郭壁壘，李 冰

（南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 210003）

0 引言

PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲中進(jìn)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或者模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的工業(yè)生產(chǎn)過程[1-3]。

MB40系列PLC由南瑞集團(tuán)公司自主設(shè)計與研發(fā)，汲取了國際主流PLC的成功經(jīng)驗，并根據(jù)當(dāng)今PLC的最新發(fā)展方向，采用了計算機(jī)、通信、電子和自動控制等方面的國際先進(jìn)技術(shù)，在CPU操作系統(tǒng)、IO信號處理、網(wǎng)絡(luò)通信、軟件開發(fā)等方面具有優(yōu)越的性能，適用于各種自動化控制的編程需求。與傳統(tǒng)PLC相比，MB40 PLC組網(wǎng)的靈活性、系統(tǒng)平臺的開放性、編程軟件的靈活性以及模塊的智能性可使復(fù)雜的控制項目得以完美的實現(xiàn)。

1 水輪機(jī)調(diào)速器控制原理

水力發(fā)電過程是一個能量轉(zhuǎn)換過程，通過水電機(jī)組將水的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。在實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過程中，由于電力系統(tǒng)負(fù)荷的不斷變化，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的不斷波動，為了保證供電質(zhì)量，必須不斷地調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機(jī)組的輸出功率，維持機(jī)組的轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的規(guī)定范圍內(nèi)[4-7]。

水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的運動方程為[5]：

其中：

其中：

Q表示通過水輪機(jī)的流量（m3/s）；H表示水輪機(jī)水頭（m）；ηt表示水輪機(jī)效率；ρ表示水的密度（kg/m3）。

在一定的機(jī)組工況下，通過調(diào)節(jié)水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的開度來調(diào)節(jié)水輪機(jī)流量Q；通過調(diào)節(jié)水輪機(jī)輪葉的角度來調(diào)節(jié)水輪機(jī)效率，最終實現(xiàn)Mt=Mg，使機(jī)組在一個允許的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下運行。

2 基于MB40 PLC的水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)

2.1 MB40 PLC目前應(yīng)用的領(lǐng)域

MB40 PLC研發(fā)成功投入市場以來，在電力、水利等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，迄今為止已經(jīng)有數(shù)百個工程的應(yīng)用實例，已應(yīng)用電站的安全穩(wěn)定運行為基于MB40 PLC開發(fā)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器奠定了堅實的基礎(chǔ)。

MB系列PLC作為一種通用的可編程控制設(shè)備，具有廣泛的適應(yīng)性，可以適應(yīng)多個行業(yè)的不同需求。針對水電站調(diào)速系統(tǒng)控制領(lǐng)域?qū)︻l率測量精度的要求，針對性的開發(fā)了高精度測頻模件。另外，調(diào)速產(chǎn)品有著其特殊的應(yīng)用需求，需要實現(xiàn)一些新的功能和更嚴(yán)格的技術(shù)指標(biāo)，在當(dāng)前PLC的基礎(chǔ)上又開發(fā)了混合輸入AI模件、AO模件等，以滿足在水電站調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用需求。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水輪機(jī)調(diào)速器先后經(jīng)歷了機(jī)械液壓型、電氣液壓型階段和微機(jī)數(shù)字型三個發(fā)展階段。微機(jī)數(shù)字型調(diào)速器是調(diào)速器發(fā)展的主流和方向，由微機(jī)調(diào)節(jié)器、電液轉(zhuǎn)換器及機(jī)械液壓系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

目前國內(nèi)水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器主要有基于可編程計算機(jī)控制器（PCC）、工控機(jī)（IPC）和可編程控制器（PLC）等三種類型，微機(jī)控制器是系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)采集機(jī)組頻率、功率、水頭、接力器位移等信號和電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的控制信號，同時接收電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)向微機(jī)調(diào)速器發(fā)出的指令，通過內(nèi)部控制算法計算，輸出模擬量控制信號，控制機(jī)械液壓系統(tǒng)。

圖1 微機(jī)調(diào)速器的結(jié)構(gòu)圖

MB40 PLC作為水輪機(jī)調(diào)速器的控制核心，主要由CPU模塊、測頻模塊、模擬輸入/輸出模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、電源模塊構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 MB40 PLC微機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)

測頻模塊完成機(jī)組頻率測量；數(shù)字量開入模塊接收開機(jī)、停機(jī)、發(fā)電、調(diào)相、增速、減速等外部開關(guān)量等指令；模入模塊負(fù)責(zé)接收一些模擬量信號（如接力器行程、機(jī)組功率、水頭等）；CPU模塊根據(jù)各種數(shù)字量和模擬量輸入信號，根據(jù)工況需求，調(diào)用相應(yīng)控制子程序，計算處理結(jié)果由數(shù)字量開出模件（各種狀態(tài)指示燈信號、步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制、向電站二次回路或機(jī)組LCU發(fā)送報警信號和調(diào)速器發(fā)出自動切手動命令等）和模擬量開出模件（電液轉(zhuǎn)換器接入信號等）進(jìn)行輸出。整個調(diào)速器通過人機(jī)交互界面輸入指令操作和監(jiān)控實時信息，使用MODBUS總線與微機(jī)控制器通信，微機(jī)控制器模塊間以CAN總線進(jìn)行通信，控制指令通過輸出模塊給調(diào)速器電液隨動系統(tǒng)，從而實時控制水輪發(fā)電機(jī)組正常運轉(zhuǎn)。

2.3 軟件框圖

MB40 PLC編程調(diào)試方便，支持IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)，具有系統(tǒng)配置、程序編寫、在線修改、在線調(diào)試功能，支持梯形圖LD和順序控制圖SCC，通過上位機(jī)軟件MBPro提供智能化的圖形和文本編輯功能。

調(diào)速器的控制軟件完成的功能主要有：判斷機(jī)組的工況狀態(tài)，根據(jù)各個工況的工作特性計算產(chǎn)生導(dǎo)葉給定，通過AD模件輸出電壓信號。

按照可靠性和模塊化的設(shè)計原則編制的整個調(diào)速器控制軟件，在調(diào)速器上電后，首先運行初始化程序，完成對一些變量的初始化以及判斷機(jī)組的初始工況，然后采集外部輸入的開關(guān)量、模擬量數(shù)據(jù)，并對它們進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)入機(jī)組工況判別程序。根據(jù)機(jī)組不同的運行工況通過任務(wù)調(diào)度功能來調(diào)用相應(yīng)的控制程序模塊，經(jīng)過調(diào)節(jié)計算輸出導(dǎo)葉給定，然后將導(dǎo)葉給定和測得的導(dǎo)葉反饋經(jīng)過導(dǎo)葉副環(huán)的PI調(diào)節(jié)以及限幅處理后輸出控制信號，控制導(dǎo)葉接力器的行程。程序的運行過程示意圖如圖3所示。

圖3 調(diào)速器控制軟件運行過程示意圖

3 性能模擬實驗及分析

系統(tǒng)測試試驗平臺如圖4所示。測試時采用頻率發(fā)生器提供50Hz方波模擬網(wǎng)頻信號，再由TG2000c綜合測試仿真儀給出機(jī)頻信號，將網(wǎng)頻和機(jī)頻信號送給MB40 PLC微機(jī)調(diào)速器處理，然后輸出模擬信號給機(jī)械液壓控制柜控制主配壓閥動作，進(jìn)而給執(zhí)行機(jī)構(gòu)主接力器油壓信號調(diào)整行程。作為閉環(huán)控制，接力器行程分別反饋給調(diào)速器和仿真儀。

圖4 系統(tǒng)測試接線框圖

3.1 靜態(tài)特性實驗

調(diào)速器靜特性是指測速元件轉(zhuǎn)速n或機(jī)組頻率f與接力器行程y之間的關(guān)系，即y=f（n）曲線。調(diào)速器靜特性試驗的目的是考核調(diào)速系統(tǒng)的平穩(wěn)性和非線性度、整個系統(tǒng)轉(zhuǎn)速死區(qū) （即不靈敏度）的大小，以及永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)的準(zhǔn)確性。

靜特性試驗是在調(diào)速器正常的操作油壓下，設(shè)置調(diào)速器的控制參數(shù)Kp=10，Ki=10l，Kd=0，bp=6.0%，頻率給定為額定值，采用曲線方法進(jìn)行。靜特性試驗點數(shù)設(shè)置為11個，試驗測得靜特性測點數(shù)據(jù)如表1所示。

由實驗數(shù)據(jù)可見，MB40 PLC調(diào)速器的靜特性曲線整體上呈直線型，符合GB/T 9652.1—2007《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》關(guān)于靜態(tài)特性曲線“應(yīng)近似為直線”的定性規(guī)定。另外，采用一元回歸分析法，測得轉(zhuǎn)速死區(qū)ix為0.0120%，優(yōu)于國標(biāo)GB/T 9652.1—2007調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)的規(guī)定。

表1 MB40 PLC水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器靜特性實驗結(jié)果

3.2 動態(tài)特性實驗

3.2.1 空載擾動

水輪發(fā)電機(jī)組空載擾動試驗是用來檢查水輪發(fā)電機(jī)組在空載工況運行時，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性能和快速、單調(diào)趨近于穩(wěn)定值的動態(tài)性能。

如圖5所示，擾前頻率48.0074Hz，設(shè)定頻率為52Hz時，擾后頻率是51.9421Hz，最大超調(diào)是52.9592Hz（1.84%）；設(shè)定頻率為48Hz時，擾后頻率是47.9421Hz，最大超調(diào)是47.1592Hz（1.75%）GB/T 9652.1—2007規(guī)定水輪發(fā)電機(jī)組頻率擺動值對于大型調(diào)速器，不超過±0.2%；對于中、小型和特小型調(diào)速器，均不超過±0.3%。調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量均能夠滿足調(diào)節(jié)品質(zhì)的要求。

3.2.2 甩負(fù)荷實驗

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)甩100%負(fù)荷的動態(tài)特性是在水電站現(xiàn)場必須進(jìn)行的重要試驗，它關(guān)系到水輪發(fā)電機(jī)組的安全運行，除了要校驗水輪機(jī)調(diào)速器參數(shù)整定的合理與否之外，還要校核機(jī)組調(diào)節(jié)保證計算的正確性。

由圖6可見，甩100%負(fù)荷MB40 PLC調(diào)速器調(diào)節(jié)過程平緩，機(jī)組甩掉負(fù)荷，頻率急劇上升為額定頻率的113.7%，同時調(diào)速器導(dǎo)葉開度快速減小，使頻率下降。由于機(jī)組慣性，頻率下降太低，由于微分環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)清除處理，導(dǎo)葉開度提前開啟，使機(jī)組頻率在50Hz附近恢復(fù)穩(wěn)定。根據(jù)GB/T 9652.1—2007甩負(fù)荷后動態(tài)品質(zhì)要求，在轉(zhuǎn)速變化過程中不超過兩個波峰后達(dá)到穩(wěn)定，滿足國標(biāo)要求。

3.2.3 開機(jī)實驗

調(diào)速器主機(jī)各項參數(shù)如下：Kp= 3.0000，Ki=0.10（1/s），Kd=1.50s，bp=0.00%，Tw=0.10s，MB40 PLC調(diào)速器關(guān)機(jī)試驗中Ta=4.00s。試驗波形圖如圖7所示。

MB40 PLC調(diào)速器采用典型的二段式開機(jī)方式，開機(jī)一階段導(dǎo)葉開度較大，機(jī)組頻率迅速上升，達(dá)到40Hz時，導(dǎo)葉開度減小，機(jī)組頻率上升減慢，接近機(jī)組額定頻率時，開機(jī)過程由開環(huán)控制轉(zhuǎn)為閉環(huán)控制，平滑接入PID閉環(huán)控制，使機(jī)組頻率迅速穩(wěn)定在額定頻率附近。

3.2.4 停機(jī)實驗

調(diào)速器主機(jī)各項參數(shù)如下：Kp= 3.0000，Ki=0.10（1/s），Kd=1.50s，bp=0.00%，Tw=0.10s，MB40 PLC 調(diào)速器關(guān)機(jī)試驗中Ta=4.00s。試驗波形圖如圖8所示。

圖5 MB40 PLC調(diào)速器空載擾動48-52Hz實驗波形圖

圖6 MB40 PLC調(diào)速器100%甩負(fù)荷實驗波形圖

圖7 MB40 PLC調(diào)速器開機(jī)實驗波形圖

圖8 MB40 PLC調(diào)速器關(guān)機(jī)實驗波形圖

從圖8中可以看出，MB40 PLC調(diào)速器關(guān)機(jī)響應(yīng)速度很快，導(dǎo)葉主接在1s內(nèi)完成關(guān)機(jī)。

3.3 實驗分析及結(jié)論

對MB40 PLC水輪機(jī)調(diào)速器進(jìn)行模擬試驗測試，包括靜態(tài)特性試驗：水輪機(jī)調(diào)速器靜特性試驗；動態(tài)特性試驗：空載頻率擾動試驗、甩負(fù)荷試驗、開停機(jī)試驗，完成了動態(tài)過程記錄。其調(diào)節(jié)過程平緩，對設(shè)備的沖擊較小，各項性能指標(biāo)均能夠滿足水輪機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)品質(zhì)，優(yōu)于國標(biāo)GB 9652.1—2007的要求。

4 結(jié)束語

一直以來我國國內(nèi)大多水電站使用的調(diào)速產(chǎn)品采用進(jìn)口PLC作為核心控制元件，核心技術(shù)受制于人，并且價格昂貴，服務(wù)不夠及時。MB系列可編程控制器是南京南瑞集團(tuán)公司自主研發(fā)、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的PLC產(chǎn)品，擴(kuò)展MB系列PLC的應(yīng)用領(lǐng)域，研制基于南瑞MB40 PLC的水輪機(jī)調(diào)速器，實現(xiàn)水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制設(shè)備的國產(chǎn)化，可以直接應(yīng)用到中小型水電機(jī)組，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[1] 劉基順，田廣軍，陸樂，高恒倫.PLC運動控制器在舞臺機(jī)械系統(tǒng)中的設(shè)計和研究[J].自動化儀表，20013.34（1）：83-86.

[2] 胡佳琦，駱相丹. PLC控制系統(tǒng)在天然氣脫水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化儀表，20013.34（1）：40-42.

[3] 吳濤，魏延寶，鹿新亮. S7-400H在鍋爐發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化儀表，20013.34（12）：37-40.

[4] 張海明，林義忠，莫代新.水輪機(jī)調(diào)速器研究概述[J].液壓與氣動，2009.6：3-5.

[5] 周若.水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器的開發(fā)和研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2005.5.

[6] 魏守平，羅萍.數(shù)字式電液調(diào)速器的微機(jī)調(diào)節(jié)器 [J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2003.27（3）:35-38.

[7] 沈祖詒.水輪機(jī)調(diào)節(jié)[M].北京：水利水電出版社，1998.

[8] 曲全磊.基于PLC的水輪機(jī)調(diào)速器的研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2009.