台达可编程控制器应用在水轮机调速系统

1 引 言
台达EH系列可编程控制器是由台湾台达电子公司生产，由中达电通股份有限公司负责在中国大陆推广应用。它具有可靠性高、易于扩展、运算能力强、实时性好、编程方便等特点。目前国内水电调速控制系统一般采用国外小型PLC、PCC以及IPC等工控产品，但其PLC高速计数器的计数频率一般在200kHz以下，在应用中需要配置复杂的硬件电路，在软件方面需要采取分频、中断等技术措施，很难满足水电机组调速系统对机组和电网频率测量的要求。台达PLC针对水力发电系统对频率测量精度要求极高的特点，配备了10MHz的测频卡，可直接测量出被测信号的周期，很好地满足了水轮机调速系统的需要。
2 台达PLC的主要技术特点
（1）高速运算处理芯片（ASIC）设计架构
采用CPU+ASIC双处理器，分工运算处理，基本指令速度可达0.24?s，I/O数据模块更新接口，不占用程序扫描时间，并内置多组外部中断功能。
（2）通讯能力强
内置了两个串联通讯口，除可以同时与PC、HMI通讯外，提供了便于与RS232或485通讯接口的Modbus串联通讯的指令，该指令提供了ASCII及RTU两种模式，使用者只要依据指令格式中的站号、装置的参数地址及读写数据，无须了解通讯协定的格式，更不用编写复杂的校验码计算程序。
（3）易于增设特殊功能
为主机配备了许多功能硬件卡，只需要在主机功能模块上插入该卡板就可以增加主机的功能，卡板有通讯、模拟量或开关量输出输入、测频卡板，以及嵌入式数据设定显示器等。
（4）强大的PLC网络能力
只要将写入及读出的参数地址及长度填入特殊寄存器内，不用编写通讯程序，主站会自动与各站继续数据交换，从站最多可达16站，它不仅与PLC，还包括与台达机电控制产品，如变频器、温控器或伺服驱动器等进行数据交换，具有串联通讯协议的装置。
（5）最佳性价比。
主机点数最大可到80点，扩展点数为8、16、32、48，最大输出输入点数达到512点，程序容量15872步，数据寄存器10000个，内置PLCLINK、定位控制、通讯控制等多种便利指令。
3 调速器主要功能
基于台达小型可编程控制器研制的水电机组调速系统可以方便地实现以下功能：
(1) 自适应闭环开机及快速同期并网控制；
(2) 补偿PID＋PWM多点偏差增益调节；
(3) 频率测量分辨率为0.00025Hz；
(4) 转速控制、开度控制及功率控制，并满足一次调频的要求；
(5) 自动、机手动、机械手动运行方式，互为跟踪、无扰切换；
(6) 全数字综合放大输出控制；
(7) PLC内部模件及外部接口信号故障的自诊断、录波、事件记录功能；
(8) 采用触摸屏作为人机对话平台，能够实时显示和修改运行及调节参数；
(9) 内置调速器静、动态所有试验功能的辅助功能；
(10) 可方便地与上位机进行通讯以及Modbus协议与其它设备的通讯。
特别是满足了水电机组调速系统对机组和电网频率测量的要求,智能测频卡原理如图1所示。

图1 测频原理框图
台达PLC测频卡有两个独立的测频回路，机组、电网信号经隔离整形后送至测频卡输入端，由计数其分别对其计数，不需要编程就可以直接读出机组和电网频率的测量结果，无须对PLC内部特殊单元进行任何设置。测频卡内部时钟为10MHz，当被测频率为50Hz时，测频卡内部计数值为200000个脉冲， 脉冲分辨率为5*10-6，被测频率的分辨率为0.00025Hz。
在空载运行时，自动处于“跟踪”工况，频差△f(k)=f网—f机，在电网频率不正常或“不跟踪”工况，频差 △f(k)=f给—f机，其中：f给 为机内频率给定，f机 为机组频率，f网 为电网频率。
4 水轮机调速系统运行流程
调速系统的主要程序流程如图2所示。系统有以下主要子程序：上电运行状态分析辨识、事件记录、空载运行、模拟量采集、内置试测验及测试、负载运行、机组和网频测量、电手动运行、PID计算、空载开度和负载开限计算、机手动运行、发电转调相、诊断与报警、停机备用、调相运行、故障录波、闭环开机过程和调相转发电等17个子程序。
由电厂操作回路发出的开关量指令经输入模块送至PLC的CPU模块，当PLC扫描到这个指令则执行相应的控制，并且将运算、处理后的结果，经综合放大输出至控制机械液压随动系统的电液转换组件以控制水轮机组导水叶的开度，达到控制机组转速或者负荷的目的。系统提供了合适的系统软件和应用软件去完成规定的工作。软件按模块化设计，并允许从规定的程序接口设备去改变程序运行方式或控制参数。软件使用方便，维护容易，并使用户能通过PC机对软件程序进行检查调整，重新配置和开发程序软件采用模块化设计方法，由于采用通用的梯形图逻辑编程方法，使用方便，维护容易。
调速系统软件采用模块化方法设计，由多个运行工况子程序和通用程序组成常驻运行程序和过程程序，常驻运行程序由外部条件经过一个过程程序到另一个常驻运行程序，实现运行工况的转换。另外配备了一个断电保持的数据寄存器区存放调速器的各种参数和机组的参数，对每个输入开关量进行数字滤波，对测频和A/D转换采用逐次逼近方式。
用户能通过计算机对软件程序进行阅读和检查，不需修改程序，只需根据实际情况改变数据寄存器区的内容，就可以进行日常的维护、检修和调试。

图2 调速器控制流程图
5 结束语
上述讨论的水轮机调速系统，由于充分利用了台达小型可编程控制器在高速运算处理芯片（ASIC）设计架构、通讯能力强、易于增设特殊功能、强大的PLC网络能力、高性价比等方面的优势，可完全满足水电机组和电网对调速系统的要求。