微机调速器原理.doc

技术交流讲义 水轮机微机调速器原理 武汉大学 程远楚二七年六月目 录1 绪 论11.1 引言11.2 水轮机调速器的发展与现状11.2.1 水轮机调速器的发展历史11.2.2 国内外水轮机调速器的发展现状21.3 可编程控制器的发展现状与特点31.4 液压伺服系统的发展与特点42 水轮机调节系统的基本任务及原理62.1 水轮机调节的基本任务62.2 微机调速器的总体结构93 微机调速器的系统结构与硬件原理113.1 水轮机微机调速器的总体结构113.2 微机调速器的硬件构成113.3 PLC微机调速器的硬件配置133.4 模拟信号调理143.5 频率测量153.5.1 PLC直接测频163.5.2 单片机测频184 微机调速器的工作过程与软件实现204.1 微机调速器功能概述204.2 PID控制原理214.2.1 PID控制器的基本原理214.2.2 数字PID控制算法4224.4 微机调速器的软件程序254.6 故障诊断和容错程序274.6.1 随动故障的判断274.6.2 频率测量故障的判断285 微机调速器的调整与试验325.1 引言325.2 试验接线325.3 试验项目335.3.1 自动开、停机试验335.3.2 空载扰动试验345.3.3 静特性试验365.3.4 甩负荷试验36371 绪 论1.1 引言水电资源作为清洁可再生能源，有着巨大的发展空间。水轮机调速器作为水电厂的重要控制设备，其主要任务是根据负荷的改变，相应改变水轮机导水机构(导叶、桨叶或喷嘴)的开度调节过机流量，以使水轮发电机组的转速(或负荷)维持在某一预定值，或按某一预定的规律变化。由于水轮机调速器对水轮发电机组安全、可靠地运行具有举足轻重的作用，并直接影响着电力系统向用户供电的质量及可靠性，因此，水轮机调速器一直是电力系统自动控制的重要研究内容。1.2 水轮机调速器的发展与现状1.2.1 水轮机调速器的发展历史水轮机调速器在水电厂中的应用已有100多年的历史了，早在1901年以前就有用皮带作为放大环节机械离心飞摆式调速器问世。以后又发展成为水压放大、油压放大的机械调速器，机械调速器在20世纪50年代末达到全盛时期。但随着生产的发展，对系统周波的要求更为严格，大机组与大电网的出现，对电站运行和自动化程度提出了更新的要求。1944年，瑞典生产出了水轮机电液调速器，随着电子技术的发展，电液调速器经历了电子管、晶体管和集成电路三个时期。1951年我国自主制造的第一台水轮机电液调速器在流溪河水电站投入运行。6070年代中期，我国电液调速器的发展十分迅速，几乎所有的调速器生产单位，都推出了自己的晶体管式电液调速器，而且当时新建的水电站已普遍采用电液调速器。而从调速器所形成的控制规律来看，调速器的发展也很迅速。最早的调速器是个比例环节，即形成比例控制规律，用符号P表示。后来绝大多数调速器都设计成具有比例积分式的控制规律，即PI调速器，积分用符号I表示。到50年代末和60年代初，研制出PID调速器，此处D表示微分控制。如瑞典ASEA公司的FRVV-103型电液调速器，法国NEYRPIC公司生产的RAPID型调速器型电液调速器，都具有PID控制规律。70年代中期，PID调节器直接用到了水轮机调速器上，出现了PID型，也就是比例（P）、积分（I）、微分（D）环节并联的新式调速器，其积分作用是靠电气环节产生的，这与前述的PID调速器中积分作用是靠油压接力器来产生是一个明显的区别，这种PID型调速器的静态质量和动态性能指标都有了很大的提高。1971年微处理器问世，微机控制技术在水轮机调速领域也得到了蓬勃发展。世界上第一台微机调速器是加拿大在70年代初期研制成功的。1984年11月，华中科技大学（原华中工学院）和天津水电控制设备厂联合研制的我国第一台微机调速器在湖南欧阳海水电站进行了试验并投入运行。80年代以来，微机调速器以其功能强、性能好、可靠性高的优越性而得到迅猛发展，成为调速器领域发展的主流和方向。1.2.2 国内外水轮机调速器的发展现状80年代以来，微机调速器以其功能强、性能好、可靠性高的优越性而得到迅猛发展，成为调速器领域发展的主流和方向。国际动态80年代，世界上发达国家的著名水轮机调速器公司均毫不例外地先后研制了微机调速器。日本是率先研制微机调速器的国家之一。日立公司配制的微机调速器的样机于80年代初期即应用于抽水蓄能机组，目前该公司的产品已在308MW的机组上投入运行。东芝公司也较早地将容错技术应用于微机调速器中。ABB公司是微机调速器起步较早、发展较快的公司之一，也是在我国投运的微机调速器最多的厂商。其产品已先后在福建沙溪口、湖北葛洲坝、贵州天生桥、四川东西关和二滩等电厂使用。法国奈尔皮克(NEYRPIC)公司在1984年研制微机调速器，很快推出了以6809CPU为基础的数字调速器DIGIPID。广州抽水蓄能电站300MW抽水蓄能机组采用的均是DIGIPID型调速器，其中第一台机组于1993年7月投运。德国的西门子(SIEMENS)和奥地利的伏依特(VOITH)等公司的微机调速器问世相对较晚，但目前均已有正式产品。我国湖南南津渡水电站就从奥地利引进了贯流式水轮机调速器，该微机调速器系VOITH公司制造。美国伍德沃德(WOODWARD)公司一向以其优质的机械液压式调速器在国际上久负盛名。其微机调速器虽问世较晚，但却一举推出三机容错式微机调速器产品。瑞士埃舍尔维斯(ESCHER WYSS)公司，比利时的ACEC公司，挪威的KBB公司等也均推出了各自的微机调速器产品。国内动态我国调速器行业从事微机调速器的研制和开发的步伐与国外大体一致。华中理工大学于1979-1981年开始了与微机调速器有关的理论研究，1981年开始微机调速器的研制。从1982年起，与天津水电控制设备厂协作，并于1984年11月研制成功了我国第一台微机调速器，己在湖南欧阳海水电站投入运行，1985年4月通过部级鉴定。以后，微机调速器的研制工作便在许多单位蓬勃展开。电力自动化研究院(原南京自动化研究所)、水利水电科学研究院自动化所、天津电气传动设计研究所、武汉水电控制设备公司、河海大学、武汉水利电力大学、东方电机厂、哈尔滨电机厂等单位均先后开始了这方面的研究，并推出了各自的产品。1.3 可编程控制器的发展现状与特点1.3.1 可编程控制器的发展现状1968年，美国通用汽车(GM)公司针对“多品种、小批量”的市场需求，提出了10项功能指标全新的工业控制装置的设想。1969年，美国数字公司(DEC)按上述要求研制成功了这种新型工业控制装置，当时主要是用于逻辑控制，称之为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC。 PLC实质上是一种工业计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。从硬件结构看，它也有中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(Il0)接口、电源等(如图1-1)。图1-1 PLC硬件结构图至20世纪90年代中期，全世界约有200多个厂家生产400多个品种的PLC产品及其网络产品。PLC是工业控制系统中继单片机、STD总线之后的又一个里程碑。当前，PLC仍然是一种应用非常广泛、发展十分迅速的技术。其主要发展方向是：适应生产过程和机械自动化需求的智能单元和模块、通信、现场总线技术、产品的进一步系列化和编程语言的完善化。1.3.2 可编程控制器的主要特点(1)高可靠性可编程控制器之所以成为许多工业自动控制设备和系统的首选产品，是由于它具有高可靠性。PLC在硬件上采取了光电隔离、电磁屏蔽、模拟和数字滤波等一系列抗干扰措施；先进的开关电源能防止由电源回路串入的脉冲串干扰。在软件上，PLC的用户程序是在其操作系统管理下工作的，系统软件具有监视定时器(WDT)和对自身硬件软件进行自检的功能，程序和数据存储器由后备电池供电，可防止供电电源切断后数据的丢失。(2)编程方便，易于使用当前，PLC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。这使得系统的开发与设计工作者可以把主要精力集中在.如何构成系统、怎样提高系统性能和进一步扩大系统控制功能等重大问题上。每一种可编程控制器都有其编程软件，除了可以用其进行用户程序的编制之外，还可以联机进行用户程序的调试和监视。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。(3)与外部控制器件接口方便可编程控制器配备有较齐全的开关量、模拟量和其他量的单元或模块，使所构成系统能方便地与外部器件连接。其开关量和模拟量输入/输出均符合电控、电仪和电传行业的共同规范，通信时有RS232C及RS485 / RS422等接口供选择。此外，还有现场总线接口、以太网接口、打印机接口、CRT接口等特殊模板或模块。1.4 液压伺服系统的发展与特点电/机转换部件是微机调速器中连接微机调节器和机械液压部分的关键部件，它的作用是把微机调节器的输出信号或电液随动系统中的电差值信号转换并放大成具有一定操作功的机械位移。20世纪6070年代，我国水轮机调速器采用控制套式的电液转换器，抗油污能力差，控制套经常卡塞，故障率较高。70年代后期研制出抗油污能力强的环喷式和双锥式电液伺服阀，使电气/位移转换部件可靠性得到较大提高。90年代以来，一些调速器采用在工业液压伺服系统广泛应用的伺服比例阀，其效果不错。但是任何这种形式的电液转换部件，它们的输入电功率都很小，电气/位移转换往往只能提供约几牛顿驱动力，而其输出力通常有数百牛顿甚至更多，因此只有通过一级液压放大获得，其功率增益通常在1000倍以上。近年来，国内高校院校、科研机构及制造厂家先后开发了电机型电气/位移转换部件，电机主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。步进电机又称脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，与其输出转角、转速、输入脉冲个数、频率有着严格的同步关系。步进电机由于其本身的特点，在具体的应用中有利于装置或设备的小型化和低成本。因而，广泛地应用在众多的领域中并得以不断的发展。虽然步进电机是一种数控元件，易于同数字电路接口。但是，一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机，必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。步进电机本体和步进电机驱动电路两者密不可分地组成步进电机系统。直流伺服电机具有优良的调速性能，伺服系统的位置控制由闭环系统实现。永磁式直流电动机在众多应用领域占有重要地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。但直流伺服电机机械结构复杂，维护工作量大，成为其发展的瓶颈。80年代以后，由于交流伺服电机的材料结构控制理论及方法均有突破性进展，使交流伺服系统得到很快发展，并有逐渐取代直流伺服电机之势。交流伺服电机最大的优点是电机结构简单，不需要维护，适合在较恶劣的环境中使用。2 水轮机调节系统的基本任务及原理2.1 水轮机调节的基本任务2.1.1水轮机调节的目的水轮发电机组把水能转变成电能供用户使用，用电户除要求供电安全、可靠外，还要求电能的频率及电压在额定值附近某一范围内，若频率偏离额定值过大，就会直接影响用户的产品质量。按照规定，电力系统的额定频率应保持在50HZ，其偏差不应超过士0.2HZ，有关标准对额定电压及其偏差值也有相应的规定。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，这种负荷波动的幅值可达系统容量的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，这种负荷变化基本上是可以预见的，但从低谷向高峰过渡的速度往往较快，如有的电力系统记录到每分钟负荷增加达到系统容量的1%。电力系统负荷的不断变化必然导致系统频率的变化。水轮发电机一般是三相同步发电机，其频率f与转速n之间有着严格的关系式： （21）式中：p为发电机磁极对数；n为发电机转速（r/min）； f为频率（HZ）。发电机的磁极对数p是由发电机的结构确定的，对于运行中的机组一般是固定不变的，所以发电机的输出频率实际上是随着水轮发电机组转速的变化而变化。而水轮机的转速是由导叶开度控制的，因此，水轮机调节的基本任务就是当电力系统负荷发生变化、机组转速出现偏差时，通过调速器相应地改变水轮机导叶开度，使水轮机转速保持在规定的范围之内，从而使发电机组的输出功率和频率满足用户要求。具体来讲，水轮机调节的基本任务可分为转速调节、有功功率调节和水位调节。转速调节主要用于在空载工况和带孤立负荷工况，空载工况时，调速器的任务是使机组转速跟踪转速给定或系统频率；带孤立负荷时，调速器的任务是在发生负荷扰动时维持转速(频率)和跟踪转速给定(频率给定)；在与电网并列运行时，调速器有时作为电站调频装置的一部分起作用。有功功率调节用于与电网并列运行工况，其任务是保持本机组的输出功率，在频率变化时，将根据永态转差率适当调整输出功率。水位调节用于保持上水库水位。例如对径流式电站，由于没有水库，若发电用水量超过来水量，水位就会下降，从而导致水电站水头下降和单位水量的发电量下降，这样就降低了电站运行的经济效益；当发电用水少于来水量，上游水位上升，可能导致弃水，这也会降低电站的经济效益。所以需要以保持上游水位为目标调整机组出力，这就是水位调节。2.1.2水轮机调节的基本原理在水电厂的生产运行中，以上的三种调节方式中的有功功率调节方式最为重要。因此在有功功率调节时，必须根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的有功功率输出，以维持机组转速(频率)在规定的范围内。机组的运动方程可用下式表示： （22） （23）式中 J机组转动部分惯性力矩； 角速度，=n /30 (n为机组转速)； 水轮机主动力矩；发电机阻力矩；P水轮机输出功率，P9.81HQ ；H水轮机工作水头；Q通过转轮的水流流量；水轮机效率。 水轮机动力矩Mt是由水流对水轮机叶片的作用力形成，它推动机组转动，其大小决定于水头H (m)、导叶开度(流量Q)、机组转速n等。 (24)式中：r水的比重(1000) Q通过水轮机的水流量() 发电机阻力矩是发电机定子对转子的作用力矩，它的方向与旋转方向相反，是阻力矩。由发电机原理可知，代表发电机有功功率输出，即负荷的大小，它与用户性质有关。当负荷(用电设备)变化以后，导叶开度不变，机组转速仍可稳定在某一数值上，如图2-1中的转速或，水轮机及负荷的这种能力称为自平衡调节能力。仅仅依靠目平衡调节能力来保持转速是不行的，因为转速将偏离额定值。要使机组转速在负荷变动以后仍维持在原来额定值，从图2-1中可以看出，这就需要相应改变导叶开度。当负荷减少时，阻力矩由变到时，只需把导叶开度减小到，机组转速将维持在；相反，当负荷增加时，阻力矩由变到时，相应开启导叶至，就能维持机组转速不变。所以随着负荷的改变，相应改变导水机构的开度，以使水轮发电机组的转速维持在某一预定值，或按某一预定规律变化，这一过程就是水轮发电机组的转速调节，或称水轮机调节。 图 2-1水轮机调节示意图2.1.3水轮机调节的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、发电机及负载)共同组成。水轮机调节系统与其他原动机调节系统相比有以下特点：(1)水轮机调节装置必须具备有足够大的调节功；(2)水轮机调节系统易产生过调节，因而不易稳定；(3)水击的反调效应不仅不利于调节系统的稳定，而且严重恶化了调节系统的动态品质；(4)有些水轮机还具有双重调节机构，从而增加了调速器的复杂性。2.2 微机调速器的总体结构图2-2为PLC水轮机微机调速器的总体框图，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(电气)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，称为电/机转换装置，它在很大程度上影响到调速器的性能和可靠性，近10年来得到了迅速的发展。在图2-1中，将电机转换装置单独表示出来，与微机(PLC)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。 图2-2 PLC水轮机微机调速器的总体结构1. 前向通道如图2-2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y1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y1是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。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2-1可以清楚地看出，可能的反馈通道有2-1，3-1， 2-2，3-2和3-3。其概念也比较清楚，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2-1绘出了分别位于微机(PLC)调节器、电/机转换装置和机械液压系统中的3个比较点：Al ，A2， A3。在一般情况下，A1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(PLC)调节器(1)输出(前向通道u/N)信号 .模拟量(通过数模转换A/D)输出u 0+10V； 420mA； -10V+10V。 数字量输出N 双向脉宽调制(PWM)输出；(100200)kHz定位脉冲。5. 电/机转换装置将电气或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数字信号的装置(接力器位移转换装置)。6. 机械液压系统随动型机械液压系统：执行机构型机械液压系统。本文主要讨论微机(PLC)调节器部分，所以对机械液压系统不做详细讨论。按照图2-2所示的总体结构，对前向通道、反馈通道和综合比较点进行不同组合，可以构成许多种不同结构的调速器。3 微机调速器的系统结构与硬件原理3.1 水轮机微机调速器的总体结构水轮机调速器的主要任务是根据负荷的变化而改变导叶的开度，以维持系统的频率的稳定。它与一般的微机控制系统一样，是一个计算机闭合控制系统。它由作为被控制对象的水轮发电机组和作为微机调速器的工业控制计算机，过程输入通道，过程输出通道及执行单元等组成，如图3-1所示。图中，主机系统是整个控制过程的核心，过程输入通道在这里主要完成对整个系统状态的检测，在微机调速器中，测量的主要量有系统的频率和机组的频率，水轮机水头，发电机出力，执行器的位置等，以及采集其他模拟量和开关量的功能；过程输出过程则通过模拟量和开关量对外输出控制信号，以达到所需的控制要求。 图3-1 总体结构图人机联系设备通常按功能分为输入设备，输出设备和外存储器。在微机调速器中常用的输入设备主要有键盘，键盘主要是用来输入外部命令及参数的整定与修改。常用的输出设备有打印机，显示器，记录仪等。微机调速器多采用打印机和数码管显示器作为输出设备，以便运行人员修改及打印运行参数和故障情况，以及了解运行参数和工作状态。外存储器有磁盘和磁带等，微机调速器通常不用外存储器。随着技术的发展，现在的人机界面通常采用触摸屏，将输入与输出功能集成一体。3.2 微机调速器的硬件构成 根据微机调速器的总体结构与具体任务要求，一般微机调速器的硬件系统可分为如下几大部分。一 主机系统主机系统是整个微机调速器的核心。它通过强大的逻辑与数字处理能力，完成数据采集，信息处理，逻辑判断以及控制输出。它一般由CPU，程序存储器，数据存储器，参数存储器，接口电路等组成。二 模拟量输入通道模拟量输入通道用于采集外部的模拟量信号，在水轮机调速器中，这些量为导叶开度，浆叶角度，电站水头，机组出力。三 模拟量输出通道模拟量输出通道用于将微机内的特定数字量转换为模拟量送出。一般多送出控制信号，如期望的导叶开度值，浆叶角度值，或者是其相关的控制信号。此外，也可能将某特定的值送仪表进行显示。四 频率信号测量回路频率测量回路是微机调速器的关键部件。它由于测量机组和系统频率，并将结果送至CPU。或将频率信号转换成一般形式的信号，送CPU进行测量。频率测量回路一般由隔离，滤波，整形，倍频等电路等构成。五 开关量输入通道开关量输入通道由于接收外部的开关状态信息或接收人为的操作信息。在微机调速器中，输入的开关量主要有：发电机出口断路器位置信号，开机命令，停机命令，调相命令，调相解除命令，开度增加命令，开度减小命令，频给增加命令，频给减小命令，机械手动位置信息，电气手动位置信息等。开关量输入通道一般由光电隔离回路和接口电路两部分构成。六 开关量输出通道开关量输出通道用于输出控制和报警信息，信息类别视不同的调速器有较大的差别。开关量输出通道一般由接口电路，光电隔离回路和功率回路三部分构成。七 通讯部分通信功能是微机调速器不同于早期其它种类调速器的一个显著区别。因具有通讯功能，微机调速器可方便地与其它计算机系统交换信息。八 人机接口人机接口主要完成两个任务：1.设备向人报告当前工作情况与状态信息。2.人向设备传送控制，操作和参数更改等干预信息。人机界面是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕。随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面需要熟练的操作员才能操作，而且操作困难，无法提高工作效率。但是使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变的简单生动，并且可以减少操作上的失误，即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少PLC控制器所需的I/O点数，降低生产的成本，同时由于面板控制的小型化及高性能，相对的提高了整套设备的附加价值。触摸屏作为一种新型的人机界面，从一出现就受到关注，它的简单易用，强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境，甚至可以用于日常生活之中，应用非常广泛。比如：自动化停车设备、自动洗车机、天车升降控制、生产线监控等，甚至可用于智能大厦管理、会议室声光控制、温度调整等生活生产的各个方面。随着科技的飞速发展，越来越多的机器与现场操作都趋向于使用人机界面，PLC控制器强大的功能及复杂的数据处理也呼唤一种功能与之匹配而操作又简便的人机的出现，触摸屏的应运而生无疑是21世纪自动化领域里的一个巨大的革新。九 供电电源微机调速器的工作电源一般分为数字电源，模拟电源和操作电源。数字电源为微机系统的工作电源，一般为5V。模拟电源为信号调理回路的工作电源，一般采用正负对称的双电源，如15V，或12V。数字电源与模拟电源可能是隔离的，也可能是共地的。操作电源为开关信号输入回路和输出回路提供电源，一般为24V。为保证整系统的可靠性，操作电源必须与数字电源，模拟电源是隔离的。为保证整个系统可靠供电，调速器电源部分一般采用冗余结构，交流直流220V双路同时供电，正常运行时交流优先，交流与直流电源互为热备用。当交直流电源中任意一路电源故障时，无需切换，能自动地由另一路电源供电，从而不对调速器产生任何冲击和扰动。3.3 PLC微机调速器的硬件配置 （以实际产品说明书为例）3.4 模拟信号调理信号调理的准确与否直接决定了整个系统的工作性能，鉴于水电厂的现场运行状况，在设计信号调理电路时应着重考虑以下几个方面的因素：（1）滤除现场的干扰信号，提高信号的信噪比。（2）应合理设计滤波电路，减少有用信号的衰减和波形的畸变。调速器在现场采集的模拟信号主要有：导叶接力器位移反馈、水头、功率。在信号调理电路中，针对每种信号都有其对应的处理通道。以下就以其中的一路通道为例，对电路的硬件设计作简单的介绍。电路图如图34所示。图34 模拟信号调理电路图 在图中I部分的作用是提供参考电压V0，传感器输出的模拟信号XIN进入调理板，和参考电压V0通过由U1A所构成的比较电路，通过调整电位器R1从而将信号XIN调零，然后经过由U1B所构成的滤波电路后变为所需要的信号YOUT，送入PLC的FX2n4AD模块进行A/D变换。3.5 频率测量PLC调速器的测频可以通过PLC直接测频，也可以通过单片机测频后通过I/O口将结果送至PLC。两种测量方法各有优缺点，如使用前者的缺点是对许多系列的PLC来说，其一般的计数最高频率为2060kHz，而其高速计数模块的最高计数频率一般也只能达到100200kHz，显然这与单片机内部的兆数量级的时钟相比有很大的差距，由于这两种测频方式都是将内部的时钟频率作为基准频率，因此PLC较低的时钟频率会影响到频率测量分辨率以及频率测量的时间响应特性等问题。如使用后者的缺点是必须自行生产印刷电路板组件，却又不能形成批量生产，从而使可靠性受到一些影响，而PLC已经是成熟批量生产的工业产品，其可靠性得到了保证。现分别介绍两种测频的方法：3.5.1 PLC直接测频PLC频率测量的原理图如下：图35 PLC测频原理图Tf1f2CAP2CAP1NTTf3测频计数可编程测频输入滤波整形图36 频率变换波形图硬件电路如下：图37 测频电路图图38 测频电路图 图39 测频电路图图35中被测机组频率信号为f1，如图37所示被送入测频调理板，经过放大整形由正弦波变为方波，方波信号如图38所示送入光耦进行隔离，然后进入芯片4013进行四分频（实际工程中，有时还采用二分频、八分频）得到图36所示的f3方波信号：经过分频后，f3信号为1的半周期时间和为0的半周期时间是相等的。在实际应用中可以采用硬件分频的方法，也可以采用软件分频的方法；f3方波信号为1的半周期时间正好是被测信号f1的周期T。方波信号最终送入PLC的I/O口作为中断。N为高频时钟信号，它提供一个稳定的振荡信号。它的形成如图39所示，由频率为2MHz的晶振经过芯片4040进行分频，其得到二分频，四分频等频率信号，根据需要取其中一组信号。N和f3信号都送入PLC进行运算处理。PLC的高速计数器能对高频信号N的半波脉冲串进行计数，当PLC的中断I/O口捕捉到CAP1信号时，将此时高速计数器的值NT1读出并存放在一个存储单元中，当PLC的中断I/O口捕捉到CAP2信号时，再将此时的高速计数器的值NT2读出并存放在另一个存储单元中，将两个值进行做差运算，并记其差值为NT，则NT在数值上正比于被测信号的周期T，通过下面计算得到PLC微机内的测频值F： NT= NT1NT2 （31）F= （32）F必然正比于被测的频率值。例如，取N2，则在被测频率为50Hz时，其T0.02s，NT40000；若取式（32）中的常数C=2，则由式（32）求得测量结果为F=50000。若测得的频率为48Hz，则求的F48000。3.5.2 单片机测频单片机频率测量的原理图如下： 图36 单片机测频原理图单片机频率测量的原理与PLC测频的原理基本相同，将频率信号经过隔离、整形等处理后变为标准的方波信号，方波信号经单片机的捕获引脚进入单片机，作为计数器的读取信号，从而可以根据式（31）和（32）由所读取的计数器中的数与单片机的时钟频率计算得到所测的频率。计算得到的频率值根据I/O传送给PLC。为了保证单片机与PLC之间信息交流的正确性，在PLC与单片机之间，有两条握手线，当单片机将测量到的机组频率信号放到I/O总线，且稳定后，通过X0通知PLC读取相应的信息；单片机将测量到的系统频率信号放到I/O总线，且稳定后，通过X1通知PLC读取相应的信息。为保证频率测量的实时性，PLC读取频率测量信息采用中断方式，即当产生X0中断时，PLC读取的是机频信号；而当产生X1中断时，PLC读取的是网频信号。在本课题中，采用了单片机测频和PLC直接测频相结合的方法。正常时，采用单片机模块的测频信息，以保证高的测量分辨率和测量速度。而当检测到单片机测频部分故障时，采用PLC直接测频值。4 微机调速器的工作过程与软件实现4.1 微机调速器功能概述微机调速器的基本功能为自动控制功能和自动调节功能。作为自动控制功能，调速器应能根据运行人员的指示，方便及时地实现水力发电机组的自动开机、发电和停机等操作；作为自动调节功能，调速器应能根据外界负荷的变化，及时调节水轮机导叶开度，改变水轮机出力，使机组出力与负荷平衡，维持机组转速在50Hz附近。PLC水轮机微机调速器除具备传统调速器的基本调节功能外，由于PLC具有丰富的运算和逻辑判断功能、强大的记忆能力、丰富的硬件资源，在调速器设计中充分发挥PLC的这些优势，使PLC水轮机微机调速器的功能又得到了扩大和加强。一般PLC水轮机微机调速器应具有如下功能：(1) 频率测量与调节功能。双通道PLC水轮机微机调速器可测量发电机组和电力系统频率，并实现对机组频率自动调节和控制；(2) 频率跟踪功能。当频率跟踪功能投入时，双通道PLC水轮机微机调速器自动调整机组频率跟踪电力系统频率的变化，能实现快速自动准同期并网；(3) 自动调整与分配负荷的功能。机组并入电力系统后，双通道PLC水轮机微机调速器将按整定的永态转差系数值，自动调整水轮发电机组的出力；(4) 负荷调整功能。接受上位机控制指令，调整机组出力；(5) 开停机操作功能。接收上位机控制指令实现机组的自动开停机操作；(6) 紧急停机功能。遇到电气和水机故障时，上位机发出紧急停机命令，实现紧急停机；(7) 主要技术参数的采集和显示功能。自动采集机组和调速器的主要技术参数，如机组频率、电力系统频率、导叶开度、调节器输出值和调速器调节参数等，并有实时显示功能；(8) 手动操作功能。当电气部分故障时，双通道PLC水轮机微机调速器具备用手动操作的功能，设置有机械液压手动操作机构、电气手动操作机构。(9) 自动运行工况至手动运行工况的无扰动切换功能。(10) 两个系统之间进行自动的无扰动的切换。双通道PLC水轮机微机调速器具有各种诊断功能，当调速器自动运行时，当系统级的故障被检测出来以后，应及时将调速器由故障系统切换到备用系统运行。这一切功能都是在硬件的基础上，通过软件程序来实现。4.2 PID控制原理4.2.1 PID控制器的基本原理PID（Proportional、Integral and Differential）控制器本身是一种基于对“过去”、“现在”、和“未来”信息估计的简单控制算法。图4-1 PID控制系统原理框图常规PID控制器系统原理框图如图4-1所示，系统主要由PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，它根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称为PID控制器。其控制规律为： (4-1)式中：、为比例系数、为积分时间常数、为微分时间常数。各种控制作用的实现方式在函数表达式中表达的非常清楚，对应控制参数包括比例增益、积分时间常数和微分时间常数。下面介绍三种校正环节的主要控制作用：1. 比例作用的引入是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号，以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的趋势变化。2. 积分作用的引入，主要是为了保证被控量在稳态时对设定值的无静差跟踪。3. 微分作用的引入，主要是为了改善闭环系统的稳定性和动态响应的速度。微分作用使控制作用于被控量，从而与偏差量未来变化趋势形成近似的比例关系。4.2.2 数字PID控制算法由于近年来微机技术的迅猛发展，实际应用中大多数采用数字PID控制器。其中经常采用的有位置式和增量式PID控制算法。4.2.2.1 位置式PID控制算法微处理器只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式(4-1)中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟PID控制算法的算式(4-1)，现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间T，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换： (4-2)式中，,显然，上述离散化过程中，采样周期必须足够短，才能保证有足够的精度。为书写方便，将简化表示成等，即省去。将式(4-2)代入，可得离散的PID表达式为： (4-3)或 (4-4)式中：采样序号，；第次采样时刻的计算机输出值；第次采样时刻输入的偏差值；第次采样时刻输入的偏差值；积分系数，；微分系数，；由于微处理器输出的直接去控制执行机构（如导叶），的值和执行机构的位置（如导叶开度）是一一对应的，所以称式(4-3)或(4-4)为位置式PID控制算法。这种算法的缺点是，由于全量输出，每次输出均与过去的状态有关，计算时要对进行累加，微处理器运算工作量大。而且，因为微处理器输出的对应的是执行机构的实际位置，如微处理器出现故障，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故。4.2.2.2 增量式PID控制算法针对位置型PID控制算法存在的问题，人们提出了目前应用较为广泛的增量型数字PID控制算法。增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量。当执行机构需要的是控制量的增量时，可由式(4-4)导出提供增量的PID控制算式。根据递推原理可得 (4-5)用式(4-4)减式(4-5)，可得 (4-6)式中式(4-6)称为增量式PID控制算法。可以看出，由于一般微处理器控制系统采用恒定的采样周期，一旦确定了、只要使用前三次测量值的偏差，即可由式(4-6)求出控制量。采用增量式算法时，微处理器输出的控制增量对应的是本次执行机构位置（例如导叶开度）的增量。对应导叶实际位置的控制量，目前采用较多的是利用算式通过软件来完成。增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少优点：(1) 由于微处理器输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断方法去掉。(2) 手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当微处理器发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值。(3) 算式不需要累加。控制增量的确与最近次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。但在实际应用中，为了提高PID控制器的抗干扰能力，应当用实际微分环节取代理想微分环节，具体形式为。即用取代，则实际微分通道上输入和输出分量有如下微分方程： (4-7)写成差分方程，有：经整理后，有： (4-8)同理，有： (4-9)故有： (4-10)式中将(4-10)式取代(4-6)式中微分分量，则实用的增量型数学PID控制算式为： (4-11)上式中 在本文中调速器采用的增量式PID控制算法。4.3 微机调速器的调节模式对于机械液压型调速器和电液调速器来说，其运行调节模式通常采用频率调节模式，即调速器是根据频差（即转速偏差）进行调节的，故又称转速调节模式。微机调速器一般具有三种主要调节模式：频率调节模式，开度调节模式和功率调节模式。三种调节模式应用于不同工况，其各自的调节功能及相互间的转换都由微机调速器来完成。1 频率调节模式（转速调节模式）（FM）频率调节模式适用于机组空载自动运行，单机带孤立负荷或机组并入小电网运行，机组并入大电网作调频方式运行等情况。图42微机调速器调节过程框图（.频率调节）如图42所示，频率调节模式有下列主要特征：（1） 人工频率死区，人工开度死区和人工功率死区等环节全部切除；（2） 采用PID调节规律，即微分环节投入；（3） 调差反馈信号取自PID调节器的输出Y，并构成调速器的静特性；（4） 微机调速器的功率给定实时跟踪机组实时功率P，其本身不参与闭环调节。（5） 在空载运行时，可选择系统频率跟踪方式，图中K1置于下方，bp值取较小值或为0。2 开度调节模式（YM）开度调节模式是机组并入大电网运行时采用的一种调节模式。主要用于机组带基荷动运行工况。如图43所示，它具有的特点为：图43微机调速器调节过程框图（开度调节）（1） 人工频率死区，人工开度死区和人工功率死区等环节均投入运行；（2） 采用PI控制规律，即微分环节节除；（3） 调差反馈信号取自PID调节器的输出Y，并构成调速器的静特性；（4） 微机调节器通过开度给定Yg变更机组负荷，而功率给定不参与闭环负荷调节，功率给定Pg实时跟踪机组实际功率，以保证由该调节模式切换至功率调节模式时实现无扰动切换。3 功率调节模式（PM）功率调节模式是机组并入大电网后带基荷运行时应优先采用的一种调节模式。如图44所示，它具有的特点为：（5） 人工频率死区，人工开度死区和人工功率死区等环节均投入运行；（6） 采用PI控制规律，即微分环节节除；（7） 调差反馈信号取自机组功率P，并构成调速器的静特性；（8） 微机调节器通过功率给定Pg变更机组负荷，故特别适合水电站实施AGC功能。而开度给定不参与闭环负荷调节，开度给定Yg实时跟踪导叶开度值，以保证由该调节模式切换至开度调节模式或频率调节模式时实现无扰动切换。图44微机调速器调节过程框图（功率调节）4 调节模式间的相互转换三种调节模式间的相互转换过程如图45所示。图45调节模式相互转换示意图（1） 机组自动开机后进入空载运行，调速器处于“频率调节模式”工作。（2） 当发电机出口开关闭合时，机组并入电网工作，此时调速器可在三种模式下的任何一种调节模式工作。若事先设定为频率调节模式，机组并网后，调节模式不变；若事先设定为功率调节模式，则转为功率调节模式；若事先设定为开度调节模式，则转为开度调节模式。（3） 当调速器在功率调节模式下工作时，若检测出机组功率反馈故障，或有人工切换命令时，则调速器自动切换至“开度调节”模式工作。（4） 调速器工作于“功率调节”或“开度调节”模式时，若电网频率偏离额定值过大（超过人工频率死区整定值），且保持一段时间（如持续15s），调速器自动切换至“频率调节”模式工作。（5） 当调速器处于“功率调节”或“开度调节”模式下带负荷运行时，由于某种故障导致发电机出口开关跳闸，机组甩掉负荷，同时调速器也自动切换至“频率调节”模式，使机组运行于空载工况。4.4 微机调速器的软件程序调速器的软件程序由主程序和中断服务程序组成，主程序控制PLC微机调速器的主要工作流程，完成实现模拟量的采集和相应数据处理、控制规律的计算、控制命令的发出以及限制、保护等功能。中断服务程序包括频率测量中断子程序、模式切换中断子程序等，完成水轮发电机组的频率测量和调速器工作模式的切换等任务。微机调速器的控制软件是按模块结构设计，也就是把有关工况控制和一些共用的控制功能先编成一个个独立的子程序模块，再用一个主程序把所有的子程序串接起来。主程序框图如图46所示。1主程序基于FX2N可编程控制器的微机调节器的主程序框图参见4-6。当微机调节器给上电源后，首先进入初始化处理，即对FX2N可编程控制器的特定位元件（如辅助继电器M等）设置初始状态；对特殊模块（如FX2N-4AD等）设置工作能够做方式及有关参数；对寄存器D特定单元（如存放采样周期。调节参数bp，bt，Td，Tn，等数据寄存器）设置缺省值等。测频及频差子程序包括对机频和网频计算，并计算频差值。A/D转化子程序主要是控制A/D转化模块把水头，功率反馈，导叶反馈等模拟信号变化为数字量。工况判断则是根据机组运行工况及状态输入的开关信号，以便确定调节器应当按何种工况进行处理，同时设置工况