S7-PLC控制调相压水系统并与治理甩负荷抬机合成为一个神经元

1、S7-PLC控制调相压水系统并与治理甩负荷抬机合成为一个神经元The S7-PLC control hydropower unit phase modulation pressing water system and synthesize a nerve cell with the system of cure unit raise when throw loadZhu-weijie ( Changsha university of science and technology Changsha 410077)朱文杰 （长沙理工大学 长沙 410000） 摘要本文设计了控制水轮发电机组调相压水

2、系统和治理机组甩负荷抬机，并考虑两者共同应用同一可编程控制器合成为分层分布式计算机监控系统中的一个神经元。关键词调相压水 治理抬机 神经元Abstract：This paper design that control hydropower unit phase modulation pressing water system and cure unit raise after throw load and calculate both together apply the same Programmable logic controller to synthetize a nerve cell

3、 in layered distributed Computer monitor system. Key Words：phase modulation pressing water cure unit raise nerve cell 调相压水历史沉淀综述电力系统的负载主要是感性负载（异步电动机和变压器），它们从电网中吸收感性无功功率，使电网的功率因数降低，线路压降和损耗增大，发电设备的利用率和效率降低。为了提高电力系统的功率因素cos和保持电压水平，常常装置调相机（同期补偿器）作为无功功率电源，提供感性无功，调相机通常都是在过励状态下（电流超前电压90°）运行，忽略定子绕组电阻时功

4、角=001。水轮发电机作调相机运行时从电力系统中吸取一部分有功功率以补偿其铜耗铁耗和风摩损耗，通常采用压水调相，一般调相容量为(0.60.75)(KVA)，为发电机额定容量。利用水轮发电机组作同期调相机有许多优点，比装置专门的调相机经济，不需一次投资；运行切换灵活简便，一般调相运行转发电运行只需要十多秒，故承担电力系统的事故备用很灵活。缺点是消耗电能比其它静电容器大，故应设法（如压水调相并自动化）减小调相耗能。可以承担调相任务的水电机组有三类情况：枯水期间不能发电且距离负荷中心不远的某些径流式水电站机组；电力系统负荷低谷期间不用发电的调峰水电机组；电力系统正常运行期间不用发电的事故备用水电机组

5、。当水轮发电机组作调相机运行时可能的方式分析与对比见表1：表1：水轮机组调相可能方式之对比序特 征效 果 简 析结 论方式一关闭水轮机导水叶，水轮机转轮在水中旋转（反击式水轮机一般Hs 0）。操作方便简单，但能量消耗大，满发无功功率时约为15%02，同时机组振动极大。、类水电机组都不要采用。方式二水轮机转轮与发电机解离。拆卸和安装工作颇费周折，短期内不能由调相转为发电。类水电机组在通过可行性论证后可以采用；、类水电机组绝对不能采用。方式三关闭进水口闸门和尾水闸门，抽空尾水管存水。工况转换时抽水与充水时间都较长，且运行操作复杂。类水电机组可以考虑采用；、类水电机组绝对不能采用。方式四开启导水叶使

6、水轮机空转，带动发电机作调相机运行。水轮机在空载工况下效率很低，耗水量大，水轮机磨蚀与空蚀加剧。、类水电机组都不要采用。方式五关闭水轮机导水叶，利用压缩空气强制压低转轮室水位，使转轮在空气中旋转。操作不复杂，调相和发电工况间的相互转换时间不过十多秒，且能量消耗少，满发无功时约为4%02，同时机组振动小。类水电机组可以考虑采用；是、类水电机组都普遍采用的好方式。利用压缩空气强制排水的方法在工程技术中早有应用，如打捞沉船的浮箱、潜水艇升降器、水下施工沉箱。调相压水的目的是减小阻力、减少电能消耗、同时减轻机组振动。压缩空气通常是从专用的调相贮气罐中引来，强制压低转轮室中的水位，压缩空气的最小压力需等

7、于要求压低的水位与下游水位之差，一般将水位压到尾水管进口边以下（0.51.0）D1，设置上限水位时应躲开转轮室“风扇效应”03浪涌摆幅0.5D1，设置下限水位时应考虑“封水效应”03防止一次性逸气；压水效果最优的起始给气流量(m3/s)式中 转轮出口直径（m）；机组额定转速（rpm)；吸出高值（m）调相给气压水系统自动控制要求如前所述：水轮发电机组作调相运行时，导水叶是全关的，为了减少阻力和电能损耗，必须将水轮机转轮室水位压低，使转轮在空气中旋转。对机组调相压水系统自动化的要求是040506：当机组转为调相运行时，打开主给气阀（考虑与治理抬机070809用电动调节补气阀合一）将压缩空气送入转轮

8、室将水位压下，下降至“封水效应”03容许的下限水位时，关闭主给气阀；由于流道逸气、携气，转轮室水位逐渐上升至“风扇效应”03容许的上限水位时，又自动开启主给气阀，将水位再次压低至下限水位；为避免主给气阀操作过于频繁，在主给气阀处并联一只由电磁配压阀控制的较小的辅助液压给气阀（进气流量略小于逸气流量+携气流量），它在调相过程中一直开启。治理甩负荷抬机新思路重申与控制要求简述文献070809已就此问题较详述，本文仅作两点强调：传统治理抬机措施存在原理性缺陷，即强迫式真空破坏阀由调速环下斜块速压而动作，阀之出气位置处顶盖下转轮室四周压力较高区，转轮室内进气量很小；自吸式真空破坏阀动作时已形成大真空度

9、，加之水击波10在t（2×252×50）/10000.050.1秒后返回，入气位置虽佳但进气量仍极少；两段关闭导水叶法调保兼治抬只能略微减轻不能完全消除转轮室-尾水管段水击10，对解决小Kz值（机组转动部分相对重量）07的机组抬机几乎无效11。注意到转轮室-尾水管段“短粗弯管”也发生水击是水轮机组甩负荷抬机的根源，我们应在甩负荷发生瞬间立即不延时自动向转轮室中心压力较低区域充入与由于快速关导叶造成过水流量减小值近似相等的压缩空气流量（换算到转轮室压力状态下），以时刻维持转轮室压强和甩负荷前稳定流状态一致，希冀状态空间12（又称相空间）不变。调相给气压水系统与治理抬机0708

10、09相结合时自动化元器件配置、I/O统计、PLC及扩展模块选择、内存地址分配为满足上述自动控制要求，转轮室水位由电极式水位信号器DSX反映，信号提供给PLC；主给气阀为电动调节进气阀，该阀位于压缩空气供气总管与水轮机顶盖近中心区域入气口之间的供气支管上，管径d=max30贮气罐容积m3/(0.52)1/2mm，33水轮机最大过流量m3/s1/2mm ，由PLC控制；辅给气阀为液压阀YF，由带ZT电磁铁的配压阀DP控制，DP又受控于PLC；为防治甩负荷抬机需监测监控转轮室压强，在水轮机顶盖过流面直径为(D1Dz)2的分布圆周上（D1为转轮标称直径；Dz为主轴直径）沿X、Y、X、Y方向分别布置1号

11、、2号、3号、4号四只压力传感器，信号提供给PLC。 这里设计的PLC控制系统，由导叶主令开关提供导叶开度全关信号，需1个开关量输入点；由导叶主令开关提供导叶开度在空载以上，需1个开关量输入点；由断路器辅助触头提供DL状态，需1个开关量输入点；调相时由电极式水位信号器DSX提供上、下限两个水位信号，需2个开关量输入点；四只压力传感器提供转轮室甩负荷时不同方位的压力信号，需4个模拟量输入点；进入调相状态后须给电极式水位信号器投入电源，需1个开关量输出点；主给气阀为电动调节进气阀，需1个开关量输出点控制其工作电源投入与切除、需1个开关量输出点控制立即开闭、还需1个模拟量输出点用于PID调节进气量；

12、辅给气阀之ZT电磁铁不带电工作，开启与关闭需PLC开关量输出点各1个（计2）。总计开关量输入点5个；开关量输出点5个；模拟量输入点4个；模拟量输出点1个。在微机-PLC-PLC控制系统中设一台SIMATIC S7-222型13PLC（8输入6输出）并带一个EM235型13（4路模拟量输入1路模拟量输出）模拟量扩展模块控制水轮机组相压水系统并与治理抬机相结合成分层分布式计算机监控系统14中的一个神经元15，PLC型号可和网络中其它PLC一致，如选S7-224型。表2给出输入输出地址及内存变量分配。表2：PLC输入、输出信号内存变量地址分配表序号信 号 名 称内 存 地 址说 明01导叶开度位置处

13、于全关I0.0导叶全关时置1，打开后置002导叶开度位置处于空载以上I0.1导叶空载以上置1，空载以下置003发电机出口断路器通断状态I0.2断路器合闸状态置1，跳开置004调相压水时转轮室上限水位I0.3高于上限水位时置105调相压水时转轮室下限水位I0.4高于时置1，低于时非置1061号压力传感器模拟量信号输入AIW0072号压力传感器模拟量信号输入AIW2083号压力传感器模拟量信号输入AIW4094号压力传感器模拟量信号输入AIW610对主给气阀电动调节开度的模拟量输出AQW011主给气阀（电动调节阀）电源投入与切除Q0.0Q0.0置1则投入，置0则切除12主给气阀（电动调节阀）立即全

14、开与关闭Q0.1Q0.1置1则全开，置0则关闭13电极式水位信号器DSX电源合闸投入与切除Q0.2Q0.2置1则投入，置0则切除14辅给气阀（控于DP的液阀）开启Q0.315辅给气阀（控于DP的液阀）关闭Q0.416主给气阀（电动调节阀）治抬机时PID调节AQW017机组调相运行状态标志M0.018机组甩负荷已发生标志M0.119发送上位机启动机组事故停机指令V5000.020上位机发来机组进入发电状态信号V5000.121上位机发来机组停机复归信号V5000.2程序设计1617总体思路控制程序采用分块结构。设子程序SBR0控制机组调相压水系统；子程序SBR1控制机组甩负荷时立即不延时向转轮室

15、补入恰当量气体08。主程序OB1分别调用SBR0、SBR1子程序块，对两个不同时事件分别控制。主程序中的具体控制流程采用子程序调用和甩负荷治抬PID算法中断程序，构建分块结构，在水轮发电机组运行过程中，本小系统主程序只要不间断查询两个子程序的起动条件，并根据起动条件决定是否调用调相压水子程序或治理甩负荷抬机子程序。控制算法应用算法控制甩负荷后向转轮室的进气量，从而控制转轮室状态空间量水位或者压强，调相压水时用的是乒乓策略，甩负荷治抬机时则是PID算法，PID的输出值用来控制主给气阀（电动调节阀）的开通大小。控制程序 ·OB1·（主程序）LD SM0.0A I0.0 /导水叶

16、处于全关位置A I0.2 /发电机出口断路器处于合闸状态S M0.0，1 /机组调相运行状态标志置位S Q0.0，3 /给主给气阀、电极式水位信号器加工作电源；开启主给气阀。= Q0.3 /开启辅给气阀CALL SBR_0LD SM0.0A I0.1 /导水叶开度位置在空载以上AN I0.2 /断路器已跳闸S M0.1，1 /机组甩负荷已发生标志置位S Q0.0，2 /立即不延时给主给气阀加工作电源并开启主给气阀= V5000.0 /发送上位机启动机组事故停机指令CALL SBR_1LD V5000.1O V5000.2R M0.0，1 /机组调相运行状态标志复位R Q0.1，2 /关闭主给气

17、阀、DSX切除电源= Q0.4 /关闭辅给气阀LD Q0.1TON T37，50 /延时5SLD T37R Q0.0，1 /切除主给气阀电源。LD SM0.0A V5000.2R Q0.1，1 /关闭主给气阀。LD Q0.1TON T37，50 /延时5SLD T37R Q0.0，1 /切除主给气阀电源R M0.1，1 /机组甩负荷发生标志在停机完成后复位END ·SBR0·（调相时供气压水子程序）LDN I0.4 /转轮室水位低于下限值R Q0.1，1 /关闭主给气阀LD I0.3 /转轮室水位高于上限值S Q0.1，1 /开启主给气阀LD V5000.1 /机组进入发电

18、运行状态O V5000.2 /机组停机复归CRET /供气压水子程序有条件返回 ·SBR1·（甩负荷时输气治抬机子程序）LD  M0.1LPSS  Q0.0，1     /电动进气调节阀加上工作电源LRDA   SM0.1 /首次扫描置1S  Q0.1，1   /主给气阀立即开至全开LPPXORD  AC0，AC0  /清空累加器AC0XORD  AC1，AC1  /清空累加器AC1XORD  AC2，AC2

19、0; /清空累加器AC2XORD  AC3，AC3  /清空累加器AC3MOVW  AIW6，AC3      /把4号压力传感器信号（模拟量）存入累加器AC3I    4，AC3      /取4号压力传感器信号量的1/4MOVW  AIW4，AC2      /把3号压力传感器信号（模拟量）存入累加器AC2I    4，AC2 

20、60;    /取3号压力传感器信号量的1/4MOVW  AIW2，AC1      /把2号压力传感器信号（模拟量）存入累加器AC1I    4，AC1      /取2号压力传感器信号量的1/4MOVW  AIW0，AC0      /把1号压力传感器信号（模拟量）存入累加器AC0I    4，AC0   

21、;   /取1号压力传感器信号量的1/4I    AC1，AC0I    AC2，AC0I    AC3，AC0ITD    AC0，AC0     /把16位整数转换成32位整数DTR   AC0，AC0     /把32位整数转换成实数R    32000.0，AC0  /标准化AC0中的值作为PID运算设定值SP

22、n（0.01.0之间）LD    SM0.1A     M0.1CALL     SBR_2     /调用初始化（回路表赋值）子程序LD V5000.2 /机组停机复归R     Q0.1，1    /主给气阀立即全关 ·SBR_2·（初始化/回路表赋值子程序）LD SM0.0MOVR  AC0，VD104   &#

23、160;  /装入回路表设定值SPn（0.01.0之间）/甩前压强大小值MOVR  Kc，VD112 /装入回路增益Kc（常数）MOVR  0.004，VD116     /装入采样时间0.004sMOVR  Ti，VD120  /装入积分时间Ti分钟MOVR  Td，VD124 /装入微分时间Td分钟MOVR  4，SMB34  /设定定时中断0的时间间隔为4msATCH  INT_0，10   /设置定时中断以定时执行PID指令ENI

24、0;   /允许中断LD V5000.2 /机组停机复归CRET ·INT_0·（中断程序）LD  SM0.0XORD  AC0，AC0XORD  AC1，AC1XORD  AC2，AC2 XORD  AC3，AC3 MOVW  AIW6，AC3I  4，AC3MOVW  AIW4，AC2I  4，AC2MOVW  AIW2，AC1I  4，AC1 MOVW  AIW0，AC0I  4，AC0&#

25、160;I  AC1，AC0I  AC2，AC0I    AC3，AC0 /此时AC0中的数值为转轮室顶盖下压强之平均值ITD    AC0，AC0   /把16位整数转换成32位整数DTR   AC0，AC0  /把32位整数转换成实数R    32000.0，AC0      /标准化AC0中的值作为PID运算过程变量PVn（0.01.0之间）MOVR  

26、0; AC0，VD100    /将AC0中的值存入回路表VD100LD     M0.1PID    VB100，0    /执行PID指令LD     SM0.0XORD  AC0，AC0  /清空累加器AC0MOVR   VD108，AC0    / 把PID运算输出送到AC0（输出Mn，在0.01.0之间）   32000.0，A

27、C0      /将AC0中的值刻度化ROUND  AC0，AC0 /四舍五入将实数转换成32位整数DTI    AC0，AC0   /将32位整数转换成16位整数MOVW    AC0，AQW0    /将16位整数值写到模拟量输出寄存器，去控制调节阀进气开度LD V5000.2 /机组停机复归CRETI      /中断返回 程序编制说明采用主程序、子程序、中断程

28、序的程序结构形式，起到优化程序结构，减小扫描周期时间的效果。主程序OB1的功能是完成本合成神经元小系统控制，一级子程序SBR0、SBR1的功能是分别完成调相压水控制和甩负荷防治抬机控制；SBR2是一级子程序SBR1下嵌套的二级子程序，其功能是初始化给PID回路表赋值；INT0则是一级子程序SBR1下对甩负荷后向转轮室的进气量进行PID控制。辅给气阀由不带电工作的ZT电磁铁驱动，故安排Q0.3、Q0.4分别控制开启、关闭；主给气阀是需工作电源的电动调节阀，为防止阀关闭进程中未到全关位置失电，采取关阀启动后延时5S再切除电源；为防止不调相期间向转轮室“乱”给气，程序中在调相结束时切除电极式水位信号

29、器DSX电源；主给气阀在甩负荷治抬机时初始化即开启至全开，以后各扫描周期由PID输出控制其开度；使用AC0、AC1、AC2、AC3时先清零，读入采样数值后取其1/4再累加得到平均值，是为了防止数值溢出；SBR1中使用LPS、LRD、LPP是为了减小扫描时间20。调相压水与治理抬机合成神经元数理分析我们把神经元U看作一个信息处理单元，神经元U可剖解为输入、处理、输出三块区域15 。其输入如同树突接受来自其它神经元的信号；其输出好比由轴突送往其它神经元的信号。信号可以是连续或离散量，可以是确定性量、随机或模糊量。在神经网络拓扑结构中，我们把与输入列（输入端）联接的元叫作第一层，显然调相压水与治理抬

30、机合成神经元在分层分布式计算机监控系统14中属于第一层。当调相压水时，转轮室水位b是输入，而主辅给气阀开度r1、r2是输出，它们间的关系如图1：br1、r2下限水位b1上限水位b210b1111图1：调相时主辅给气阀开度r1、r2导与转轮室水位b1的关系 r11（when bb2b2b1） 0（when bb1b1b2）； r21/a 。当甩负荷治理抬机时，进程中转轮室实时压强即过程变量PV是输入，甩负荷发生瞬间之转轮室压强作给定值SP，偏差e=SP-PV，PID控制器管理输出数值，以便使e为零，PID运算输出r(t)是时间的函数，其当前活化值不仅与当前整合输入有关，而且与以前时刻活化态有关。

31、r(t)=Kpe+Kit0edt+Kdde/dt+ rinitial式中Kp 、Ki 、Kd分别为回路比例、积分、微分系数；rinitial为回路输出初始值。其离散化PID运算模式为：rn=Kpen+Kiel+rinitial+Kd(enen-1)式中rn为采样时刻n的PID运算输出值；en 、en-1 、el分别为采样时刻n、n-1、l的PID回路偏差。比例项是当前采样的函数，积分项是从第一采样至当前采样的函数，微分项是当前采样及前一采样的函数，CPU处理时储存前一次偏差及前一次积分项，上式简化为：rn=Kpen+（Kien+rX）+ Kd(enen-1)式中rX为积分项前值。即输出为比例项

32、、积分项、微分项之和，Kp =Kc 、Ki=Kc Ts/Ti 、Ki=Kd Td/Ts。总结与展望上述过程展示了合理继承传统又推陈出新的方法，也就是说，我们从传统和次新技术中去提取、归纳了高新技术下的活化规则，只有这样才能使我们的控制系统性能更优地完成任务，应该坚信：“科学研究方法是人类解决自然界各种实际问题的有力手段”，“善于运用科学方法是至关重要的”21。诚望这一神经元得到水力发电生产实践的检验。我国确定的西部大开发战略，其中很重要的组成部分就是西部水力发电大开发，进而“西电东送”。在不久的将来，会有三峡、溪落渡、白鹤滩等一大批巨型水电站熠耀生辉，鉴于分层分布式网络较易组织和研究15，每一

33、个现代水电站都将建设基于可编程控制器的分层分布式计算机监测控制系统，如三峡-葛洲坝整个监控系统分梯级调度层（连国调、CN、PN）、电厂控制层（有3个OS、2个IMS、1个GS、1个模拟屏控制站、2个对厂通信网关、2个与开关站控制网络相连的桥B）和机组控制层（开放式的全冗余分布处理系统，每台机组控制单元由6个部分组成，Field Bus连接几大主要设备）14。在这种分层分布式计算机监测控制系统中，设计如18、19、20及本文等的神经元是必不可少的基础，欢迎更多的人来探索。参考文献01华中工学院许实章电机学下册（M）北京：机械工业出版社，1981.402武汉水利电力学院，华北水利水电学院，华东水利学院合编水力机组辅助设备与自动化(M)北京：水利电力出版社，1981.303机电设计手册编写组水电站机电设计手册，电气二次（M）北京：水利电力出版社，1984.1204王定一主编水电站自动化（M）北京：电力工业出版社，1982 05刘忠源，徐睦书合编水电站自动化（M）北京：水利电力出版社，1985 06楼永仁，黄声先，李植鑫合编水电站自动化（M）北京：水利水电出版社，1995 07朱文杰水轮机防抬措施探讨.水利水电技术（J）北京：水利电力出版社，1994.908朱文杰用PLC根治水力机组甩负荷抬机中国水利水电市场（J）北京：水利水电出版社，200