于獻(xiàn)榕，賴 銓，戴志偉，馬麗君，謝裕忠

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第七0三研究所無錫分部 能源動力技術(shù)事業(yè)部, 江蘇 無錫 214151)

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干式負(fù)載智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

于獻(xiàn)榕，賴 銓，戴志偉，馬麗君，謝裕忠

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第七0三研究所無錫分部 能源動力技術(shù)事業(yè)部, 江蘇 無錫 214151)

干式負(fù)載廣泛應(yīng)用于發(fā)電機(jī)組的性能測試與維護(hù)保養(yǎng)領(lǐng)域；為了提高其智能化水平，設(shè)計并實現(xiàn)了基于西門子S7-200 PLC的控制系統(tǒng)，其控制策略是先用窮舉法找出功率總和等于功率設(shè)定值的檔位組合，再根據(jù)干式負(fù)載的故障情況，從找出的檔位組合中剔除那些因為故障而無法實現(xiàn)的檔位組合，最后按照“需要操作的檔位數(shù)量最少”、“優(yōu)先選擇動作次數(shù)最少的檔位”這兩個指標(biāo)，從剩余的檔位組合中挑選出一個最優(yōu)值用于最終輸出，從而實現(xiàn)了降低操作人員的工作負(fù)擔(dān)、均衡接觸器的動作次數(shù)和壽命、在突發(fā)故障時最大程度保證試驗正常進(jìn)行的目的。

干式負(fù)載；智能控制系統(tǒng)；最優(yōu)控制；檔位；動作次數(shù)；壽命

0 引言

干式負(fù)載[1-7]主要由接觸器、電阻器、散熱風(fēng)機(jī)等組成，通過電阻器的通電發(fā)熱來消耗發(fā)電機(jī)組的功率，是一種專為發(fā)電機(jī)組、UPS(不間斷電源)、電力傳輸設(shè)備等電源設(shè)備進(jìn)行出廠監(jiān)測、交接驗收和維護(hù)保養(yǎng)的檢測設(shè)備。它的應(yīng)用可使被測設(shè)備工作在最接近真實工況的帶載條件下，從而充分檢測出設(shè)備的輸出性能，及時發(fā)現(xiàn)故障和隱患，為新機(jī)組帶載能力的檢測和新發(fā)電工程的驗收提供了科學(xué)依據(jù)。

干式負(fù)載調(diào)節(jié)功率的原理與找零相同：設(shè)置了若干種不同功率的檔位，每種檔位的數(shù)量不盡相同，比如：功率為P1的檔位一共有A1個，功率為P2的檔位一共有A2個，……，功率為Pn的檔位一共有An個；想要將功率設(shè)定為某個值時，就分別從不同檔位中選擇合適的若干個，使得這些檔位的功率總和等于設(shè)定值。

對于“如何選出功率總和等于設(shè)定值的檔位組合”這個問題，現(xiàn)有干式負(fù)載的解決辦法主要有兩個[8]，一是由操作人員自行決定選擇哪個檔位，二是預(yù)先保存功率設(shè)定值與檔位組合的對應(yīng)關(guān)系，比如1 000 kW閉合某幾個檔位、2 000 kW閉合另外幾個檔位等。這兩個方法都有其不足之處：如果由操作人員自行選擇檔位，則增加了操作人員的工作負(fù)擔(dān)、產(chǎn)品智能化程度不足；如果操作人員給出功率設(shè)定值后閉合預(yù)定的檔位，則難以對突發(fā)故障做出靈活響應(yīng)、最大程度保證試驗的正常進(jìn)行。而且，這兩種方法都難以均衡接觸器的動作次數(shù)和壽命，可能會導(dǎo)致某些接觸器過早損壞。針對這些不足之處，本文采用窮舉法和最優(yōu)控制算法設(shè)計并實現(xiàn)了一個智能控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，S7-200 PLC對干式負(fù)載發(fā)出檔位、風(fēng)機(jī)接觸器的閉合/斷開指令，接收干式負(fù)載的檔位、風(fēng)機(jī)接觸器的反饋信號、空氣壓力開關(guān)信號和排氣溫度信號；電壓、電流互感器的信號輸入到電力儀表中，電力儀表檢測出電力參數(shù)后通過485串口傳輸給S7-200 PLC；監(jiān)控軟件安裝在遠(yuǎn)程PC上，通過以太網(wǎng)電纜接收S7-200 PLC的數(shù)據(jù)并下達(dá)操作指令。

圖1 控制系統(tǒng)示意圖

2 PLC軟件設(shè)計

智能控制系統(tǒng)的基本問題，是“找出功率總和等于設(shè)定值的檔位組合”。如前言所述，干式負(fù)載調(diào)節(jié)功率的原理與找零相同，因此可采用動態(tài)規(guī)劃法或窮舉法解決?？紤]到干式負(fù)載的檔位數(shù)量有限，本文采用了窮舉法以減輕編程工作量。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的目標(biāo)是：當(dāng)出現(xiàn)接觸器不動作、風(fēng)機(jī)不轉(zhuǎn)、排氣超溫等故障時，仍然能解決該基本問題；再進(jìn)一步的目標(biāo)是：如果同時有幾個檔位組合都能解決上述問題，就采用最優(yōu)控制算法挑選出一個檔位動作最少的最優(yōu)值。

為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，需要分兩步走：1)實現(xiàn)對干式負(fù)載常見故障的自動檢測；2)采用窮舉法和最優(yōu)控制算法，從無故障的檔位中選出滿足功率設(shè)定值并且動作最少的檔位組合。

2.1 故障判斷邏輯

干式負(fù)載的常見故障主要有4種：風(fēng)機(jī)接觸器故障、檔位接觸器故障、排氣超溫故障、風(fēng)壓低故障。

2.1.1 風(fēng)機(jī)故障判斷邏輯

每次調(diào)節(jié)功率時，都先起動風(fēng)機(jī)，直到本次功率調(diào)節(jié)所需的風(fēng)機(jī)都起動完畢后再閉合檔位。這么做的原因是：如果先閉合檔位接觸器再起動風(fēng)機(jī)，一旦發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)起動失敗，只能切換檔位接觸器，該檔位接觸器會在非常短的時間內(nèi)先閉合再斷開，可能會被瞬間沖擊電流損壞。另外，每次斷開檔位時，都要等待3分鐘后再停止該風(fēng)道的風(fēng)機(jī)，目的是繼續(xù)冷卻電阻管、防止排氣溫度過高。

風(fēng)機(jī)故障的判斷分兩種情況:1)風(fēng)機(jī)起動過程中的判斷;2)正常運行過程中的判斷。功率調(diào)節(jié)過程的風(fēng)機(jī)故障判斷如圖2所示：如果有風(fēng)機(jī)起動指令，就將指令輸出到接觸器，同時啟動一個2秒定時器，用于監(jiān)測接觸器的反饋。如果在2秒內(nèi)監(jiān)測到接觸器反饋為真，說明風(fēng)機(jī)起動指令執(zhí)行成功，退出循環(huán)；如果沒有，就生成“風(fēng)機(jī)無法起動”故障報警。正常運行過程中的風(fēng)機(jī)故障判斷邏輯比較簡單：如果風(fēng)機(jī)指令與接觸器反饋不符，就生成報警。

圖2 風(fēng)機(jī)故障判斷邏輯框圖

編程方法簡述如下：如果檔位設(shè)置指令GearSet為真，就將風(fēng)機(jī)起動指令FanSet置真，否則將FanSet置假并將延時停機(jī)定時器的啟動標(biāo)志StartTimer_FanStop置真。

如果風(fēng)機(jī)起動指令FanSet(常開)的正跳變?yōu)檎妫f明處于起動過程，就同時置位輸出映像寄存器FanOn(控制接觸器的繼電器)和風(fēng)機(jī)起動定時器的啟動標(biāo)志StartTimer_FanOn；如果StartTimer_FanOn為真、接觸器反饋信號Fan_Feedback為假，就啟動2秒定時器FanOpen_Timer；當(dāng)Fan_Feedback為真時，將StartTimer_FanOn置假；當(dāng)FanOpen_Timer為真時，如果FanSet與Fan_Feedback的值不同，就將報警信號FanOpen_Error置真、StartTimer_FanOn置假，否則將兩者都置假。

當(dāng)風(fēng)機(jī)起動定時器的啟動標(biāo)志StartTimer_FanOn為假時，說明處于正常運行過程，如果FanSet為真、Fan_Feedback為假，就將報警信號FanOpen_Error置真；如果FanSet為假、Fan_Feedback為真，就將報警信號FanClose_Error置真。同時，開始執(zhí)行檔位操作流程。

對于風(fēng)機(jī)停止指令，處理流程與之相同。

如果延時停機(jī)定時器的啟動標(biāo)志StartTimer_FanStop為真，就啟動一個3分鐘定時器Timer_FanStop；如果Timer_FanStop為真，就將置位輸出寄存器FanOff置真、StartTimer_FanStop置假。

2.1.2 檔位故障判斷邏輯

檔位也是通過接觸器來閉合的，因此其故障判斷邏輯與2.1.1節(jié)相同。

2.1.3 超溫故障判斷邏輯

為了避免溫度波動引起檔位切換，當(dāng)排氣溫度持續(xù)2秒后才生成故障報警，邏輯框圖如圖3所示。

圖3 超溫故障判斷邏輯

編程方法簡述如下：如果排氣溫度超過報警設(shè)定值，就將定時器啟動標(biāo)志StartTimer_TempAlarm置真，否則置假；如果StartTimer_TempAlarm為真，就啟動2秒定時器Timer_TempAlarm；如果Timer_TempAlarm為真，就將報警信號TempAlarm置真、StartTimer_TempAlarm置假，否則將兩者都置假。

2.1.4 風(fēng)壓低故障判斷邏輯

干式負(fù)載的每個風(fēng)道都安裝了一個空氣壓力開關(guān)，風(fēng)機(jī)正常運轉(zhuǎn)時，風(fēng)道中會形成風(fēng)壓，使得空氣壓力開關(guān)閉合。通過監(jiān)測空氣壓力開關(guān)的狀態(tài)就能知道風(fēng)機(jī)是否正常運轉(zhuǎn)。

風(fēng)壓低故障判斷也有兩種情況，一是風(fēng)機(jī)起動過程中的判斷，二是正常運行過程中的判斷。其邏輯框圖如圖4所示：對于情況一，如果有風(fēng)機(jī)起動指令，就啟動一個2秒定時器，如果在2秒內(nèi)監(jiān)測到空氣壓力開關(guān)信號為真，說明風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)正常，復(fù)位定時器并退出循環(huán)；如果沒有，就生成“風(fēng)道風(fēng)壓低”故障報警。如果定時器已復(fù)位，說明已處于情況二，如果風(fēng)機(jī)起動指令為真并且空氣壓力開關(guān)信號為假，就啟動一個2秒定時器，當(dāng)空氣壓力開關(guān)信號持續(xù)2秒為假時，才生成“風(fēng)道風(fēng)壓低”報警(這么做的原因是：空氣壓力開關(guān)進(jìn)口處的空氣處于紊流狀態(tài)，在周圍環(huán)境風(fēng)速的影響下，風(fēng)壓偶爾會出現(xiàn)波動，使得信號瞬間跳動)。

編程方法簡述如下：如果風(fēng)機(jī)起動指令FanSet(常開)的正跳變?yōu)檎?，說明處于起動過程，就將定時器1的啟動標(biāo)志StartTimer1_PSwitch置真；如果StartTimer1_PSwitch為真，就啟動2秒定時器PSwitch_Timer1；如果PSwitch(空氣壓力開關(guān)反饋信號)為假，就將StartTimer1_PSwitch置假；如果PSwitch_Timer1為真、PSwitch為真、FanOpen_Error為假、FanSet為真，就將報警信號NoWind置真、StartTimer1_PSwitch置假。

當(dāng)StartTimer1_PSwitch為假時，說明處于正常運行過程，如果PSwitch為假、FanOpen_Error為假、FanSet為真，就將定時器2的啟動標(biāo)志StartTimer2_PSwitch置真；如果StartTimer2_PSwitch為真，就啟動2秒定時器PSwitch_Timer2；如果PSwitch為假，就將StartTimer2_PSwitch置假；如果PSwitch_Timer2為真、PSwitch為真、FanOpen_Error為假、FanSet為真，就將報警信號NoWind置真、StartTimer2_PSwitch置假。

對于風(fēng)機(jī)停止指令，處理流程與之相同。

2.2 檔位選擇邏輯

檢測出干式負(fù)載的故障后，就可以采用最優(yōu)控制算法選擇滿足功率設(shè)定要求的無故障檔位了，方法如下：先采用窮舉法找出功率總和等于功率設(shè)定值的檔位組合，即從功率為的檔位中選出X1個(X1≤A1)，從功率為P2的檔位中選出X2個(X2≤A2)，……，從功率為的檔位中選出Xn個(Xn≤An)；再根據(jù)干式負(fù)載的故障情況，從找出的檔位組合中剔除那些因為故障而無法實現(xiàn)的檔位組合；最后，按照“需要操作的檔位數(shù)量最少”、“優(yōu)先選擇動作次數(shù)最少的檔位”這兩個指標(biāo)，從剩余的檔位組合中挑選出一個最優(yōu)值，用于最終輸出。其邏輯框圖如圖5所示。

圖4 風(fēng)壓低故障判斷邏輯框圖

圖5 檔位選擇邏輯框圖

3 PC軟件設(shè)計

LabVIEW是目前國際上應(yīng)用最廣泛的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境之一，已廣泛應(yīng)用于故障診斷、檢測測試、過程控制等領(lǐng)域。其通信技術(shù)非常強(qiáng)大，既可通過VISA庫和儀器驅(qū)動程序直接讀取硬件數(shù)據(jù)[9]，也可通過OPC、DataSocket、Active等技術(shù)與其他設(shè)備交換數(shù)據(jù)。另外，通過DSC模塊(數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控模塊)可以很方便地實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存儲與事件報警功能，大大減輕了編程負(fù)擔(dān)[10-12]。

圖6是采用LabVIEW開發(fā)的干式負(fù)載監(jiān)控軟件與西門子S7-200 PLC之間的通訊示意圖。PC通過西門子的PC Access軟件和OPC通訊協(xié)議，與S7-200 PLC實現(xiàn)以太網(wǎng)連接；干式負(fù)載監(jiān)控軟件通過LabVIEW的共享變量引擎與PC Access連接并交換數(shù)據(jù)，讀取到的數(shù)據(jù)通過DSC模塊存儲到數(shù)據(jù)庫中，并實現(xiàn)事件報警。

圖6 監(jiān)控軟件與PLC的通訊示意圖

圖7是干式負(fù)載監(jiān)控軟件的界面。該軟件具備完善的控制功能，既可以按數(shù)值設(shè)定功率，也可以按百分比設(shè)定功率；按百分比設(shè)定功率時，可以選擇不同的階躍百分比(5%、10%、20%、25%、50%)和超載百分比(0%、5%、10%、20%、25%、50%)，根據(jù)階躍百分比和超載百分比自動算出該干式負(fù)載能夠完成的試驗功率(比如，階躍百分比為25%、超載百分比為10%時，能夠完成的試驗功率有：550 kW、1 100 kW、1 650 kW、2 200 kW、2 750 kW、3 300 kW、3 850 kW、4 400 kW)。

該軟件還能夠設(shè)定功率隨時間變化曲線，讓控制系統(tǒng)自動完成整個試驗，減輕了操作人員的工作負(fù)擔(dān)。

借助于DSC模塊，該軟件具備了完善的實時曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、故障報警等功能。

圖7 干式負(fù)載監(jiān)控軟件界面

4 試驗結(jié)果

對于一臺檔位配置為1個25 kW、1個50 kW、2個100 kW、1個200 kW、10個400 kW的干式負(fù)載，設(shè)計了如下試驗來驗證前述軟件功能：最高功率設(shè)定為4 400 kW，按照1 000 kW(25%)、2 000 kW(50%)、3 000 kW(75%)、4 000 kW(100%)、4 400 kW(110%)、4 000 kW(100%)、3 000 kW(75%)、2 000 kW(50%)、1 000 kW(25%)的次序依次設(shè)定功率，并記錄所有檔位的閉合情況，如表1所示。按照“需要操作的檔位數(shù)量最少”的指標(biāo)，功率設(shè)定值為1 000 kW時，閉合的檔位組合應(yīng)該是200 kW+400 kW+400 kW，而不是100 kW+100 kW+400 kW+400 kW；功率設(shè)定值從1 000 kW變到2 000 kW時，應(yīng)該是在斷開200 kW的同時閉合3個400 kW，而不是繼續(xù)閉合2個100 kW和3個400 kW；當(dāng)功率設(shè)定值由大變小時，對于數(shù)量眾多的400 kW檔位，按照“優(yōu)先選擇動作次數(shù)最少的檔位”的指標(biāo)，優(yōu)先斷開最早閉合的那些檔位；從2 000 kW變到1 000 kW時，按照“需要操作的檔位數(shù)量最少”的指標(biāo)，斷開的是200 kW而不是2個100 kW。

表1的試驗結(jié)果與上述分析完全一致。由此可知本文所述的智能控制系統(tǒng)確實能夠減少和均衡接觸器的動作次數(shù)。

5 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有干式負(fù)載控制系統(tǒng)的不足，提出了一套創(chuàng)新的智能控制方法，使得操作人員在調(diào)節(jié)功率時，只需給出功率設(shè)定值即可，無需考慮選擇哪個檔位，大大減輕了工作負(fù)擔(dān)；對于功率相同的檔位，其動作次數(shù)是均衡的，避免了某些接觸器因動作過于頻繁而過早達(dá)到使用壽命；試驗過程中出現(xiàn)接觸器不動作、風(fēng)機(jī)不轉(zhuǎn)、排氣超溫等故障時，能夠自動斷開有故障的檔位并切換到無故障的檔位，從而最大程度保證試驗的正常進(jìn)行。

表1 某次試驗的功率與檔位的對照值

[1] 張松源. 一種新型高壓負(fù)載箱[P].中國專利：201210514133.1，2012-12-5.

[2] 張松源. 一種電源性能測試用大功率無級調(diào)節(jié)負(fù)載箱[P]. 中國專利：201310080974.0，2013-3-8.

[3] 王行文，黎志盈，吳 概. 一種智能型負(fù)載電阻箱[P].中國專利：201310302259.7，2013-7-18.

[4] 張進(jìn)濱，姚承勇. 儲能電站測試負(fù)載[P]. 中國專利：201410143774.X，2014-4-10.

[5] 陳 滿，彭 鵬，黃曉東,等. 大功率阻感負(fù)載[P]. 中國專利：201420174091.6，2014-4-10.

[6] 冉 軍，周 琪. 交流負(fù)載[P]. 中國專利：201420594419.X，2014-10-14.

[7] 李彥鋼. 大功率船用發(fā)電機(jī)組智能交流負(fù)載柜[P]. 中國專利：200920254321.9，2009-11-4.

[8] 張松源. 一種發(fā)電機(jī)組智能測試系統(tǒng)[P]. 中國專利：201320119846.8，2013-3-8.

[9] 蔣 薇，張曉波，賴青貴. 基于LabVIEW的儀器通信技術(shù)研究[J]. 計算機(jī)測量與控制, 2013,21(4):1030-1032.

[10] 裴 鋒，楊正明，汪翠英. 基于LabVIEW DSC監(jiān)控軟件開發(fā)[J]. 儀器儀表用戶, 2005,12(5):97-98.

[11] 于獻(xiàn)榕，孟 東，曹丹丹，等. 基于LabVIEW+DSC的監(jiān)控軟件通用架構(gòu)[J]. 微計算機(jī)信息， 2012,28(10):97-98.

[12] 欒美艷. 采用虛擬測控軟件LabVIEW實現(xiàn)控制系統(tǒng)的監(jiān)控功能[D].大連：大連交通大學(xué),2005.

Design and Implementation of Intelligent Control System of Electric Load Device

Yu Xianrong，Lai Quan, Dai Zhiwei, Ma Lijun, Xie Yuzhong

(Wuxi Division of No.703 Research Institute， CSIC, Wuxi 214151,China)

Electric load device is widely used in performance test and maintenance of electric generating set. In order to improve its intelligent level, we designed and implemented a control system based on Siemens S7-200 PLC, whose strategy is find out at first those combinations of gears that could make the sum of their powers equal to the set value of power, then eliminate from them the ones that unable to operate due to device failure, and finally pick out the optimal one according to two rules: the number of manipulated gears is the minimum and the action time of gear is the minimum. This intelligent control system could reduce the burden of operators, balance the action times and lives of contactors, and ensure the test going on as far as possible when device failure happens.

electric load device; intelligent control system; optimum control; gear; action time; life

2015-09-29；

2015-11-04。

于獻(xiàn)榕(1981-)，男，江蘇無錫人，碩士研究生，工程師，主要從事燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)與數(shù)學(xué)模型的研究以及能源動力領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)方向的研究。

1671-4598(2016)03-0059-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.017

TP3

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