PLC在水轮机中的应用论文.docx

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PLC在水轮机中的应用论文

PLC在水轮机中的应用论文

学院

毕业论文（设计）

题目：

PLC在水轮机中的应用

姓名

系别信息工程系

专业电气自动化技术

班级电气自动化技术08-2

指导教师

2011年6月1日

毕业论文（设计）成绩评定表

学生

姓名

郑晓燕

学号

0803042336

班级名称

电气自动化技术08-2

毕业论文（设计）

课题名称

PLC在水轮机中的应用

指导教师评语（应包括选题是否恰当、是否理论联系实际、论点是否正确、论证是否充分、语言是否通顺、结构是否合理、行文是否规范）：

成绩：

指导教师签名：

年月日

系学术委员会意见（同意给优、良、及格、不及格等次）

系主任签名：

年月日

PLC在水轮机中的应用

作者:

郑晓燕

内容摘要:

本文重点讨论了PLC在水轮机系统设计中的应用。

且具有很好的控制性能。

由于PLC微机调速器具有可靠性高、使用和编程方便、与其它装置接口和通信容易、性能优良标准化、系列化、应用广泛和技术新等特点,在水轮机调速器中得到广泛应用,以PLC为核心的微机调速器已成为我国当前水轮机微机调速器的主导产品。

随着计算机网络技术以及现场总线技术的发展,处于现场控制设备层的PLC水轮机微机调速器与上位机监控系统之间的通信也越来越方便和高效,所以在国内外，有很多公司和生产厂生产这种调节器，他们采用的总体框架、机电转换只要把控制程序调速器作相应的修改，即可实现控制运转目的。

关键词：

PLC调速器测频

1.引言……………………………………………………………..

2.水轮机双调整调节系统………………………………….

（1）PLC水轮机微机调速器的总体结构………………

（2）典型PLC水轮机微机调速器结构…………………..

（3）本文采用的水轮机微机调速器结构形式………..

3.导叶和桨叶控制…………………………………………

4.微机调节器的自动调节模式………………………………..

5.微机调节器的自动调节模式…………………………………………

（1）测频原理

（2）减少误差的措施

（3）微机调节器

6.可编程控制在水轮机中的作用…………………………………………

7.参考文献…………………………………………………………………..

8.设计总结…………………………………………………………………….

引言

目1993年以来，以可编程控制器（PLC）作为微机调速器硬件和软件核心的水轮机微机调速器已在国内外600台大、中、小型水轮机组上运行，且具有很好的控制性能。

由于PLC微机调速器具有可靠性高、使用和编程方便、与其它装置接口和通信容易、性能优良等优点，深受水电站技术人员、维修人员的欢迎。

所以在国内外，有很多公司和生产厂生产这种调节器，他们采用的总体框架、机龟转换装置、机械液压系统各有自己的特点。

PLC在水轮机中的应用

2.1水轮机双调整调节系统

水轮机双调整调节系统是由水轮机控制设备和被控系统组成的闭环系统。

转

桨式水轮发电机组、引水及泄水系统及其所并入的电网称为水轮机双调整调节系

统中的被控系统：

用来检测被控参量与给定值的偏差，并将其按一定特性转换成

接力器开度偏差的一些装置组合，称为水轮机控制设备。

为了提高机组效率，采用转桨式双重调节的水轮机，对这类水轮机的调速器

来说，它需要两套控制系统，一套用于控制导叶开度，另一套用于控制桨叶开度，在正常运行时，两者按照一定协联关系协同动作，使系统始终工作在高效率区。

而在开机、停机以及甩大负荷时，由于轴向水推力的原因，需要破坏这种协联关

系，从而保证系统的安全运行。

它与其它调节系统相比较具有以下特点：

（1）调节器的操作功必须足够，所以需要液压系统驱动；

（2）水轮机调节系统易产生过调节，所以不易稳定；

（3）水击的反调效应使系统的动态特性更加恶化，使系统更难以控制：

（4）具有导叶和桨叶两套控制系统，系统控制更加复杂。

本文所设计的基于PLC双调整调速器在控制器、随动系统等方面进行一些改

进，使得该调速器具有操作可靠性高，在各种工况下系统易于稳定等特点。

2.1.1PLC水轮机微机调速器的总体结构

PLC水轮机微机调速器的总体结构框图见图，原则上它也适用于一般的水轮机微机调速器。

按照一般的划分，水轮机微机调速器可看成由微机调节器和机械液压系统组成。

将电气或数字信号转换成机械液压信号和将机械液压信号转换成电气或数字信号的装置，称为机电转换装置。

它在很大程度上影响到调速器的性能和可靠性。

在图中，将机电转换装置单独表示出来，与微机调节器和机械液压系统一起，作为总体结构的3个组成部分之一，双调整调速器具有两套电／机转换装置和机械液压系统，一套用于导叶控制，一套用于桨叶控制。

其框图结构特点如下：

（1）前向通道

如图所示，前向通道是图中由左至右的控制信息的传递通道，是任何一种结构的调速器必须具备的主通道，它包括通道u/N、通道yl和通道y。

通道u/N是微机（PLC）调节器的输出通道，它的输出可以是电气量u，也可以是数字量N。

u/N信号送到电／机转换装置作为其输入信号。

通道y堤电／机转换装置的前向输出通道，它输出的主要是机械位移，也可以是液压信号，是机械液压系统的输入控制信号。

通道y是机械液压系统的输出通道，它输出的是接力器的位移，也是调速器的输出信号。

o

（2）反馈通道

反馈通道是指与前向通道信息传递方向相反的通道，由图可以清楚地看出，可能的反馈通道有2-1、3一l、2-2、3-2和3-3。

例如，反馈通道3-1是接力器位移y经过电／机转换装置转换为电气量或数字量，再送给微机（PLC）调节器作为反馈信号的通道。

（3）综合比较点

综合比较点是系统中前向通道和反馈通道信息的汇合点。

图绘出了分别位于微机（PLC）调节器、机／电转换装置和机械液压系统中的3个比点：

Al、A2、A3。

在一般情况下Al是数字量综合比较点，A2是电气量综合比较点，A3是机械量综合比较点。

（4）微机调节器（PLC）

这部分是实现基本控制和先进控制算法的核心，一般为单片机、PLC、PCC、

IPC等，其输出信号为控制机械液压系统的控制量。

本文采用以三菱公司的

FX：

。

-64MT型号的PLC为控制核心，输出控制量是伺服电机的旋转方向和控制伺服电机的旋转速度的控制信号。

（5）机电转换装置

机电转换装置主要有以下两种情况：

将电气或者数字信号转换成机械液压信号的装置；将机械液压信号转换成电气或者数字信号的装置。

本论文主要涉及到的是通过伺服电机将电气和数字信号转换成机械位移量和通过旋转编码器将机械位移量转换成电气信号和数字信号反馈给可编程调节器。

（6）机械液压系统

本文主要讨论电气控制部分和机电转换部分，机械液压系统不是本论文的重点，在此不做详细的介绍，其原理框图见图。

2.1.2典型PLC水轮机微机调速器结构

按照上图所示，采用不同的机电转换装置，可以构成多种调速器。

但大体上主要有以下两种经典机构：

（1）电液转换器，电液随动系统型该系统结构图见图，它具有以下几个特点：

1）具有PLC微机调节器输出模拟电压O～lOV（或其它的设计范围），在图中以u表示，u是PLC微机调节器的气接力器的符号。

转换驱动环节是数／模转换（D/A）。

2）具有机电转换装置。

这种装置可完成电气信号至机械信号的转换，称为电液转换器。

常用的有环喷式电液转换器和双锤式电液转换器等。

其控制参数为：

±IOV和200mA；有专用的交流震荡线圈，介入交流信号后，可使死区减少；可以完成机械液压信号到电气信号的转换。

（2）电液转换器／电液执行机构型

该型号的结构图，该型号的结构图与上一种的结构图最大的区别是：

图2.4所示的系统结构图采用数字综合比较点Al作为系统的主要综合比较点。

因此，系统的机电转换装置与机械液压系统一起，是电液执行机构。

PLC微机调节器中的“放大和教／模转换”环节起着选择放大系数和数模转换作用。

当调速器处于稳定状态时，PLC微机调节器输出信号的数值为零。

机电转换装置中的“放大器”仅对u信号起功率放大作用。

2.1.3本文采用的水轮机微机调速器结构形式

伺服式水轮机双调整调节系统是一个计算机闭环控制系统，它通过两套步进式自复电液随动系统分别控制导叶和桨叶两个执行机构，从根本上解决了电液转换器发卡引起的控制失灵等问题，简化了液压随动系统与微机调速器的接口，使调速器整机简单可靠。

对转桨式水轮机来说，桨叶调节比导叶调节较慢，桨叶调节随动于导叶调节，因此可先根据被控参量与给定值的偏差，利用控制算法求出导叶输出量，然后利用协联关系输出桨叶开度值，其中协联关系是有生产厂家设定的。

其调节模式有3种：

频率调节模式、开度调节模式和功率调节模式，运行期间可自动或手动进行切换。

基于PID控制算法的伺服式水轮机双调整系统结构图见图所示。

3.导叶和桨叶控制

水轮机调速器是由实现水轮机调节及相应控制的机构和指示仪表等组成的一套装置的总称，当前主要应用和研制的是微机调速器。

本课题采用的是转浆式结构，它可以同时控制导叶和桨叶两个机构的动作，并且在数字协联装置的作用下，使水轮机的导叶和桨叶始终工作在高效率区域。

4协联关系

转浆式水轮机采用双重调节，它能使水轮机的导叶开度和桨叶系统外负荷的增减而变化，并使导叶开度和桨叶开度之间形成最优协联关系，使得水轮机内水力损失最小，经常运行在最优工况或最优工况附近，而这种保持导叶和桨叶开度之间最优协联关系工况就称为协联工况。

在双调整调节系统中，协联关系是其主要组成部分之一。

转浆式水轮机每个桨叶开度都有与之相配合、较窄的效率曲线高效率区；而且每个桨叶开度的高效率，都有对应的导叶开度，即导叶开度和桨叶开度之间是一个一一对应的协调关系。

反映不同的水头下，导叶开度和桨叶开度之间存在不同的协调关系。

反映不同水头下导叶开度和桨叶开度之间协调关系的组合，称为协联关系。

即：

Z=，（Y，H）（Z：

桨叶开度；Y:

导叶开度；H:

水头）。

其协联关系曲线如图。

5微机调节器的自动调节模式

水轮机微机调速器有三种主要的调节模式：

频率调节模式、开度调节模式和功率调节模式，其功能及其相互之间的转换都是由微机调节器完成的。

这就要求对这三种调节模式的之间的转换有比较详细的了解，以便于软件的编程实现它们之间自动转换。

频率调节模式是机械液压调速器和大多数电气液压调速器采用的调节模式，它又称转速调节模式。

它适用于机组空载运行、机组并网或孤立电网运行、机组在并入电网以调频方式运行等方式；开度模式是一种在控水轮发电机组并入电网后采用的调节模式，它适用于机组并网运行、带基本负荷的工况：

功率调节模式也是一种在被控水轮发电机组并入电网后采用的调节模式，它适用于机组并网运行、受水电站AGC系统控制工况。

它们之间的相互转换见图2.11。

机组开关进入“空载”工况运行时，调速器在频率调节模式下工作；机组油压开关投入，并入电网工作时，调速器自动进入功率调节模式工作；机组在并入电网工作的工况下，可以人为的使用调速器工作于三种调节模中的任一模式；

调速器工作在功率调节模式时，若检查出机组功率传感器有故障，则自动换至开度调节模式下工作；调速器工作在功率调节模式或开度模式时，若电网频率偏离额定值过大，持续一段时间，则调速器自动切换至频率调节模式工作。

调节模式的约束条件如下：

（1）功率调节模式的功率偏差约束条件。

当微机调速器的功率给定值Pc与机组实际功率Pg之差的绝对值大于某一事先给定的功率偏差APn（一般取额定功率的5%）时，即认为功率超差。

当连续超差次数大于实际给定值时，调速器认为出现机组功率传感器故障，并自动切换至开度调节模式运行。

（2）功率调节模式或开度调节模式的频率偏差约束条件。

当微机调速器的机组频率fg超差（一般取fg<49,5Hz及f>50.5Hz）时，频率超差计数Cf加一。

当连续超差次数大于给定值时，调速器将自动切换到频率调节模式运行。

（3）编程时可以按照表所列内容编写各种模式下的参数跟踪程序，以保证PLC微机调速器在三种调节模式之间切换时，实现平滑无扰动切换。

5PLC测频单元

本文设计的机组频率和电网频率的测量方法，是由一些外部电路和PLC模块共同实现的。

该方案不但能准确、实时的测量静态频率和动态频率，而且加了一些防干扰措施，提高了测频单元的环境适应性。

5.1.1测频原理

基于动态测频和静态测频的原理，可以把机频和网频信号经过整形分频处理后的方波信号和计数脉冲信号相与的结果直接接入PLC的数字量输入端，具体原理图见附图B所示。

（1）机组频率的测量

FX2.PLC的CPU内置有21个高速计数器，其应答频率可达60kHz。

本文采用的4M的晶振，晶振电路产生的计数时钟CLK1与8分频后的机频信号及其反相信号相与，分别从xo，Xl输人PLC．由C235，C236进行计数。

4分频的机频信号作为中断源从X2输人PLC，4分频信号的上升沿作为C235和C236的中断信号，使高速计数器C235和C236交替计数。

动态频率测量时，X2每来一次中断，即读235、236的计数值N，则动态频率厂=（100000·4）/N。

具体原理图。

计算静态频率时，将连续的10个动态频率测量周期作为一个静态频率测量周期。

设10个连续的动态频率测量周期的计数值为NK、Nk+1Nk，则一个静态频率测量周期的计数值。

从原理上看，只需一个高速计数器对计数时钟计数即可，采用两个高速计数器处理是为了减小误差。

5.1.2减少误差的措施

机组频率测量时产生误差的原因，主要在于从收到中断信号到用户程序响应中断这段随机时间，虽然这段时间极短，但它的存在足以影响测频的精度。

因此此在硬件设计上作一些相应处理措施，可以调高测频精度。

无论是动态测频还是静态测频，都是机频整形后的方波分频信号作为中断信号，此分频方波信号正相及其反相分别和计数脉冲信号相与获得计数信号，两路计数信号分别输入到各自对应的高速计数器，计数输入端由各自对应的高速计数器独立计数，从而获得每个测量周期的计数值，经过这种处理，一旦有中断信号上升沿出现，正在进行计数的高速计数器马上停止计数，同时启动另外一个计数器工作，从而消除从中断信号产生到响应中断这段时间内的计数误差。

PLC在任何时候CPU只能执行一个中断程序，在测频过程中，有时两个中断信号沿同时出现，此时按中断优先级来执行。

由于相与后的计数信号一个周期有半个周期的低电平，在这一段高速计数器并没有计数，中断程序执行时间远远小于这半周期低电平时间，所以中断程序执行时间先后对计数值没影响，在中断程序计数值送出参于计算，由于中断程序执行时间非常短，因此对整个程序计算影响非常小，实验结果也证明了此结论。

5.1.3微机调节器

这种水轮机调速器系统结构如图所示，机械液压系统为主控制通道，通过导叶位移反馈信号构成闭环控制，调速器中仅有一级随动系统，微机调节器输出导叶所需开度值，它与当前导叶反馈值之间差值作为电气／位移转换机构输入信号。

电气／位移转换机构是将微机输出和反馈信号的差值转换成机械位移，当系统过渡过程结束后，差值信号消失，电气／位移转换装置的输入为0，其输出也将恢复到中位。

采用这种结构的水轮机调速器，基于交流伺服系统的电气／位移转换机构将有如下三种形式：

（1）交流伺服电机速度环控制方式

这种电气／位移转换结构的原理框图与此图相同，二者主要区别在于这种构输入的模拟量信号是对应的导叶应开启或关闭的程度，而并非对应导叶的开度。

（2）交流伺服电机位置环控制方式

这种电气／位移转换结构的原理框图与此图相同，二者主要区别在于这种结构输入的脉冲信号是对应的导叶开启或关闭的程度，而并非对应的导叶开度。

6可编程控制在水轮机中的作用

从1969年美国数字设备公司首先研制成功第一台可编程控制器以来，此项技术发展非常快。

进入80年代后，随着大规模和超大规模集成电路的应用，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC取得惊人发展，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用方面取得了很大的突破。

其控制功能增强，功耗，体积减少，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测灵活方便，远程I/O和通讯网络，数据处理以及图象显示的发展，已使PLC广泛应用于生产过程控制，成为实现工厂自动化的重要设备。

它具有如下几个特点：

（1）可靠性高、抗干扰能力强。

工业生产，特别是在电厂中，对控制设备的可靠性和抗干扰能力有很高的要求，它能在恶劣的环境中可靠地工作，平均无故障时间长，故障恢复时间比较短。

（2）控制程序可变，具有很好的柔性。

在生产工况改变或生产线设备更新的情况下，不必改变PLC的硬件设备，只需改变程序即可满足要求。

（3）编程简单，使用方便。

目前大多数PLC均采用类似电路图形式的梯形图编程方式，继承了传统控制线路的清晰直观，易于接受。

（4）功能完善、扩充方便、组合灵活。

PLC产品具有各种扩展单元和功能模块，可以方便应用于不同的工业控制场合，可以通过各种模块的组合实现不同控制要求。

（5）减少了控制系统的设计及施工的工作量。

由于PLC采用软件编程来达到控制功能，现场只需更改软件，工作量大为减少，且PLC监视功能很强，模块功能化大大减少了维修量。

（6）体积小、重量轻，是机电一体化的特有产品。

由于PLC是专为工业控制而设计的专用计算机，其结构紧密，坚固，体积小巧，并具备强抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化较理想的控制设备。

所以在现存的大多数水轮机调速器都是以PLC为其控制核心，尽管有新的控制设备取代PLC，但是在水轮机调速器领域，以PLC为控制核心的调速器仍将是今后一段时间的主流。

在PLC微机调速器中，确定机组（电网）频率转换系数Kf是在编制程序前必须进行的工作。

以PLC程序采用整数形式运算为例，Kf的物理概念是：

机组（电网）频率fg（fn）变化50Hz时，PLC中与其对应的反映这个频率变化的数值。

Kf值的确定既要考虑频率测量环节的实际分辨率和精度，又要考虑有关标准对水轮机调速器和水轮机调节系统的转速死区的要求。

《水轮机调速器与油压装置技术条件》中对转速死区的规定值。

实际运行中水轮机调速器的转速死区‘主要受到

下列几个因素的影响。

（1）频率测量环节的分辨率和精度；

（2）电机转换装置的死区：

（3）机械液压装置的死区。

因此，对于PLC微机调速器来说，在技术能实现的条件下，应该尽量提高其测频环节对频率的分辨率和精度。

转换系数的选择不能造成对频率分辨率的降低。

从第三章的分析可以知道，机组动态频率分辨率为0.00625Hz，静态频差采用延长测量周期的方法，分辨率有所提高，机组静态频率分辨率为0.000625Hz。

取频率转换系数为Kf=25000/50Hz，可得PLC中计算的分辨率为0.004%，以Hz计，则为0.002Hz，可以看出选用Kf=25000时，没有降低频率分辨率。

本章主要介绍了水轮机调速器主题控制框架和一些重要部分具体软件实现方法，其中重点介绍了适合于PLC的PID实现方法和具体的软件编程实例，最后介绍了协联关系在PLC中的实现方法。

水轮机调速器是水电站实现自动化的重要设备，它的好坏直接影响整个水电站的控制效果，所以对水轮机调速器的研究具有重要的现实意义和经济价值。

本文是结合长沙星特自控设备有限公司的一个项目一湖南南津渡水电站的设备改造。

由于该水电站水头比较低和水力资源受季节波动比较大，再加上原设备的技术比较落后，已经不能满足水电站的控制要求。

所以应对以上情况，本文提出采用转浆式水轮机调速器替代原有的设备。

转桨式水轮机在调节导叶机构的基础上，同时可调节转轮桨叶机构，它适用于低水头水力资源开发，有利于提高水力资源的利用率，使水轮机能够运行在较宽高效率区。

本文主要针对转桨式水轮机调节的需要，设计一种基于PLC的伺服式双调整调速器。

经过一些动态和静态实验，可以看出本设计基本满足设计的要求，并且在一些重要指标上优于国家标准。

该调速器与改造前的调速器相比具有以下优点：

（1）在水轮机微机调速系统中，频率信号是否可靠直接影响到调速器的整体可靠性。

本文根据测周法原理开发了测频电路，使用了PLC内部的高速计数器计数，不需要PLC以外的CPU，从而降低了测频外围电路的复杂性，增加了整个系统的可靠性。

在软件处理上，充分利用了PID调节各个环节的特点，采用动态频差和静态频差相结合的方法，使调速器的测频环节不但达到精度的要求，而且还具有很好的速动性。

（2）采用伺服电机作为机／电转换部件，与原有的步进电机转换部件相比，该方案克服了原系统容易出现滑步及丢步现象，并且选用的伺服电机和驱动器比原有的步进电机和驱动器，不管在控制精度上，还是抗干扰性能上都有极大的提高，所以总的来说，该方案的机／电转换部件在总体控制精度上与原有的系统相比较有极大的提高。

（3）引入了转桨式水轮机桨叶自适应控制装置，可在线进行桨叶自寻找较优的协联输出数据，确保了协联关系数据始终保持在较佳的状态，使水轮机运行在较优工况点，与仅控制导叶有很大的提高。

（4）当前，PLC是一种应用非常广泛、发展十分迅速的技术。

高可靠性、易于编程、接口方便和优越的性价比等特点，使其在水轮机微机调速器领域得到了广泛的应用。

本文采用PLC以及其它辅助功能模块，实现了微机调速器的基本功能，在仿真环境中调试效果良好。

程序采用的是模块结构，对于不同的调节对象，只需对对应模块中相应的调节子程序作简单修改即可。

参考文献

1.《可编程控制器原理及应用》

2.《工厂电气控制技术>>

3.<<自动控制原理及其应用>>

4<<电机拖动技术>>

设计总结

本课题设计的水轮机调速器，经过验证，具有很好的静态特性和动态特性。

所以对中小型水轮机调速器的改造和替换，具有一定得参考应用价值。

但是由于时间紧张和本人的水平的限制，文中难免存在不足，还需要在软件上继续完善，在整体结构上优化，合理应用分配硬件资源。

随着自适应控制、模糊控制和智能控制等现代控制策略理论的成熟，以及PLC自身运算功能的不断强大，可以考虑在PLC微机调速器中采用这些先进的策略，改善水轮机调节系统动态品质。

在后续工作中，需对电气调节器以及调速器整机进行静态、动态测试，在电站环境中进行调节系统闭环动态试验，对设计研究成果进行最终验证。