一、WWT微機調速器的數(shù)學模型

1.1控制規(guī)律的選擇

水輪機調節(jié)設備是通過調節(jié)導水機構的開度來調節(jié)水輪機的流量及其流態(tài)的，這種調節(jié)需很大的推力，所以調速器的執(zhí)行機構采用一級放大或二級放大的油壓裝置，從而利用其推力推動接力器來實現(xiàn)。

從自動控制原理的角度上講，控制水輪機流量存在著水輪慣性，對調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定和響應特性帶來不利影響，水輪調速系統(tǒng)是一個復雜的、多變的、非線性的控制系統(tǒng)。

1.2 WWT型PLC微機調速器的控制過程

水輪機調速器由測量元件、放大校正元件、給定元件、執(zhí)行機構、反饋元件等組成，發(fā)電機組作為構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。它的控制過程是測量元件把機組轉速n(頻率)或其他被調參數(shù)測量出來，與給定信號和反饋信號綜合后，經(jīng)放大校正元件去控制水輪機組，同時反饋元件又把導葉開度變化的信號返回給加法器。

1.3 PID調節(jié)的控制算法

上面說到水輪調節(jié)系統(tǒng)是一個復雜的控制系統(tǒng)，因此選擇合適的控制規(guī)律是一個號的控制系統(tǒng)的關鍵因素之一。在設計WWT型微機調速器時我們選擇了PID調節(jié)規(guī)律，它的結構簡單，并且提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

PID控制規(guī)律在實際中是由PLC的 軟件程序來實現(xiàn)的，PID的輸入為測量的頻差，其運算結果YPID為對應的導葉開度Y的數(shù)字量，YPID送入交流伺服電機驅動器，以控制電機的運轉位置，電機的轉動位置通過電液轉換器對應導葉接力器的開到對應的開度Y。

為實現(xiàn)有差調節(jié)，調差的反饋信號可取自位置環(huán)控制式PID運算結果，并與 功率給定信號的數(shù)字調節(jié)量相減，然后經(jīng)Bp后與頻差信號綜合，改綜合信號送入PID調節(jié)通道。

PID微機調節(jié)器的控制算法為：

將上式進行拉氏變換得：

式中負號表示正的頻差對應負的接力器的開度。

式中是PID調節(jié)的時間連續(xù)的傳遞函數(shù)表達式;若用PLC程序實現(xiàn)則必須進行離散計算。

將式中的比例、積分、微分單獨的表達式寫出來：

用PLC程序來實現(xiàn)則必須進行PID調節(jié)計算，而采樣周期t式離散計算過程中極為重要的量。WWT型微機調速器是以種借助程序實現(xiàn)調節(jié)和控制功能的數(shù)字電子裝置，它是以巡回掃描的或定時處理的原理工作的。PLC完整的執(zhí)行一次可編程器系統(tǒng)、用戶程序所占用的 時間為采樣周期。

二、WWT微機調速器的數(shù)學控制方案的設計

2.1 WWT型PLC微機調速器系統(tǒng)原理

由交流伺服電機(位置環(huán))及滾珠螺旋自動復中裝置構成電液轉換器，由定位環(huán)控制PLC微機調節(jié)器的定位模塊，根據(jù)PID調節(jié)器輸出YPID與主接力器反饋(通道3-1)yf的差值，向交流伺服電機驅動器送出與此差值成比例的有方向的定位信號N，交流伺服電機同軸的旋轉編碼器將實際轉角(位移)y1以脈沖數(shù)的形式Nf送回驅動器，從而形成了以Ty1(交流伺服機構反應時間常數(shù))為特征參數(shù)的小閉環(huán)。在調速器穩(wěn)定狀態(tài)(靜態(tài))，y1使主配壓閥處于中間平衡位置。

YPID至y的傳遞函數(shù)為：

由于交流伺服電機具有很高的頻率響應特性，其反應時間常數(shù)可以忽略(取Ty1=0)不計，上式傳遞函數(shù)簡化為

2.2 PLC系統(tǒng)結構

在調速器電氣部分的控制核心的PLC系統(tǒng)包括CPU模塊，數(shù)字量輸入模塊，數(shù)字量輸出模塊，模擬量輸入模塊，定位模塊、觸摸屏等。PLC系統(tǒng)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，進行PID運算及狀態(tài)控制，輸出控制信號。

PLC調節(jié)器采集現(xiàn)場信息，對信息進行分析、運算得出控制信號，再以一定的方式實現(xiàn)對執(zhí)行機構的控制。PLC調節(jié)器的主要功能如下：

(1)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集功能

以足夠的精度及滿足要求的采樣時間采集現(xiàn)場模擬量信號，如：機組頻率值、電網(wǎng)頻率值、導葉開度反饋、槳葉角度反饋、實際功率反饋、機組水頭信號等，為保證控制精度及調速器的速動性，模擬量采集的精度及采樣周期必須達到一定要求，我們研制的PLC調節(jié)器頻率信號測量精度為<0.002Hz，其它模擬量的測量精度為12位，足以滿足國標中轉速死區(qū)<0.02%的要求;采樣周期為80µs，足以滿足國標中不動時間<0.2s的要求;

以足夠的刷新時間及可靠性采集現(xiàn)場開關量信號，如：開機令、停機令、油開關信號、調相信號、控制室操作指令、現(xiàn)地操作指令等。由于PLC是專為工業(yè)現(xiàn)場控制而設計的CPU，在開關量采集方面極其方便、可靠，具有光電隔離，自動防抖功能，刷新時間約為30 μs。

(2)自動調節(jié)與控制功能

頻率調節(jié)與頻率跟蹤：在頻率調節(jié)模式下運行時，實現(xiàn)機組頻率的調整。在空載工況下，可實現(xiàn)對電網(wǎng)頻率的跟蹤和相位的控制，能實現(xiàn)快速并網(wǎng);

開度調節(jié)與水位控制：在開度調節(jié)模式下運行時，可實現(xiàn)按水位控制機組出力，即根據(jù)上游水位控制機組出力并保持在某恒定值下運行;

功率調節(jié)與功率模式：在功率調節(jié)模式下運行時，將接入機組輸出功率反饋信號，機組將根據(jù)負荷給定值調整出力;

三、 PLC微機調速器控制設備的選型

3.1可編程控制器

3.1.1 PLC主模塊FX2N-64MT(32點輸入，32點輸出)

FX2N-64MT是由電源、CPU、存儲器和數(shù)字量輸入/輸出器件組成的單元型可編程控制器;由交流220V電源供電，模塊還提供內(nèi)裝DC24V電源作為輸入傳感器的輔助電源。它帶有通訊模塊FX2N-485-BD，傳送規(guī)格為RS485/RS422，能與上位機通訊。

3.1.2模擬量輸入模塊FX2N-4AD

FX2N-4AD是由四通道的模擬量輸入模塊，用于導葉開度、漿葉開度、水頭位置和功率四個模擬量的輸入。此次畢業(yè)設計PLC調速器用到導葉開度和水頭位置兩個模擬量輸入通道。且本次設計采用電壓輸入，輸入范圍為-10V～+10V(輸入電阻為200VKΩ)。數(shù)字輸出為帶符號的12位二進制,范圍為-2048～+2047,+2047以上固定為+2047,-2048以下固定為-2048。分辨率為5mV(即10Vx1/2000)。綜合精度±1%(相對于最大值)。轉換速度15mSx(1-2)通道。隔離方式采用光電隔離和采用DC/DC轉換器使輸入和PLC電源間隔離(各輸入端子間不隔離)。模擬量用DC24V±10%，55mA，輸入輸出占有點數(shù)程序上為8點(計輸入或輸出點均可)由PLC供電的消耗功率為5V30mA。

3.1.3定位模塊FX2N-1PG

本次設計采用FX2N-1PG為脈沖輸出模塊，用作對交流伺服電機的控制，通過FX2N的FROM/TO指令設定定位目標，運轉速度和各種參數(shù)。

本次設計FX2N-1PG電源由穩(wěn)壓電源提供DC5V，電源正端接止VIN端子;電源負端接止COM0端子，此端子亦為脈沖輸出公共端。此設計FX2N-1PG的FP端子為正轉脈沖輸出端，RP端子為反轉脈沖輸出端，其脈沖信號輸出止電機驅動器，從而控制電機工作。

3.2觸摸式圖形顯示操作終端

設計采用日本三菱電機公司觸摸式圖形顯示操作終端F970GOT—SWD—C更加簡捷、準確、方便地實現(xiàn)對PLC微機調速器監(jiān)視和操作，進一步提高PLC微機調速器人機交互界面水平。

F970GOT—SWD—C真彩觸摸屏安裝在電氣部分操作面板上，其含有預置的系統(tǒng)畫面。其操作畫面可自由切換，除顯示英文、漢字外，還能顯示直線、圓、四邊形等簡單圖形。

F970GOT—SWD—C真彩觸摸屏有三個通訊端口，本次設計采用其兩個RS422和RS232C。RS232C與上位計算機連接選用FX-232CAB-1型電纜，它的兩端均為D形9孔插座;RS422與可編程控制器連接其選用FX-50DU-CABO型電纜，它的一頭為D形9針插頭(與圖形顯示操作終端連接)，一頭為MINI-DIN型8針插頭(與FX2N基本單元編程連接器連接)。

3.3交流伺服電機及驅動器

本次設計調速器交流伺服電機采用日本松下MINAS A系列的MSMD082P1 750W全數(shù)字交流伺服電機。其驅動器采用型號為MCDDT3520的C型單相/三相200V的驅動器。

本次設計驅動器與交流伺服電機采用串行通訊。交流伺服電機軸上旋轉編碼器的轉角反饋信號由兩根信號線送至驅動器。其主回路控制回路交流伺服電機的1、2、3和4號端子分別接至驅動器的U、V、W和外殼接地端。這樣，驅動器將從FX2N-1PG輸入的正/反轉脈沖信號經(jīng)內(nèi)部模塊處理為控制信號通過U、V、W三相來控制電機正/反轉到指定位置。驅動器內(nèi)部采用四倍頻技術，其脈沖當量為360°/10000=0.36°。

四、 PLC微機調速器的運行狀態(tài)和調節(jié)模式

4.1 PLC微機調速器的運行狀態(tài)

1、調速器的運行狀態(tài)如下:

(1) 停機等待 (2) 開機 (3) 空載 (4) 負載 (5) 甩負荷 (6) 調相

2、調速器運行狀態(tài)的轉換見圖5.1.1

(1)PLC微機調速器處于非負載狀態(tài)(包括：空載、甩負荷、停機過程、開機過程等)下，均工作與頻率調節(jié)模式(FM)。

(2)PLC微機調速器第一次進入負載狀態(tài)(例如，機組油開關投入，并入電網(wǎng)運行)時，調速器強制切換至功率調節(jié)模式(PM)一次。

4.2 PLC微機調速器的調節(jié)模式

1、節(jié)模式可工作于“模式自動”和“模式手動”(從面板上的開關選擇)兩種方式。在“模式自動”方式下，調節(jié)模式主要由調速器的工作狀態(tài)及模式約束條件來決定;在“模式手動”方式下，對于負載工作狀態(tài)，可操作面板上的“回車”鍵，使其在3種模式間循環(huán)切換，它們也必須受調節(jié)模式約束條件的控制。

2、調節(jié)模式約束條件為：

(1)、功率調節(jié)模式(PM)的功率偏差約束條件。當PLC微機調速器的功率給定值PC與機組實際功率PG之差的絕對值大于某一事先給定的功率偏差△P0(一般取為額定功率的5%)時，即認為“功率超差”。當連續(xù)超差次數(shù)大于事先給定值(取800次，若采樣周期τ=0.02S，即持續(xù)時間為16S)時，調速器就認為出現(xiàn)機組傳感器故障，并自動切換至開度調節(jié)模式(YM)運行。

(2)、功率調節(jié)模式(PM)或開度調節(jié)模式(YM)的頻率偏差約束條件。當PLC微機調速器的機組頻率fg超差(一般取fg≤49.5HZ及fg≥50.5HZ)時，頻率超差計數(shù)Cf加1。當連續(xù)超差次數(shù)大于給定值時，調速器將自動切換到頻率調節(jié)模式(FM)運行。

3、編制程序中，按各種模式下的參數(shù)跟蹤程序，以保證PLC微機調速器在3種調節(jié)模式之間切換時，實現(xiàn)平滑無擾動的轉換過程。

五、 調試和在線實驗仿真

WWT型微機調速器設計完成并接好電氣柜后，在通電前要進行對開度表、平衡表、電氣接線的檢查和絕緣實驗、交直流回路檢查、柜內(nèi)電源檢查。

通電后，要對開關電源的輸出電壓、交直流切換板等進行測量檢查;然后在觸摸屏對內(nèi)部參數(shù)、運行參數(shù)進行設置。還要對字調理板上對反饋信號進行調節(jié)。

接著進行模擬實驗，包括模擬開機、模擬并網(wǎng)、模擬甩負荷、模擬停機、模擬頻率信號消失、模擬導葉反饋斷線、導葉手/自動切換、導葉電手動開機實驗、電源切換實驗。

六、結束語

微機控制的水輪調速器已普遍用于水力發(fā)電站，其可靠性和調節(jié)品質已經(jīng)達到了電廠實現(xiàn)無人值班、少人職守的要求。為以后的自動發(fā)電控制打下了基礎。

參考文獻

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[5] 魏守平.羅萍.水輪機調速器的PLC測頻方法 華中科技大學出版社 2000(4)

附錄：調速器的電氣元器件表( WWST-80-4.0“四無”型可編程微機調速器)