核工業(yè)西南物理研究院 游天雪、黃昭榮、李志建

本文闡述了滑差調(diào)節(jié)器的作用和工作原理，滑差調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備，滑差調(diào)節(jié)器的PLC控制。重點(diǎn)講述了事故保護(hù)和調(diào)試過程中對實(shí)際問題的解決。該設(shè)備在核工業(yè)西南物理研究院的HL-2A磁約束等離子體實(shí)驗(yàn)裝置的1^#、2^#電動(dòng)機(jī)－飛輪－交流脈沖發(fā)電機(jī)組中得到應(yīng)用，在機(jī)組起動(dòng)過程中，使電動(dòng)機(jī)定子電流的穩(wěn)定度達(dá)到１％以下。整個(gè)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，完全滿足設(shè)計(jì)和實(shí)際使用要求。

關(guān)鍵詞：滑差調(diào)節(jié)器 PLC 程序設(shè)計(jì)

Program design of control system for the liquid

slip regulator based on programmable logic

controller

The hardware of the liquid slip regulator is introduced. The software based on PLC is described in detail. The technological problems of this controller in application are also pointed out. The stator current of the motor has little change throughout whole starting process .The on-site test results of this controller show that this controller has good performance and meets completely the need of the operation.

Keywords: The liquid slip regulator PLC Program design

1 滑差調(diào)節(jié)器的作用和工作原理

HL-2A托卡馬克是我國的一個(gè)大型核聚變研究實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置的供電系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)－飛輪－交流脈沖發(fā)電機(jī)組經(jīng)過變壓器和晶閘管變流器對負(fù)載線圈供電。對于這樣的供電系統(tǒng)，若采用直接由電網(wǎng)供電的方式會(huì)對電網(wǎng)造成巨大的沖擊和產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁污染。因此，我們采用了國際上普遍的做法，利用裝置的脈沖工作制，采取自電網(wǎng)取能經(jīng)電動(dòng)交流脈沖飛輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行隔離、能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、功率放大和釋能的供電方式。也就是采用兩套90MVA交流飛輪發(fā)電機(jī)組（以下簡稱發(fā)電機(jī)組或機(jī)組）對該實(shí)驗(yàn)裝置脈沖供電。整個(gè)機(jī)組由2500kW繞線式異步電動(dòng)機(jī)、90噸飛輪、90MVA發(fā)電機(jī)組成。其工作原理是通過6000V電網(wǎng)供電給電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)飛輪和發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并達(dá)到電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速1477r.p.m，之后自由加速。這時(shí)在勵(lì)磁機(jī)的作用下，發(fā)電機(jī)將儲(chǔ)存于飛輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芄?span lang="EN-US">HL-2A裝置放電使用。

實(shí)驗(yàn)裝置中，液體轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)器（即滑差調(diào)節(jié)器）主要起兩方面的作用。一、實(shí)現(xiàn)兩套機(jī)組的起動(dòng)過程。當(dāng)機(jī)組經(jīng)過盤車到轉(zhuǎn)速12 r.p.m時(shí)，接入6000V電網(wǎng)的真空開關(guān)合閘，滑差調(diào)節(jié)器投入工作。隨后通過調(diào)節(jié)滑差調(diào)節(jié)器中活動(dòng)電極的高度使具有280t-m²飛輪矩的機(jī)組恒電流（I=230A）加速到額定轉(zhuǎn)速1477r.p.m，然后自由加速。二、實(shí)現(xiàn)機(jī)組的調(diào)速。當(dāng)脈沖發(fā)電機(jī)要給實(shí)驗(yàn)裝置脈沖供電時(shí)，整個(gè)裝置的實(shí)驗(yàn)放電對于2500kW的電動(dòng)機(jī)而言是一個(gè)很大的脈沖負(fù)載，迫使機(jī)組的轉(zhuǎn)速下降，機(jī)組釋放出飛輪儲(chǔ)存的機(jī)械能，幫助電動(dòng)機(jī)克服尖峰負(fù)荷。為了保護(hù)電動(dòng)機(jī)以及減少電動(dòng)機(jī)脈沖工作時(shí)對電網(wǎng)的沖擊，在裝置的實(shí)驗(yàn)放電之前，必須在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串入一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮瑁簿褪菍⒒顒?dòng)電極提高到合適的高度（如圖1中KB所示）。當(dāng)實(shí)驗(yàn)放電完成之后，通過調(diào)節(jié)活動(dòng)電極的高度使機(jī)組電流（I=230A）恒定，再加速到額定轉(zhuǎn)速1477r.p.m，然后自由加速。如此重復(fù)調(diào)速過程，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

２滑差調(diào)節(jié)器控制的硬件設(shè)備

圖1 滑差調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備

滑差調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示,它主要由電流比為400/5A的LQJ-10型電流互感器（圖中101HL）、電流變送器、PID反饋控制調(diào)節(jié)板、穩(wěn)壓電源、PLC組成。其中的PLC采用的是日本三菱公司生產(chǎn)的FX-80MR型可編程序控制器，該PLC具有40個(gè)輸入點(diǎn)、40個(gè)輸出點(diǎn)，其CPU、RAM、通信功能等集成于一體，可擴(kuò)展ROM，通過手持編寫器可方便地輸入和更改程序，也可通過加密碼來保證程序的安全。

電流變送器將電流傳感器輸出的二次電流變換為直流電壓輸出。PID反饋控制調(diào)節(jié)板將給定值和電流變送器的輸出信號相比較，通過PID控制直流調(diào)速電源的輸出，從而控制電極提升電機(jī)的轉(zhuǎn)速使液體電阻的活動(dòng)電極隨定子電流的變化而變化。整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在電極下降過程中，當(dāng)定子電流大于或等于230A時(shí)，活動(dòng)電極靜止；當(dāng)定子電流小于230A時(shí)，活動(dòng)電極下降，并且隨著定子電流的減小，活動(dòng)電極的下降速度也變快。

3 滑差調(diào)節(jié)器的PLC控制

3.1 滑差調(diào)節(jié)器的PLC控制概述

滑差調(diào)節(jié)器的PLC控制按照技術(shù)要求完成了對整個(gè)滑差調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的控制。其中包括控制兩套機(jī)組的分時(shí)起動(dòng)、分時(shí)再加速；對電極提升高度進(jìn)行檢測；與外界通信；對堿液循環(huán)泵進(jìn)行過負(fù)荷、電源缺相的保護(hù)；對電極提升電機(jī)進(jìn)行過負(fù)荷、勵(lì)磁電流的欠流保護(hù)；對堿液進(jìn)行溫度監(jiān)控等。

滑差調(diào)節(jié)器的PLC控制，利用了PLC的輸入/輸出繼電器、輔助繼電器、定時(shí)器，采用了串聯(lián)電路塊的并聯(lián)與多重輸出電路等方法，完成了模塊化的程序設(shè)計(jì)。每一模塊獨(dú)立完成一項(xiàng)具體任務(wù)。整個(gè)程序流程圖如圖2所示。程序的PLC梯形圖如圖3所示。

圖2 滑差調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的程序流程圖

圖3 滑差調(diào)節(jié)器程序梯形圖

3.2 滑差調(diào)節(jié)器的PLC控制方式

該PLC控制系統(tǒng)為了滿足調(diào)試和實(shí)驗(yàn)兩方面的要求，設(shè)計(jì)了就地控制和遠(yuǎn)程控制兩套方案。當(dāng)調(diào)試時(shí)，采用就地控制方案。當(dāng)進(jìn)行聚變反應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用遠(yuǎn)程控制方案。

按照電機(jī)機(jī)組起動(dòng)的技術(shù)要求，當(dāng)1^#機(jī)組起動(dòng)或再加速完畢，2^#機(jī)組才能進(jìn)行起動(dòng)或再加速過程。而對于1^#、2^#機(jī)組的提電極過程需要同時(shí)進(jìn)行。該PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)完全滿足了上述技術(shù)要求。

該PLC控制系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了滑差調(diào)節(jié)器部分的相對獨(dú)立以及與裝置其他部分的協(xié)調(diào)合作。當(dāng)進(jìn)行滑差調(diào)節(jié)器內(nèi)部自檢工作時(shí)，通過PLC程序斷開滑差調(diào)節(jié)器部分與外界的通信，避免了與外部設(shè)備間的相互干擾。當(dāng)進(jìn)行聚變反應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，又通過PLC程序接通滑差調(diào)節(jié)器部分與外界的通信。此時(shí)，對于中心控制室的輸入信號，通過PLC編程控制相應(yīng)按鈕及指示燈的互鎖來確保提電極和再加速信號的準(zhǔn)確、無誤；對于輸出信號，通過獨(dú)立的繼電器觸點(diǎn)給出信號，避免了外部設(shè)備的干擾。以上所述都是通過PLC編程配上轉(zhuǎn)換開關(guān)來切換和實(shí)現(xiàn)的。

3.3 滑差調(diào)節(jié)器的事故保護(hù)

當(dāng)2500kW電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路的電流過大時(shí)，循環(huán)堿液溫度過高，以至冷卻循環(huán)水無法帶走轉(zhuǎn)子回路釋放的多余熱量，此時(shí)通過溫度傳感器、PLC以及電鈴，發(fā)出報(bào)警；當(dāng)堿液溫度達(dá)到70℃時(shí)，該控制系統(tǒng)的熱繼電器動(dòng)作，整個(gè)機(jī)組停止起動(dòng)。

當(dāng)電極提升電機(jī)或堿液循環(huán)泵過熱時(shí)，相應(yīng)的熱繼電器動(dòng)作，整個(gè)機(jī)組也將停止起動(dòng)。

3.4 實(shí)際問題的解決

由于滑差調(diào)節(jié)器的控制在最初設(shè)計(jì)時(shí)，只考慮了當(dāng)真空開關(guān)合閘，手動(dòng)按動(dòng)控制活動(dòng)電極下降的按鈕一次后，電極自動(dòng)下降一種方案，當(dāng)調(diào)試時(shí)，這一方案突然失靈。為了能夠?qū)Ω哆@種突發(fā)事件，以及更進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，該控制系統(tǒng)補(bǔ)充了兩種方案與已有方案并存。第一種方案實(shí)現(xiàn)了當(dāng)真空開關(guān)合閘，滑差調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入活動(dòng)電極下降程序。第二種方案考慮了意外情況，對電機(jī)的下降完全采用手動(dòng)下降操作。

真空開關(guān)合閘瞬間，機(jī)組的一次回路中的電流從0開始上升，這時(shí)如果使電流變送器動(dòng)作，PID模塊接收到的電流信號將從0開始上升，這樣經(jīng)過PID算法，測量值遠(yuǎn)小于給定值，使得滑差調(diào)節(jié)器的活動(dòng)電極急速下降，這是一種嚴(yán)重的誤動(dòng)作。為了躲過一次回路中電流上升這一暫態(tài)過程，滑差調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)利用了PLC的定時(shí)器延時(shí)5秒使電流變送器動(dòng)作。

4 總結(jié)

我們所設(shè)計(jì)的基于PLC的滑差調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)經(jīng)歷了HL-2A裝置運(yùn)行實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)記錄表明在機(jī)組的整個(gè)起動(dòng)和再加速過程中，繞線式異步電動(dòng)機(jī)定子電流的穩(wěn)定度達(dá)到1%以下,滿足了實(shí)驗(yàn)的要求。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所繪出的2500kW電動(dòng)機(jī)定子電流與時(shí)間關(guān)系圖如圖5。從圖中可見，發(fā)電機(jī)組在剛

起動(dòng)期間，起動(dòng)電流以低于設(shè)定電流值（230A）

圖5 發(fā)電機(jī)組電動(dòng)機(jī)定子電流與時(shí)間關(guān)系圖

開始上升并超過設(shè)定值，然后才緩慢降到設(shè)定值。對上述現(xiàn)象的解釋如下：起動(dòng)開始時(shí)繞線式異步電動(dòng)機(jī)的繞組阻礙了起動(dòng)電流的增大，因此機(jī)組起動(dòng)的最初一段時(shí)間，起動(dòng)電流經(jīng)歷了上升的暫態(tài)過程。為躲過這一暫態(tài)過程，前邊所述的PLC定時(shí)器延時(shí)5秒所選時(shí)間太長，致使起動(dòng)電流超過了設(shè)定值，然后才在PID反饋控制的作用下緩慢下降到設(shè)定值。因此，我們需要進(jìn)一步的調(diào)試或計(jì)算來得到PLC定時(shí)器的準(zhǔn)確延時(shí)值。

5 結(jié)束語

HL-2A裝置的滑差調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是在經(jīng)費(fèi)不充裕的條件下完成的，因此，沒有考慮它的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示以及觸摸屏方式。希望在條件合適的時(shí)候，我們設(shè)計(jì)的該控制系統(tǒng)能夠在這兩方面得到改進(jìn)。

參 考 文 獻(xiàn)

張繼和、張潤敏、梁海峰編 《電機(jī)控制與供電基礎(chǔ)》 四川?。何髂辖煌ù髮W(xué)出版社 2000