臺達可編程控制器在水輪機調速系統中的應用
摘 要：水輪機是水力發電的關鍵設備，其調速系統對發電質量，特別是頻率有重要影響。本文基于臺達小型可編程控制器的特點，討論其在水輪機調速系統中的應用。
關鍵詞：可編程控制器 智能測頻 水輪機 調速系統
Abstract: The water-wheel machine is a key device of waterpower. Its speed regulating system plays an important rule for generating electricity, specially it has important infection in frequency. Based on the characteristic of minitype programmable logic controller of Delta company, the paper discussed the application of Delta PLC in speed regulating system for water wheel machine.
Key Words: Programmable logic controller Intelligent measuring frequency Water-wheel machine
Speed regulating system
[中圖分類號] TP273 [文獻標識碼] B 文章編號
1 引 言
臺達EH系列可編程控制器是由臺灣臺達電子公司生產，由中達電通股份有限公司負責在中國大陸推廣應用。它具有可靠性高、易于擴展、運算能力強、實時性好、編程方便等特點。目前國內水電調速控制系統一般采用國外小型PLC、PCC以及IPC等工控產品，但其PLC高速計數器的計數頻率一般在200kHz以下，在應用中需要配置復雜的硬件電路，在軟件方面需要采取分頻、中斷等技術措施，很難滿足水電機組調速系統對機組和電網頻率測量的要求。臺達PLC針對水力發電系統對頻率測量精度要求極高的特點，配備了10MHz的測頻卡，可直接測量出被測信號的周期，很好地滿足了水輪機調速系統的需要。
2 臺達PLC的主要技術特點
（1）高速運算處理芯片（ASIC）設計架構
采用CPU+ASIC雙處理器，分工運算處理，基本指令速度可達0.24ms，I/O數據模塊更新接口，不占用程序掃描時間，并內置多組外部中斷功能。
（2）通訊能力強
內置了兩個串聯通訊口，除可以同時與PC、HMI通訊外，提供了便于與RS232或485通訊接口的Modbus串聯通訊的指令，該指令提供了ASCII及RTU兩種模式，使用者只要依據指令格式中的站號、裝置的參數地址及讀寫數據，無須了解通訊協定的格式，更不用編寫復雜的校驗碼計算程序。
（3）易于增設特殊功能
為主機配備了許多功能硬件卡，只需要在主機功能模塊上插入該卡板就可以增加主機的功能，卡板有通訊、模擬量或開關量輸出輸入、測頻卡板，以及嵌入式數據設定顯示器等。
（4）強大的PLC網絡能力
只要將寫入及讀出的參數地址及長度填入特殊寄存器內，不用編寫通訊程序，主站會自動與各站繼續數據交換，從站最多可達16站，它不僅與PLC，還包括與臺達機電控制產品，如變頻器、溫控器或伺服驅動器等進行數據交換，具有串聯通訊協議的裝置。
（5）最佳性價比。
主機點數最大可到80點，擴展點數為8、16、32、48，最大輸出輸入點數達到512點，程序容量15872步，數據寄存器10000個，內置PLCLINK、定位控制、通訊控制等多種便利指令。
3 調速器主要功能
基于臺達小型可編程控制器研制的水電機組調速系統可以方便地實現以下功能：
（1）自適應閉環開機及快速同期并網控制；
（2）補償PID＋PWM多點偏差增益調節；
(3) 頻率測量分辨率為0.00025Hz；
(4) 轉速控制、開度控制及功率控制，并滿足一次調頻的要求；
(5) 自動、機手動、機械手動運行方式，互為跟蹤、無擾切換；
(6) 全數字綜合放大輸出控制；
(7) PLC內部模件及外部接口信號故障的自診斷、錄波、事件記錄功能；
(8) 采用觸摸屏作為人機對話平臺，能夠實時顯示和修改運行及調節參數；
(9) 內置調速器靜、動態所有試驗功能的輔助功能；
(10) 可方便地與上位機進行通訊以及Modbus協議與其它設備的通訊。
特別是滿足了水電機組調速系統對機組和電網頻率測量的要求。
臺達PLC測頻卡有兩個獨立的測頻回路，機組、電網信號經隔離整形后送至測頻卡輸入端，由計數其分別對其計數，不需要編程就可以直接讀出機組和電網頻率的測量結果，無須對PLC內部特殊單元進行任何設置。測頻卡內部時鐘為10MHz，當被測頻率為50Hz時，測頻卡內部計數值為200000個脈沖， 脈沖分辨率為5*10-6，被測頻率的分辨率為0.00025Hz。
在空載運行時，自動處于“跟蹤”工況，頻差△f(k)=f網—f機，在電網頻率不正常或“不跟蹤”工況，頻差 △f(k)=f給—f機，其中：f給 為機內頻率給定，f機 為機組頻率，f網 為電網頻率。
4 水輪機調速系統運行流程
調速系統的主要程序流程如圖2所示。系統有以下主要子程序：上電運行狀態分析辨識、事件記錄、空載運行、模擬量采集、內置試測驗及測試、負載運行、機組和網頻測量、電手動運行、PID計算、空載開度和負載開限計算、機手動運行、發電轉調相、診斷與報警、停機備用、調相運行、故障錄波、閉環開機過程和調相轉發電等17個子程序。
由電廠操作回路發出的開關量指令經輸入模塊送至PLC的CPU模塊，當PLC掃描到這個指令則執行相應的控制，并且將運算、處理后的結果，經綜合放大輸出至控制機械液壓隨動系統的電液轉換組件以控制水輪機組導水葉的開度，達到控制機組轉速或者負荷的目的。系統提供了合適的系統軟件和應用軟件去完成規定的工作。軟件按模塊化設計，并允許從規定的程序接口設備去改變程序運行方式或控制參數。軟件使用方便，維護容易，并使用戶能通過PC機對軟件程序進行檢查調整，重新配置和開發程序軟件采用模塊化設計方法，由于采用通用的梯形圖邏輯編程方法，使用方便，維護容易。
調速系統軟件采用模塊化方法設計，由多個運行工況子程序和通用程序組成常駐運行程序和過程程序，常駐運行程序由外部條件經過一個過程程序到另一個常駐運行程序，實現運行工況的轉換。另外配備了一個斷電保持的數據寄存器區存放調速器的各種參數和機組的參數，對每個輸入開關量進行數字濾波，對測頻和A/D轉換采用逐次逼近方式。
用戶能通過計算機對軟件程序進行閱讀和檢查，不需修改程序，只需根據實際情況改變數據寄存器區的內容，就可以進行日常的維護、檢修和調試。
5 結束語
上述討論的水輪機調速系統，由于充分利用了臺達小型可編程控制器在高速運算處理芯片（ASIC）設計架構、通訊能力強、易于增設特殊功能、強大的PLC網絡能力、高性價比等方面的優勢，可完全滿足水電機組和電網對調速系統的要求。
關鍵詞：可編程控制器 智能測頻 水輪機 調速系統
Abstract: The water-wheel machine is a key device of waterpower. Its speed regulating system plays an important rule for generating electricity, specially it has important infection in frequency. Based on the characteristic of minitype programmable logic controller of Delta company, the paper discussed the application of Delta PLC in speed regulating system for water wheel machine.
Key Words: Programmable logic controller Intelligent measuring frequency Water-wheel machine
Speed regulating system
[中圖分類號] TP273 [文獻標識碼] B 文章編號
1 引 言
臺達EH系列可編程控制器是由臺灣臺達電子公司生產，由中達電通股份有限公司負責在中國大陸推廣應用。它具有可靠性高、易于擴展、運算能力強、實時性好、編程方便等特點。目前國內水電調速控制系統一般采用國外小型PLC、PCC以及IPC等工控產品，但其PLC高速計數器的計數頻率一般在200kHz以下，在應用中需要配置復雜的硬件電路，在軟件方面需要采取分頻、中斷等技術措施，很難滿足水電機組調速系統對機組和電網頻率測量的要求。臺達PLC針對水力發電系統對頻率測量精度要求極高的特點，配備了10MHz的測頻卡，可直接測量出被測信號的周期，很好地滿足了水輪機調速系統的需要。
2 臺達PLC的主要技術特點
（1）高速運算處理芯片（ASIC）設計架構
采用CPU+ASIC雙處理器，分工運算處理，基本指令速度可達0.24ms，I/O數據模塊更新接口，不占用程序掃描時間，并內置多組外部中斷功能。
（2）通訊能力強
內置了兩個串聯通訊口，除可以同時與PC、HMI通訊外，提供了便于與RS232或485通訊接口的Modbus串聯通訊的指令，該指令提供了ASCII及RTU兩種模式，使用者只要依據指令格式中的站號、裝置的參數地址及讀寫數據，無須了解通訊協定的格式，更不用編寫復雜的校驗碼計算程序。
（3）易于增設特殊功能
為主機配備了許多功能硬件卡，只需要在主機功能模塊上插入該卡板就可以增加主機的功能，卡板有通訊、模擬量或開關量輸出輸入、測頻卡板，以及嵌入式數據設定顯示器等。
（4）強大的PLC網絡能力
只要將寫入及讀出的參數地址及長度填入特殊寄存器內，不用編寫通訊程序，主站會自動與各站繼續數據交換，從站最多可達16站，它不僅與PLC，還包括與臺達機電控制產品，如變頻器、溫控器或伺服驅動器等進行數據交換，具有串聯通訊協議的裝置。
（5）最佳性價比。
主機點數最大可到80點，擴展點數為8、16、32、48，最大輸出輸入點數達到512點，程序容量15872步，數據寄存器10000個，內置PLCLINK、定位控制、通訊控制等多種便利指令。
3 調速器主要功能
基于臺達小型可編程控制器研制的水電機組調速系統可以方便地實現以下功能：
（1）自適應閉環開機及快速同期并網控制；
（2）補償PID＋PWM多點偏差增益調節；
(3) 頻率測量分辨率為0.00025Hz；
(4) 轉速控制、開度控制及功率控制，并滿足一次調頻的要求；
(5) 自動、機手動、機械手動運行方式，互為跟蹤、無擾切換；
(6) 全數字綜合放大輸出控制；
(7) PLC內部模件及外部接口信號故障的自診斷、錄波、事件記錄功能；
(8) 采用觸摸屏作為人機對話平臺，能夠實時顯示和修改運行及調節參數；
(9) 內置調速器靜、動態所有試驗功能的輔助功能；
(10) 可方便地與上位機進行通訊以及Modbus協議與其它設備的通訊。
特別是滿足了水電機組調速系統對機組和電網頻率測量的要求。
臺達PLC測頻卡有兩個獨立的測頻回路，機組、電網信號經隔離整形后送至測頻卡輸入端，由計數其分別對其計數，不需要編程就可以直接讀出機組和電網頻率的測量結果，無須對PLC內部特殊單元進行任何設置。測頻卡內部時鐘為10MHz，當被測頻率為50Hz時，測頻卡內部計數值為200000個脈沖， 脈沖分辨率為5*10-6，被測頻率的分辨率為0.00025Hz。
在空載運行時，自動處于“跟蹤”工況，頻差△f(k)=f網—f機，在電網頻率不正常或“不跟蹤”工況，頻差 △f(k)=f給—f機，其中：f給 為機內頻率給定，f機 為機組頻率，f網 為電網頻率。
4 水輪機調速系統運行流程
調速系統的主要程序流程如圖2所示。系統有以下主要子程序：上電運行狀態分析辨識、事件記錄、空載運行、模擬量采集、內置試測驗及測試、負載運行、機組和網頻測量、電手動運行、PID計算、空載開度和負載開限計算、機手動運行、發電轉調相、診斷與報警、停機備用、調相運行、故障錄波、閉環開機過程和調相轉發電等17個子程序。
由電廠操作回路發出的開關量指令經輸入模塊送至PLC的CPU模塊，當PLC掃描到這個指令則執行相應的控制，并且將運算、處理后的結果，經綜合放大輸出至控制機械液壓隨動系統的電液轉換組件以控制水輪機組導水葉的開度，達到控制機組轉速或者負荷的目的。系統提供了合適的系統軟件和應用軟件去完成規定的工作。軟件按模塊化設計，并允許從規定的程序接口設備去改變程序運行方式或控制參數。軟件使用方便，維護容易，并使用戶能通過PC機對軟件程序進行檢查調整，重新配置和開發程序軟件采用模塊化設計方法，由于采用通用的梯形圖邏輯編程方法，使用方便，維護容易。
調速系統軟件采用模塊化方法設計，由多個運行工況子程序和通用程序組成常駐運行程序和過程程序，常駐運行程序由外部條件經過一個過程程序到另一個常駐運行程序，實現運行工況的轉換。另外配備了一個斷電保持的數據寄存器區存放調速器的各種參數和機組的參數，對每個輸入開關量進行數字濾波，對測頻和A/D轉換采用逐次逼近方式。
用戶能通過計算機對軟件程序進行閱讀和檢查，不需修改程序，只需根據實際情況改變數據寄存器區的內容，就可以進行日常的維護、檢修和調試。
5 結束語
上述討論的水輪機調速系統，由于充分利用了臺達小型可編程控制器在高速運算處理芯片（ASIC）設計架構、通訊能力強、易于增設特殊功能、強大的PLC網絡能力、高性價比等方面的優勢，可完全滿足水電機組和電網對調速系統的要求。
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