（水利水电工程专业论文）步进式plc微机调速器控制系统研究与开发.pdf

摘要 论文题目：步进式p l c 微机调速器控制系统研冤与开发 学科名称：水利水电工程研究方向：水利电力自动化 研究生：安艳涛签名：塞整：董 指导教师：张江滨教授签 名：墨1 直致 答辩时间：2 0 0 8 年3 月 摘要 水轮机调速器是水电站中重要控制设备之一，其性能的优劣直接影响到电能品质和 水电站的安全可靠运行。因此，开发性能优良的水轮机调速器对于提高水电站运行水平有 着十分重要的意义。 ， 由于步进式可编程序控制器( p l c ) 型微机调速器具有编程简单、抗油污能力强、定 位精度高、漏油量小，可靠性高等优点，得到了广泛的应用。但是，目前步进式p l c 微机 调速器存在着硬件模块较多、专用配套驱动模块价格高等问题，从而限制了步进式p l c 微机调速器在中小型水电站的应用。 论文采用西门子s 7 2 0 0 系列p l c 为核心，利用s 7 2 0 0 p l c 的两路高速脉冲输出功能， 一路高速脉冲输出端向步进电机发出进给脉冲，通过改变脉冲频率控制步进电机的转速； 另一路高速脉冲端输出占空比可变的p w m ，通过调节p w m 占空比的大小控制步进电机的驱 动电压，采用软件实现步进电机升频升压驱动电路的功能，再与简单的脉冲放大电路相连， 即可实现快速、高精度步迸电机驱动，不需要专门的升频升压电路，降低了硬件电路的复 杂性。 通过可编程调速器的电机随动放大系统试验，结果表明：采用s 7 2 0 0 p l c 实现的步 进式微机调速器控制系统具有较高的控制精度和良好的速动性，由于其具有结构简单、成 本低、可靠性高等优点，在中小型水电站中，具有广阔的应用前景。 关键词：步进式；微机调速器；s 7 - 2 0 0 p l c ；步进电机脉冲驱动 t i t l e ：r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nc o n t r o l s y s t e mo f s t e p b y s t e pm i c r o c o m p u t e rg o v e r n o rb a s e d o np l c s u b i e c t - h y d r o e l e c t i ce n g i n e e r i n g m a j o r ：h y d r o e l e c t r i ca u t o m a t i o n n a m e ：y a n t a oa ns i g n a t u r e ：丛塾l 砬丝 s u p e r v i s o r ：p r o f j i a n g b i nz h a n g s i g n a t u r e ： a r g u m e n td a t e = m a r c h2 0 0 8 a b s t r a c t h y d r o p o w e rt u r b i n eg o v e r n o ri s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o n t r o le q u i p m e n ti nt h e h y d r o p o w e rs t a t i o n 恤m e r i t so fi t sp e r f o r m a n c ei m p a c t so np o w e rq u a l i t ya n ds a f ea n d r e l i a b l eo p e r a t i o no ft h eh y d r o p o w e rs t a t i o n t h e r e f o r e i t s v e r yi m p o r t a n tt od e v e l o p h i g h - p e r f o r m a n c et u r b i n eg o v e r n o r t h es t e p - b y - s t e pc o m p u t e rg o v e r n o rb a s e do np l cw i t hs i m p l e m e n t , s t r o n ga n t i o i l p o l l u t i o n ，h i g hp o s i t i o n i n ga c c u r a c y , as m a l la m o u n t o fl e a k a g ea n dh i g hr e l i a b i l i t ya d v a n t a g e s ， h a sb e e nw i d e l yu s e d h o w e v e r ，t h e r ea l em o r em i c r o c o m p u t e rh a r d w a r em o d u l e s ，h i g hp r i c e o ft h ed r i v e rm o d u l ea n do t h e ri s s u e s ，t h u st h es t e p - b y s t e pc o m p u t e rp l cg o v e r n o ri sl i m i t e d i nt h es m a l la n dm e d i u m s i z e dh y d r o p o w e rs t a t i o n t h i sp a p e rb ys i e m e n ss 7 2 0 0p l ca st h ec o r e ，u s i n gs 7 - 2 0 0 p l c st w o - w a yh i g h - s p e e d p u l s eo f t h eo u t p u tf u n c t i o n , o n eh i g h - s p e e dp u l s e o u t p u to u t p u t st h ep u l s ei n t oas t e pm o t o rt o c o n t r o lt h es t e pm o t o r ss p e e d ，b yc h a n g i n gt h ep u l s ef r e q u e n c yt oc o n t r o lt h es t e pm o t o r ；t h e o t h e rh i g h s p e e dp u l s e - o u t p u to u t p u t sv a r i a b l ed u t yc y c l eo f t h ep w mt oc o n t r o lt h es t e pm o t o r d r i v ev o l t a g e u s i n gs o f t w a r eo rf r e q u e n c yt ob o o s ts t e pm o t o r sd r i v ec i r c u i tf u n c t i o n s ，i t a c h i e v e dr a p i d ，h i g h p r e c i s i o ns t e pm o t o rd r i v e nw i t ht h es i m p l ep u l s ea m p l i f i c a t i o nc i r c u i t ，i t d o e sn o tr e q u i r es p e c i a lo rf r e q u e n c ys t e p u pc i r c u i t , r e d u c i n gt h et h ec o m p l e x i t yo ft h e h a r d w a r ec i r c u i t t e s tr e s u l t sb yt h ep r o g r a m m a b l e m a c h i n es e r v oa m p l i f i e rs y s t e mo fg o v e r n o rb a s e do n p l cs h o w e dt h a t ：t h ec o n t r o ls y s t e mo fs t e p - b y - s t e pm i c r o c o m p u t e rg o v e r n o rb a s e do n s 7 2 0 0 p l ch a sh i g ha c c u r a c ya n dg o o dq u i c k m o t i o n i th a sm o r eb r o a dp r o s p e c t s i nt h es m a l l a n dm e d i u m - s i z e dh y d r o p o w e rs t a t i o n s k e yw o r d s ：s t e p - b y s t e p ；c o m p u t e rg o v e r n o r ；s 7 - 2 0 0 p l c ；p u l s e s d r i v eo fs t e pm o t o r t l 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究i 作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：童丝童，! ，j 五弼。幸3 0 月二7 日 学位论文使用授权声明 本人篓垫登在导师的指导下创作完成毕业论文：本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览o 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) + 论文作者签名：塞整妾- 导师毫：塾! ! 法l - ：艿年弓月叫日 第一章绪论 1 绪论 1 1 水轮机调速器的现状及发展趋势 水轮机调速器是水电站的重要组成部分，主要用于控制水轮发电机组转速与出力，其 品质与性能直接影响到电能品质和水电站的安全可靠运行。 水轮机调速器按其发展过程可分为机械液压型调速器，电气液压型调速器和微机调速 器等几种1 1 2 1 嘲。 最早的水轮机调速器是机械液压调速器，它是随着水电站机电设备的发展而在2 0 世 纪初发展起来的。它能满足带孤立负荷和中小型电网中运行的水轮发电机组调节的需要， 有较好的静态特性和动态品质，可靠性较高。但是面临大机组，大电网提出的高灵敏度， 高性能和便于实现水电站自动化的要求，机械液压调速器固有的采用机械液压方法进行测 量，信号综合和稳定调节的功能就显露出明显缺陷。现在，新建的水电站已不采用机械液 压调速器。 2 0 世纪5 0 年代以后，电气液压调速器得到广泛的应用。它用电气方法产生测速，稳 定，及反馈信号，经电气综合，放大后通过电气液压放大部分来驱动水轮机接力器。它经 历了电子管，磁放大管，晶体管，集成电路等几个发展阶段，直到出现了水轮机微机调速 器，就很少有生产电气液压调速器的厂家了。 2 0 世纪7 0 年代中期，微处理机推向市场。8 0 年代微机调速器经历了诞生，发展及 基本形成的历史。目前，在调速器领域内，发展微机调速器已成为主流，并被广泛采用“1 。 1 1 1 微机调速器国内外发展现状 日本是率先研制微机调速器的国家之一。日立公司研制的微机调速器样机于2 0 世纪 8 0 年代初期即应用于抽水蓄能机组，目前该公司的产品己在3 0 8m w 的机组上投入运行。 东芝公司也较早地将容错技术应用于发电机组微机调速器中。瑞典a b b 公司也是在电站危 机控制设备方面起步较早，发展较快的企业之一，它的产品已有不少在不同国家的电站运 行。法国奈尔皮克公司在1 9 8 4 年推出了以6 8 0 9 c p u 为基础的数字调速器。德意志联邦共 和国和奥地利的西门子，伏依特等公司的微机调速器问世相对较晚，但目前均有正式产品。 美国伍德华德公司一向以其优质的机械液压调速器在国际上久负盛名，其微机调速器 虽问世较晚，但却是一举推出三机容错式微机调速器产品，并开发了应用于水轮发电机组， 汽轮发电机组，柴油发电机组的系列产品等等。还有很多公司都推出了各自的微机调速器 产品。在此不一一列举。 我国调速行业从事微机调速器的研制与开发的步伐与国外大体一致。华中科技大学在 国内率先研制成功了变参数微机调速器，于1 9 8 4 年1 1 月在湖南欧阳海水电站进行了试验 并投入运行。其后又与有关单位合作，开发生产了双微机单调节微机调速器和双微机双调 节微机调速器。据不完全统计，已有1 0 0 多台产品在水电站运行。 西安理工大学硕士学位论文 针对自行研制开发的微机系统存在着由非计算机专业人员设计和生产，批量过少而导 致可靠性不高的问题，华中科技大学又与有关单位合作，于1 9 9 3 年率先提出并完成了可 编程控制器( 液压) 调速器的开发和生产。至2 0 0 3 年底，据不完全统计已有近1 5 0 0 台可 编程控制器调速器在国内外水电站运行，成为我国当前水轮机微机调速器的微机调节器主 导产品。 从2 0 0 0 年下半年开始，华中科技大学已开始研制新一代的水轮机微机调速器的微机 调节器基于现场总线的全数字调节器。显然，随着微机技术，网络技术，总线技术的 发展，水轮机微机调速器将会得到不断的完善和发展 2 0 1 。 国内还有一些单位从事水轮机调速器的研制工作，其中包括武汉大学部分院系，浙江 大学，东方电机厂以及哈尔滨电机厂等单位，他们也取得了各自的成绩，有的已形成了自 己的产品。 目前，国内水轮机微机调速器主要有基于单片机，工控机和可编程控制器等三种类型。 通用单片单板机型，以z 8 0 单板机，4 8 ，5 1 ，9 6 系列8 位或1 6 位单片机为硬件系统 的调速器的特点是性能价格比高，易于实现实时控制，缺点是：基于单片机的微机调速器 其功能主要是单片机来实现，其硬件为自行设计，且各厂家生产均为小批量生产。故元件 检测，筛选，老化处理，焊接等生产工艺都受到限制。对电磁干扰十分敏感，造成调速器 可靠性难以提高。用户需要掌握计算机知识，难以进行质量管理和人员培训。 工控机型：为了提高系统的抗干扰性能并实现微机调速器的标准化，系列化和模块化， 普遍采用了基于总线的工业控制器，以s t d 总线工业控制机或p c 总线控制机为硬件系统 的调速器的特点是小型化，系列化，模块化，兼容性好和可靠性高，实时性强，图文显示 方便；缺点是汇编语言软件系统开发工作量大，用户仍需要掌握计算机知识，当系统复杂 特别是采用双机系统时，价格较高，只适合于大型机组。 可编程控制器型：为了进一步提高调速器的可靠性，从二十世纪八十年代后期开始， 国外发达国家以复杂工业现场长期运行标准设计的可编程控制器为核心开发了新一代数 字调速器式包括调速，调功功能的综合控制器，代表了当前的国际水平。其优点是抗干扰 能力强，编成语言通俗化，易于工程技术人员掌握，模块化结构可减少确定故障和停机检 修时间。是我国目前使用较先进可靠的调速器。 1 。1 2 可编程微机调速器的国内外发展现状 9 0 年代以来，随着可编程控制器( p l c ) 技术的不断完善，世界各国相继开展了微机 调速器中的研究工作。华中科技大学分别与有关单位合作开发不同品牌的p l c 微机调节 器，首台调节器于1 9 9 3 年5 月在欧阳海水电厂投入运行。自那以后，以p l c 作为微机调 节器硬件核心和软件中心的水轮机微机调速器已在国内外近2 0 0 0 台大中小型水轮发电机 组上运行。由于p l c 微机调速器具有可靠性高，使用和编程方便，与其他装置接口和通信 容易，性能优良等优点，深受水电站技术人员，维修运行人员的欢迎。目前，p l c 微机调 2 第一章绪论 速器已成为我国微机电液调速器的主导产品。在国内，约有1 0 多家公司和生产厂家生产 这种调速器。 中国水利水电科学研究院生产的微机调速器以p l c i p c 为硬件平台，采用液压数字逻 辑插装技术或比例插装技术，以快速开关阀和插装阀等元件组件分别代替电液转换器和 主配压阀，系统无需d a 转换，调节与控制无需由阀的”中间位置”来保证，具有静态耗油 量小、性能一致性好、元件互换性好、集成化程度高等优点，且能实现液压系统全面的容 错控制，彻底解决了长期困扰水电厂的调速器拒动、发卡、漏油等问题，还具有显著的节 能、降耗、增寿、环保等特点。 天津电气传动设计研究所生产的微机电调采用以p l c 为核心的调节器，步进电机一凸 轮传动装置取代电液转换器。这种不用油的电机转换元件解决了过去电液转换器抗油污能 力差、易卡阻之弊病。 武汉三联水电控制设备公司生产微机电调采用p l c 步进缸构成电液随动系统为主，部 分电液随动系统采用脉宽调制开关阀+ 主配结构的形式。 武汉事达电气有限公司生产的微机电调均以p l c 为核心，用步进电机螺纹伺服缸取代 电液转换器，构成新型电液随动系统。 长江控制设备研究所的微机电调采用p l c 并以伺服电机螺杆机构取代中间接力器，或 以电动集成阀控制主配压阀，以机械液压随动系统驱动主接力器。 能达通用电气公司的微机电调以p l c 为核心，步进电机螺杆机构取代中间接力器，并 配以机械液压随动系统。 此外，我国中小型微机电调的液压系统除了传统结构产品外，中国水利水电科学研究 院、长江控制设备研究所等单位还采用1 6 m p a 的皮囊式蓄能器的高油压液压系统；可减少 液压放大环节和减小尺寸、简化结构，省去为油罐补充干燥压缩空气的专用的供气系统及 相应设备，同时能解决调速器液压系统中存在的油水混合、气液混合带来的元件锈死、 腐蚀、振动和气蚀等方面问题。 与国外同类产品相比，目前我国生产的微机型电液调速器性能与国外水平相当，个别 甚至略优嘲6 1 纠。 1 2 步进式p l c 微机调速器 1 2 - 1 可编程控制器简介“9 1 a 可编程控制器的由来 可编程控制器的概念，特征最初由美国通用汽车公司液压工程部于1 9 6 8 年提出。第 一台p l c 由美国数字设备公司于1 9 6 9 年研制成功，4 0 多年来获得很大的发展，已成为一 种新型工业控制装置，在工业上广泛应用。1 9 8 2 年i e c 在颁布可编程控制器标准草案中 所作的定义如下：可编程控制器是一种数字操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设 计，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，定时，计数和算 3 西安理工大学硕士学位论文 术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产 过程，易于扩充其功能的原则设计。 b 可编程控制器的主要特点： ( 1 ) 实时性好 信号处理时间短，速度快，更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目。 ( 2 ) 高可靠性 1 ) 所有的i o 输入输出信号均采用光电隔离； 2 ) 各输入端均采用r c 滤波器； 3 ) 各模块均采用屏蔽措_ 施，以防止噪声干扰； 4 ) 采用性能优良的开关电源； 5 ) 对采用的元器件进行严格的筛选； 6 ) 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软件、硬件发生异常情况，c p u 立即采取有 效措施，以防止故障扩大。 ( 3 ) 系统配置简单灵活 i 0 卡件种类丰富，可灵活组合。 ( 4 ) 控制系统采用模块化结构 绝大多数控制器均采用模块化结构。控制器的各个部件，包括c p u ，电源，i o 等均 采用模块化设计，可根据用户的需要自行组合。 ( 5 ) 价格优势 质优价廉，性价比高。 ( 6 ) 安装简单，维修方便 由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使 系统迅速恢复运行。 ( 7 ) 编程方便，易于使用 当前，p l c 的编程语言主要采用梯形图。这是一种十分接近于控制电路图的图形编程 语言，程序编制简单，概念清楚，逻辑关系清晰，程序可读性强。 利用编程软件可以离线或在线监视开关量的通断状态和数据单元的数值，还可以在 线修改变量设定值和修改用户程序，这为自动控制设备或系统的调试，检修和运行提供了 极大的方便。 ( 8 ) 设计施工周期短 由于p l c 用软件取代继电接触器控制系统中大量中间继电器，时间继电器，计数器等 低压电器，使整个的设计，安装，接线工作量大大减少。又由于p l c 程序设计和硬件的现 场施工可同时进行，因此大大缩短了施工周期。 4 第一章绪论 1 2 2 步进电机式电机转换装置 水轮机调速器的发展经历了由机械液压调速器到电气液压调速器( 以下称电调) 两个 阶段。在过去的几十年里，电调由电子管电调、晶体管电调、集成电路电调发展到后来的 微机电调，取得了可喜的进步。电调的研究包括两部分，一是在电气控制部分，人们研制 成功的各种微机电调，控制器采用微机，而将微机控制器输出的数字控制量转换成机械位 移的装置，2 0 世纪9 0 年代以来，国内许多水轮机微机调速器厂家采用了步进电机及相应 机械液压机构。与常用的电液转换器相比，它具有力矩大，耗油少和可靠性高等优点。 步进电机的具体特点如下n 们： ( 1 ) 步距危不受各种干扰因素的影响。它的速度主要取决于输入的脉冲的频率，转 子运动的总位移取决于输入脉冲的总数。相对而言，电压大小、电流数值、波形和温度的 变化等不影响步距角。 ( 2 ) 误差不累积。步进电机每走一步的实际步距与理论值总有误差，走任意步后总 有一定误差，但是因每转一圈的累积误差为零，所以步距误差是不累积的。 ( 3 ) 控制性能好。改变通电顺序，就可以方便地控制电机的正转和反转、起动、转 向、制动，改变转速及其他任何方式的改变都可以在少数脉冲内通过改变电脉冲输入就能 控制。在一定的频率范围内运行时，任何方式都不会丢失一步。 ( 4 ) 步进电动机具有自锁能力。当步进脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕 组继续保持通电时，电动机可以保持在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上，能够实 现停机时的转子定位。 ( 5 ) 步距角选择范围大，可在几十角分至1 8 0 。大范围内选择，在小步距的情况下， 通常可以在超低速下高转矩稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。 ( 6 ) 速度可再相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台电动机可以使它 们完全同步运行。 ( 7 ) 无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 ( 8 ) 可以用数字信号直接进行控制，整个系统简单廉价。 基于步进电机在应用上的诸多优点，步进电机作为自动控制系统中的重要执行部件， 已在许多工业控制系统中得到了应用。在水轮机调节系统领域，用步进电机取代了传统的 电液转换器，将数字量直接变成机械位移，构成了步进式数字一位移转换装置，并用这种 装置构造成了“步进电机式水轮机微机调速器 ，并得到广泛应用。 1 2 3 步进式p l c 微机调速器的特点 步进式p l c 微机调速器除具有其他微机调速器的各种优点( 如频率跟踪、故障自诊、 灵敏度高、稳定性好等) 外，还具有如下特点n n 妇n 钉n 朝： ( 1 ) 采用p l c 作为控制单元，具有工作稳定、可靠性高、抗干扰能力强、耐热性能 好等优点； 5 西安理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 电气部分采用模块化结构，接触牢固，可靠性提高； ( 3 ) 用步进电机式电液转换器具有高抗油污能力，行程大和不发卡的显著优点，还 具有断电自保持功能及手操作旋钮，手自动切换安全无扰动； ( 4 ) 采用p l c 调速器与步进电机电液转换器的组合，可根据机组的不同状态和方式 方便地设置其放大倍数，以便根据各电站的实际取得最好的调节品质； ( 5 ) 具有对频率和模拟量输入的检错功能，并可通过对频率信号和反馈量的判断自 动改变调节模式； ( 6 ) 人机对话采用汉化的智能模块，运行人员能方便地对开、停机规律、协联曲线、 调节参数进行现场修改；同时也可以非常方便地了解的各种开关量状态及诸如有功功率、 频率和开度等机组运行参数。 1 3 步进式p l c 微机调速器存在的问题及研究方向 虽然步进式可编程微机调速器在水轮机调节领域内得到广泛应用，但步进式p l c 微 机调速器在对步进电机的控制上还存在一些问题，步进电机不能使用普通的交直流电来驱 动，而必须使用专用的步进电机驱动器，成本高，结构复杂。对于小型水电站来说，价格 已经成为一个突出问题了。 论文采用s i m a t i c s 7 - 2 0 0 系列p l c 为硬件核心，利用s 7 - 2 0 0 p l c 的高速脉冲输出功 能，一路高速脉冲输出端向步进电机发出进给脉冲，控制步进电机的速度；另一路高速脉 冲端输出占空比可变的p 删控制步进电机的驱动电压。即用软件实现脉冲频率变化的功 能，不需要专门的升频升压电路，降低了硬件电路的复杂性，结构简单，造价低廉。 1 4 论文的主要内容 论文主要立足于中小型机组的水轮机微机调速器，主要内容包括： ( 1 ) 简要阐述了水轮机调节的任务和实现方法，对各种调速器的组成及结构特点进 行了比较分析，构造出调节对象的数学模型； ( 2 ) 采用s i m a t i c s 7 2 0 0 c p u 2 2 6 系列p l c ，用梯形图语言编程实现水轮机调速器的 基本调节和控制功能： ( 3 ) p i d 调节算法选用及程序的编制； ( 4 ) 利用s 7 - 2 0 0 p l c 的两路高速脉冲输出功能，用梯形图语言编制脉冲控制程序， 并与简单的脉冲放大电路一起，实现对步进电机驱动； ( 5 ) 基于s 7 2 0 0 p l c 微机调速器步进电机控制系统试验及结果分析。 6 第二章水轮机调节系统结构 2 水轮机调速器的结构 2 1 水轮机调节系统的工作原理 2 1 1 水轮机调节的基本任务 水轮机是靠自然水能进行工作的动力机械。与其他动力机械相比，它具有效率高、成 本低、能源可再生、不污染环境和便于综合利用等优点。绝大多数水轮机都用来带动交流 发电机，构成水轮发电机组。 水轮发电机组能够把水能变为电能，供用户使用。用户除要求供电安全可靠外，还要 求电能的频率和电压保持在额定值附近的某一范围内，如频率偏离额定值过大，就会影响 用户的产品质量。我国电力系统规定：频率应保持在5 0 h z ，其偏差不得超过0 5 h z ；对 大容量系统不得超过0 2 h z 。此外，还应保证电钟指示与标准时间的误差在任何时间不 大于l m i n ；对大容量系统，不大于3 0 s 。 电力系统的负荷是不断变化的，存在着变化周期为几秒至几十分的负荷波动，其幅 值可达系统总容量的2 - 3 ，而且是不可预见的。此外，一天之内系统负荷有上午，晚上 两个高峰和中午，深夜两个低谷，这种负荷变化是可以预见的，但从低谷向高峰过渡的速 度却非常快，是不可预见的。电力系统负荷的变化必然导致系统频率的变化。因此，不断 地调节水轮发电机组的输出功率，维持机组的转速( 频率) 在额定转速( 频率) 的规定范 围内，就是水轮机调节的基本任务。 水轮发电机组转动部分的运动方程n 8 1 为： j = m t m g 式中： m t = 堡 刃 ( 2 - 1 ) j _ 机组转动部分的惯性矩( k g m 1 ) ； 万一机组角速度，万= 等( 刀为机组转速) ； m 一水轮机主动力矩3 m 。一发电机阻力矩5 尸水轮机输出功率，p = 9 8 1 h q r ； t - - 水轮机效率。 从式( 2 - 1 ) 所示，要使机组的频率恒定，就要使机组的转速恒定，也就是要使角速 度增量d 万= 0 ，那么就应当使水轮机的主动力矩能与发电机的阻力矩保持平衡。显然， 要调节水轮机输出的主动力矩，就是要调节水轮机输出功率，其中最有效的方法和途径就 是通过调节水轮机的流量，而流量的调节是通过改变导水机构的开度来实现的。从这个意 义上讲，水轮机调节的实质就是：根据偏离额定值的转速( 频率) 偏差信号，调节水轮机 西安g - y - 大学硕士学位论文 的导水机构，维持水轮发电机组功率与负荷功率的平衡。 水轮机调节系统方块图如图2 - 1 所示； 图2 - 1 水轮机调节系统方块图 f i g 2 - 1b l o c kd i a g r a mo f t u r b i n e - c o n d i t i o n i n gs y s t e m 机组的转速信号( 被调节参数) 送至测量元件，测量元件把频率信号转换成位移或电 压信号，然后与给定信号综合，确定频率偏差及偏差的方向，并根据偏差情况按照一定的 调节规律发出调节指令。调节命令被放大后，送到执行元件去推动导水机构，反馈元件又 把导叶开度的信息返回加法器，同时也形成必要的调节规律。调节规律可以在前向通道中 形成，也可以在反馈通道中形成。 2 1 2 对水轮机调节过程的基本要求 评价调节过程的品质，通常是在相同的负荷或转速扰动下比较其转速动态特性是否满 足以下要求m m 8 m 9 1 ： ( 1 ) 稳定性 调节系统在负荷或转速扰动下偏离平衡状态，如果扰动消失后，经过一定的时间后， 系统能够回到原来的或到达新的平衡状态，这样的调节过程就是稳定的，否则不稳定。 ( 2 ) 速动性 调节系统受到扰动后，就会产生足够大的调节作用，以保证在尽可能短的时间内达到 稳定状态，这一特性称速动性。 ( 3 ) 准确性 调节系统动态特性的准确性用动态偏差和静态偏差来表示。动态偏差是指被调节参数 在调节过渡过程中的最大偏差。静态偏差是指调节过程结束后，被调节参数的稳定值与原 来稳定值的偏差。 稳定性，速动性，准确性这三者往往互相矛盾，互相制约。在水轮机调节系统中，对 调节品质的首要要求是稳定性，应在保证稳定的基础上提高速动性，满足一定的动态偏差 和静态偏差，以达到最佳调节过程。 8 第二章水轮机调节系统结构 2 1 3 水轮机调节的基本特点 水轮机调节系统是由水轮机调速器和调节对象( 包括引水系统、水轮机、发电机及负 荷) 共同组成。水轮机调节系统与其它原动机调节系统相比有以下特点： ( 1 ) 水轮发电机组是把水能转换成电能的机械，而水能要受到自然条件的限制，单 位水体中所带有的能量较小，与其它原动机相比，要发出相同的电功率就需要通过较大的 流量，因而水轮机及其导水机构也相应较大，这就要求调速器设置多级液压放大元件，而 液压放大元件的非线性及时间滞后可能使水轮机调节系统调节品质恶化。 ( 2 ) 水电站受自然条件的限制，常有较长的压力引水管道。管道长，水流惯性大， 导水机构开关时会在压力管道内引起水击作用。而水击作用通常是与导水机构的调节作用 相反。这种反调节作用将严重地影响水轮机调节系统的调节品质。另外，为了限制压力引 水管中水压最大变化值，必须限制导水机构的运动速度，这对调节系统动态特性也将产生 不利影响。 ( 3 ) 有些水轮机具有双重调节机构，如转浆式和斜流式水轮机有导水机构和活动浆 叶；水斗式水轮机有喷嘴和折向器；某些混流式水轮机装有控制水击作用的调压阀。于 是调速器中需要增加一套调节和执行机构，从而增加了调速器的复杂性。另外转浆式水轮 机浆叶调节比导叶慢，这又增加了水轮机出力的滞后，对水轮机调节不利。 ( 4 ) 随着电力系统的扩大和自动化程度的提高，要求水轮机调速器具有越来越多的 自动操作和自动控制功能。如快速自动准同期、功率反馈等。这就使得水轮机调速器成为 水电站中一个十分重要的综合自动装置。 总之，水轮机调节系统相对来说不易稳定，结构复杂，要求具有较强的功能。 2 2 微机调速器总体结构 随着1 9 7 1 年微处理机的问世，世界各国在2 0 世纪8 0 年代都开始研制微机调速器。 图2 - 2 位置型数字p i d 微机调速器控制系统的原理框图 f i g 2 - 2b l o c kd i a g r a mo f t h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nl o c a t i o nd i g i t a lp i dc o m p u t e rg o v e r n o r 图2 2 是带电液随动系统的位置型数字p i d 微机调速器控制系统的原理框图 1 6 1 其 9 西安j e _ z - 大学硕士学位论文 机组和电网频率的测量是利用p l c 的计数器，附加整形及分频等少量硬件电路，并应用软 件程序直接获得机组( 或电网) 频率的数字量。单机频率给定也以数字量的形式存于机内， 也可以由键盘进行修改，电网频率和频率给定可根据并网与否的开关量进行切换。 p i d 控制算法由软件程序来实现，其运算结果d ，为对应导叶开度) ，的数字量，d 。经 d a 转换后变为模拟电压，并送电液随动系统的综合放大器，使导叶接力器开到对应的开 度y 。 与微机调速器的迅速发展和应用同步的微机调速器电机转换装置有步进电机伺服 电机，三态多态阀式的机械液压系统，采用不同的电机转换装置即可以构成许多种调速 器。 自1 9 9 3 年以来，以p l c 作为微机调节器硬件核心和软件中心的水轮机微机调速器已 在国内外很多大中小型水轮发电机组上运行。由于p l c 微机调速器具有可靠性高、使用和 编程方便、与其他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、维修运 行人员的欢迎。在国内，约有十多家公司和生产厂生产这种调速器，他们采用的总体框图、 电机转换装置、机械液压系统各有自己的特点。本文就具有典型意义的几种结构进行分析 和介绍。 2 3 典型p l c 微机调速器结构 按照图2 - 2 所示的总体结构，采用不同的电机转换装置即可以构成许多种调速器。 论文对较有代表性的两种结构进行比较分析。其他类型参考文献1 2 0 l 。 ( 1 ) 交流伺服电机( 位置环) 中间接力器机械液压随动系统型 本系统的结构图如图2 4 所示1 2 0 1 。本系统调速器的交流伺服电机( 位置环) 及转换 机构组成了相当于中间接力器的结构，其输出位移相对值y ，从o 变化到1 o ，等效于中间 接力器的全关至全开全行程。此类型调速器的机械反馈通道3 - 3 在机械综合比较点a 3 与) ， 进行综合比较，从而构成了以主接力器为执行机构的机械液压随动系统。其反馈通道3 - 1 将反馈信号送入微机调节器，只用于检错，不参与闭环调节。 图2 - 4 交流伺服电机中间接力器机械液压随动系统型调速器框图 f i g 2 4g o v e r n o rb l o c kd i a g r a mo fi n t e r m e d i a t er e l a yo f a cs e r v om o t o r m e c h a n i c a lh y d r a u l i cs e r v os y s t e m 图2 4 所示的由y m d 至少的传递函数为： l o 第二章水轮机调节系统结构 ( s )弓l s + it y s + i弓弓l s 2 + ( 乃+ 乃l 沁+ 1 ( 2 ) 步进电机( 速度环) 电液转换器机械液压随动系统型 本系统结构如图2 5 所示。 ( 2 - 3 ) 图2 - 5 步进式司编程微机调速器系统框图 f i g 2 5b l o c kd i a g r a ms t e p - b y - s t e pp r o g r a m m a b l ec o m p u t e rg o v e r n o rs y s t e m 步进电机速度环的构成如图2 - 5 所示：微机( p l c ) 调节器通过d a 转换向步进电机 驱动器送出模拟电压u 和旋转方向接点信号，步进电机的速度在线性范围内与电压u 成正 比；由综合比较点a 3 之后引出的主配压阀位移信号被送到微机调节器重的综合比较点a ， 形成对y 的位置控制。 按照方块图简化规则或采用信号流图的方法，易求得图2 5 所示由煽至少的传递函 数为： 竖： ：!( 2 4 ) 一= _ _ _ - l _ _ _ _ _ i - _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ i - _ - - _ _ _ _ _ _ - 一 i ，一j e 协( s )乃乃l s 2 + 田+ 弓1 ) s + 1 比例( p ) 图2 - 6 步进电机电液转换器机械液压随动系统型调速器方块图 f i g 2 6g o v e r n o rb l o c kd i a g r a mo f s t e p p i n ge l e c t r o - h y d r a u l i cp o w e rc o n v e r t e r s m e c h a n i c a lh y d r a u l i cs e r v o s y s t e m 式( 2 - 3 ) 和式( 2 4 ) 为同样的表达式。即从控制理论的观点来看，图2 4 的调速系 l l 西安理工大学硕士学位论文 统与图2 - 5 所示的调速器具有相同的动态特性。值得指出的是：由于图2 5 所示系统将接 力器位移y 的反馈信号m ( 反馈通道3 1 ) 直接引至综合比较点a - ，参加闭环调节，因 此，它的静态特性死区应小于相同条件下图2 4 所示系统的死区，本文采用的即是图2 - 5 所示的结构形式。 1 2 第三章步进式p l c 微机调速器硬件分析 3 步进式p l c 微机调速器硬件分析 3 1p l c 的选型 3 1 1p l c 的选型 调速器的主要功能是完成水轮发电机组频率和有功功率的实时测量与控制，对硬件的 基本要求是实时性强、可靠性高、性能价格比优良，近年来，可编程控制器( p l c ) 技术 发展十分迅速，可靠性高，功能越来越强大，价格也不断降低，是目前水轮机调节领域的 主导产品。目前市场上的p l c 产品很多，从原理上讲，当前世界上生产的中小型p l c ，都 可以作为水轮机p l c 微机调速器的硬件核心1 2 1 11 2 2 1 2 。 作为在中国较早形成市场的s i m a t i cp l c 系列产品，其功能强大，编程灵活。而且西 门子小型p l c 已经国产化，价格也相对比较低，在大部分工业生产过程自动化控制领域， 都得到过成功的应用，并开发了占有世界市场的一些标准的硬件和软件。具有更大的市场 优势。 一般p l c 驱动步进电机需要配置专门的脉冲输出模块，存在着硬件模块较多、专用配 套驱动模块价格高等问题，而s 7 - 2 0 0 p l c 本身具有高速脉冲输出指令，不需要专门的脉冲 输出模块就可实现对步进电机的控制，硬件配置简单，成本较低。 总之，s i m a t i c $ 7 - 2 0 0 系列p l c 是当前小型p l c 领域内技术先进、性能价格比高、 单元模块齐全的主流产品系列之一。因此，无论是从长远发展，还是从其性能，价格等 方面来看，s i e m e n s 系列的p l c 始终是我们自动控制领域的首选产品。其中小型s i m a t i c s 7 2 0 0 系列p l c 适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。$ 7 - 2 0 0 系 列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。基于以上因 素，本文提出使用s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 作为水轮机微机调速器的硬件核心。s i m a t i c s 7 2 0 0 由硬件结构和工业软件两大部分组成，如图3 - 1 所示 z 4 l 图3 - 1s 7 - 2 0 0 p l c 系统组成 f i g 3 1s y s t e mc o m p o n e n t so f $ 7 - 2 0 0p l c 西安理工大学硕士学位论文 3 1 2s 7 2 0 0 系列p l c 2 5 1 $ 7 - 2 0 0c p u 将一个微处理器、一个集成电源和数字量i o 点集成在一个紧凑的封装 中，从而形成了一个功能强大的微型p l c ，参见图3 2 所示呦1 。在下载程序之后，s 7 2 0 0 将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。 抗感l e o ： 系统锚淫黪断 s f d i a g ) r u n ( 遥行j s t o p 停止) 可逸卡诵 绍饼卡 对钟卡 电池卡 图3 - 2s 7 - 2 0 0 p l c 实物图 f i g 3 2p h y s i c a lp i c t u r eo f $ 7 2 0 0 p l c a $ 7 - 2 0 0 系列p l o 存储系统 ( 1 ) 存储系统：$ 7 - 2 0 0 系列p l c 的存储系统由r a m 和e e p r o m 两种类型存储器构成， c p u 模块内部配置一定容量的r a m 和e e p r o m ，同时，c p u 模块支持可选的e e p r o m 存储器 卡。 ( 2 ) 存储器及使用：$ 7 - 2 0 0 的程序从广义上看，由三部分构成：用户程序、数据块 和参数块。用户程序是必选部分，数据块和参数块是可选部分，参数块主要是指c p u 的组 态数据，数据块主要是用户程序执行过程中所使用到和生成的数据，上装和下装用户程序 是用s t e p - m i c r o w i n 3 2 编程软件时，p l c 主机和计算机之间的程序、数据和参数的传送。 当系统运行时会出现电源掉电的意外情况，可以设置c p u 参数时定义可选的保持的 存储区。可以定义的存储区：变量存储器v 、通用辅助继电器m 、计数器c 和定时器t ( 只 有t o n r 有记忆接通延时定时器) 。可以将用户程