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BW(S)T系列步进式微机调速器说明书

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BW(S)T系列步进式微机调速器说明书武汉恒锐电气有限公司2004年11月2日持之以恒锐意进取武汉恒锐电气有限公司Wuhan Henrun electric Co,LtdI目录
第一章综合概述
1 水轮机调速器
1.1 水轮机调速器的概念
1.2 调速器分类
2 国内外主流大型调速器的综述
2.1 大型调速器电液转换形式的简介
2.2 两种主流调速器的比较
3 BW(S)T系列步进式可编程微机调速器
3.1 BW(S)T系列步进式可编程微机调速器的主要特点
3.2 调速器型号定义说明
第二章调速器系统构成
1 调节器
1.1 调节器系统组成及工作原理
1.2 硬件构成特点
1.3 主要功能模块
2 机械液压系统
2.1 机械液压系统构成及工作原理
2.2 机械液压系统各部件的主要特点
2.3 机械基本参数一览
3 分段关闭装置
4 油压装置
4.1 压力油罐
4.2 回油箱
4.3 油泵组及电动机
第三章软件说明
1 工况说明
1.1 停机备用
1.2 自动开机过程及空载循环II
1.3 负载循环
1.4 调相运行
1.5 停机
2 程序流程框图
2.1 可编程PLC程序
2.2 触摸屏
3 调节控制程序简介
3.1 PID控制
3.2 BANG-BANG控制
第四章主要技术参数及功能特点
1 主要技术参数
1.1 动,静态特性
1.1 可靠性
1.2 调节性能及相关性能保证
1.3 主要技术数据
2 功能特点
2.1 综合特点
2.2 机械特点
2.3 电气特点
第五章运行操作
1 机械手动
2 电手动运行
3 自动运行
4 轮叶运行方式
第六章安装、调试及维护
1 调速器和油压装置的安装
2 油压装置和调速器的调试
2.1 油压装置调试
2.2 调速器调试
2.3 接线III
2.4 调零
2.5 调整满度
3 调速器维护
3.1 日常维护注意事项
3.2 常见故障判断
第七章售后服务及订货说明
1 售后服务
2 订货说明
第八章附录
1 界面结构
2 触摸屏操作说明
2.1 LOGO页
2.2 主页
2.3 故障报警
2.4 设置页
2.5 设置选择页
2.6 基本参数
2.7 PID参数设定
2.8 导叶桨叶设定
2.9 水头功率设定
2.10 密码修改
2.11 试验分类页
2.12 动态过程
2.13 静特性实验
2.14 空载频率摆动试验
2.15 空载频率扰动实验
2.16 甩25%负荷实验
2.17 甩100%负荷实验
1 本调速器说明书是针对武汉恒锐电气有限公司生产的BW(S)T系列步进式可编程微机水轮机调速器的说明书.BW(S)THR系列步进式式可编程微机水轮机调速器是本公司将大中型微机调速器中取得的丰富经验移植、优化而开发出来的新一代调速器,适用于大型水轮发电机组的调节与控制,运行可靠,性能优异,操作和调试简便,各项技术指标均达到或优于国家标准GBT《水轮机调速器与油压装置试验验收规程》的要求.水轮机调节是通过水轮机调节系统根据机组转速的变化不断地改变水轮机过流量来实现的.水轮机调节系统是由调节控制器,液压随动系统和调节对象组成的闭环控制系统(如图1-1).图1-1 水轮机调节系统构成图通常把调节控制器和液压随动系统统称为水轮机调速器,水轮机调速器作用是保证水轮发电机的频率稳定,维持电力系统负荷平衡,并根据操作控制命令完成各种自动化操作,是水电站的重要基础控制设备.自1901年水轮机调速器问世以来,水轮机调速器先后经历了三代的发展:水压放大,油压放大式的机械液压调速器(20世纪初-20世纪50年代),模拟电路加液压随动系统构成的电液调速器(20世纪50年代-20世纪80年代)和调节控制器电液转换环节液压随动系统水轮发电机组电网油压装置水力系统频率测量
2 微机调节器配以相应的机械液压系统构成的微机调速器(20世纪80年代至今).
由于机械液压调速器,电液调速器存在调节精度低,故障率高等缺点、已经基本被市场所淘汰.随着微机应用技术的飞速发展,以微机构成的微机调速器具有调节精度高,可靠性高等优势,微机调速器已经成为当今水轮机调速器的主流.将微机技术应用于水轮机调速器构成微机调速器,先后采用单板机、单片机、工业控制机(IPC)和可编程控制器(PLC)作为硬件平台.可编程控制器(PLC)以其高可靠性,高抗干扰能力、比单板机单片机更好的性能和比工业控制机(IPC)更低的价格成为当前水轮机调速器主机硬件平台的首选.
水轮机调速器的分类方法较多,例如按调节规律可分为PI和PID调速器等.
在满足使用要求的前提下,应尽量减少调速器品种规格,逐步标准化,便于制造,便于应用.我国水轮机调速器国家型谱按调速功的大小分为小型调速器,中型调速器,大型调速器等.表格1 调速器分类表小型调速器中型调速器大型调速器虽然,国内外水轮机微机调速器的型式各异,但总体上都具有如图1-2示的微机调节器,电液转换环节,液压放大环节,位移反馈几个部分,它们与水轮机的接力器油缸共同组成一个闭环的水轮机微机调速系统.转换环节微机调节器位置反馈F液压放大环节接力器油缸Y图1-2 水轮机微机调速器的系统构成
3 其中电液转换环节的作用是将微机调节器的电信号转换成液压信号,是调速系统的关键部件,水电行业通常称作电液转换器(伺服阀).它处在整个调速器系统的机电结合交点上,一直是国内外调速器行业中最为关心的环节,其性能直接关系到整个系统的控制精度,响应性能,也直接制约着整个系统工作的可靠性.依据电液转换环节的形式不同、目前主要有以下三类主流调速器:
1.电液伺服阀类:以动圈力马达随动滑阀或力矩马达喷嘴档板随动阀组成电液伺服阀作为电液转换环节.该类调速器出现较早,在经历了数十年使用经验的积累及加工手段的改进后,性能有了较大提高.然而基本结构却没有什么本质变化,抗油污能力没有多少改观,基本上被市场所淘汰.
2.比例伺服阀类:比例伺服阀是在电液伺服阀基础上发展来的,它输出的流量或压力连续且与输入的电信号成比例.它是随着机械液压领域电液比例技术的发展进步出现的,具有全程电反馈能力的电液比例元件.其中、以德国Bosch公司为代表推出的高性能闭环比例伺服阀、由于采用了高响应直流比例电磁铁和相应的放大器,含内置位置检测电子装置和反馈闭环,采用零开口四边沿阀、其输出稳态特性无中位死区、滞环仅0.3,频宽达200Hz,其性能与伺服阀无异.国内外很快将其用于水轮机调速器的电液转换环节.
3.电机类电液转换机构:国内受其他工业控制领域的一些启发,90年代初有关单位成功开发出以伺服电机、步进电机等将电机的旋转运动转化为行程或流量的电液转换机构来取代电液转换器,并投入现场工业运行、其抗油污能力大为提高.由于步进电机是以数字步序信号来控制的,更易与计算机接口,抗干扰性更好,因而电机类电液转换机构是以步进式的电转为主流.将步进电机的机械旋转角度信号变换为位移信号主要有三种方式(1)凸轮渐开线方式;(2)步进液压缸方式;(3)滚珠丝杆方式.其中凸轮渐开线方式和步进液压缸方式构成的电液转换环节,均无良好的复中特性,必须设置中间反馈环节,系统构成较复杂.以滚珠丝杆方式构成的步进式电液转换机构,不仅具有自动复中能力、而且电液转换机构不用油.
1.比例伺服阀微机调速器如图1-3所示、比例伺服阀微机调速器采用的是微机调节器电液随动系统系统结构形式.图1-3 比例伺服阀微机调速器系统框图其中比例驱动电路,电液比例伺服阀及阀芯反馈共同构成电液转换环节,辅助接力器与主配压阀共同构成液压放大环节.比例伺服阀是一种新型的大功率三位四通液压阀、输出力较大,不容易发卡,是一种高性能闭环比例阀、含内置位置检测电子装置和反馈闭环,其输出稳态特性无中位死区、滞环小,频响宽,其性能与伺服阀无异.内置的位置检测电子装置和反馈闭环组成专用的比例伺服阀驱动器,比例伺服阀驱动器电路(如图1-4)由比较、放大,死区补偿,PWM调制,三角波发生器及功率放大电路等组成.放大比较调节器输出Vy电液比例伺服阀功率放大PWM调制死区补偿阀芯位置三角波发生器控制系统输出量Va图1-4 比例阀驱动器电路原理框图在电液比例伺服阀调速器系统中、存在两种闭环的反馈控制,如图2-1所示、第一种是阀内的小闭环.最常见的阀内反馈是阀芯位置反馈.另种是调速器系统输出量接力器位置的实际值大闭环反馈.比较放大电路对线性的调节信号Vy(4~20mA),控制系统输出量Va(即接力器位置反馈)和阀芯反馈信号进行综合,并将其差值进行放大;死区补偿电路克服比例阀正,反两个方向的死区;三角波发生器使阀芯产生微振信号,减小比例阀的滞环;PWM调制电路能产生与比较电路相应的PWM脉宽调制脉冲,并通过功率放大电路后实现对比例阀的线圈的驱动.
比例伺服阀微机调速器的机械液压系统包括:电液比例阀、手动阀、紧停
5 阀、主配压阀、主接力器等(如图1-5),主要的作用是跟随电气控制部分实现信号功率放大.调速器采用特殊结构的主配压阀、将辅助接力器与主配压阀做成一体,可以进行流量控制,流量反馈.在正常稳定运行状态下,电液比例阀和手动阀的输出流量为零,主配压阀活塞在压力差的作用下处于平衡位置,主接力器不动.当在比例伺服阀有流量输出时,或在手动工况下手动阀有输出流量时,由于比例伺服阀的负反馈的存在,这些输出流量均可以近似线性地转换成主配压阀活塞的位移,使主配压活塞偏离中位、控制主接力器动作.紧急停机时,紧停阀动作,切断比例伺服阀和手动阀的压力油路,使辅助接力器上腔接通回油、实现紧急停机.图1-5 比例伺服阀微机调速器机械液压系统原理图
2.步进式水轮机微机调速器步进电机微机调速器也采用的是微机调节器电液随动系统型系统结构(如图1-6)所示:PID网频或频给机频电气反馈引导阀步进电机驱动器手动机构主配压阀紧停阀y步进电转(能复中)图1-6 步进电机微机调速器系统框图步进电机驱动器与步进电转构成调速器电液随动系统的电液转换环节,由
6 引导阀和主配压阀构成调速器电液随动系统的液压放大环节.电液转换环节采用具有自动复中能力的步进电机作为电液转换元件,设计巧妙,是整个系统的核心部件.整个电液转换部件不用油、极大降低了电液随动系统的油耗,同时提高了抗油污能力.步进电机驱动器的作用是将控制信号转换成步进电机的步
序脉冲.步进电转原理如图1-7所示:图1-7 步进电转原理图当调节器输出关方向信号时,步进电机带动滚珠丝杆向下转动,使丝杆轴承副带动连接体和上环垫克服弹簧向上的压力而向下运动;当调节器输出开方向信号时,步进电机带动滚珠丝杆向上转动,使丝杆轴承副带动连接体和下环垫克服弹簧向下的压力而向上运动.当控制信号为零时,在弹簧的作用力下,使丝杆轴承副回到中间位置.电液转换部件带动引导阀上下动作,通过引导阀带动主配压阀上下运动,控制接力器.
3. 两种主流调速器的比较
①从抗油污能力来看:比例伺服阀属于液压控制元件,采用油流控制;而步进电转则无需用油、不但对油质无要求,而且降低了整个系统的油耗.
②从与计算机接口形式来看:步进电机按步序脉冲工作,是数控执行元件,可以接受由计算机、单片机发出的数字步序信号直接控制,无须经DA转换环节,是一种直接数字控制,接口简单,抗干扰能力强.比例伺服阀具有多个模步进电转滚珠丝杆副复中弹簧
7 拟量环节,与计算机接口必须经DA转换环节将控制量转换成模拟量,是一种间接数字控制,环节多,可靠性低.
③从驱动器的构成形式来看:由于比例伺服阀存在模拟量,驱动器构成环节多,故障率高.因而、比例伺服阀均采用德国Bosch的产品.武汉恒锐电气有限公司结合多年经验及水轮机微机调速器发展趋势,开发出BW(S)T系列步进式可编程微机水轮机调速器,已经在多个电站投入运行.
以进口可编程控制器作为硬件主体,具有高可靠性,高抗干扰能力.采用256色彩色中文触摸屏作为人机界面(HMI=Human Machine Interface).
直接触摸操作,操作简单,显示直观丰富、调试,维护简便.人机界面(HMI)具有观察实时动态曲线及完成调试实验的功能.采用交流、直流电源同时供电方式,两者互为热备用,相互之间可实现无扰动切换.电气部分其他外围元件均采用进口器件,确保调速器长期稳定工作.电液转换器采用无油型电-位移转换器,能够自动复中、失电时即自动复中回零,机组负荷不会变化,安全可靠,抗油污能力强、系统油耗低.机械液压系统采用直联式结构,整个液压环节都在一条轴线上,无杠杆,死区小,维护维修简单.调速器具有闭环开机规律,无需设置开机顶点、开机参数,并且不需要采集或设置水头信号,对不同机组均能自动迅速安全地将机组开启至空载.
空载电网频率自动跟踪,以及特有自动补偿PID(比例积分微分=Proportional Integral Differential)调节规律,能使机组频率迅速满足同期要求.调速器设有机手动,电手动,自动三种操作方式,并且具有手动跟踪功能,能三种运行方式任意相互无扰切换,切换操作时产生的开度变化≤1%的接力器全行程,切换后能保持稳定运行.当机组并网运行、永态转差系数整定在2%时,由于调速器引起的机组出力摆动相对值不大于1.
8 调速器设有便携式计算机串行通信接口,能实时在线或离线修改参数,程序等、并能保证断电后数据不消失.调速器具有多种独立的运行参数(比例,积分,微分),并能自动根据停机、空载,负载等不同运行工况自动辨识,切换,保证机组运行于最佳的工况.
调速器实时监视电网波动情况,能在电网发生变化时,自动选择最优调节规律及调节参数,保护机组安全,并使机组始终工作于最佳状态、能使机组适应电网的各种恶劣变化.
具有负载自动识别大,小网功能:单机运行时,保证机组在90~110%额定转速范围内的任一频率下稳定运行、频率变化不大于±0.5Hz;在单机或并入电网运行时,保证机组在空载至110%额定负荷范围内、能平稳连续地调节出力.调速器具有故障自诊断功能,能实时监视各组成部分,一旦发生故障,能立即诊断、并显示出故障原因.
调速器具有如下自动容错功能:当机组负载运行、机频测量故障时,则自动取网频作为机频,稳定运行.如网频也同时故障时,则发出报警信号,并保持故障前开度不变;当机组负载运行、导叶位置反馈信号故障时,调速器自动报警并保持故障前的开度运行.保证机组安全运行、在各种事故情况下,机组甩掉全负荷后,能保证机组自动迅速稳定至空载转速,或根据指令信号,可靠地实现停机或紧急停机.
按我国水轮机调速器国家型谱以及调速器行业规范、公司生产的调速器分
为:中、小型调速器,冲击式调速器,大型调速器等.中、小型调速器以调速功大小来区分,冲击式调速器以喷针及折向器数目来区分,大型调速器以主配压阀名义直径来区分.
9
3.2.1 大型调速器BW(S)THR图1-8 大型调速器型号
型号说明:
◆B步进式,步进电机的简称.
◆W微机、采用可编程控制器(PLC)作为硬件平台.
◆S双调.大型调速器按控制机组类型不同分为单调和双调、只有导叶控制的机组采用单调、既有导叶控制又有桨叶控制的机组采用双调.
◆T调速器.
◆HR武汉恒锐电气有限公司
3.2.2 冲击式调速器喷针数目CJWT折向器数目图1-9 冲击式调速器型号
◆CJ冲击式
◆T调速器
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3.2.3 中、小型调速器图1-10 中小型调速器型号
◆Y液压式
◆调速功,单位为Kg m.本公司YWT系
列高油压数字式中小型微机调速器有六种型号.16MPa.常规油压及其他压力等级另行说明.
11 本说明书适用于本公司生产的BW(S)T系列步进式可编程微机水轮机调速器(属于大型调速器).大型步进式可编程微机调速器由微机调节器(电气部分),机械液压系统,油压装置等三大部分构成,实现对水轮机导叶的调节控制功能.微机调节器以可编程控制器(PLC)作为调节控制核心、外围配以进口元器件,完成整个调速系统的信号检测及控制运算.机械液压系统是整个调速器的执行机构,它接受微机调节器发出的控制信号,控制导叶及桨叶(双调)接力器的开和关.油压装置为调速器的机械液压部分提供动力油源.该系列调速器采用机电合柜的结构形式,其电气部分布置于柜体上半部分,机械部分采用悬挂式布置于柜体下半部分,整个柜体布置于地面上,与油压装置分离.调节器采用彩色液晶触摸屏可编程控制器的构成模式,可编程控制器选用进口可编程控制器作为调节控制核心、其硬件构成如图2-1:测频模块AD转换开度增开度减油开关开机令停机令导叶开度反馈机频(残压)网频至机械液压系统开关量输入通讯单元CPU彩色液晶触摸屏开关量输出机频(齿盘)
(桨叶开度反馈)图2-1 调节器硬件构成图整个调节器采用多CPU构成模式,每个模块完成不同的任务,结构上采用积木式模块结构,这种将复杂的任务分成多任务的分开处理的方式,大大提高了系统的可维护性能及可靠性,不但有利于单个模块软升级,还能实现
12 整个调节器系统的升级,并保持了良好的兼容性.测频模块由高性能CPU构成,仅完成频率的测量任务,能实现软升级.
由导叶(或桨叶)反馈装置的导叶(或桨叶)位置传感器(电位器),将导叶(或桨叶)位置电信号送至AD模块,经AD模块转换环节取得导叶(或桨叶)位置信号.由开关量输入模块采集开机、停机、开度增,开度减等命令.以上所有输入信号送至CPU模块,由CPU按调节规律分析计算出相应的导叶控制信号及状态信号(包括故障等)、控制开关量输出模块完成控制输出和状态输出.开关量输出模块按计算控制值输出对应的高低电平信号,控制机械液压系统的步进电机做正,反转及启,停动作,经液压系统放大后使导叶(或桨叶)按照调节规律的要求动作,并在调速器故障时,送相应故障报警信号.
通讯单元负责与上位机通讯,发送或接受上位机的命令.液晶触摸屏作为人机交互界面,完成调速器的现场操作命令,状态数据,实时动态曲线显示及试验等功能.该调节器的硬件构成与一般可编程调节器相比、具有以下特点:测频模块与可编程控制器是通过总线直接连接,区别于通过一个16点的输入模块后与可编程控制器的总线连接.控制输出为数字式方式,无DA转换环节,实现了直接数字控制.能通过液晶触摸屏完成调速器的试验及实时动态曲线显示.
1.3.1 测频模块(1)频率测量的原理测频模块采用先进的数字式脉冲测频方式,设计三路测频,两路机频,一路网频.两路机频一路为机组PT残压信号,另一路为齿盘信号.
测频模块示意图如图2-2所示:图2-2 测频原理图(2)残压测频残压信号经隔离,整形成同频率的方波信号后,直接送至单片机的引脚,由单片机记录两个上升沿之间经过的基准脉冲个数,即可测得方波信号的周期,从而得到频率.测得的频率通过总线送至可编程控制器.由以上频率测量的原
理可知:数字式脉冲测频方式的精度取决于基准脉冲的频率,基准脉冲的频率越高,对同一频率测的数据精度就越高.以机组残压PT信号测频为例,水轮机机组频率低频正弦信号fj输入,经过滤波整形得到信号f1,晶振产生的12M信号4分频后的到的信号f2,f1和f2经过与运算,得到信号f3.图2-3 测频信号处理图单片机记录一个机频信号周期T内f3的振荡次数NT,F机频=f机频×103=f3×103NT,已知f3=3000000=3×106 Hz,记数NT=62500,则F机频=48000,对应被测频率f机频=48.00HZ.同时由上图可知NT= f3×T机频= f3×1f机频,即f机频= f3NT=3×=48Hz.机频信号网频信号光耦合校正光耦合齿盘信号1光耦合齿盘信号2单片机总线可编程控制器12M晶振复位芯片滤波整形(3)齿盘测频齿盘信号测频接口为测频模块预留的接口,一般调速器不采用,也可以按电站需要随时接入(齿盘测频装置不在调速器供货范围).齿盘测频原理如图
2-4所示:图2-4 齿盘测频原理图齿盘测频装置设计为双接近开关,双接近开关信号经过隔离后,同时送到单片机.如图可知,两个传感器经过齿盘同一个边的时间差,只与齿盘旋转的线速度有关,而与齿盘的加工精度,摆动,振动无关,齿盘测频通过测量两个传感器的上升沿的时间,计算出频率.图2-5 齿盘测频信号处理原理图齿盘测频接近开关1信号和接近开关2信号经光电隔离等处理后得到的综合整理信号与12M晶振产生的12M高频信号4分频后的到的信号f2相与,得到测频计数信号,再经过程序处理,得到的机频由总线送到可编程控制器(PLC).
通常接入工作的为机组残压PT信号和网频PT信号.采用齿盘测频时,残压测频经与齿盘测频进行比较验证无误后,供调速器程序计算使用.当残压测
15 频故障或比较结果超出范围时,齿盘测频信号供调速器程序计算使用.调速器在并网后,网频仍可作调速器的测频后备.
(4)测频模块特点数据方式独特将PLC应用于水轮机调速器以来,由于PLC的高速计数模块最高计数频率仅能记到500K,远远不能达到水轮机微机调速器对测频精度750K)的要求.
如何完成PLC对频率信号的测量,一直困扰着国内以PLC作为调节器的生产厂家.部分厂家牺牲了测量精度,以PLC的高速计数器进行本体频率测量;大多数厂家则采用一个单片机完成机、网频的测量,再将二者的差值,以16Bit带符号数据的形式,通过一个16点的IO输入模块,送入PLC总线.这种测量方式存在以下问题①增加了系统环节,降低了可靠性.②由于单片机测频模块与PLC的16点IO输入模块各自工作于不同的时序,16Bit的差值数据在传送时,容易出现时序配合不对、导致PLC读入错误的值,引入了人为干扰信号.③PLC读入的是机、网频的差值信号,而不是机、网频的单独准确值,在空载状态下,PLC无法准确的测得系统的频率,也就无法应用液晶触摸屏方式显示准确的系统频率.我公司采用总线方式,直接将数据通过总线送至PLC,彻底解决了长期困扰可编程调速器的关键点.测量精度高基准脉冲由单片机晶振产生,基准脉冲为12MHz,对于50Hz的频率信号测量精度为160000,远远超出标准要求,这是任何一种PLC利用高速计数方式实现本体测频所达不到的.集成度高,抗干扰性能力强该单片机电路板设计采用最新电子布线软件PROTEL DXP优化布线,使整个测频模块结构紧凑,体积小,芯片选用进口原装产品、采用超大规模的CHMOS工艺制造,内部集成WatchDog,抗干扰性能极强;且内部集成了Flash Ram,进一步减少了外部硬件构成,增强了可靠性和抗干扰能力、并具有软升级能力、测频模块程序软件内部设有严格的抗干扰措施,从而在软件上保证了测频模块运行的可靠性和抗干扰性.运算速度快
16 测频模块采用最新型高档单片机、集成了时钟倍频电路,采用6时钟周期时频率可高达20MHz,采用12时钟周期时频率可高达33MHz,是同类型单片机中运算速度最快的单片机.
频率测量装置的有关参数如下:
◆残压测频电压范围为:0.3V~300V
◆残压测频精度:0.0009Hz
1.3.2 PLC控制模块以可编程控制器(PLC)作为硬件平台构成的微机调节器,除了测频模块,彩色触摸屏以外,还有CPU模块,输入模块,输出模块,AD转换模块,通讯模块.因为各个可编程控制器(PLC)厂家设计构成不同、构成调节器的某些模块是集成的,但各功能块都是必须具备的.如日本三菱(Mitsubishi)公司将PLC的CPU模块,输入模块,输出模块集成在主机上,而欧姆龙公司PLC的CPU模块,输入模块,输出模块,AD转换模块,通讯模块是分离的,呈积木式结构.该系列调节器可以各种可编程控制器(PLC)作为硬件平台,在功能性能上无差别.通常我公司采用欧姆龙公司CJ1M,也可以按用户要求采用其他的可编程控制器(PLC).本说明书以欧姆龙公司CJ1M为例介绍、其他可编程控制器(PLC)参考使用.欧姆龙公司CJ1M是高速度,高性能,高档次的CPU模块.可以连接多个组件,模拟控制,定位控制等特殊用途、是一套可以满足多样化广泛需要的PLC.
欧姆龙CJ1M可编程控制器外形如图2-6所示:
17 图2-6 可编程控制器(PLC)模块图表1 欧姆龙CJ1M可编程控制器参数表
尺寸:高×宽90×65mm单元连接通过连接器相互连接最大I0容量2560点IO最大程序容量120K步最大数据存储器256K字指令系统约400条指令长度每个指令1~7步IO控制方法周期扫描和立即处理都可任务数288(中断256,循环32)中断任务功能定时中断、IO中断、掉电中断、外部中断编程设备版或以后的)和编程器程序语言继电器符号步进梯形图方式(可用SFC表示)基本指令0.1μs 指令执行时间专用指令0.3μs监视时间MIN 10ms安装DIN导轨(不可用螺丝安装)内插板不支持
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内置外设端口:编程设备,上位机链接,NT链接
内置RS-232端口:编程设备,上位机链接,NT链接,无协议通讯,串行PLC链接串行通信
串行通讯单元:协议宏,上位机链接,NT链接调试强制置位复位、差分监视,数据跟踪自诊断CPU出错,IO总线出错,存储器出错,电池出错最多扩展机架数3最多单元数40文件存储OMRON存储卡
19 表2 欧姆龙CJ1M-AD转换模块参数表
隔离IO和PLC信号之间:(光偶合器)功率消耗420mA max尺寸(mm) 31×90×65(W×H×D)重量140g max输入信号范围1~5V,0~5V,0~10V-10~10V,4~20mA
最大额定输入电压输入:±15V,电流输入:±30mA
输入阻抗电压输入:1MΩmin 电流输入:250Ω分辨率转换过的输出数据16位二进制数据
23±2℃电压输入:全量程的±0.2%
电流输入:全量程的±0.4%精度
0℃~55℃电压输入:全量程的±0.4%
电流输入:全量程的±0.6%输入规格转换时间1ms250μs
1.3.3 触摸屏人机界面是操作人员和机器设备之间沟通的桥梁、为了便于人机交流、采用256色彩色中文触摸屏作为人机交换界面.触摸屏采用台湾eView10.4触摸屏.表3 触摸屏参数表型号MT510T显示屏10.4 彩色TFT 液晶屏供电电源21~28VDC 430mA @ 24VDC分辨率640 ×480 像素外形尺寸315×238×62mm亮度250 cdm 显示尺寸214 ×160 mm色彩256 色冷却方式自然风冷
对比度100:1 重量2.0 Kg背光灯2支CCFL(最低保证寿命>25000小时)配方存储器标准内置128KB 实时时钟触摸屏8线精密电阻网络( 表面硬度4H ) 打印端口标准并行打印口CPU 32位RISC CPU 200MHz 防护等级IP65(前面板)存储器2 MB Flash ROM4MB DRAM 工作环境温度0 ~ 45 °C
20 触摸屏中文显示、能很明确的指示并告知操作人员机器设备当前的状况,手动触控操作,使操作变得简单生动,并且可以减少操作上的失误,即使是新手也可以很轻松的操作整个机器.eView 256色彩色中文触摸屏作为BW(S)T系列步进式微机调速器的人机操作界面,具有以下几个特点:直接手动触摸彩色屏品的表面操作,非按键操作,操作简单直观,大大避免按键操作时容易引起的误操作.可以显示实时动态曲线(趋势图).可以显示各种动态图表(棒图,仪表).可以完成各种动,静态试验.触摸屏可显示各种数据,状态、进行各种操作,试验、记录,报警,通信.
触摸屏操作画面有:主画面,密码设置,系统设置,操作选择,参数设置,开机停机试验、静特性参数设定,试验内容选择,甩25%负荷试验、甩100%负荷试验、空载频率摆动试验、空载频率扰动试验、静特性试验等等.
1.3.4 与外部的通讯接口及功能微机调速器具有灵活的与上位机的通讯功能.调速器标准配置采用RS-232
21 串行通讯口通讯.调速器的各种参数和特性可通过上位机整定.调速器串行通
讯口通讯的主要内容有:调速器向上位机传送运行的各种数字量,状态量,故障信号与类型及用户提出的特殊要求,并接受上位机下传的各种操作调节指令.
BW(S)T系列步进式可编程微机调速器主要由电,机、液随动系统组成,它采用步进式电-位移转换器作为先导控制级,控制主配压阀随动系统.除自动,电手动操作外,同时还可以现地机手动操作;各项操作均能方便,可靠地实现开、停机、增,减负荷及紧急停机等功能.机械液压系统主要由步进电转,引导阀衬套,引导阀活塞,主配阀体,主配活塞,紧急停机装置,双联滤油器,分段关闭装置(根据电站情况配置)等构成.调速器机械系统工作原理图如图2-7:PTPBA
22 图2-7 调速器机械系统工作原理图当步进电机以关方向转动时,此时滚珠丝杆副向上移动,同时也带动引导阀活塞上升,主配活塞上腔的控制窗口接通排油、下腔在压力油压作用下推动主配活塞上升,直到控制窗口被引导阀活塞下阀盘重新封闭、主配活塞便稳定在一个新的平衡位置,此时接力器关机侧油腔便与压力油接通,接力器活塞向关机方向运动;当步进电机以开方向转动时,此时滚珠丝杆副向下移动,同时也带动引导阀活塞下降、主配活塞下腔的控制窗口接通排油、上腔在压力油压作用下推动主配活塞下降、直到控制窗口被引开机侧油腔便与压力油接通,接力器活塞向开机方向运动.可见主配活塞始终随动与引导阀活塞.由于经过液压放大后的操作力有8000N-20000N(相应油压为2.5MPa).故能可靠地带动主配活塞上下运动.
23
2.2.1 步进式电-位移转换器
步进式电-位移转换器的主要特点如下:
(1)采用直接数字接口控制方式.与传统的间接数字控制方法相比、控制量不通过DA接口,直接以数字开关信号与电液伺服系统接口实现数字控制的方式称为直接数字控制.它是利用数字执行元件步进电机加适当的旋转直线运动转换机构驱动阀芯实现直接数字控制,由于这类数字控制元件一般按步进的方式工作,因而常称为步进式数字阀或离散式比例阀.通过合理的设计,这类阀具用重复精度高及无滞环的优点.
(2)自动复中.在自动控制或电手动控制过程中、当滚珠丝杠偏移中间位置时,步进电机突然断电,失去控制力矩.这时利用滚珠丝杠无自锁功能,在复中弹簧的复中力作用下,自复中型步进式电位移转换装置快速回到中间位置,同时带动引导阀回到中间位置,保证机组稳定在当时开度运行.
(3)无油控制.该装置结合步进电机与滚珠丝杠的优势,完全无油转换,实现无油耗,同时也不存在滤油精度对油质的要求,并且输出力大,使装置对引导阀的控制稳定可靠,确保机组安全运行.
2.2.2 主配压阀系统结构上采用集成化设计,将辅助接力器与主配压阀做成一体.取消了常规调速器杠杆等所有中间结构,系统无明管,无杠杆,简化环节,可靠性高,调速器的速动性好,控制精度高.主配压阀是由锻件构成,提高了整个系统标准化程度,调试,检修,维护简便,实现了机械系统的免维护.
2.2.3 紧急停机电磁阀机组正常运行时,紧急停机电磁阀处于复归位置,辅助接力器上腔处于截止状态而不通排油.当紧急停机电磁阀接收紧急停机指令时,其活塞换向到紧停位置;辅助接力器上腔接通排油、在下腔压力油作用下,(此力约有1200Kg.)主配压阀活塞迅速上升以实现紧急停机.必要时,也可手按紧急停机电磁阀的按钮以实现紧急停机.
区别于常规紧急停机方式的是:1.紧急停机时油路不通过引导阀、直接由主配活塞动作排油、因主配活塞操作力较大,可避免引导阀窗口小因流油中含
24 杂质而卡死的现象.2.采用排油法实现紧急停机.(常规方法是向大腔通压力油实现紧急停机、紧停动作时压力油迅速渗出而产生积油.)这种方法的显著优点是,紧急停机操作力大小仍保持不变,但紧急停机时由于采用大腔排油方法,集成阀盖上绝对没有油渗漏.3.紧急停机电磁阀动作后,通过油路可驱动液动换向阀动作,能准确输出紧停动作与否信号.
2.2.4 双联滤油器双联滤油主要是过滤通往液压系统中的压力油、它有两组滤网,运行时可用旋塞进行快速切换工作位.拆卸无油通过的一组滤网进行清洗,不需停机、实现了不中断供油.
2.2.5 导叶反馈传感器导叶反馈传感器即电-位移传感器,作用是把接力器的位移转换成相应的电气信号,用作执行元件的反馈信号.该位移变送器采用精密电位器作转换元件.
接力器的位移通过钢丝绳传递给用盘簧扭紧的滑轮,滑轮带动与之同轴的精密电位器转动,发出相应的电气信号,调整极其方便.钢丝绳位移为0-200mm,精密电位器相应转动0-300度,相应输出电压为0-10伏.主配直径
主配行程: ±8mm
主阀芯阀套搭叠量(单边): 0.35mm主阀芯阀套配合间隙mm
引导阀行程: ±10mm
引导阀芯阀套搭叠量(单边): 0.10mm
主配油压:
主配流量: 100LS调速系统设置分段关闭装置用以实现接力器折线式关闭规律,安装在接力器与主配压阀之间,依系统需要而设置.一般在下面两种情况下需设置分段关闭.1.在混流式机组中、当电站引水管道较长且未设置调压井,压力钢管的允许压力不能满足调保计算的压力上升时,调速器应设置分段关闭装置.2.在轴
25 流定桨或转桨式机组中、反水锤作用较大,设置分段关闭装置可抑制机组抬机作用.分段关闭装置可分为机械分段和电气分段两种形式.机械液压式分段关闭装置由分段阀、先导行程阀和分段凸轮装置等部件所组成.分段凸轮固定在接力器回复轴上.当接力器关闭到拐点位置,回复轴上的凸轮使先导行程阀换向,可以改变节流活塞与阀体之间的节流面积,从而改变了关机速度.电气分段是以电磁换向阀取代先导行程阀、靠电来驱动.电气分段安装简便,但是在无电情况下电磁换向阀无法工作,起不到分段关闭的作用.
机械分段关闭装置的主要特点为:
(1) 标准液压元件先导行程阀代替自行设计的先导阀、无泄漏.
(2) 把先导行程阀和液控单向节流阀分开布置,保证电厂布置灵活方便.
(3) 分段凸轮可以固定在接力器传动机构回复轴上,也可以直接固定在接力器伸出杆上,即可根据各电厂具体情况布置.油压装置由压力油罐,回油箱,油泵组,阀门,自动化元件及其它部件组成.其基本技术要求符合GBTGB150的相关规定并满足电站安全运行的需要.
(1)压力油罐的设计,制造,无损检测,试验等符合GB150-98《钢制压力容器》,《压力容器安全技术监察规程》和GBT9652.2《水轮机调速器与油压装置试验验收规程》中的有关规定.压力油罐总容积不小于20倍导叶接力器总容积.另外,在紧急低油压下,接力器能从完成三个开度全行程的动作.在调速器油压为额定工作油压时,罐
内油容积和空气容积之比约为1:3.
(2)压力油罐配有:压力表,油位指示器及油位开关.压力和油位开关能可靠地根据给定的压力和油位发出压力和油位信号.
(3)压力油罐底部带阀门的排油管,便于清理和检修时向回油箱排油.
(1)回油箱是钢板焊接而成的用于蓄存无压力油的箱型容器.回油箱无裂纹、
26 开缝或盲孔、出厂时经过渗漏试验.
(2)回油箱设有检修用的进入孔口,并装有网状过滤器和单独的油泵吸油过滤器.过滤器均能方便地拆下清洗.回油箱侧面装有(有机玻璃的)液位显示计,可观察油位高低;还设有加油口接头和阀门,排油口接头和阀门,化验取样接口和阀门,以及循环滤油用的接头和阀门.
(3)回油箱的容量不小于压力油罐容积的1.3倍.
(1)整个油压装置设有2套独立的油泵,一台工作,一台备用.每台油泵每分钟的供油总量不小于导叶接力器总有效容量的2倍.每台油泵由相应的三相感应电动机直接驱动.
(2)每台油泵配有一套组合阀组(包括减载阀、安全阀、截止阀、止回阀等).
当油压超过正常工作油压上限的2%时,安全阀开始排油;当油压超过正常工作油压上限16%时,安全阀能排出油泵的全部供油量,压力罐的压力不再上升,当油压降至正常工作油压时,安全阀自动关闭.
两台油泵在油压装置系统的控制下(注:油压装置控制系统,不再调速系统供货范围内)、既能单独运行又能联合运行.任一台油泵能与油系统隔离以便于进行检修,而不影响系统其它部分的正常工作.
(3)油泵组无论在空载或满载运行时,距泵上方或水平方向1m处,噪音不超过80dB(A).
调速器油压装置液压系统原理图如图2-8:
27 图2-8 调速器油压装置液压系统原理图BW(S)T系列步进式微机调速器油压装置参数表压力罐LT回油箱LT油泵电机型号容积重量压力罐正储油量L 容积重量回油箱正常储油量L总重T油压Mpa型号容量Ls 型号功率KW
28 水轮发电机组运行工况复杂,各工况转换全部由水轮机调速器实现,下图是水轮发电机组工作的主要工况,其中停机备用,空载,负载,调相是水轮发电机组的稳态循环,其他皆为暂态过程.并网甩负荷空载循环负载循环调相循环停机备用循环停机连跳零启升压发电转调相调相转发电开机过程停机过程图3-1 工况图该工况下,机组处于停机备用状态、机组转速为零,导叶开度为全关.若导叶向开方向漂移至大于2%开度时,导叶关闭的电磁球阀将会动作,使导叶关闭.机组处于停机备用工况,由中控室发开机令,调速器自动按照闭环开机规律将水轮发电机组开启,机组转速上升到90%以上,进入空载循环,自动跟踪电网频率.若在开机过程中、机频断线,调速器自动将导叶关至最低空载开度位置,若此时解除开机令,调速器自动将导叶全关.当水轮发电机组满足同期条件,中控室发出同期命令,机组同期,机组进入负载循环.调速器自动打开电气开度限制,并根据调速器的调节设定及电网
29
情况,自动选择负载调节模式:功率调节,开度调节或频率调节.并网后,调速器实时监测电网波动情况,自动选择调节模式.
1.3.1 开度调节模式机组并网后,电网频率在50±E(E为调速器设定的转速死区)范围内、且调速器不具备功率调节条件,可判断机组运行在大电网,调速器处于开度调节模式;若电网频率超出50±E范围,调速器自动由开度调节转换为频率调节.
开度调节的实质就是电网频率在50±E范围内波动时,接力器开度不随频率变化而变化,稳定于某一开度运行.
1.3.2 功率调节模式该工况仅适用于已实现AGC(自动功率调节)的电站.已实现AGC的电站机组在并网后,通过计算机网络通讯方式给调速器下达有功设定给定值,调速器自动采集有功功率反馈值,与计算机下达的机组有功设定给定值比较、根据比较结果进行PI调节,自动调整导叶开度,是机组有功功率与设定功率一致.
这种以有功功率作为闭环调节的模式称为功率调节模式.若在该调节模式下,若电网频率超出50±E范围,调速器自动由功率调节转换为频率调节.
1.3.3 频率调节模式频率调节即无差调节,其实质调速器根据电网频率情况,不断对导叶开度
做无差调节:即不论机组频率与给定频率(50Hz)差值多小,调速器始终通过调节导叶开或关,使机组频率趋于50Hz.当机组并网后,中控室发调相令,调速器将接力器关闭、机组由发电机转变为电动机运行、从电网吸收有功,机组处于调相运行状态.如调相令解除,则自动将导叶开度开启至空载位置.停机令为优先级最高的指令,在任何工况下,只要调速器接到停机令,就会迅速关闭导叶.停机过程分两段,先快速将接力器关回15,然后慢关到零,置停机联锁、调速器进入停机等待、机组处于备用状态.
调速器软件程序分为:可编程PLC程序,触摸屏程序
30 可编程程序按结构分为主程序和子程序,子程序按功能可以分为控制功能程序,采样子程序,计算子程序,增减子程序,触摸屏子程序等.可编程程序
原理框图如下:主程序控制功能程序负载子程序甩负荷子程序空载子程序调相转发电子程序调相循环子程序并网子程序无压备用子程序零启升压子程序发电转调相子程序机械手动子程序电手动子程序停机过程子程序开机过程子程序停机备用子程序结束输出子程序工况判断状态分支采样程序初始化开始图3-2 可编程程序
初始化:完成系统上电或复位、系统初始化,中间标志位、中间内存单元的清零,以保证上电无扰动.
采样程序:频率采样,开关量采样,导叶反馈采样,IO采样
工况判断分支:根据不同的IO状态、频率采样,导叶反馈做出判断、产生唯一的程序流程状态标志,控制可编程程序进入相应的功能子程序.
各个控制功能程序: 完成不同状态的控制功能,并根据要求决定是否要调用参数计算子程序,PID子程序,并将相应结果送入相应单元.
计算子程序:完成系统参数计算.
增减子程序:根据来自外部操作(复位杆式开关操作或触摸屏操作)或远方操作导叶开度的增,减.
触摸屏子程序:与触摸屏通讯,集中提供必要的参数给触摸屏,提高触摸屏的通讯和刷新数据.
输出子程序:根据PID运算结果,输出开关量信号,控制步进电机的启,停及正,反转.
详见第八章:《触摸屏操作说明书》
由于调速器的调节对象的数学模型比较复杂,无法准确地对其进行数学描述.而直接数字控制是根据采样理论、首先需要把被控对象的数学模型进行离散,然后由计算机根据离散化的数字模型进行控制.因而、微机调速器无法直接采用直接数字控制.我们充分利用调速器是一个典型的位置伺服系统的特点、先利用位置型PID(比例积分微分=Proportional Integral Differential)替代被控对象的离散化数字模型,再结合最优控制,实现了直接数字控制.
如图是微机调速器的结构图图3-3 微机调速器的结构图的拉普拉斯变换.为频差fSF )(由上图可得如下的传递函数])[(
1 若01=PVybTT,取和忽略数值很小的,得 (式1)
又PID调节器输出fyPID 对其输入频差的传递函数为:
0)((= 取(式2)
比较式(1)和式(2)可得:PK=dtTbdtTb
1 随着计算机技术在流体控制系统中的大量应用,直接数字控制方法备受人们关注,流体控制元件的数字化也成了一种必然的趋势.BW(S)T系列调速器是利用数字执行元件步进电机加适当的旋转直线运动转换机构实现直接数字控制.步进电机工作于正,反转及停止三种工作状态、一般厂家通常采用脉宽调制(PWM)的方法来控制步进电机、但是由于水轮机微机调速器是一个要求比较严格的实时控制系统,脉宽调制(PWM)的控制方式应用在水轮机调速器上存在对频响要求高,步进电机失步等问题,造成速动性差,系统构成相对复杂等.正是因为这样,步进电机一直不能在水轮机调速器上应用.为解决直接数字控制在调速器上能实际应用的问题,我们可以将问题重新
简化如下:对给定任意初始状态、要找出一个允许的控制方案,使受控对象控制到希望的最终状态、并使性能指标为最小.这正是最优控制的研究范畴,根据最优控制理论、可以用BANG-BANG控制解决该问题.以下BANG-BANG控制的原理.
33 调速器的控制对象是一个非线性时变系统,其状态方程描述如下:
初始状态:00)(XtX=
目标状态集:fX
性能指标为:01)(ttdttJf控制t 是受限的,即Mt≤现在的问题是要求最优控制函数,使系统从0X最快的转移到终值状态
fX(目标集):
对象的状态方程满足一定条件时,受限控制)(tj 的最优解为:为不定值^M时当0)(^tqj)(tqj为开关函数,若)(tqj只在独立的瞬间取零值,则称这种时间最优控制是平凡的,这就是BANG-BANG控制.
34 BW(S)T系列高油压数字式微机调速器所有性能指标均满足GBT《水轮机调速器与油压装置技术条件》及《水轮机调速器与油压装置试验验收规程》的规定,并满足国家相关行业及部颁标准.静态特性曲线近似为一直线,最大非线性度

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