臺達(dá)可編程控制器在水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘 要：水輪機(jī)是水力發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，其調(diào)速系統(tǒng)對發(fā)電質(zhì)量，特別是頻率有重要影響。本文基于臺達(dá)小型可編程控制器的特點(diǎn)，討論其在水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：可編程控制器 智能測頻 水輪機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)
Abstract: The water-wheel machine is a key device of waterpower. Its speed regulating system plays an important rule for generating electricity, specially it has important infection in frequency. Based on the characteristic of minitype programmable logic controller of Delta company, the paper discussed the application of Delta PLC in speed regulating system for water wheel machine.
Key Words: Programmable logic controller Intelligent measuring frequency Water-wheel machine
Speed regulating system
[中圖分類號] TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] B 文章編號
1 引 言
臺達(dá)EH系列可編程控制器是由臺灣臺達(dá)電子公司生產(chǎn)，由中達(dá)電通股份有限公司負(fù)責(zé)在中國大陸推廣應(yīng)用。它具有可靠性高、易于擴(kuò)展、運(yùn)算能力強(qiáng)、實(shí)時性好、編程方便等特點(diǎn)。目前國內(nèi)水電調(diào)速控制系統(tǒng)一般采用國外小型PLC、PCC以及IPC等工控產(chǎn)品，但其PLC高速計數(shù)器的計數(shù)頻率一般在200kHz以下，在應(yīng)用中需要配置復(fù)雜的硬件電路，在軟件方面需要采取分頻、中斷等技術(shù)措施，很難滿足水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)對機(jī)組和電網(wǎng)頻率測量的要求。臺達(dá)PLC針對水力發(fā)電系統(tǒng)對頻率測量精度要求極高的特點(diǎn)，配備了10MHz的測頻卡，可直接測量出被測信號的周期，很好地滿足了水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的需要。
2 臺達(dá)PLC的主要技術(shù)特點(diǎn)
（1）高速運(yùn)算處理芯片（ASIC）設(shè)計架構(gòu)
采用CPU+ASIC雙處理器，分工運(yùn)算處理，基本指令速度可達(dá)0.24ms，I/O數(shù)據(jù)模塊更新接口，不占用程序掃描時間，并內(nèi)置多組外部中斷功能。
（2）通訊能力強(qiáng)
內(nèi)置了兩個串聯(lián)通訊口，除可以同時與PC、HMI通訊外，提供了便于與RS232或485通訊接口的Modbus串聯(lián)通訊的指令，該指令提供了ASCII及RTU兩種模式，使用者只要依據(jù)指令格式中的站號、裝置的參數(shù)地址及讀寫數(shù)據(jù)，無須了解通訊協(xié)定的格式，更不用編寫復(fù)雜的校驗(yàn)碼計算程序。
（3）易于增設(shè)特殊功能
為主機(jī)配備了許多功能硬件卡，只需要在主機(jī)功能模塊上插入該卡板就可以增加主機(jī)的功能，卡板有通訊、模擬量或開關(guān)量輸出輸入、測頻卡板，以及嵌入式數(shù)據(jù)設(shè)定顯示器等。
（4）強(qiáng)大的PLC網(wǎng)絡(luò)能力
只要將寫入及讀出的參數(shù)地址及長度填入特殊寄存器內(nèi)，不用編寫通訊程序，主站會自動與各站繼續(xù)數(shù)據(jù)交換，從站最多可達(dá)16站，它不僅與PLC，還包括與臺達(dá)機(jī)電控制產(chǎn)品，如變頻器、溫控器或伺服驅(qū)動器等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，具有串聯(lián)通訊協(xié)議的裝置。
（5）最佳性價比。
主機(jī)點(diǎn)數(shù)最大可到80點(diǎn)，擴(kuò)展點(diǎn)數(shù)為8、16、32、48，最大輸出輸入點(diǎn)數(shù)達(dá)到512點(diǎn)，程序容量15872步，數(shù)據(jù)寄存器10000個，內(nèi)置PLCLINK、定位控制、通訊控制等多種便利指令。
3 調(diào)速器主要功能
基于臺達(dá)小型可編程控制器研制的水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)以下功能：
（1）自適應(yīng)閉環(huán)開機(jī)及快速同期并網(wǎng)控制；
（2）補(bǔ)償PID＋PWM多點(diǎn)偏差增益調(diào)節(jié)；
(3) 頻率測量分辨率為0.00025Hz；
(4) 轉(zhuǎn)速控制、開度控制及功率控制，并滿足一次調(diào)頻的要求；
(5) 自動、機(jī)手動、機(jī)械手動運(yùn)行方式，互為跟蹤、無擾切換；
(6) 全數(shù)字綜合放大輸出控制；
(7) PLC內(nèi)部模件及外部接口信號故障的自診斷、錄波、事件記錄功能；
(8) 采用觸摸屏作為人機(jī)對話平臺，能夠?qū)崟r顯示和修改運(yùn)行及調(diào)節(jié)參數(shù)；
(9) 內(nèi)置調(diào)速器靜、動態(tài)所有試驗(yàn)功能的輔助功能；
(10) 可方便地與上位機(jī)進(jìn)行通訊以及Modbus協(xié)議與其它設(shè)備的通訊。
特別是滿足了水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)對機(jī)組和電網(wǎng)頻率測量的要求。
臺達(dá)PLC測頻卡有兩個獨(dú)立的測頻回路，機(jī)組、電網(wǎng)信號經(jīng)隔離整形后送至測頻卡輸入端，由計數(shù)其分別對其計數(shù)，不需要編程就可以直接讀出機(jī)組和電網(wǎng)頻率的測量結(jié)果，無須對PLC內(nèi)部特殊單元進(jìn)行任何設(shè)置。測頻卡內(nèi)部時鐘為10MHz，當(dāng)被測頻率為50Hz時，測頻卡內(nèi)部計數(shù)值為200000個脈沖， 脈沖分辨率為5*10-6，被測頻率的分辨率為0.00025Hz。
在空載運(yùn)行時，自動處于“跟蹤”工況，頻差△f(k)=f網(wǎng)—f機(jī)，在電網(wǎng)頻率不正?；颉安桓櫋惫r，頻差 △f(k)=f給—f機(jī)，其中：f給 為機(jī)內(nèi)頻率給定，f機(jī) 為機(jī)組頻率，f網(wǎng) 為電網(wǎng)頻率。
4 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行流程
調(diào)速系統(tǒng)的主要程序流程如圖2所示。系統(tǒng)有以下主要子程序：上電運(yùn)行狀態(tài)分析辨識、事件記錄、空載運(yùn)行、模擬量采集、內(nèi)置試測驗(yàn)及測試、負(fù)載運(yùn)行、機(jī)組和網(wǎng)頻測量、電手動運(yùn)行、PID計算、空載開度和負(fù)載開限計算、機(jī)手動運(yùn)行、發(fā)電轉(zhuǎn)調(diào)相、診斷與報警、停機(jī)備用、調(diào)相運(yùn)行、故障錄波、閉環(huán)開機(jī)過程和調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)電等17個子程序。
由電廠操作回路發(fā)出的開關(guān)量指令經(jīng)輸入模塊送至PLC的CPU模塊，當(dāng)PLC掃描到這個指令則執(zhí)行相應(yīng)的控制，并且將運(yùn)算、處理后的結(jié)果，經(jīng)綜合放大輸出至控制機(jī)械液壓隨動系統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換組件以控制水輪機(jī)組導(dǎo)水葉的開度，達(dá)到控制機(jī)組轉(zhuǎn)速或者負(fù)荷的目的。系統(tǒng)提供了合適的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件去完成規(guī)定的工作。軟件按模塊化設(shè)計，并允許從規(guī)定的程序接口設(shè)備去改變程序運(yùn)行方式或控制參數(shù)。軟件使用方便，維護(hù)容易，并使用戶能通過PC機(jī)對軟件程序進(jìn)行檢查調(diào)整，重新配置和開發(fā)程序軟件采用模塊化設(shè)計方法，由于采用通用的梯形圖邏輯編程方法，使用方便，維護(hù)容易。
調(diào)速系統(tǒng)軟件采用模塊化方法設(shè)計，由多個運(yùn)行工況子程序和通用程序組成常駐運(yùn)行程序和過程程序，常駐運(yùn)行程序由外部條件經(jīng)過一個過程程序到另一個常駐運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工況的轉(zhuǎn)換。另外配備了一個斷電保持的數(shù)據(jù)寄存器區(qū)存放調(diào)速器的各種參數(shù)和機(jī)組的參數(shù)，對每個輸入開關(guān)量進(jìn)行數(shù)字濾波，對測頻和A/D轉(zhuǎn)換采用逐次逼近方式。
用戶能通過計算機(jī)對軟件程序進(jìn)行閱讀和檢查，不需修改程序，只需根據(jù)實(shí)際情況改變數(shù)據(jù)寄存器區(qū)的內(nèi)容，就可以進(jìn)行日常的維護(hù)、檢修和調(diào)試。
5 結(jié)束語
上述討論的水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，由于充分利用了臺達(dá)小型可編程控制器在高速運(yùn)算處理芯片（ASIC）設(shè)計架構(gòu)、通訊能力強(qiáng)、易于增設(shè)特殊功能、強(qiáng)大的PLC網(wǎng)絡(luò)能力、高性價比等方面的優(yōu)勢，可完全滿足水電機(jī)組和電網(wǎng)對調(diào)速系統(tǒng)的要求。
關(guān)鍵詞：可編程控制器 智能測頻 水輪機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)
Abstract: The water-wheel machine is a key device of waterpower. Its speed regulating system plays an important rule for generating electricity, specially it has important infection in frequency. Based on the characteristic of minitype programmable logic controller of Delta company, the paper discussed the application of Delta PLC in speed regulating system for water wheel machine.
Key Words: Programmable logic controller Intelligent measuring frequency Water-wheel machine
Speed regulating system
[中圖分類號] TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] B 文章編號
1 引 言
臺達(dá)EH系列可編程控制器是由臺灣臺達(dá)電子公司生產(chǎn)，由中達(dá)電通股份有限公司負(fù)責(zé)在中國大陸推廣應(yīng)用。它具有可靠性高、易于擴(kuò)展、運(yùn)算能力強(qiáng)、實(shí)時性好、編程方便等特點(diǎn)。目前國內(nèi)水電調(diào)速控制系統(tǒng)一般采用國外小型PLC、PCC以及IPC等工控產(chǎn)品，但其PLC高速計數(shù)器的計數(shù)頻率一般在200kHz以下，在應(yīng)用中需要配置復(fù)雜的硬件電路，在軟件方面需要采取分頻、中斷等技術(shù)措施，很難滿足水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)對機(jī)組和電網(wǎng)頻率測量的要求。臺達(dá)PLC針對水力發(fā)電系統(tǒng)對頻率測量精度要求極高的特點(diǎn)，配備了10MHz的測頻卡，可直接測量出被測信號的周期，很好地滿足了水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的需要。
2 臺達(dá)PLC的主要技術(shù)特點(diǎn)
（1）高速運(yùn)算處理芯片（ASIC）設(shè)計架構(gòu)
采用CPU+ASIC雙處理器，分工運(yùn)算處理，基本指令速度可達(dá)0.24ms，I/O數(shù)據(jù)模塊更新接口，不占用程序掃描時間，并內(nèi)置多組外部中斷功能。
（2）通訊能力強(qiáng)
內(nèi)置了兩個串聯(lián)通訊口，除可以同時與PC、HMI通訊外，提供了便于與RS232或485通訊接口的Modbus串聯(lián)通訊的指令，該指令提供了ASCII及RTU兩種模式，使用者只要依據(jù)指令格式中的站號、裝置的參數(shù)地址及讀寫數(shù)據(jù)，無須了解通訊協(xié)定的格式，更不用編寫復(fù)雜的校驗(yàn)碼計算程序。
（3）易于增設(shè)特殊功能
為主機(jī)配備了許多功能硬件卡，只需要在主機(jī)功能模塊上插入該卡板就可以增加主機(jī)的功能，卡板有通訊、模擬量或開關(guān)量輸出輸入、測頻卡板，以及嵌入式數(shù)據(jù)設(shè)定顯示器等。
（4）強(qiáng)大的PLC網(wǎng)絡(luò)能力
只要將寫入及讀出的參數(shù)地址及長度填入特殊寄存器內(nèi)，不用編寫通訊程序，主站會自動與各站繼續(xù)數(shù)據(jù)交換，從站最多可達(dá)16站，它不僅與PLC，還包括與臺達(dá)機(jī)電控制產(chǎn)品，如變頻器、溫控器或伺服驅(qū)動器等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，具有串聯(lián)通訊協(xié)議的裝置。
（5）最佳性價比。
主機(jī)點(diǎn)數(shù)最大可到80點(diǎn)，擴(kuò)展點(diǎn)數(shù)為8、16、32、48，最大輸出輸入點(diǎn)數(shù)達(dá)到512點(diǎn)，程序容量15872步，數(shù)據(jù)寄存器10000個，內(nèi)置PLCLINK、定位控制、通訊控制等多種便利指令。
3 調(diào)速器主要功能
基于臺達(dá)小型可編程控制器研制的水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)以下功能：
（1）自適應(yīng)閉環(huán)開機(jī)及快速同期并網(wǎng)控制；
（2）補(bǔ)償PID＋PWM多點(diǎn)偏差增益調(diào)節(jié)；
(3) 頻率測量分辨率為0.00025Hz；
(4) 轉(zhuǎn)速控制、開度控制及功率控制，并滿足一次調(diào)頻的要求；
(5) 自動、機(jī)手動、機(jī)械手動運(yùn)行方式，互為跟蹤、無擾切換；
(6) 全數(shù)字綜合放大輸出控制；
(7) PLC內(nèi)部模件及外部接口信號故障的自診斷、錄波、事件記錄功能；
(8) 采用觸摸屏作為人機(jī)對話平臺，能夠?qū)崟r顯示和修改運(yùn)行及調(diào)節(jié)參數(shù)；
(9) 內(nèi)置調(diào)速器靜、動態(tài)所有試驗(yàn)功能的輔助功能；
(10) 可方便地與上位機(jī)進(jìn)行通訊以及Modbus協(xié)議與其它設(shè)備的通訊。
特別是滿足了水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)對機(jī)組和電網(wǎng)頻率測量的要求。
臺達(dá)PLC測頻卡有兩個獨(dú)立的測頻回路，機(jī)組、電網(wǎng)信號經(jīng)隔離整形后送至測頻卡輸入端，由計數(shù)其分別對其計數(shù)，不需要編程就可以直接讀出機(jī)組和電網(wǎng)頻率的測量結(jié)果，無須對PLC內(nèi)部特殊單元進(jìn)行任何設(shè)置。測頻卡內(nèi)部時鐘為10MHz，當(dāng)被測頻率為50Hz時，測頻卡內(nèi)部計數(shù)值為200000個脈沖， 脈沖分辨率為5*10-6，被測頻率的分辨率為0.00025Hz。
在空載運(yùn)行時，自動處于“跟蹤”工況，頻差△f(k)=f網(wǎng)—f機(jī)，在電網(wǎng)頻率不正?；颉安桓櫋惫r，頻差 △f(k)=f給—f機(jī)，其中：f給 為機(jī)內(nèi)頻率給定，f機(jī) 為機(jī)組頻率，f網(wǎng) 為電網(wǎng)頻率。
4 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行流程
調(diào)速系統(tǒng)的主要程序流程如圖2所示。系統(tǒng)有以下主要子程序：上電運(yùn)行狀態(tài)分析辨識、事件記錄、空載運(yùn)行、模擬量采集、內(nèi)置試測驗(yàn)及測試、負(fù)載運(yùn)行、機(jī)組和網(wǎng)頻測量、電手動運(yùn)行、PID計算、空載開度和負(fù)載開限計算、機(jī)手動運(yùn)行、發(fā)電轉(zhuǎn)調(diào)相、診斷與報警、停機(jī)備用、調(diào)相運(yùn)行、故障錄波、閉環(huán)開機(jī)過程和調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)電等17個子程序。
由電廠操作回路發(fā)出的開關(guān)量指令經(jīng)輸入模塊送至PLC的CPU模塊，當(dāng)PLC掃描到這個指令則執(zhí)行相應(yīng)的控制，并且將運(yùn)算、處理后的結(jié)果，經(jīng)綜合放大輸出至控制機(jī)械液壓隨動系統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換組件以控制水輪機(jī)組導(dǎo)水葉的開度，達(dá)到控制機(jī)組轉(zhuǎn)速或者負(fù)荷的目的。系統(tǒng)提供了合適的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件去完成規(guī)定的工作。軟件按模塊化設(shè)計，并允許從規(guī)定的程序接口設(shè)備去改變程序運(yùn)行方式或控制參數(shù)。軟件使用方便，維護(hù)容易，并使用戶能通過PC機(jī)對軟件程序進(jìn)行檢查調(diào)整，重新配置和開發(fā)程序軟件采用模塊化設(shè)計方法，由于采用通用的梯形圖邏輯編程方法，使用方便，維護(hù)容易。
調(diào)速系統(tǒng)軟件采用模塊化方法設(shè)計，由多個運(yùn)行工況子程序和通用程序組成常駐運(yùn)行程序和過程程序，常駐運(yùn)行程序由外部條件經(jīng)過一個過程程序到另一個常駐運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工況的轉(zhuǎn)換。另外配備了一個斷電保持的數(shù)據(jù)寄存器區(qū)存放調(diào)速器的各種參數(shù)和機(jī)組的參數(shù)，對每個輸入開關(guān)量進(jìn)行數(shù)字濾波，對測頻和A/D轉(zhuǎn)換采用逐次逼近方式。
用戶能通過計算機(jī)對軟件程序進(jìn)行閱讀和檢查，不需修改程序，只需根據(jù)實(shí)際情況改變數(shù)據(jù)寄存器區(qū)的內(nèi)容，就可以進(jìn)行日常的維護(hù)、檢修和調(diào)試。
5 結(jié)束語
上述討論的水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，由于充分利用了臺達(dá)小型可編程控制器在高速運(yùn)算處理芯片（ASIC）設(shè)計架構(gòu)、通訊能力強(qiáng)、易于增設(shè)特殊功能、強(qiáng)大的PLC網(wǎng)絡(luò)能力、高性價比等方面的優(yōu)勢，可完全滿足水電機(jī)組和電網(wǎng)對調(diào)速系統(tǒng)的要求。
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