MB PLC在水輪機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

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(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)中進(jìn)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或者模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程[1-3]。

MB40系列PLC由南瑞集團(tuán)公司自主設(shè)計(jì)與研發(fā)，汲取了國(guó)際主流PLC的成功經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)當(dāng)今PLC的最新發(fā)展方向，采用了計(jì)算機(jī)、通信、電子和自動(dòng)控制等方面的國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，在CPU操作系統(tǒng)、IO信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)通信、軟件開(kāi)發(fā)等方面具有優(yōu)越的性能，適用于各種自動(dòng)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(tái)的開(kāi)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(xiàng)目得以完美的實(shí)現(xiàn)。

1 水輪機(jī)調(diào)速器控制原理

水力發(fā)電過(guò)程是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，通過(guò)水電機(jī)組將水的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過(guò)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(dòng)，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(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)方程為[5]：

其中：

其中：

Q表示通過(guò)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(guò)調(diào)節(jié)水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)水輪機(jī)流量Q；通過(guò)調(diào)節(jié)水輪機(jī)輪葉的角度來(lái)調(diào)節(jié)水輪機(jī)效率，最終實(shí)現(xiàn)Mt=Mg，使機(jī)組在一個(gè)允許的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)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(chǎng)以來(lái)，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(gè)工程的應(yīng)用實(shí)例，已應(yīng)用電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行為基于MB40 PLC開(kāi)發(fā)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器奠定了堅(jiān)實(shí)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(gè)行業(yè)的不同需求。針對(duì)水電站調(diào)速系統(tǒng)控制領(lǐng)域?qū)︻l率測(cè)量精度的要求，針對(duì)性的開(kāi)發(fā)了高精度測(cè)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(shí)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(kāi)發(fā)了混合輸入AI模件、AO模件等，以滿(mǎn)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(gè)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(guó)內(nèi)水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器主要有基于可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）、工控機(jī)（IPC）和可編程控制器（PLC）等三種類(lèi)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(hào)和電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的控制信號(hào)，同時(shí)接收電站計(jì)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(guò)內(nèi)部控制算法計(jì)算，輸出模擬量控制信號(hào)，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(cè)頻模塊、模擬輸入/輸出模塊、開(kāi)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(cè)頻模塊完成機(jī)組頻率測(cè)量；數(shù)字量開(kāi)入模塊接收開(kāi)機(jī)、停機(jī)、發(fā)電、調(diào)相、增速、減速等外部開(kāi)關(guān)量等指令；模入模塊負(fù)責(zé)接收一些模擬量信號(hào)（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(hào)，根據(jù)工況需求，調(diào)用相應(yīng)控制子程序，計(jì)算處理結(jié)果由數(shù)字量開(kāi)出模件（各種狀態(tài)指示燈信號(hào)、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(bào)警信號(hào)和調(diào)速器發(fā)出自動(dòng)切手動(dòng)命令等）和模擬量開(kāi)出模件（電液轉(zhuǎn)換器接入信號(hào)等）進(jìn)行輸出。整個(gè)調(diào)速器通過(guò)人機(jī)交互界面輸入指令操作和監(jiān)控實(shí)時(shí)信息，使用MODBUS總線(xiàn)與微機(jī)控制器通信，微機(jī)控制器模塊間以CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信，控制指令通過(guò)輸出模塊給調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)，從而實(shí)時(shí)控制水輪發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 軟件框圖

MB40 PLC編程調(diào)試方便，支持IEC61131-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，具有系統(tǒng)配置、程序編寫(xiě)、在線(xiàn)修改、在線(xiàn)調(diào)試功能，支持梯形圖LD和順序控制圖SCC，通過(guò)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(gè)工況的工作特性計(jì)算產(chǎn)生導(dǎo)葉給定，通過(guò)AD模件輸出電壓信號(hào)。

按照可靠性和模塊化的設(shè)計(jì)原則編制的整個(gè)調(diào)速器控制軟件，在調(diào)速器上電后，首先運(yùn)行初始化程序，完成對(duì)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(kāi)關(guān)量、模擬量數(shù)據(jù)，并對(duì)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(yùn)行工況通過(guò)任務(wù)調(diào)度功能來(lái)調(diào)用相應(yīng)的控制程序模塊，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)計(jì)算輸出導(dǎo)葉給定，然后將導(dǎo)葉給定和測(cè)得的導(dǎo)葉反饋經(jīng)過(guò)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(hào)，控制導(dǎo)葉接力器的行程。程序的運(yùn)行過(guò)程示意圖如圖3所示。

圖3 調(diào)速器控制軟件運(yùn)行過(guò)程示意圖

3 性能模擬實(shí)驗(yàn)及分析

系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。測(cè)試時(shí)采用頻率發(fā)生器提供50Hz方波模擬網(wǎng)頻信號(hào)，再由TG2000c綜合測(cè)試仿真儀給出機(jī)頻信號(hào)，將網(wǎng)頻和機(jī)頻信號(hào)送給MB40 PLC微機(jī)調(diào)速器處理，然后輸出模擬信號(hào)給機(jī)械液壓控制柜控制主配壓閥動(dòng)作，進(jìn)而給執(zhí)行機(jī)構(gòu)主接力器油壓信號(hào)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(cè)試接線(xiàn)框圖

3.1 靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)

調(diào)速器靜特性是指測(cè)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(xiàn)。調(diào)速器靜特性試驗(yàn)的目的是考核調(diào)速系統(tǒng)的平穩(wěn)性和非線(xiàn)性度、整個(gè)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(yàn)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(xiàn)方法進(jìn)行。靜特性試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為11個(gè)，試驗(yàn)測(cè)得靜特性測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，MB40 PLC調(diào)速器的靜特性曲線(xiàn)整體上呈直線(xiàn)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(xiàn)“應(yīng)近似為直線(xiàn)”的定性規(guī)定。另外，采用一元回歸分析法，測(cè)得轉(zhuǎn)速死區(qū)ix為0.0120%，優(yōu)于國(guó)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)

3.2.1 空載擾動(dòng)

水輪發(fā)電機(jī)組空載擾動(dòng)試驗(yàn)是用來(lái)檢查水輪發(fā)電機(jī)組在空載工況運(yùn)行時(shí)，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(dòng)態(tài)性能。

如圖5所示，擾前頻率48.0074Hz，設(shè)定頻率為52Hz時(shí)，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(shí)，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(dòng)值對(duì)于大型調(diào)速器，不超過(guò)±0.2%；對(duì)于中、小型和特小型調(diào)速器，均不超過(guò)±0.3%。調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量均能夠滿(mǎn)足調(diào)節(jié)品質(zhì)的要求。

3.2.2 甩負(fù)荷實(shí)驗(yàn)

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)甩100%負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性是在水電站現(xiàn)場(chǎng)必須進(jìn)行的重要試驗(yàn)，它關(guān)系到水輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行，除了要校驗(yàn)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(jì)算的正確性。

由圖6可見(jiàn)，甩100%負(fù)荷MB40 PLC調(diào)速器調(diào)節(jié)過(guò)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(shí)調(diào)速器導(dǎo)葉開(kāi)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(kāi)度提前開(kāi)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(dòng)態(tài)品質(zhì)要求，在轉(zhuǎn)速變化過(guò)程中不超過(guò)兩個(gè)波峰后達(dá)到穩(wěn)定，滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求。

3.2.3 開(kāi)機(jī)實(shí)驗(yàn)

調(diào)速器主機(jī)各項(xiàng)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(yàn)中Ta=4.00s。試驗(yàn)波形圖如圖7所示。

MB40 PLC調(diào)速器采用典型的二段式開(kāi)機(jī)方式，開(kāi)機(jī)一階段導(dǎo)葉開(kāi)度較大，機(jī)組頻率迅速上升，達(dá)到40Hz時(shí)，導(dǎo)葉開(kāi)度減小，機(jī)組頻率上升減慢，接近機(jī)組額定頻率時(shí)，開(kāi)機(jī)過(guò)程由開(kāi)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(shí)驗(yàn)

調(diào)速器主機(jī)各項(xiàng)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(yàn)中Ta=4.00s。試驗(yàn)波形圖如圖8所示。

圖5 MB40 PLC調(diào)速器空載擾動(dòng)48-52Hz實(shí)驗(yàn)波形圖

圖6 MB40 PLC調(diào)速器100%甩負(fù)荷實(shí)驗(yàn)波形圖

圖7 MB40 PLC調(diào)速器開(kāi)機(jī)實(shí)驗(yàn)波形圖

圖8 MB40 PLC調(diào)速器關(guān)機(jī)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)分析及結(jié)論

對(duì)MB40 PLC水輪機(jī)調(diào)速器進(jìn)行模擬試驗(yàn)測(cè)試，包括靜態(tài)特性試驗(yàn)：水輪機(jī)調(diào)速器靜特性試驗(yàn)；動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)：空載頻率擾動(dòng)試驗(yàn)、甩負(fù)荷試驗(yàn)、開(kāi)停機(jī)試驗(yàn)，完成了動(dòng)態(tài)過(guò)程記錄。其調(diào)節(jié)過(guò)程平緩，對(duì)設(shè)備的沖擊較小，各項(xiàng)性能指標(biāo)均能夠滿(mǎn)足水輪機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)品質(zhì)，優(yōu)于國(guó)標(biāo)GB 9652.1—2007的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

一直以來(lái)我國(guó)國(guó)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(jià)格昂貴，服務(wù)不夠及時(shí)。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(shí)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(shí)現(xiàn)水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制設(shè)備的國(guó)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(huì)效益。

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