(lián)合控制，在控制系統(tǒng)中引進了濾波技術(shù)和PI_B調(diào)節(jié)器，每臺水泵電機有1臺變頻器驅(qū)動，按實際情況設(shè)定壓力給定值（0.4 MPa），根據(jù)壓力變送器的反饋信號與設(shè)定值的壓差調(diào)整水泵的工作參數(shù)，實現(xiàn)恒壓供水。

1 概 述

某水電站的4臺發(fā)電機組共用一套水冷系統(tǒng)，水冷系統(tǒng)又有：主清水循環(huán)系統(tǒng)和備用水源循環(huán)系統(tǒng)（壩前取水）。兩套系統(tǒng)通過母管母連連接。在通常情況下，啟動清水循環(huán)系統(tǒng)就可以實現(xiàn)機組冷卻功能，但是在高溫季節(jié)，需要啟動備用水源系統(tǒng)加大對機組的冷卻能力，這時候變成開環(huán)運行，有3臺水泵從壩前取水注入到干管，然后通過冷卻機組管道排出到壩外，實現(xiàn)降低冷卻水的溫度，保證發(fā)電機組正常運行。

2 備用水源變頻恒壓技術(shù)供水系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)工作原理

備用水源系統(tǒng)水泵電機通過PLC控制，實現(xiàn)對3臺水泵輪循啟動。在一臺機組運行的情況下，啟動一臺水泵進行供水，這時候機組技術(shù)供水壓力較高，對管道壓力過大，從而產(chǎn)生爆管的危險；在兩臺機組運行的情況下，啟動一臺水泵供水時，機組技術(shù)供水壓力較低，從而不能實現(xiàn)很好的機組冷卻功能；在3臺或四臺發(fā)電機組運行的情況下，啟動兩臺水泵供水時，壓力太小，滿足不了機組冷卻需求。如果水泵工頻運行，會造成不必要的能源的消耗，浪費了電能，提高了廠用電率，影響電廠的經(jīng)濟效益。

本論文中將備用水源3臺水泵電機采用變頻控制，實現(xiàn)恒壓（0.4 MPa）的機組技術(shù)供水系統(tǒng)，按照實際用水量調(diào)整水泵的運轉(zhuǎn)速度，保障水輪機運行軸瓦所需的冷卻水，保證機組設(shè)備良好運行。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由Schneider Premium系列的PLC、3臺ATV61HC16N4型變頻器、3臺水泵、西門子1LE0002變頻電機、2個WIKA PSD-30型壓力傳感器及其他控制設(shè)備組成。PLC根據(jù)2個備用水源干管壓力變送器輸出水的壓力值，通過模擬量輸出模塊對變頻器的輸出頻率進行控制，控制電機轉(zhuǎn)速，從而改變水泵電機出力，始終保持干管壓力在0.4 MPa左右，形成如右圖1所示的變頻恒壓供水系統(tǒng)。

圖1 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖Fig.1 Variable frequency constant pressure water supply system diagram

變頻電機冷卻風(fēng)扇電源從對應(yīng)變頻器柜內(nèi)變頻器上側(cè)取。驅(qū)動電路如圖2。

圖2 變頻電機冷卻風(fēng)扇電源驅(qū)動電路圖Fig.2 Frequency conversion motor cooling fan power drive circuit diagram

運行時，QF合閘、KM激勵；停機時KM斷開，保證了電機、變頻器不運行時的物理斷開點，又能方便地進行自動控制。

變頻器通過MB+[2]通訊卡與備用水源PLC進行通訊，備用水源PLC與公用LCU保持MB+通訊。設(shè)備之間通過MB+通訊可以保證在上位機上監(jiān)視變頻器及備用水源系統(tǒng)其它設(shè)備的工作狀態(tài)，也可以在上位機對備用水源進行操作控制。MB+網(wǎng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和遠程編程、與操作員接口連接等功能。PLC通過模出模件對變頻器進行控制，通過MB+通訊方式采集變頻器電流、電壓、頻率等數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)工作方式

系統(tǒng)工作方式主要有3種：自動控制、上位機單步操作、控制柜面板手動操作3種。

自動控制：即為正常操作流程，上位機發(fā)出機組備用水源投入/退出命令，PLC自動開閥、關(guān)閥、啟停水泵，并對干管水壓力進行PID調(diào)節(jié)，保證干管冷卻水壓力穩(wěn)定在0.4 Mpa；

上位機單步操作：在上位機上可以單步操作備用水源的3臺水泵、機組的進出口閥門（共8個）；

控制柜面板手動操作：在控制柜面板上可以手動啟停3臺水泵。

當(dāng)系統(tǒng)處于自動運行狀態(tài)時，根據(jù)需要，可以在上位機或者控制柜面板上切換運行的變頻器。上位機手動啟動一臺未運行的變頻器，此時原運行變頻器立即停止運行，新啟動的變頻器進入PID壓力調(diào)節(jié)，使供水系統(tǒng)干管壓力穩(wěn)定在0.4 Mpa；也可在控制柜面板上將原運行變頻器切到停止位，系統(tǒng)將立即停止該變頻器的運行，并自動啟動另外一臺未運行變頻器，新啟動的變頻器自動進入PID壓力調(diào)節(jié)，使供水系統(tǒng)干管壓力穩(wěn)定在0.4 Mpa。

2.4 報警設(shè)計

上位機上設(shè)有各種報警信號點，當(dāng)PLC檢測到兩個壓力傳感器處的壓力值小于0 Mpa或者大于0.8 Mpa時，代表壓力傳感器故障，上位機彈出“壓力傳感器故障”信息條，系統(tǒng)維持現(xiàn)狀，不啟停泵，不開關(guān)閥，變頻輸出維持掉線前狀態(tài)，故障報警后由運行人員手動恢復(fù)；當(dāng)PLC檢測到壓力值小于0.2 Mpa時，上位機彈出“備用水源干管壓力過低（<0.2 Mpa）”信息條，當(dāng)PLC檢測到壓力值大于0.5 Mpa時則將壓力過大信號上傳給上位機，上位機彈出“備用水源干管壓力過高（>0.5 Mpa）”信息條，此時應(yīng)由運行人員檢查系統(tǒng)運行情況，并做出相應(yīng)的處理；當(dāng)系統(tǒng)處于自動運行狀態(tài)時，一臺變頻器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將立即停止故障變頻器的運行，并自動啟動另外一臺未運行的變頻器，新啟動的變頻器自動進入PID壓力調(diào)節(jié)，使供水系統(tǒng)干管壓力穩(wěn)定在0.4 Mpa。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 編程和監(jiān)控軟件的開發(fā)

下位機編程軟件采用Unity Pro XL 7.0，該軟件設(shè)計智能、操作簡易、具有強大的處理功能，軟件的開放性和協(xié)同性為控制系統(tǒng)提供了一個耳目一新的設(shè)計和操作理念，集編程、調(diào)試、操作于一體。在系統(tǒng)中采用LD梯型圖和FBD功能模塊語言混合編程，設(shè)計系統(tǒng)的各項功能，實現(xiàn)變頻泵的PID控制。

上位機監(jiān)控軟件[3]采用NC2000[4]組態(tài)軟件，是由南京南瑞自動控制有限公司自主開發(fā)的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)自動化應(yīng)用軟件，它包含多層分布式對象架構(gòu)，全面支持異構(gòu)平臺的特性，提供高效安全可靠的監(jiān)控內(nèi)核、功能強大的組態(tài)工具、實用方便的應(yīng)用界面、多種標(biāo)準(zhǔn)的接口、緊貼水電站和梯級調(diào)度應(yīng)用需求的各種常規(guī)及高級功能。

3.2 系統(tǒng)軟件流程圖

在機組開機需要備用水源供水時，機組LCU向控制系統(tǒng)的PLC發(fā)令，控制系統(tǒng)PLC在接收到命令后自動開閥、啟泵。啟泵數(shù)量的原則是：1臺機組用水，啟1泵；2臺機組用水，啟1泵；3臺機組用水，啟2泵；4臺機組用水，啟2泵。各水泵電機由變頻器驅(qū)動，水泵變頻運行。當(dāng)供水系統(tǒng)接收到啟動信號后，首先啟動1#泵，同時壓力傳感器將信號送入控制系統(tǒng)PID處理之后，送出一個水量增加或減少信號，控制電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)壓力恒定。當(dāng)1#泵變頻器運行在50 Hz時反饋壓力值小于設(shè)定壓力，便自動啟動2#泵，2#泵變頻器運行在50 Hz時反饋壓力值還是小于設(shè)定壓力時，系統(tǒng)自動啟動3#泵。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3、圖4。

圖3 主程序Fig.3 The main program

圖4 泵子程序Fig.4 Pump subroutine

指示燈及相關(guān)信息開出上送包括：執(zhí)行泵子程序、備用水源投入退出子程序、指示燈子程序、觸摸屏子程序。

當(dāng)兩泵運行時，通過自動調(diào)整干管壓力已經(jīng)達到了設(shè)定值，假如此時有一泵的運行頻率過低（小于20 Hz）時，PLC對兩泵進行均負(fù)荷調(diào)整，避免運行頻率過低對電機造成傷壞。當(dāng)公水泵停止方式也是如此，根據(jù)先啟先停輪換原則逐臺對水泵進行切除。電機輸入頻率降低，轉(zhuǎn)速減慢，系統(tǒng)吸收和消耗的功率減少，降低能耗，降低廠用電。

4 PID控制器的設(shè)置

4.1 壓力傳感器濾波

由于該供水系統(tǒng)的控制對象是供水干管的水壓，它是一個過程控制量，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性；同時因為有管阻、水錘等因素的影響，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與干管壓力的變化不成正比，是一個非線性系統(tǒng)。由于不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，控制對象的模型具有很強的多變性。因此，為消除供水干管上的非線性強和擾動大的特點，在模擬量采集前需對傳感器配置過濾器，消除擾動。Unity Pro軟件中內(nèi)部配置的4通道的模入模塊TSX AEY 414可為系統(tǒng)提供‘一階過濾’的功能，用戶可配置的不同程度的過濾值有7個，即便應(yīng)用程序處于RUN模式也可更改過濾器的值，在本系統(tǒng)中選擇低過濾，即可大大減輕供水干管上的擾動。

4.2 簡單控制器PI_B的PI算法

水泵投入運行后，對系統(tǒng)進行PID參數(shù)整定[5-8]，并視控制量輸出的情況進入增泵或減泵過程。PID參數(shù)整定的方法主要有試湊法、實驗經(jīng)驗法、擴充臨界比例度法等。試湊法是通過閉環(huán)運行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各參數(shù)對系統(tǒng)的影響，反復(fù)試湊參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應(yīng)，從而確定PID控制參數(shù)。湊試法的整定步驟為"先比例，再積分，最后微分"。實驗經(jīng)驗法調(diào)整PID參數(shù)的方法中較常用的是擴充臨界比例度法，其最大的優(yōu)點是，參數(shù)的整定不依賴受控對象的數(shù)學(xué)模型，直接在現(xiàn)場整定、簡單易行。擴充比例度法適用于有自平衡特性的受控對象，是對連續(xù)-時間PID控制器參數(shù)整定的臨界比例度法的擴充。

在本系統(tǒng)使用中的premium PLC Unity Pro軟件內(nèi)部自帶PID控制器，針對本系統(tǒng)實現(xiàn)壓力恒定，使用簡單PI_B控制器，采用增量式算法，絕對值輸出。該功能塊在程序中表示形式如圖5；在系統(tǒng)中偏差DEV為PV-SP的值，其中PV為過程值，SP表示運行過程中壓力傳感器檢測到的壓力值，表示設(shè)定點，即系統(tǒng)的給定值0.4 Mpa，參數(shù)中將偏差死區(qū)設(shè)定為0.005 Mpa，OUT代表絕對值輸出值。PI_B控制器的結(jié)構(gòu)顯示如圖6。

控制器的操作模式MAN_AUTO設(shè)置為1表示自動模式；

增量算法的特性是首先計算輸出更改OUTD，OUTD=TermP+TermI然后再使用以下公式 OUT=OUT（old）+OUTD（new）確定絕對值輸出，其中TermP代表比例組件的值，TermI代表積分組件的值，OUTD表示增量值輸出，OUT表示絕對值輸出，（new）表示該控制塊當(dāng)前執(zhí)行的計算值，（old）表示該功能塊上次執(zhí)行的計算值。其中

T erm P=sense×kp×[Δ（DEV）]

圖5 PI_B模塊圖Fig.5 PI_B module chart

圖6 PI_B控制器的結(jié)構(gòu)Fig.6 PI_B the structure of the controller

Δ（DEV）表示當(dāng)前偏差與前一次偏差的變化量，其中sense=1，表示控制器反轉(zhuǎn)動作（rev_dir=1），即正偏差（PV-SP）生成較高的輸出值；其中sense=-1，表示控制器反轉(zhuǎn)動作（rev_dir=1），即正偏差（PV-SP）生成較低的輸出值。

在Premium PID功能模塊的實際應(yīng)用過程中，引入積分作用，單純的設(shè)置PID功能模塊中的積分系數(shù)是不能正常引入積分調(diào)節(jié)的，還需要同時將CPU的掃描方式設(shè)置由原來系統(tǒng)默認(rèn)的循環(huán)掃描改為周期掃描。

對于本控制系統(tǒng)采用試湊法整定PID環(huán)節(jié)。比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。整定積分環(huán)節(jié)時將之前選擇的比例系數(shù)減小為原來的50～80%，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，通過多次試驗最后確定比例和積分的參數(shù)分別為Kp=14，Ti=7s。

5 結(jié)束語

本文介紹的變頻恒壓供水系統(tǒng)已于2014年8月在某水電站通過現(xiàn)場測試，并投入了實際運行。該控制系統(tǒng)具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單和維修方便等諸多特點，該項目的控制系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、遠程監(jiān)控技術(shù)于一體，提高了供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性。

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