基于現場總線WWT型PLC水輪機微機調速器的設計

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

(1)現場數據采集功能

以足夠的精度及滿足要求的采樣時間采集現場模擬量信號，如：機組頻率值、電網頻率值、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、現地操作指令等。由于PLC是專為工業(yè)現場控制而設計的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，實現機組頻率的調整。在空載工況下，可實現對電網頻率的跟蹤和相位的控制，能實現快速并網;

開度調節(jié)與水位控制：在開度調節(jié)模式下運行時，可實現按水位控制機組出力，即根據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。

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/反轉脈沖信號經內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Cf加1。當連續(xù)超差次數大于給定值時，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，實現平滑無擾動的轉換過程。