MB PLC在水輪機調速器控制系統中的應用

郭壁壘，李 冰

（南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 210003）

0 引言

PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲中進行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或者模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的工業生產過程[1-3]。

MB40系列PLC由南瑞集團公司自主設計與研發，汲取了國際主流PLC的成功經驗，并根據當今PLC的最新發展方向，采用了計算機、通信、電子和自動控制等方面的國際先進技術，在CPU操作系統、IO信號處理、網絡通信、軟件開發等方面具有優越的性能，適用于各種自動化控制的編程需求。與傳統PLC相比，MB40 PLC組網的靈活性、系統平臺的開放性、編程軟件的靈活性以及模塊的智能性可使復雜的控制項目得以完美的實現。

1 水輪機調速器控制原理

水力發電過程是一個能量轉換過程，通過水電機組將水的機械能轉換為電能。在實現能量轉換過程中，由于電力系統負荷的不斷變化，導致系統頻率的不斷波動，為了保證供電質量，必須不斷地調節水輪發電機組的輸出功率，維持機組的轉速在額定轉速的規定范圍內[4-7]。

水輪發電機組轉動部分的運動方程為[5]：

其中：

其中：

Q表示通過水輪機的流量（m3/s）；H表示水輪機水頭（m）；ηt表示水輪機效率；ρ表示水的密度（kg/m3）。

在一定的機組工況下，通過調節水輪機導水機構的開度來調節水輪機流量Q；通過調節水輪機輪葉的角度來調節水輪機效率，最終實現Mt=Mg，使機組在一個允許的穩定轉速下運行。

2 基于MB40 PLC的水輪機調速器系統

2.1 MB40 PLC目前應用的領域

MB40 PLC研發成功投入市場以來，在電力、水利等行業得到了廣泛應用，迄今為止已經有數百個工程的應用實例，已應用電站的安全穩定運行為基于MB40 PLC開發水輪發電機組調速器奠定了堅實的基礎。

MB系列PLC作為一種通用的可編程控制設備，具有廣泛的適應性，可以適應多個行業的不同需求。針對水電站調速系統控制領域對頻率測量精度的要求，針對性的開發了高精度測頻模件。另外，調速產品有著其特殊的應用需求，需要實現一些新的功能和更嚴格的技術指標，在當前PLC的基礎上又開發了混合輸入AI模件、AO模件等，以滿足在水電站調速系統中的應用需求。

2.2 系統結構

水輪機調速器先后經歷了機械液壓型、電氣液壓型階段和微機數字型三個發展階段。微機數字型調速器是調速器發展的主流和方向，由微機調節器、電液轉換器及機械液壓系統組成，其結構如圖1所示。

目前國內水輪機微機調速器主要有基于可編程計算機控制器（PCC）、工控機（IPC）和可編程控制器（PLC）等三種類型，微機控制器是系統的控制核心，負責采集機組頻率、功率、水頭、接力器位移等信號和電站計算機監控系統的控制信號，同時接收電站計算機監控系統向微機調速器發出的指令，通過內部控制算法計算，輸出模擬量控制信號，控制機械液壓系統。

圖1 微機調速器的結構圖

MB40 PLC作為水輪機調速器的控制核心，主要由CPU模塊、測頻模塊、模擬輸入/輸出模塊、開關量輸入/輸出模塊、電源模塊構成，如圖2所示。

圖2 MB40 PLC微機控制器的結構

測頻模塊完成機組頻率測量；數字量開入模塊接收開機、停機、發電、調相、增速、減速等外部開關量等指令；模入模塊負責接收一些模擬量信號（如接力器行程、機組功率、水頭等）；CPU模塊根據各種數字量和模擬量輸入信號，根據工況需求，調用相應控制子程序，計算處理結果由數字量開出模件（各種狀態指示燈信號、步進電機旋轉方向控制、向電站二次回路或機組LCU發送報警信號和調速器發出自動切手動命令等）和模擬量開出模件（電液轉換器接入信號等）進行輸出。整個調速器通過人機交互界面輸入指令操作和監控實時信息，使用MODBUS總線與微機控制器通信，微機控制器模塊間以CAN總線進行通信，控制指令通過輸出模塊給調速器電液隨動系統，從而實時控制水輪發電機組正常運轉。

2.3 軟件框圖

MB40 PLC編程調試方便，支持IEC61131-3國際標準，具有系統配置、程序編寫、在線修改、在線調試功能，支持梯形圖LD和順序控制圖SCC，通過上位機軟件MBPro提供智能化的圖形和文本編輯功能。

調速器的控制軟件完成的功能主要有：判斷機組的工況狀態，根據各個工況的工作特性計算產生導葉給定，通過AD模件輸出電壓信號。

按照可靠性和模塊化的設計原則編制的整個調速器控制軟件，在調速器上電后，首先運行初始化程序，完成對一些變量的初始化以及判斷機組的初始工況，然后采集外部輸入的開關量、模擬量數據，并對它們進行數據處理，進入機組工況判別程序。根據機組不同的運行工況通過任務調度功能來調用相應的控制程序模塊，經過調節計算輸出導葉給定，然后將導葉給定和測得的導葉反饋經過導葉副環的PI調節以及限幅處理后輸出控制信號，控制導葉接力器的行程。程序的運行過程示意圖如圖3所示。

圖3 調速器控制軟件運行過程示意圖

3 性能模擬實驗及分析

系統測試試驗平臺如圖4所示。測試時采用頻率發生器提供50Hz方波模擬網頻信號，再由TG2000c綜合測試仿真儀給出機頻信號，將網頻和機頻信號送給MB40 PLC微機調速器處理，然后輸出模擬信號給機械液壓控制柜控制主配壓閥動作，進而給執行機構主接力器油壓信號調整行程。作為閉環控制，接力器行程分別反饋給調速器和仿真儀。

圖4 系統測試接線框圖

3.1 靜態特性實驗

調速器靜特性是指測速元件轉速n或機組頻率f與接力器行程y之間的關系，即y=f（n）曲線。調速器靜特性試驗的目的是考核調速系統的平穩性和非線性度、整個系統轉速死區 （即不靈敏度）的大小，以及永態轉差系數的準確性。

靜特性試驗是在調速器正常的操作油壓下，設置調速器的控制參數Kp=10，Ki=10l，Kd=0，bp=6.0%，頻率給定為額定值，采用曲線方法進行。靜特性試驗點數設置為11個，試驗測得靜特性測點數據如表1所示。

由實驗數據可見，MB40 PLC調速器的靜特性曲線整體上呈直線型，符合GB/T 9652.1—2007《水輪機控制系統技術條件》關于靜態特性曲線“應近似為直線”的定性規定。另外，采用一元回歸分析法，測得轉速死區ix為0.0120%，優于國標GB/T 9652.1—2007調速器轉速死區的規定。

表1 MB40 PLC水輪機微機調速器靜特性實驗結果

3.2 動態特性實驗

3.2.1 空載擾動

水輪發電機組空載擾動試驗是用來檢查水輪發電機組在空載工況運行時，水輪機調節系統穩定性能和快速、單調趨近于穩定值的動態性能。

如圖5所示，擾前頻率48.0074Hz，設定頻率為52Hz時，擾后頻率是51.9421Hz，最大超調是52.9592Hz（1.84%）；設定頻率為48Hz時，擾后頻率是47.9421Hz，最大超調是47.1592Hz（1.75%）GB/T 9652.1—2007規定水輪發電機組頻率擺動值對于大型調速器，不超過±0.2%；對于中、小型和特小型調速器，均不超過±0.3%。調節時間和超調量均能夠滿足調節品質的要求。

3.2.2 甩負荷實驗

水輪機調節系統甩100%負荷的動態特性是在水電站現場必須進行的重要試驗，它關系到水輪發電機組的安全運行，除了要校驗水輪機調速器參數整定的合理與否之外，還要校核機組調節保證計算的正確性。

由圖6可見，甩100%負荷MB40 PLC調速器調節過程平緩，機組甩掉負荷，頻率急劇上升為額定頻率的113.7%，同時調速器導葉開度快速減小，使頻率下降。由于機組慣性，頻率下降太低，由于微分環節和積分環節清除處理，導葉開度提前開啟，使機組頻率在50Hz附近恢復穩定。根據GB/T 9652.1—2007甩負荷后動態品質要求，在轉速變化過程中不超過兩個波峰后達到穩定，滿足國標要求。

3.2.3 開機實驗

調速器主機各項參數如下：Kp= 3.0000，Ki=0.10（1/s），Kd=1.50s，bp=0.00%，Tw=0.10s，MB40 PLC調速器關機試驗中Ta=4.00s。試驗波形圖如圖7所示。

MB40 PLC調速器采用典型的二段式開機方式，開機一階段導葉開度較大，機組頻率迅速上升，達到40Hz時，導葉開度減小，機組頻率上升減慢，接近機組額定頻率時，開機過程由開環控制轉為閉環控制，平滑接入PID閉環控制，使機組頻率迅速穩定在額定頻率附近。

3.2.4 停機實驗

調速器主機各項參數如下：Kp= 3.0000，Ki=0.10（1/s），Kd=1.50s，bp=0.00%，Tw=0.10s，MB40 PLC 調速器關機試驗中Ta=4.00s。試驗波形圖如圖8所示。

圖5 MB40 PLC調速器空載擾動48-52Hz實驗波形圖

圖6 MB40 PLC調速器100%甩負荷實驗波形圖

圖7 MB40 PLC調速器開機實驗波形圖

圖8 MB40 PLC調速器關機實驗波形圖

從圖8中可以看出，MB40 PLC調速器關機響應速度很快，導葉主接在1s內完成關機。

3.3 實驗分析及結論

對MB40 PLC水輪機調速器進行模擬試驗測試，包括靜態特性試驗：水輪機調速器靜特性試驗；動態特性試驗：空載頻率擾動試驗、甩負荷試驗、開停機試驗，完成了動態過程記錄。其調節過程平緩，對設備的沖擊較小，各項性能指標均能夠滿足水輪機調速器的調節品質，優于國標GB 9652.1—2007的要求。

4 結束語

一直以來我國國內大多水電站使用的調速產品采用進口PLC作為核心控制元件，核心技術受制于人，并且價格昂貴，服務不夠及時。MB系列可編程控制器是南京南瑞集團公司自主研發、具有完全自主知識產權的PLC產品，擴展MB系列PLC的應用領域，研制基于南瑞MB40 PLC的水輪機調速器，實現水輪機調速系統控制設備的國產化，可以直接應用到中小型水電機組，具有顯著的經濟效益和社會效益。

[1] 劉基順，田廣軍，陸樂，高恒倫.PLC運動控制器在舞臺機械系統中的設計和研究[J].自動化儀表，20013.34（1）：83-86.

[2] 胡佳琦，駱相丹. PLC控制系統在天然氣脫水系統中的應用[J].自動化儀表，20013.34（1）：40-42.

[3] 吳濤，魏延寶，鹿新亮. S7-400H在鍋爐發電系統中的應用[J].自動化儀表，20013.34（12）：37-40.

[4] 張海明，林義忠，莫代新.水輪機調速器研究概述[J].液壓與氣動，2009.6：3-5.

[5] 周若.水輪機微機調速器的開發和研究[D].武漢：華中科技大學，2005.5.

[6] 魏守平，羅萍.數字式電液調速器的微機調節器 [J].水電自動化與大壩監測，2003.27（3）:35-38.

[7] 沈祖詒.水輪機調節[M].北京：水利水電出版社，1998.

[8] 曲全磊.基于PLC的水輪機調速器的研究[D].長沙：湖南大學，2009.