施耐德PLC在洪江水电站调速器上的应用.pdf

第 2期 第 3 3 3 期 吉 林水利 2 0 1 0年 2月 [ 文章编号]1 0 0 9 2 8 4 6 2 0 1 0 0 2 0 0 2 0 0 4 施耐德P L C在洪江水电站调速器上的应用 徐光辉 ，李冬阳。 1 ．松原市哈达山水利枢纽工程管理局 ，吉林松原 1 3 8 0 0 0 ； 2 ．中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春1 3 0 0 0 0 [ 摘要] 现在科 学技术 日新月异 ，工业控制级 的总线越来越完善 ，传输速度也越 来越快。施耐德 电气公 司的工业控制总 线研炭和应用走在世界最前沿，其基 于MB总线 的运动控制系统 MOD B USP L USMOTI ON S Y S T EM在许 多大型工 厂的 自动化流水线上有着广泛的应 用，卓越 的表现 。另外水电行业近年来 出现 了一种 无油 自复中 电／ 机转换 嚣的调 速嚣， 这种电／ 机转换嚣电气土需要一个精确定位。快速响应的位置闭环 系统来组成 “ 无 油电液转换 器 ，从 而将 电气 的信 号转 换机械 的位移信号 ，再通过主配压 闯将其信号放 大，作用 于主接 力器。本文提供 了施 耐德 公 司的 MB总线形 式的运 动 控． 1 系统与无油 自复 中电／ 机转换 器配合组成的全数字双饭机敷 字调速 器的 实践运用． [ 关键词] Qu a n t u mn}P r e mi u m；L e x i u m定位I MB 网络 I计数 [ 中圈分类号]TV7 3 6 [ 文献标识码] B 1 引 言 洪江 水 电站 电站共装机 6台 ，总装机 容量 为 2 7 0 MW。电站年利用小时数 为 4 3 1 1 h ，多年平 均发 电量 9 ． 7 0亿 k w h 。电站按无人值班 设 计 ，所有合 同设备均应 满足无人值班 的所 有要 求 。水轮机为贯流式 ，额定转速为 1 3 6 ． 4 r ／ mi n ， 水 轮机 在 额 定 水 头 2 0 ． 0 m，额 定 转 速 运 转 时 ， 额定出力不少于 4 6 ． 4 MW。洪江水电站 1 5 机组调速器为进 口产品 ，6 机采用国产化产品。 由于洪江电站采用机电分柜，且为双机系统 ，无 法对编码器信号进行冗余处理。并且机械柜与电 调柜相距 7 O多 m，对于微弱的控制信号会产生 很大的衰减。针对上述 ，采用 MB 现场总线直 接对驱动器进行控制。 。 ’ - ’ _ ● - ’ 。 。 。_ 。 _ _ ● ’ ‘ _ 。 。 - ‘ h l 霉 粤 ⋯ } 图 1 洪江水 电站调速器微机调节器原理框 图 由图 1可以看 出微机调节器 A 机、B机 和导叶伺服电机驱动器 、桨叶伺服电机驱动器全 部连接在 MB 4 - 现场网络上，安装与电调柜上的 A、B机 仅 需 用 一 根 MB 网 线 就 可 以对 远 在 7 0 m 外 的 机 械 柜 进 行 控 制 最 远 可 以 达 到 1 4 0 0 m 。由于采用 了现场总线 技术，接线简单。 可 以采用专 用指令 读取驱 动器 内部 的全 部状 态和 ． 相关数据，对于控制命令全部采用通讯 的办法传 人驱 动器 。 2 软件设计 本调速器仍具有交流伺服电机 位置环及 转换机构构成的电液转换器 ， ，根据 P I D调节器 输 出 YP I D与通过 MB总线采 集 主接力器 反馈 数 据 r f 的差值，通过 M B总线向交流伺服电机驱动 器送出此差值 ，交流伺服电机同轴的旋转编码器将 实际转角 位移y l以脉冲数的形式 N f 送回驱动 器，从而形成了以 T y 交流伺服机构反应时间常 数为特征参数的小闭环。在调速器稳定状态 静 态 ，y l 使主配压阀处于中间平衡位置。 一 [ 收稿 日期]2 0 0 9 0 9 一z 6 [ 作者简介]徐光辉 1 9 7 4 一 ， t lt 师，长期从事水利水 电动力设备 的技术管理工作 。 一 2 O一 图 2 调速器工作原理图 吉林水利 施耐德 P L C在洪江水 电站调速器上的应用 徐光辉等 2 0 1 0年 2月 如图 2 工作原理 ，该调速器的软件设计主要 考虑 三方面 1 P I D调节器输 出 Y P I D；由于现代 P L C 都提供过程控制 的功能块 ，所 以 P I D调节器输 出的正确有否主要是看机组频 率的是否测量精 确 。本调速器测频硬件上采用差分 电路 来抗干 扰 ，软件上则采机组惯性时间常数来滤波。具体 为前后两次测量的频率的偏差 的微分不得大于机 组转速上升 下降最大速率 。 2 MB总线运动控制 ；从前面 内容 可 以 看到数字调速器的控制核心就是 MB总线，下 面从 软件层 面来 描述 MB 总线 运 动控制 系统 。 首先配置 MB 实现 P L C与驱动器之 间数 据交 换 。P L C侧 ，采用 C 0 NC E P T 软 件 来 配 置 P e e r C o p和 G l o b a l D a t a ，驱 动 器侧 ，利 用 UN L I NK软件来配置驱动器 的站点 S TAT I ON ， 命令控制器 P L C 站点以及 P e e r C o p和 Gl o b a l Da t a。 其次利用 MB控制驱动器，配置完 成后 ， 上 电则 可以从 P L C侧 利用 C O NC E P T软 件 得 到 驱动器状态 Gl o b a l D a t a的数据内容 ，具体细 节 代码就 不在 此 叙述 。根 据 得 到 的驱 动 器状 态 ， P L C发送命令控制字 P e e r C o p 使得驱 动器 改 变其状态 。为 了能开 始执行 一个运 动任务 ，驱 动器 必须在 运行状 态 。这 就意 味着驱 动器反 馈 的 驱 动器 状 态 字 数 据 必 须 为 1 6 0 0 2 7 ，也 就 是 G l o b a l D a t a的第 一个 WOR D 的 内容 是 1 6 0 0 2 7 。此外，采 用 位 置 闭环 控 制 模 式 也 需 要 P L C发送控制方式 8至驱动器 。 最后 P L C采 用 Me s s a g e s的形 式 ，写一 个 运 动任务到驱动器 ，它包括运动任务号和运动任务 特征两部分。利用 C ONC E P T的功能块 WRI T E R E G，P L C将 任 务 号数 据 写 至驱 动器 的地 址 为 3 4 7存储单元 ，该操作执行完成后 ，P L C还 将 1 1 个 wOR D长的运动任务特征值写至驱动器 地址为 1 8 3存储单元及随后 1 O个存储单元。触 发运动任务执行标志 ，则驱动器开始执行该运动 任 务 。 3 MB总 线 主 接 力 器 反馈 数 据 的 采 集 。 Mo d b u s协议 是应用 于 电子 控 制器 上 的一 种 通 用 语言。通过此协议 ，控制器相互之间 、控制器经 由网络和其它设备之间可以通信 。它已经成为一 通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设 备可以连成工业 网络 ，进行集中监控。此协议定 义了一个控制器能认识使用的消息结构 ，而不管 它们是经过何种网络进行通信的。它描述 了一控 制器请求访问其它设备的过程 ，如果 回应来 自其 它设备的请求 ，以及怎样侦测错误并记录。它制 定了消息域格局和内容的公共格式 。 当在一 Mo d b u s网络上通信时，此协议决定 了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按 地址发来的消息 ，决定要产生何种行动。如果需 要回应 ，控制器将生成反馈信息并用 Mo d b u s 协 议发 出。在 C O NC E P T 中，使用 X X MI T功能 块来实现 P L C与位 移测量模块 P MT之 间的通 讯，设置 P L C为主站，位移 测量模块 P MT为 从 站 。采 用 RT U 方 式 ，波 特 率 为 9 6 0 0 ，偶 校 验，数据位 8 ，停止位 1 ，选取功能号 O 3 读从 站寄存器 ，从站地址 ，从站寄存器地址 。 3 整机 实验 伺 服 控 制技 术在 洪江水 力发 电厂调速 系统 中的应用 DF WS T一 1 0 0 6 ． 3 一 S T AR S型 微 机 双 调 节调速器调节器具 有适应性变参数 P I D调节功 能 ；具有频率调节模式 、功率模拟量调节模式、 功 率脉 冲量 调节模 式 、开度 模拟 量调 节模式 ，并 可根据不同工况进行 自动切换或人工切换；实现 按实时水头修正导叶启动开度、空载开度、限制 开度及协联曲线功能；实现手动／ 自动 、主用／ 备 用调节器无扰动的切换 ；具有诊断、容错和故障 保护 功能 。 3 ． 1 洪江 水力 发 电厂 贯流 式 机 组 数 字式 电 液调 速器机械 液压构 成 D F WS T一 1 0 0 6 ． 3 一 S T ARS型 机 械 液 压 系统采用直联型块式结构 ，实现 了调速器柜内无 明油管 ，整体结构紧凑、新颖、美观。在交流伺 服电机 自复中装置控制下 ，主配压阀引导阀活塞 随动 向上运动 ，引导阀活塞工作窗口与回油腔接 通，主配压阀辅助接力器活塞上腔油压减小，主 配压阀活塞在辅助接力器活塞下部小腔力的作用 下也向上运动。这时，主配压阀至接力器的开启 窗口接通压力油 ，接力器关闭窗口接通排油 ；压 力 油进 入接 力器 开启 腔 ，接 力器关 机腔与 主配压 阀回油腔接通 ，接力器向开启方 向运动。在交流 伺服电机 自复 中装置控制下 ，引导阀活塞向下运 动 ，引导 阀 活塞工 作窗 口与压 力 油接通 ，主配压 阀辅助接力器活塞上腔油压增大，主配压阀活塞 在辅助接力器活塞上 部大腔力 的作用 下向下运 动。这时 ，主配压阀至接力器的开启窗 口接通排 油 ，接力器关 闭窗 口接通压力油 ；压力油进入接 力器关闭腔 ，接力器开启腔与主配压阀排油腔接 通 ，接力器向关闭方向运动 。主阀活塞顶部有接 力器开机和关机 时间的调节螺母 。调整螺母 位 置 ，可分别限制主配压阀活塞向上 开启和向 一 2 】一 吉林水利 施耐德 P L C在洪江水电站调速器上的应用 徐光辉等2 0 1 0年 2月 下 关闭的最大工作行程，从而控制主配压阀 工作油 口的大小和进入接力器的最大流量，满足 不同的接力器对开机及关机时间的要求 。经过双 滤油器的压力油送到引导 阀和紧急停机 电磁阀， 当紧急停机电磁阀动作时，压力油进入引导阀活 塞的上端油腔，使引导阀活塞塞向下运动、主配 压 阀活塞 向下运动，从而使接力器紧急关闭机械 液压系统 配置有 机械过 速装置 动作 的事 故配 压阀 和重锤关闭机构 。 3 ． 2洪江水 力发 电厂 贯 流式 机 组数 字 式 电液 调 速器 电气 回路构 成 3 ． 2 ． 1系统构成 D F Ws T 1 0 0 6 ． 3 一S TAR S型 微 机调 速 器采用 连 接在 MB 网上 的 Qu a n t u n系列 双 P L C系统 结 构 ，控 制 导 叶 和轮 叶 接 力 器 的交 流 伺服电机通过 P R E MI UM 系列 P L C的 TS X C F Y2 1 通 讯模 块也 挂 在 MB 网上 ，实现 双 P L C 的模块级 完 全冗余 结 构。每 台 Qu a n t u m 系列 P L C 由 C P U 模块 1 4 o C P U4 3 4 1 2 A 4 8 6 C oNT R OL L E R 、 开 关量 输 入 模 块 1 4 0 D DI 3 5 3 1 0 、 开关量输出模块 1 4 0 DD O 3 5 3 1 0 、 模拟量输入模块 1 4 0 AC 1 0 3 0 0 0 、 模拟量输出模块 1 4 0 AVO 0 2 0 0 0 、 高速计数模块 1 4 0 EHC 2 0 2 O O 、电 源 模 块 1 4 O C P S 2 1 4 0 0 和 双 P L C之 间 的 通 讯 模 块 1 4 0 C P S 2 1 4 0 0 组 成 。 并 采 用S c h n e i d e r公 司 的 交 流 伺 服 电 机 B P Ho 7 5 2 N5 MA 2 C A1 和 驱 动 器 MHD A1 0 0 8 N 0 0 组成 的有 MB 网接 口的交 流 伺服电机 自复中装置。系统网络通讯图见图 3 。 图 3系统网络通讯 图 S CHNE I D E R L E X I UM 系列伺服电机与驱 动器 导叶 D R 1为 4 站 ，轮叶 D R 2为 5 站 一 2 2一 为进 口原装产品，它具有控制电源电压保护、过 电压保护 、主电压保护、过流保护、过热保护及 过载保护等 自身保护功能 ，储存包括 当前在内的 1 4 个故障信息 ，有 3 位数一7 段显示 ，提供最大 输入脉冲频率 5 0 0 k p p s的位置控 制，采用 2 2 0 V 交 、直流供电。由于伺服电机带有 1 0 0 0 0脉冲／ 转 的旋转 编码 器和 I G B T P WM 控 制 的驱动系 统 ，其 自身组成 闭环控制 系统 ，定 位精度非常 高，启动力矩大 ，且最高转速为 6 0 0 0 r p m。由于 其性能可靠 ，保证了调速器运行的稳定性及可靠 性 ，同时提 高调速 器 的速 动性 。调速 器所具 有的 控 制 功能 全 部 采 用 通 过 通 讯 模 块 1 4 O C P S 2 1 4 o o 达到完全数字冗余 的可编程控 制器 QUANT UM P L C A 机 1站 或 B 机 2 站实现 ，其操作 系统属 于专为工业环 境设计 的嵌 入式操作系统 ，在微机发生重大故 障，需要重启时 ，仅需要几毫秒 ，不会影响机组 的正常运行 。可编程控制器所有对外 I ／ O全部 采用光 电隔 离 ，可编程控 制 器 内部 的核心 电路与 被控对 象完 全无 电气 联系 ，干扰 信号无 法进入微 处理 器 ，保 障 了 系统 不会 因外 部 干 扰发 生故 障。 可 编程控制 器 的处理器 在每 一扫 描周期定 时对其 内部各资源及其 自身进行 自检，以便发现错误后 进行容错、纠错处理。可编程控制器采用模块化 设计对外连线均 以端子连接 ，不易发生接触不良 的故障，I ／ O模块相互独立 ，可插拔 ，模块留有 冗余量，且留有备用槽 以备扩展使用。P L C的 主要 技 术 参 数 为 直 流 2 4 V 的工 作 电 源 ，3 0 K 步电池后备 内存 R AM ，4 6 0条 的编程指令 ， 0 ． 2 u s ／ 步 的处理 速度 ，5 1 2点 的 I ／ o 点 数 ，7 1 4 4 点的内部 继电器 ，8 1 9 2点 的数据寄存器，光电 隔离的通道 隔 离方式 ，程序 语 言为 梯 形 图、结 ． 构 文本 、功能 块 图 、S F C框 图 、L D指 令 。这种 方式从硬件结构上保证了调速器的高可靠性和直 观、方便的人机接 口功能 ，提供 了全方位 ，最直 接的监测 维 护手段 。 独立的双微机调节器冗余控制结构，全冗余 双 P L C调节 器 C P U、输 入模 块、输 出模 块、 传感器、测频单 元、电源 均为冗余 结构，实现 “ 主机／ 热备”功能 。微机调节器 自动调节主通道 采用两个独立 的微机调节 器 A 和 B，通过专用 通讯模块 1 4 0 C P S 2 1 4 0 0 实现双机状态和数据 一 致 ；每一个微机调节器与相应的机械液压系统 等相配合 ，均能独立实现全部控制功能和保证达 到全部调节性能要求；当微机调节器 A或 B之 一 故障时，可发出故障信号并可以无扰动地切换 到正常机工作 ，故障机可在线更换模块 、检修； 吉林水利 施耐德 P L C在洪江水电站调速器上的应用 徐光辉等2 0 1 0年 2月 在 不增加 硬件 的条件下 ，用通 讯 和软件构 成交叉 冗余控制结构，具有更强的容错能力。当双微机 调节器均出现部分模块故障时，这种交叉冗余控 制结构可以容忍两个单机的不 同名模块故障情况 容错 ，交叉构成新的、正常的调节器 ，使调速 器能正常工作 ，实现真正的双机冗余容错结构 ， 进一步提高了调速器的可靠性 。 3 ． 2 ． 2 软 件调 节原 理 微机综合数字信号经数字 专用 的定位模 块转换为频率固定的脉 冲信号 0 1 8 O KHz 给伺服 电机驱动器 ，此 脉冲信 号 的数值定 义 了伺 服电机的位置，其值为零时证明主配压阀为平衡 位 置接力 器不会产 生位 移 。驱 动器 控制输 出三相 电流 变频 但 电压 不 变 使 伺 服 电 机 产 生 角 位 移 ，此角 位 移 驱 动 滚 珠 丝 杠 使 之 转 换 为 直线 位 移 ，经过 引导 阀一 级液 压放大 ，驱 动主配 压 阀移 动 ，产生足够 的液 压操作 力 ，控 制接 力器来 调节 水轮 机的导 叶开度 。 伺 服控制 系统 选 用 S c h n e i d e r 公 司的 交 流伺 服 电 机 B P HO7 5 2 N5 MA2 C A1 和 驱 动 器 MHD A1 0 0 8 N0 0 组 成 的 有 MB 网接 口 的交 流伺 服电机 自复 中装 置 。该伺 服控制 系统驱 动器 部分 与伺 服 电机 之 间形 成 独立 的控 制 闭环 系统 ， 采用 编码 器作 为检 测元件 ，具有 定位 精度高 、响 应迅速 、控 制力 矩 大 等 诸 多 优 点 。其 P I D 结 构 采用并联 P I D算法 ，测频回路 运用 残压和齿盘 测频方式 ，两种 测频 方式互 为备用 ，当其 中一套 发生故障时，自动切换至备用方式 。调速器在发 电工况时 增 加 了开 环 增 量 调 节 A Y n P ，使 其在增／ 减负荷时直接和 P I D相加 ，以使快速 、 准确的带上负荷。 基于上 述 电气 原理 框 图和 系统 构成 ，洪江 电 厂 6 机组具有功率适应式变参数调节功能。 1 适应功率偏差。洪江水电厂双可编程微 机调速器的功率控制 ，通过适应式变参数的调节 规律进行 控制。当功 率给定和实际功率 的偏 差 称为 功 率 偏 差 较 大 大 于 0 ． 3 MW 时 ，以 较快的速率增2 n ／ 减小机组功率 ，使其尽快逼近 功率给定 值；当功率 偏差值小 ，进入 区间 I工 作，减慢 调节 速率 ；在 更小 的 区间 区间 I I 中，使机组功率按指数曲线规律趋近于机组给定 功率。这样 ，使功率的调节快速而平稳 ，避免超 调 。 2 适应 机 组 运 行水 头 。机 组 功 率在 大功 率 偏 差和 小功 率偏 差 区 间 I 区间 的调 节 速 率 ， 能适 应 机 组 不 同 的 运 行 水 头 。当 机 组 运 行 水 头 高 ，机 组功 率增 加 ／ 减 小 速 率 小 ，当机 组 运 行 水 头低 ，机组 功率 增 2 n ／ 减 小 速 率 大 ，以实 现在 不 同机 组运 行水 头 下机组 功 率的单调 快速 调节 。 4 结 语 由上 述论 文可 知 ，洪 江水 电站 调速 器是及 其 典型的施耐德全套产品的典型应用 ，其中使用到 的施 耐德 产 品有 Qu a n t u mn系列 P L C、P r e mi u m 系列 P L C、L E XI UM 伺服 电机 、高 速计 数 、 模拟 量 控 制 、MB 网 络 、Mo d b u s 、C F Y1 1步 进 控 制 、P I D 的 F DB 使 用 、C O NC E P T、P L 7 变成 软件 、UNI L I NK 伺服 系 统设 置 等等 。其 中 还包括 一些 按钮 、指 示灯 、继 电器 、开关 电源等 等 ，几 乎所 有的 自动 化产 品使用 的都是 施耐 德公 司产品。从运行将近一年情况来看，使用情况良 好 ，完全满足用户 的要求 ，为全国最大的贯流式 机组的调速器 国产化奠定了坚实的基础 。口 T h e a p p l i c a t i o n o f S c h n e i d e r P L C i n t h e g o v e r n o r o f H o n g j i a n g H y d r o p o w e r S t a t i o n Xu Gu a n g hu i ，Li Do ng y a n g Ab s t r a c t W i t h t h e d e v e l o p me n t o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y ，i n d u s t r i a l c o n t r o l l e v e l o f t h e b u s b e c o me mo r e a n d mor e pe r f e c t ，t he t r a ns m i s s i o n s pe e d mor e a nd m o r e f a s t e r ． Sc hne i de r El e c t r i c I nc ． 1 e a d t h e d e v e l o p me n t a n d a p p l i c a t i o n o f i n d u s t r i a l c o n t r o l b u s i n t h e wo r l d ．i t s MB b u s b a s e d mo t i o n c o n t r o l s y s t e m MODBL 4 - 8 P LUS M 0TI ON SYS TEM h a s wi d e l y a p p l i e d i n a n u mb e r o f l a r g e s c a l e f a c t o r y a u t o ma t i o n p i p e l i n e a n d s h o ws t h e e x c e l l e n t p e r f o r ma n c e ．An o t h e r h y d r o p o we r i n d u s t r y i n r e c e n t y e a r s h a s b e e n a r e c o v e r y i n o I l f r e e s e l f e l e c t r o／me c h a n i c a l c o n v e r t e r o f t h e g o v e r n o r ．t h i s e 一 1 e c t r o／me c h a n i c a l e l e c t r i c a l c o n v e r t e r r e q u i r e d o n a p r e c i s e p o s i t i o n i n g a n d r a p i d r e s p o n s e t O t h e l o c a t i o n o f t h e c l o s e d -- l o o p s y s t e m t O f o r m t h e” o i l f r e e e l e c t r o -- h y d r a u l i c c o n v e r t e r” ．wh i c h wi l l c o n v e r t e l e c t r i c a l s i gn a l t O me c ha ni c a l di s p l a c e me n t s i g n a l 。 a n d t he n a mpl i f y i t t hr o ug h t he ma i n va l ve wi t h p r e s s u r e ， a c t i n g o n t h e ma i n r e l a y d e v i c e ．Th i s a r t i c l e p r o v i d e s S e h n e i d e r s o f mo t i o n c o n t r o l s y s t a m o f MB b u s f o r m a n d t h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n o f a l l d i g i t a l d u a l P C d i g i t a l g o v e r n o r c o mp o s i t i o n o f t h e n o n o i l t h e e l e c t r o ／ me c h a n i c a l c o n v e r t e r ． Ke y wo r d s Qu a n t u mn；P r e mi u m；Le x i u m；l o c a t i o n ；MB n e t wo r k；c o u n t