（电气工程专业论文）水轮发电机组自动化监控模拟系统的研究.pdf

水轮发电机组自动化监控模拟系统的研究 摘要 水轮发电机组作为水电站核心设备，其自动化监控系统与水电站的正 常运行密切相关。水轮发电机组运行人员的业务培训是一个难题；水轮发 电机组自动化监控也有待深入研究。水轮发电机组模拟系统可用作系统理 论研究和培训机组运行人员的业务技能。本文在对国内外水轮发电机组自 动化监控系统深入研究的基础上，结合项目自身的特点，完成了水电站仿 真培训系统中水轮发电机组开、停机自动化的设计、调试、仿真。 系统采用p l c 设备作为控制工具，m c g s 组态软件作为监控工具。在对 机组控制流程充分掌握的基础上，完成了对p l c 的选型，接点的配置，给 出了详细的机组开、停机流程图，利用梯形图和b a s ic 语言进行编程，并 模拟了水轮发电机组在工作过程中的开机、正常停机、事故停机的动作过 程和状态监测。 最后，客观地评价了该系统的各方面性z 日- , , 匕g 和不足，并对未来的发展前景 进行了展望。 关键词：水轮发电机组仿真培训p l c 组态 r e s e a r c ho nt h ea u t o m a t i cs u p e r v i s ea n d c o n t r o ls i m u l a t i o ns y s t e mo ft h e h y d r o e l e c t r i cg e n e r a t o rs e t s a b s t r a c t h y d r o e l e c t r i cg e n e r a t o rs e t s ( h g s ) a r eh a r d c o r ea p p a r a t u so ft h eh y d r o p o w e rp l a n t 砀ca u t o m a t i cs u p e r v i s ea n dc o n t r o ls y s t e mi sa s s u r a n c ef o rt h eh y d r o p o w e rp l a n tt ow o r k s t a b l y t h e r ei sap r o b l e mo nt r a i n i n gt h eo p e r a t o r sa n de n g i n e e r si nt h ep o w e rp l a n ta n dt h e a u t o m a t i cs u p e r v i s ea n dc o n t r o ls i m u l a t i o ns y s t e mo f t h eh g sn e e dt od e e p l yr e s e a r c h t l l i s s y s t e mm a ys e r v e a st h e s y s t e mt h e o r y r e s e a r c ha n dt h e t r a i n i n g t o o lf o rt h e o p e r a t o r s c o m b i n i n gw i t hc h a r a c t e ro fp r o j e c t ，t h i sp a p e rh a sc o m p l e t e dt h ed e s i g n ，d e b u g a n ds i m u l a t i o no fh g ss w i t c ho na n ds h u td o w ni nh y d r o p o w e ri n t e g r a t e da u t o m a t i o n s y s t e m b a s e do na ni n d e p t hu n d e r s t a n d i n gf o rt h ec o n t r o lf l o wp r o c e s so fh g s ，w i t hp l ca s c o n t r o l l e r , m c g sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea sm o n i t o r i n gs o f t w a r e ，t l l i sp a p e ra c c o m p l i s h e s t h ew o r k sa sf o l l o w s ：s e l e c t e dp l c t y p ea n da l l o c a t e dt h ec o n f i g u r a t i o n ，p r e s e n t e dd e t a i l e d f l o wp r o c e s sc ：h 砌o fa u t o m a t i cs t a r t i n gu pa n ds h u t t i n gd o w no ft h eh g s ，f i n i s h e dt h e p r o g r a m m ew i t ht r a p e z o i dd i a g r a ma n db a s i cl a n g u a g e , s i m u l a t e dt h ea c t i o np r o c e s so f s t a r t i n gu p ，s h u t t i n gd o w nn o r m a l l ya n ds h u t t i n gd o w na b n o r m a l l yo f t h eh g s f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c ea n dd i s a d v a n t a g e so ft h es y s t e ma r ei m p e r s o n a l l ye v a l u a t e d ， a n dt h ep r o s p e c tf o r t h ed e v e l o p i n gf o r e g r o u n do ft h es y s t e ma r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：h y d r o e l e c t r i cg e n e r a t o rs e t s ( h g s ) s i m u l a t i o n p l c c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e i i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 茜惫轴 学位论文使用授权说明 1 “月日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 一：伽翩躲侈彩夕年月日 广西大掌工程硕士学位论文水轮发电机组自鼋扩化，监控模拟勇0 瓷的研究 第一章绪论 1 1 水轮发电机组自动化监控系统技术概述 随着水利水电事业的不断发展，水力资源尚有巨大潜能等待开发，各大中小型水电 站数量仍在不断增加，水轮发电机组作为水电站内最主要的设备，其自动化监控技术的 发展直接代表了水电站综合技术水平。水轮发电机组自动化监控是一门涉及电力技术、 自动控制技术以及计算机技术等多方面理论研究和实践应用的综合性技术。国内外对水 轮发电机组自动化监控的研究虽在很多方面已成绩斐然，很多技术应用也已相当成熟， 但也仍有许多有待解决的课题和技术难题，水轮发电机组自动化监控的研究处于不断发 展和完善的过程。 水电站自动化是一项旨在提高水电站安全、稳定和可靠运行水平、降低运行维护成 本、提供高经济效益、保证高质量电能提供的技术措施。自动化程度是水电站现代化水 平的重要标志之一，同时，自动化又是水电站安全经济运行必不可少的技术手段。随着 机组容量的不断增大，自动化技术对水电站的安全经济运行起着越来越重要的作用。随 着电子技术的进一步发展，水电站自动化技术也得到了突飞猛进地发展，各种新型自动 装置不断被采用，从而使水电站的自动化水平得到很大的提高。近年来，随着计算机技 术、自动控制技术、网络以及通信技术的飞速发展，综合自动化系统取代或更新传统的 电气二次系统已经成为必然的发展趋势，水电站自动化技术发展到了一个崭新的阶段。 综合自动化技术大大提高了水电站的安全性、可靠性和电能质量，提高了管理水平，并 取得了可观的经济效益；综合自动化技术对水电行业已经产生了一系列非常积极的影 响，甚至会形成一种新的管理模式。因此，水电站使用综合自动化技术在一定的范围内 和程度上已经成为一种不可阻挡的趋势。不但当前新建水电站和水电机组均采用综合自 动化技术，就连一些原来使用常规设备的水电站和水电机组，也逐渐进行综合自动化技 术改造。目前广西水利系统新建的水电站和水电机组也均采用综合自动化成套系统设 备，即使是旧电站、旧机组的技术改造也尽量采用综合自动化系统。 水电站自动化监控系统是能够对水电站生产过程实施实时控制的系统，它的功能可 用图1 - 1 来表示心1 。 广西大学工程硕士学位论文水轮发电机舅l 自动化监控模拟系统的研究 图卜1 水电厂计算机监控系统方框图 f i g 1 - 1 b l o c kd i a g r a mo f h y d r o p o w c rs t a t i o nc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 由于综合自动化系统和常规的水电站电气设备系统有较大的区别，特别是在系统的 工作原理、设备的维护和运行管理上，自动化设备的日新月异和自动化技术的发展更新， 对水电站、水电机组运行管理人员提出了越来越高的要求。因此，了解水电站、水电机 组综合自动化系统的有关知识、网络结构、设备的配置与性能、控制方式，对水电站、 水电机组的工作人员很有必要。 虽然水电站综合自动化系统普遍应用，但是培训员工工作还局限于厂家在有限的时 间内进行的现场指导，在学校里也难有综合性的实习实训，工厂实习深入程度也很有限。 建立水轮机组自动化监控教学系统，仿真现场运行各种工作状况，模拟各种故障，培养 员工动手操作能力，使业务培训与现场运行达到基本同步，对提高业务培训质量和效果 有很大的作用。建立水轮机组自动化监控教学系统可为水利水电系统培训符合要求的水 电站、水电机组综合自动化技术员、电气值班员，提高员工综合自动化技术水平以及综 合素质。 1 2 选题背景 1 2 1 国外研究现状 从时间推移的过程来看，在3 0 年代以前，水电站运行中的每一步操作几乎都是由运 行人员手动操作实现的，当然，当时的水电机组规模不大，手工操作足以应付。到了5 0 年代，随着机组容量不断扩大以及现代自动控制理论的出现与发展，水电机组运行也提 出了自动控制的要求，所以在水电机组运行中逐渐开展自动控制科学理论的研究，同时 2 广西大学工程硕士掌位论文水轮发电机舅i 自亏杆匕监控模拟系统的研究 也开始应用自动控制技术，机组运行开始出现自动化，但还是以人工操作为主。在随后 的2 0 年中，电子技术领域经历了模拟电子技术向数字电子技术的巨大转变，电子技术的 发展又推动了计算机技术的巨大进步，计算机技术开始应用到水电站机组运行的自动化 监控系统中，但所实现的自动化水平还是不高，而且可靠性也不高，性价比也太低，所 以并没有在水电机组运行的技术领域推广。到了8 0 年代中期，随着集成电路和计算机 技术的再次飞速发展，各种自动化元件性能的提高，同时价格的下降，水电站机组自动 化才得以全面的展开，自动化操作就有取代人工操作的趋势。到了9 0 年代，计算机技 术、自动控制技术、网络技术就已经成为衡量水电站技术水平的一个重要特征。而水电 站最重要的设备水轮发电机组的自动化水平就更是水电站自动化技术水平的代表。 从水电机组的规模来看，小水电机组由于设备简单，而且般并不起着非常重要的 作用，所以敢于率先尝试和使用新技术，应用自动化技术成果也就更早一些，5 0 年代期 间国外就已经有很多小水电机组就实现了高度自动化，甚至达到了无人值班的水平。对 于大中型水电站，由于在电力系统中地位的特殊性，必须在自动化技术比较成熟时才能 将成果运用在实际运行中，所以实现机组的自动化控制就相对晚一些；但是这些水电机 组对于实现全面的自动化监控的需求却是更迫切的，也更有能力进行自动化技术改造， 所以自动化的进程也很快。目前，水电机组已经由原来的单台水电机组自动化向着区域 性一体化、区域性集中控制的方向发展。国外发达国家的水轮发电机组监控自动化率已 经超过9 0 甚至高达9 5 。 国外一些具有代表性的水电站，在硬件上几乎都是成套订购知名公司开发生产的自 动化成套设备和成套自动装置，自动化监控软件研究与开发也很充分，可靠性也很高， 所以水电站、水电机组自动化程度都非常的高，自动化技术应用也已经非常成熟，已经 达到了“无人值班，少人值守 的水平与要求。特别是一些兼为旅游风景点的水电站， 例如法国的6 r a n dm a i s o n 抽水蓄能电站、美国的胡佛电站，它们里面的工作人员，只 有少部分是从事水电专业工作，例如运行、维护、管理等，而大部分是负责水电站旅游 接待事务的，这在几十年前是不可思议的本术倒置的现象，而在今天正是高度自动化技 术的具体体现。 至于水轮发电机组的仿真研究，虽然很早也提出了研究与应用的必要性，但受制于 其它相关技术的发展，。国外的起步也不算很早，是从2 0 世纪7 0 年代开始的，而且最初 也只能对机组其中一部分建立模型进行理论探讨；到了7 0 年代末，随着计算机技术在 工业领域的大规模应用，才出现了水轮发电机组的动态非实时性计算机模拟；到了8 0 3 广西大学工程硕士学位论文才q 仑发电机组自动化监控模拟系统的研究 年代中后期，随着仿真系统用途从科学研究到实际应用转变的需求，国外才相继开发出 了许多具有针对性的水电机组仿真系统，并且提出了实时性仿真要求；而到了9 0 年代， 国外对水轮发电机组仿真系统的应用就已经开展得很普遍了，而且对系统仿真的实时性 提出了更高的要求n 。 1 2 2 国内研究现状 随着现代信息的飞速流通，国内外技术交流开展得很广阔很深入。国内对于水轮发 电机组自动化监控的研究也迅速展开，自行研制开发的自动化监控设备也开始投入使 用，特别在浙江、湖南、四川、广西、吉林等水力资源丰富的省份，水轮发电机组自动 化监控技术占水电工程技术总量的很大比重。当然，和国外发达国家相比，我国在水轮 发电机组自动化监控技术推广和应用方面，总体水平还显得比较落后，还处在发展阶段。 我国水电站总数达5 万多座，其中小水电站约占8 0 9 6 ，其机组总数大约7 万余台。 这些电站大多还是使用机电仪表，常规手动操作方式，谈不上自动化水平；大中型水电 机组普遍实现自动化监控，但无论是设备的自动化水平还是运行人员的技术水平都有待 提高，也谈不上真正的自动化。 正由于此，国内迫切需求水轮发电机组仿真技术的快速发展，以用来提高机组自动 化监控水平和运行人员的技术水平。清华大学电机系率先开始了水电站仿真研究，并针 对国内的一些水电厂开发了实用仿真系统，例如水口水电站、丰满水电厂、龙羊峡水电 厂的水电仿真系统等；南京自动化研究院等研究机构也相继进行了这方面的研究，均取 得一定的研究成果和实用成果。但是由于不同研究机构研究的目的和重点不同，以及水 电设备本身较大的差异性，国内机组仿真技术总体水平相比国外还是比较低，随着各方 面相关技术的不断发展进步，相信我国水轮发电机组自动化监控的研究还会有更大的发 展。 1 3 课题研究的意义 随着国内外对水电站自动化技术研究的深入，水电站的自动化程度也越来越高，水 轮发电机组作为水电站核心设备，其自动化监控要求也越来越高，从而对机组运行人员 专业技能要求也越来越高。如何对机组运行人员进行专业技能培训也成为了一个越来越 突出的难题，因为电力生产的特点决定了电力生产现场本身并不具备培训条件，而电力 4 广西大掌工程硕士学位论文水轮发电机胄t 自亏杆匕监控模拟习0 皖的研究 生产现场也是难以在其它地方再现。如果能建立一套水电站仿真系统或水轮发电机组模 拟系统，不但可以用作水电专业人员的技能培训，还可以用作系统的理论性研究，则可 以解决上述提到的问题。这也是当前各行各业为解决此类问题而采用的行之有效的手 段。为达上述目的，所开发的水轮发电机组自动化监控模拟系统应具有以下主要特性和 优点n 2 朝： 1 ) 模拟系统提供给受训人员的技术环境与真实设备运行环境具有很高的模拟性和 一致性； 2 ) 模拟系统具有形式多样的培训内容与功能，提供灵活多变的培训方式，使受训 人员收到良好的培训效果； 3 ) 模拟系统具有很好的扩充性和通用性，能以较小的成本完成对不同类型电站、 机组的模拟，获得较大的经济效益。 本课题即是在以上背景下，提出对水轮发电机组自动化监控模拟系统进行研究，以 期能提供条件建立水轮发电机组自动化监控模拟系统。 1 4 课题研究的内容及本人所做的工作 本课题研究的是水轮发电机组自动化监控模拟系统，将工程研究成果应用在教学领 域中。在研究过程中，本人所做的工作如下： 1 ) 研究自动化监控技术的发展及其在水电站自动化上的应用，研究常用的水电站 自动化监控系统的模式和发展状况，研究国内外水电站自动化发展的现状、结构以及水 电站仿真培训系统应用的意义。 2 ) 研究水轮发电机组模拟系统的结构和功能，结合实际研究条件及情况，进行设 备选型、系统硬件结构和软件结构的总体设计。 3 ) 研究水轮发电机组结构及工作原理，水轮发电机组自动控制的信号和执行元件。 4 ) 研究本系统所需要的输入、输出信号及信号的模拟方式，进行信号地址分配。 5 ) 研究水轮发电机组开机、停机的工作原理及流程，研究基于p l c 的水轮发电机 组开机、停机自动化流程控制，进行p l c 程序设计；研究组态软件监控模拟系统。 6 ) 研究如何使得工程实践领域和理论教学领域有机结合，使工程成果应用于教学， 使教学服务于工程实践，同时也使教学和实践工程联系更紧密，使教学更加面向于用人 单位与生产岗位，更加直接地为生产一线培养人才。 5 广西大掌工程硕士学位论文 水轮裳电机组自动化监控模拟系统的研究 1 5 论文的结构 本论文编写结构分五章，大致如下： 第一章绪论。主要阐述研究对象即课题的概况、选题的背景以及本课题研究的意义， 并且把本人所做的工作事先进行简单的概括。 第二章是课题研究的开始。介绍水轮发电机组自动化监控模拟系统的初步设想，提 出课题研究的框架、需研究的内容以及所需的研究工具。 第三章是课题相关内容的理论研究。基于水轮发电机组自动化监控模拟系统的初步 设想对水轮发电机组结构及开机、停机原理的研究，自动化监控模拟系统的输入输出信 号的研究。 第四章是课题研究的体现。编写机组模拟系统自动控制流程图，编写p l c 梯形图， 对组态软件的配置，实现水轮发电机组模拟系统开机、停机自动化监控。 第五章是总结与展望。概括论文的研究工作和创新点，并对以后的研究做出展望。 6 广西大学工程硕士掌位论文水轮发电机组自霉卵叱监控模拟勇t 统的研究 第二章水轮发电机组自动化监控模拟系统的设计 2 1 自动化监控系统设计要求n 1 4 1 本文研究拟建立水轮发电机组自动化监控模拟系统，所以首先需要明确水电站内的 水轮发电机组自动化监控系统的任务要求，然后才能根据对象和现有的条件规划模拟系 统的设计。水轮发电机组是电力系统中最基本的发电单元，可以说担负着电力系统中最 重要的任务；又由于水轮发电机组本身结构复杂，不仅是电力设备，同时还是复杂的机 械设备，还涉及水工建筑等诸多方面，因此对其自动化监控系统有很高的要求。 1 ) 可靠性 可靠性是发电机组安全运行的重要环节，在设计上必须采用多种措施加强系统的可 靠性，在某些环节，甚至必须以可靠性为第一要求。 2 ) 适应性 系统的软硬件组成都应采用模块化结构。因为采用模块化的结构，随着系统规模的 扩大、系统功能需求的增加，利用不同模块的组合来满足这种要求，使系统具备可扩充 性；同时使系统具有良好的经济性。 3 ) 经济性 大中型水电站水轮发电机组台数多，单机容量大，设备数量多，技术含量高，要求 运行人员综合素质高，需要较大的一次投资成本及运行成本。在计算机系统的硬件和软 件成本不断降低的趋势下，以计算机等自动控制设备为基础的自动化监控系统除了在 次投资规划上降低成本外，还必须在运行当中提高系统的利用率来提高经济效益。 4 ) 快速性 自动化监控系统是一个高速的在线实时系统，无论是正常运行工况下还是发生事故 状态下都要求系统的响应速度足够快，有时要求达到毫秒级的响应速度。没有一定的响 应速度作为保证，系统不但不能满足自动化要求，还不能够保证其可靠性。 5 ) 可维护性 机组自动化监控系统是一个庞大复杂的系统，即使在一定的可靠性保障下，从某种 程度上说故障的发生率也是相当高的。当故障发生时，不但要求系统具有自诊断能力以 便及时发现故障点、具有报警功能发出警报，甚至还要求系统能在不停机状态进行维修 恢复，这就是可维护性要求；同时这也是提高系统利用率，保证经济性的基本要求。 7 广西大掌工程硕士学位论文 水枣分发电机角l 自动化监控模拟系统的研究 2 2 水轮发电机组自动化监控模拟系统研究内容 2 2 1 监控系统功能汹1 监控系统的重要功能体现在多个方面。如监控系统运行平台应易于实现，应有可视 化视窗操作，英汉可选显示，多媒体表现手段，及时反映监控对象正常工况、事故工况 等；其它功能还可包括数据信息的采集、信息通信、数据处理、控制、监视、测量、优 化运行、记录、统计、计算、显示、打印等。 1 ) 数据信息采集：指的是监控系统自动实时采集现场各控制单元的数据；自动接 收各级调度的命令信息；甚至可以接收监控子系统或大系统以外的数据信息；数据信息 采集后要求能有序管理。 2 ) 数据处理：对各种数据进行分类、定义，包括模数转换、数模转换的处理，状态 量、开关量的处理，整流、滤波、有效值计算与各类型数据统计处理等。 3 ) 控制：监控系统按照当前运行控制方式和预设的参数进行自动或手动控制。 4 ) 监视功能：实时监视运行数据、运行状态、保护动作、控制操作过程等。 5 ) 优化运行功能：通过系统分析计算接受调度命令以优化系统运行。 6 ) 信息通信功能：能与各现地控制单元通信；能与电力调度自动化系统通信；能与 信息管理系统通信；能与测报系统通信；能与视频监控系统通信；能与有关部门协调通 信；能与数据库通信。 7 ) 记录：事故自动报警、记录；故障录波；参数越限自动报警、列表；开关状态变 位自动报警、记录。 8 ) 数据管理：实时数据查询；历史数据查询：数据曲线生成等；数据图形生成；运 行数据库生成。 9 ) 显示功能：实时显示设备运行参数、状态；实时显示事故、故障信息；显示开停 机操作流程；显示各种工况转换；显示各类运行报表；显示事故处理指导：显示油、气、 水系统图。 1 0 ) 统计计算功能：统计各机组运行、停机时间；统计各断路器分、合次数。 1 1 ) 事件记录：顺序事件记录；操作员操作记录。 1 2 ) 打印功能：定时打印报表；召唤打印报表；事故打印报表；远程控制打印。 1 3 ) 时钟同步功能。 8 广西大学工程硕士掌位论文水轮发电机组自鼋扩化：j 乞控模拟系统的研究 2 2 2 模拟系统实现的具体功能 以上研究表明真实的水轮发电机组的功能繁多，模拟系统确实难以一一实现，否则 也不会只是模拟系统了。鉴于实际要求和实际条件，本文研究的模拟系统能具备的功能 如下： 1 ) 模拟输入输出信号功能。模拟输入信号，例如开机、停机控制信号等；模拟输 出信号的指示，例如事故电磁阀投入指示、发电指示等。 2 ) 模拟操作功能。通过屏幕、键盘以及鼠标等进行对水轮发电机组控制、监视、 调节、定值修改、画面调用等的操作；运行人员可以通过输入设备下达开机、正常停机 的操作命令。当模拟事故发生时能产生报警信号并自动进入事故停机程序；要求画面显 示清晰稳定、画面构图合理、刷新速度快且操作简单。 3 ) 系统通信功能。系统通信指的是p l c 与计算机之间的通信，p l c 与组态软件的 通信。 4 ) 培训仿真功能。仿真水轮发电机组开机、正常停机、事故停机过程，培训人员 进行各种操作。 5 ) 辅助学习功能。提供多种水轮发电机组不正常运行及处理提示，方便人员进行 相关知识的学习。 6 ) 事件顺序列表功能。能记录事件发生的先后顺序和时间。 2 3 设备选择 水轮发电机组自动化监控模拟系统的硬件采用p l c 作为控制设备，组态软件作为模 拟监视设备。 2 3 1p l c 选型 基于p l c 的水轮发电机组自动化监控系统是目前比较成熟的系统，本研究选择p l c 作为控制设备首先是基于此。p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 中文译为可编 程序逻辑控制器，指的是一种在现代工业环境下能可靠进行数字运算操作处理的电子系 统，特点在于其内部采用了可编程序的存储器系统，能执行多种逻辑运算和操作，并能 通过输入输出接口输入输出数字量和模拟量。 9 广西大掌工程硕士学位论文水轮发电机组自动化监控模拟系统的研究 p l c 诞生于1 9 6 9 年，是在工业革命背景下为企业生产线适应市场从少品种大批量生 产向多品种小批量生产的转变而产生的，由于它在工业领域的应用效果非常的惊人，所 以在之后的1 0 年问得到了飞速的发展；在经历了几番技术变革以后，在1 9 8 2 年国际电 工委员会( i e c ) 曾针对这种可编程序的逻辑控制器颁布了标准草案，对其做了统一的命 名和定义，命名为可编程序控制器( p r o g r a m m a b i ec o n t r o l l e r ) ，简称p c 。但是由于先 其一步发展的个人计算机已被人们习惯简称为p c ，为避免混淆，所以依旧称可编程序控 制器为p l c ；但是应当充分注意到的是如今的“p l c 无论是在结构上还是在功能上，都 比最初的“p l c ”有着很大的进步。 国外的可编程控制器技术发展虽早，技术传播也很快，我国从1 9 7 4 年就开始紧跟 开发研制可编程控制器，几年间就已经可以开始工业应用了。如今，在国内外的工业领 域中，可编程控制器已经是一种很重要的控制设备，在相当长段时期内，它具有不可 替代的地位。 p l c 之所以取得如此重要的地位，是因为它自身具有相当突出的独特的优点：u 7 1 1 ) p l c 无论是对于普通气候环境还是物理环境都具有很高的抗干扰能力； 2 ) 系统可靠性高，平均无故障运行时间可达数万小时以上； 3 ) 产品已经系列化，控制系统构成方式灵活，方法简单，且通用性强； 4 ) 产品模块化，且模块功能齐全； 5 ) 输入输出接口与外围电路连接简单，负载能力强，硬件适应性强； 6 ) 软件运算控制功能完善，具有逻辑运算、数值运算和数据处理等功能，对外部 信号变量控制简单易行，软件适应性强； 7 ) 编程工具多样，选择性多，使用方便； 8 ) 编程方法简单，适合现场工程技术人员掌握和使用，易于接受； 9 ) 基于p l c 的控制系统开发设计、施工调试周期短，运行维护方便； 1 0 ) p l c 控制系统体积小、重量轻，功耗低。 本文在为课题研究选择p l c 时，在考虑了p l c 本身的特点以外，更主要的是要考虑 p l c 的内存容量、内部寄存器配置和i o 点数三方面参数。 所谓内存容量是指存放用户程序的多少，通常以“步为单位衡量，而1 步即为通 常存储器的2 个字节。本课题研究中需编写的程序不算复杂，在参考了资料的基础上选 择小型机应可以满足要求。 所谓内部寄存器即内部存储区，一般分为i 0 区、通用内部寄存器区、特殊数据寄 1 0 广西大学工程硕士学位论文习q 仑发电机组自鼋扩i 监控模拟系统的研究 存器区、特殊内部寄存器区、数据寄存器区，它们相当于功能不同的继电器，指令即是 由它们执行，从而实现各种控制功能。内部寄存器的配置也是衡量p l c 优劣的重要参数。 本文研究中所涉及到的数据需直接存放在内部寄存器中，所以要求其内部寄存器点数要 足够多。 所谓i o 点数则指的是p l c 的输入、输出端子数。一般而言，根据i o 点数p l c 可 分为2 5 6 点以下的小型机、2 5 6 点至1 0 2 4 点之间的中型机、1 0 2 4 点以上的大型机。i o 点数决定了本课题研究的模拟系统可处理的信号多少，本文研究的水轮发电机组自动化 监控模拟系统的信号在目前的条件和要求下，再经过认真筛选后并不多，而且全部由组 态软件开关量模拟，直接与p l c 内部继电器建立数据通道，对i o 点数的要求很低，所 以小型p l c 即可满足模拟系统研究要求。 因此，通过上述基本分析和比较，本文选用松下f p l 一c 4 0 小型p l c 作为模拟系统硬 件的主控部分。f p l - c 4 0 主机i o 点数为2 4 1 6 ，最大i 0 点数可扩展到1 2 0 点；程序 容量为2 7 2 0 步，内部继电器1 0 0 8 个，满足本研究阶段的使用要求。 除了以上三点基本因素外，松下f p l 系列p l c 还具有以下特点n 蜘是本人在进行设备 选择时所考虑的： 1 ) 指令种类丰富，共有1 9 2 条指令； 2 ) 软件功能齐全，简单易学易用； 3 ) c p u 处理速度快，可达1 6 m s 千步，响应速度快，大大满足一般研究要求； 4 ) 大程序存储容量，f p l - c 4 0 小型p l c 程序容量2 7 2 0 步； 5 ) 编程工具方便易用，可使用手持编程器，也可用专门的编程软件在p c 机上直接 编程，本文中则采用f p w i n - g r 编程软件，可脱机编程，联机调试； 6 ) 支持网络通信，通信协议具有一致性，可实现网络应用，当然这在后续研究中 才会应用上。 2 3 2 组态软件 计算机软件开发的一个趋势是搭建一个便于操作、易学易用的软件平台，以减少技 术人员在计算机工具使用上所花费的精力和时间，组态软件正是在这种背景下出现的。 组态软件是一种在计算机上制作对象控制过程和控制界面的工具，最大的特点就是灵活 方便，易学易用，由于主要就用于过程控制与画面监视，而且也就是针对工业现场，所 广西大掌工程硕士学位论文水轮发电机组自动化监控模拟系统的研究 以也常被称为监控组态软件或工业控制组态软件；它是一个软件平台或者说是一个开发 环境，它实现的方式是相对有趣的画面连接和组合，而不是枯燥难懂的编程，组态也就 随之而被技术人员慢慢接受并喜欢了。 常规生产现场监控系统装置多、屏柜多、设备多，施工、维护工作量大，占地大、 结构复杂。组态软件在很大程度上可以完成目前常规监控系统的监控任务，而且是通过 计算机软件的形式来完成，根据现场实际工况组图，能建立信息数据库，能接收现场采 集的各种数据信息，能实现遥控操作，施工工作量少，开发界面友好，维护更新非常方 便，虽然还不能完全取代常规监控系统，但它的优越性也是非常明显的，自动化监控领 域使用组态软件是一种技术革新和趋势，监控组态软件在自动化监控系统中占有越来越 重要的地位。 选择组态软件主要要考虑其通用性、适用性，是否易学易用。组态软件面向复杂多 样的生产环境，对象不同要求不同，组念软件在通用性、适用性方面还是有差别的；还 要考虑其实用性、经济性，软件是否满足开发需要，软件成本能否接受，这些都是需要 考虑的。 正是鉴于上述原因，以及根据本文研究内容特点和工作量情况，选择组态软件作为 模拟系统开发工具，不仅完成自动化监控任务，还可实现将模拟系统信号全部开关量化。 本文选择的组态软件是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的m c g s ( m o n i t o ra n d c o n t r o lg e n e r a ls y s t e m ) 全中文工业控制组态软件的通用版，它可运行于各种3 2 位 w i n d o w s 平台，为我们一般用户应用提供条件。 选择m c g s 的原因还因为它具备如下主要功能和特点： 实时数据采集，实时数据处理； 可视化生动形象的操作界面； 多媒体动画显示，丰富、逼真度高： 系统可扩充性好； 具有流行的数据库管理模式； 支持网络功能； 具有自动检测、报警功能： 支持分步组态功能，可扩充性好； 支持多种硬件设备； 1 2 广西大学工程硕士学位论文 水轮发电机组自鼋卵叱监控模拟身翻艺的研究 可实现复杂流程控制，并简单化显示； 系统可维护性好； 系统可靠性高； 实现对象元件库管理，组态搭建简单方便。 选择了m c g s 组态软件作为研究开发工具，就能先避开那些次要的、复杂的计算机 软、硬件设计、搭配的问题，而能集中精力去研究解决系统本身专业问题，体现研究的 主要目的。 2 4 系统总体设计 2 。4 1 硬件系统配置 在系统硬件配置方面，本着能体现实际生产工艺要求和易于系统实现的原则考虑。 系统应包括系统模拟部分、集中控制部分、监视部分3 部分。系统结构如图2 - 1 。 图2 1 系统硬件结构图 f i g 2 - 1s y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r eb l o c kd i a g r a m 系统模拟部分又包括：模拟水轮发电机组、模拟水轮机组辅助设备、模拟开关、模 拟线路等；继电器、信号装置( 发光装置和发声装置) ；非电气量( 水位、压力、温度、 转速等) ；输出开关量包括：开机、停机和事故停机指示，水机事故和水机故障信号， 自动协助联动控制信号，其它与开停机过程联动的机组辅助设备的控制信号；输入开关 量包括：发电机断路器、灭磁开关、调速器主令开关、控制操作开关、同期开关位置信 号，电气保护信号，进水阀位置信号，转速信号，轴承和空冷器测温信号，油水系统信 号，油压、水压、液位等所需控制条件的信号，以上信号全部采用组态软件的开关量进 行模拟。 广西大掌工程硕士掌位论文水轮发电机组自动化监控模拟系统的研究 视。 集中控制部分：f p l - c 4 0 p l c ，进行i 0 口分配，利用梯形图语言进行编程。 监视部分：建立p l c 与计算机通信，在计算机上用工业自动化控制组态软件模拟监 2 4 2 软件结构 系统统软件结构包括两个部分。一部分是p l c 控制程序，另一部分是组态监视程 序。软件结构图如图2 - 2 。 图2 2 系统软件结构图 f i g 2 2s y s t e ms o f t w a r es t r u c t u r eb l o c kd i a g r a m 软件系统各部分功能如下： 1 ) p l c 控制程序。由p l c 编程软件f r w i ng r 2 编写的梯形图程序，包括水轮机 组的开机、正常停机、事故停机程序。 2 ) 组态监视程序。由m c g s 组态软件实现，利用软件里的构件模拟开机、停机输入 信号：事故模拟输入信号，指示灯模拟输出信号。设计监控界面，主控界面包括主要操 作按钮，如试灯按钮、开机按钮、停机按钮等；主要的输出指示信号，如开机完成信号、 事故报警信号等。事故模拟窗口包括各种事故状态的模拟输入按钮，如轴承过热模拟输 入，油位过高模拟输入等。输出状态显示窗口包括一些输出控制的中间变量，如冷却水 投入、开碟阀等信号，以便程序调试时进行观察。 1 4 广西大学工程硕士学位论文水轮发电机组自鼋卵匕监控模拟勇漱的研究 第三章水轮发电机组工作原理及其自动化监控信号、元件 3 1 水轮发电机组结构及工作原理 3 1 1 水轮发电机组结构 水轮发电机组结构与原理是本文研究的内容，它包括水轮机、同步发电机及其辅助 设备，水轮机与发电机是水电站最主要的设备，以下主要介绍水轮机与发电机。 水轮机是一种将水能转变为机械能的动力设备。 根据能量转换特征水轮机可分为冲击式和反击式两大类。 冲击式水轮机是把水流的势能先转换为高速水流的动能，再将该高速水流的动能转 换为机械能。其中根据水轮机转轮进水的特征又可分为切机水斗式、双击式、斜击式。 反击式水轮机是把水流的压力能直接转换成机械能。根据水流流经水轮机转轮方向 的特征又分为混流式、轴流定桨式、轴流转桨式、斜流式、贯流式等。 现在，随着运行的要求和制造工艺的改进一台水轮机往往会具备几种类型结构的优 点，其分类也就没有那么严格了。也正由于水轮机结构复杂，类型多种，特征差异较大， 在本文研究当中并不能面面俱到，所以只以混流反击式水轮机为重点了解其结构和原 理，在目前研究阶段建立模拟系统时，也没有指定具体哪一种类型的水轮机，而是着力 于突出水轮机结构和原理上的共性。 混流反击式水轮机结构相对简单，制造安装工艺相对成熟，而且由于适用水头范围 宽，早已在各种规模水电站广泛应用，很具有代表性。其结构按照水流经过的途径主要 包括有蜗壳、座环、导叶、转轮、尾水管等。其中蜗壳是水轮机的引水部件，它的主要 作用将水流引入导水部件，主要运行参数是水流量；座环既是水轮机主要承重部件，同 时又是水轮机的导水部件；导叶也属于水轮机的导水部件，其主要运行参数是导叶开度 以及其剪断销状态等；转轮是水轮机的核心，是将水能转变为机械能的工作部件，主要 运行参数是转速；尾水管是泄水部件，将已做功、失去位能和动能的水流引至下游，主 要运行参数是水流速度。在构建水轮机模拟系统时必须围绕以上这些主要部件和信号参 数展开，才能最大程度地反映水轮机实际工况，提高模拟系统逼真度。另外水轮机还有 主轴、轴承、项盖、止漏装置等辅助设备以及调速系统、油系统、压缩空气系统和供排 水系统。 1 5 广西大掌工程硕士学位论文水轮发电机组自动化监控模拟系统的研究 发电机是将机械能转换为电能的设备。水电厂的发电机由水轮机拖动，所以称为水 轮发电机。 水轮发电机主要结构和普通发电机一样，也是定子、转子和主轴等。 水轮发电机的布置与水轮机的型式密切相关，一般分为立式和卧式两种。卧式发电 机的主轴与地面平行，通常由冲击式水轮机拖动，多应用于中小型水轮发电机组。立式 发电机的主轴与地面垂直，通常由混流式水轮机拖动，多应用于大型水轮发电机组，立 式发电机按轴承的位置还可分为悬吊式和伞式两种。本文主要以伞式水轮发电机为例了 解发电机结构的共性。 伞式水轮发电机主要结构如图3 一l 所示，包括定子、转子、机架、轴承、制动器和 冷却器等。其中定子包括磁路和电路两部分，铁芯构成发电机磁路的一部分，绕组线圈 构成电路部分，转换成的电能就是从其绕组输出，主要运行参数有端电压、绕组电流、 绕组温度等，如图3 - 2 所示；转子同样包括磁路和电路两部分，而且从能量转换过程来 看其作用更为重要，因此也称为电枢，是完成机电能量转换的主要部件，由磁轭磁极构 成磁路部分，由绕组构成电路的一部分，主要运行参数有绕组励磁电流、转速等，按照 其转速差别还分为高速、中速和低速水轮发电机，如图3 3 所示；机架属于承重部件， 其作用在于承受转子部分的轴向重量，同时还要承受包括水推力在内的轴承的径向力； 轴承和机架一样承受着转子部分的轴向重量以及各方面的不均衡力、轴向的水推力，起 到保证机组平稳与安全的作用，机架部分其实为机械部分，在模拟系统中可不体现；制 动器在停机过程中保证转子迅速准确地静止下来，主要运行参数是其压力油状态；冷却 器用于对转子、定子绕组的冷却，有水冷、氢冷、空气冷却等多种形式。 以上即是水轮发电机组的主要结构。建立水轮发电机组模拟系统，就必须尽可能逼 真地反映以上所述主要结构和信号。本文研究中鉴于实际条件和实际要求，对于硬件部 分的模拟暂不研究，主要是对信号进行模拟，通过组态软件模拟信号的输入输出，通过 信号直接反应机组的各种运行工况。 1 6 薯速篙暑冁2 i 要鬈孙3 。薏婆板4 篙袁蓼器洞譬驴导轴承”转干” 1 5 土轴1 6 一轴承1 7 一支架 闰3i 小轮发电机结构示意嘲 f i g3 - 1 w a t e r t u r b o g e r i e r a t o rs n l l c m r es k e t c h m a p 卜机座2 一铁芯3 一线罔 图32 定r 结构示意图 f i g3 2s t a t o rs t r l l c t l l r es k e t c h 卜土轴2 韶觳3 一转臂4 一磁轭5 一压板6 风扇7 磁极8 制动阔扳 图3 - 3 转子结构示意图 f i g3 - 3 r o t o rs 缸i c m r cs k e t c h 312 水轮发电机组工作原理 水轮发电机组利用蜗壳引进河流卜游水流，水流经过导叶机构调节流量或流速，利 用动能或势能推动转轮旋转，从而实现水能转换为旋转机械能；水轮机转轮驱动与其刊 轴的发电机转子转子绕组通入励磁电流，励磁电流产生磁场，磁场随转子旋转，磁场 相对运动切割定子绕组，定子绕组产生感应电动势，感应电动势对外作功形成电流，从 而实现机械能转换为电能。该电能质量和规律由水轮机和发电机运行状态决定。 32 水轮发电机组自动化监控信号”1 本部分对于上文提到的机组主要信号进一步研究，分析更具体的信号，以期提出更 具体的模拟方法。 1 ) 转速信号 机组转速指的是水轮机组主轴的转速，既是水轮机的转速，也是发电机转子的转速， 是反映机组运行工况的一个主要标志。一般是利用转速信号器进行测量而产生信号。根 据机组不同的转速值，转速信号器发出不同的信号，从而产生不同命令对机组进行控制： 当机组转速达到额定转速的1 4 0 时，应当发出机组转轮飞逸信号，需要发出机组事故紧 急停机命令，并进一步发出关闭进水闵门等停机命令；当机组转速达到额定转速的1 1 0 时，应发出过速信号，使过速保护装置动作，也发出机组事故紧急停机命令；当机组转 速达到额定转速的9 8 时，应当发出同期信号，使发电机出n 断路器合闸，将机