基于步进电机、PLC、触摸屏的水轮机调速器的电控设计设计38392965.doc

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1、基于步进电机、PLC、触摸屏的水轮机调速器的电控设计南 昌 工 程 学 院毕业设计（论文）任务书一、毕业设计(论文)题目： 基于步进电机、PLC、触摸屏的水轮机调速器的电控设计二、毕业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求： 步进控制型可编程水轮机调速器的电气部分是以可编程控制器PLC为硬件核心，软件采用全模块化结幕显示，具有良好的全中文图形人机界面；电气机械转换部件采用步进电机，配以滚珠螺旋自动复中装置连式结构，以步进驱动装置的机械位移直接控制主配压阀。PLC测量水轮发电机组的频率信号偏差，并按一定的（PID或PI）转换成位置控制的数字电信号；电气机械转换部件将该数字信号线性地转化

2、为机械位移量，再直接控制由器和主配压阀组成的二级液压放大，通过主接力器控制水轮机导水叶开度（或浆叶转角），实现水轮发电机组的调速和复合控制。 1、步进驱动装置： （1）步进电机；惯量小，转矩大，控制精度高，运行可靠。 （2）步进驱动器；功能强大、控制方式灵活，本身带有CPU和人机界面，可 以对其控制方式、工作参数进行设定，以达最优控制。 2、自动复中装置：调节过程中，当交、直流电源同时出现故障时，可使主配压阀及时复中，使调速器保持稳定，确保机组安全运行。 3、人机接口：采用彩色液晶触摸屏实时显示机组当前运行工况、机组频率、导叶开度、机组功率、水头值和故障信息等各种运行参数和工况。 4、参数界面

3、：直接通过触摸屏进行人机对话，允许通过菜单实时修改运行参数，显示直观，操作方便，具有良好的全中文图形人机界面。三、毕业设计(论文)工作内容及完成时间：1、查找相关文献，进行方案论证。3.25-4.42、硬件选型。4.5-4.153、设计电气图，包括控制柜图，布置图，接线图等。4.16-4.224、控制柜内接线及初步测试开关点。4.23-4.305、程序设计及调试。5.1-5.177、理设计材料，编写毕业设计论文。5.18-5.25 目录 第一章 典型微机调速器简介（1） 1.1 典型微机调速器的介绍（1）第二章 系统结构（5） 2.1 系统结构框图（5） 2.2 框图说明（5） 2.3 系统工

4、作原理（6）第三章 系统配置（9） 3.1 电气系统配置（9）3.1.1 硬件配置（9） 3.1.2 软件基本配置(10) 3.1.3 功能增强软件配置(10) 3.1.4 调试设备及软件（不属于调速器设备内）(10) 3.1.5 试验设备（不属于调速器设备内）(10) 3.2 机械系统配置(10)第四章 主要技术数据及性能指标(11) 4.1 主要技术数据(11) 4.2 主要性能指标(12)第五章 硬件构成(13) 5.1 PLC简介(13) 5.2 操作终端（13） 5.3 步进电机驱动模块（14） 5.4 步进电机（18）- 3 - 5.5测频模块（21） 5.6 电源系统（22）第六

5、章 软件编程说明（24） 6.1 主程序流程框图（24） 6.2 调节模式（25） 6.3 开机、停机规律（26） 6.4 数字协联（28） 6.4.1 双调节水轮机的协联特性（28） 6.4.2 协联插值算法（28）6.5 自动、手动运行及相互切换（29）参考文献（30）- 3 -第一章 介绍典型微机调速器1.1 典型微机调速器的介绍 1、高油压比例阀式微机调速器高油压微机调速器参数、功能、性能指 标和技术特点 （一）主要技术参数比例系数 KP: 0.520 积分系数 KI：0.05101/s KI： 微分系数 KD: 05s 频率给定 FG: 4555HZ 功率给定 PG：0100% PG

6、： 永态转差系数 bp: 010% 人工死区E: 人工死区E: 01% 机频、网频信号电压：AC 机频、网频信号电压：AC 0.2160V 交流电源: AC 220V 直流电源：DC 220V或DC 110V 工作油压范围：1416Mpa 事故低油压：11Mpa 蓄能器充气压力：8.59Mpa 操作功：10 000/18 000/30 000/50 000Nm （二）主要功能和性能指标 （1） 测量机组和电网频率，实现机组空载及孤立运行时的 频率调节。 （2） 空载时机组频率自动跟踪电网频率，以便快速自动准 同期。 （3）实现手动开停机、增减负荷及带负荷运行。 （4）实现自动开停机，并网后根据

7、永态转差系数（bp）自 动调整机组出力。 （5）无条件、无扰动地进行自动和手动的相互切换。 （6）采集机频、网频、导叶开度、手动、自动等主要参数 及运行状态。 （7）能通过按键及液晶触摸屏整定调速器的运行参数。 （8）检测到电气故障时，能自动地切为手动，并将负荷固 定于故障前的状态。（9）转速死区ix0.10%。 （10）静态特性曲线线性误差5% （11）自动空载3min转速摆动相对值不超过0.25%。 （12）接力器不动时间Tq0.2s。 （13）平均故障间隔时间大于12000h。 2、BW(S)T-PLC步进式无油电转可编程微机调速器BW(S)T-PLC步进式无油电转可编程微机调速器具有结

8、构简单可靠、不耗油、油泵起动次数少、油质要求低、不卡涩、断电后调速器保持接力器当前开度不变、免维护、易于操作、人机对话方便的优点。BW(S)TPLC步进式无油电转可编程微机调速器,以高性能液晶触摸屏作为中文人机界面，可显示各种数据、状态，进行各种操作、试验、记录、报警、打印、通信等功能。主要技术数据型号：BW(S)T-80/100/1502.5/4.0/6.3-HR工作油压：2.5Mpa、4.0Mpa、6.3MPa电源：AC220或DC220电液转换型式：步进式机电接口控制方式：直接数字控制调节规律：并联PID暂态转差系数：bt1200%永态转差系数：bp010%积分时间常数：Td125S加速

9、度时间常数：Tn05.0S频率给定范围：FG45.0055.00Hz频率死区范围：E01.00Hz功率死区范围：i05%功率给定范围：P0120%测速方式：残压或残压+齿盘测频误差0.0009% 电气特点(1) 以可编程控制器作为硬件主体，具有高可靠性、高抗干扰能力。(2) 采用TFT彩色中文触摸屏作为人机界面（HMI）。直接触摸操作，操作简单，显示直观、丰富。并具有显示实时动态曲线的功能，调试、维护简便。(3) 具有调试、试验功能，通过人机界面（HMI）能轻松完成调速器的调试和试验，并显示试验结果。(4) 一体化电源设计，交流、直流电源同时供电，两者互为热备用，相互之间可实现无扰动切换。(5

10、) 测频模块与可编程控制器是通过总线直接连接，彻底解决可编程控制器与测频不能很好匹配问题。(6) 控制输出为直接数字控制方式，无D/A转换环节，实现了输出环节的数字化。(7) 智能容错测频及自动识别大小网，频率测量精度高。(8) 多处理器并行工作，速度快。扫描周期均20ms。(9) 高抗干扰能力：所有I/O接口均采用光电隔离及软件滤波。(10) 多种交互方式：能通过计算机键盘、编程器、电柜面板上的触摸屏等多种方式设置参数及进行操作。(11) 调速器具有自动容错功能。(12) 带有串行通讯接口，兼容性好，可与各种计算机监控系统联接，可满足电站无人或少人值守。(13) 故障自诊断功能，调节器能实时

11、监视自身组成模块，一旦发生故障，能立即诊断，并以报警模式从触摸屏上指出故障部件。(14) 跟踪功能：电气部分可跟踪机械手动，机械手动切至自动或电手动时不需任何调整，为无扰切换。 3 DKT-K系列电机控制式微机调速器主要调节参数整定范围比例系数KP0.520积分系数KI0.0510（1/S）微分系数KD05(S)永态转差系数bp010%频率人工死区f01.0%频率给定范围fG505HZ功率给定范围PG0100%1.2.3其它技术数据工作油压2.5MPa；4.0MPa主配压阀直径80、100、150（mm）工作电源：AC220V 200WDC110V或220V 200W本调速器具有如下功能：频率

12、测量与调节：可测量机组和电网的频率，并实现机组频率的调节和控制；频率跟踪：当跟踪功能投入时，机组频率自动跟踪电网频率，可实现快速自动准同期并网。自动调整与分配负荷：机组并入电网,调速器将根据其整定的bp值和电网频差，自动调整机组的出力。负荷调整：可接受上位机控制指令，实现发电自动控制功能（A.G.C）。开停机操作：接受中控室或上位机指令，实现开停机操作。手动操作：具有电手动操作和机械手动操作功能，并可无条件、无扰动地实现自动运行与手动操作的相互切换。能采集并显示调速系统的主要参数，如：机组频率、电网频率、导叶开度、调节器输出和调节器的整定参数等。有完善的通讯功能，为电站监控系统设置了标准、可靠

13、的接口，能方便地实现与上位机的通讯。应用户需要，可带上频率计的相关功能。经过我们小组的探讨我们决定选型方案2的微机调速器。第二章 系统结构2.1 系统结构框图 系统结构框图2.2 框图说明 1频差f1) 油开关合或油开关分但网频不正常或油开关分且跟踪频给时f=fG-fJ 2) 油开关分且网频正常并跟踪网频时 f=fW-fJ 3) 频率死区E（可以设定） 频率调节 E=0 功率调节 E=0.2Hz 2给定与实际差值1) 频率调节模式 =YG-YPIG 2) 功率调节模式 =PG-P3) 功率死区Ep 频率调节模式 Ep=0功率调节模式 Ep=05%PN（可调整）4) 永态转差系数bp 频率调节模

14、式 bp=0%开度调节模式 bp=010功率调节模式 bp=0102.3 系统工作原理 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，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，完成频率的测量任务，并将机组频率和电网频率通过通讯总线传输给PLC，能实现“软升级”。由导叶反馈装置的导叶位置传感器，将导叶位置电信号送至A/D模块，并可由有功功率变送器将测得的有功电信号分别送至A/D模块，经A/D模块转换环节取得导叶

15、位置信号及有功信号。由开关量输入模块采集二次的开、停机、增、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），送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对应宽度脉冲的开或关信号，控制数字式机械液压系统的无油电转正、反运动，使导叶按照调节规律的要求动作，并在故障时，动作报警信号。通讯单元负责与上位机通讯，发送或接受上位机的命令。工业平板PC机作为中文人机交互界面，完成调速器的现场操作命令及状态数据显示等功能，也可通过其通讯接口与远方通讯。 水轮机调节系统是一个本质非线性、时变、非最小相位系统，其控制性能指标与

16、稳定性一直是人们所关注的问题。随着控制技术的发展，水轮机调速系统的控制规律也在不断地发展和完善。虽然近年来，自适应控制，变结构时变参数自完善控制，模型参考多变量最优控制等基于现代控制理论的控制模型和控制方法也被提出并进行了大量的理论研究，但由于水轮机调速系统是一个时变且存在随机扰动而又相对快速的控制系统，目前，仍然广泛采用PID控制规律。而常规PID控制系统需要精确的数学模型,一般只适用于线性系统，常规的PID控制很难得让其具有良好的动态品质。在这里，我们采用了一种新型PID控制器基本型逻辑控制器,俗称九点控制器,根据偏差与偏差变化率实际运行状况抽象成九个工况点（强加、稍加、弱加、微加、保持、

17、微减、弱减、稍减、强减9种工况）,从而给出相应的控制策略进行有效的控制。其基本思想是控制器根据控制系统的实际运行模式特征,不断地改变或调整控制决策,以便使控制器本身的控制规律适应于控制系统的需要,获得良好的响应性能。由于这种控制器产生的控制作用只取决于被控对象的运行工况,因而对相当广泛的被控对象具有适应性。由于不同的工况点对应不同控制策略,因此又具有适应式变参数变结构非线性控制的特点。控制算法简单,易于工程应用的实现。对于稳定的控制对象,能同时得到良好的静态品质和动态品质,即使对于不稳定的被控对象也有镇定调控作用。因此基本型逻辑控制器适合应用于水轮机调速系统中来改善其特性。该型调速器具有频率调

18、节、开度调节和功率调节三种控制模式，根据需要可选择不同的控制模式。这种切换，一是通过操作终端上的触摸键或二次回路接点来完成，二是通过数字通信接口来完成。采用频率调节模式时，又分为跟踪频给和跟踪网频方式。跟踪网频方式运行时可实现机组频率跟踪电网频率，这样可以保证机组频率与电网频率相一致，便于并网。当采用功率调节模式时，PI环节按功率偏差进行调节，实现机组有功功率恒定。这种方式运行可以很容易实现全厂AGC（自动发电控制）。对于功率给定，它一方面作用于PI环节，另一方面通过开环控制直接作用于输出，提高了功率增减速度。功率给定为数字量，适用于上位计算机给定。电气开限环节是针对PID运算结果进行限制，限

19、制输出不超过一定值。数字放大器将PLC输出与接力器反馈采集量进行比较放大后输出。对接力器的控制采用双闭环结构，除接力器反馈外，还有一个电机反馈，以控制无油电转精确定位，补偿电机失步、反向间隙、各种机械误差和磨损等。 第三章 系统配置调速器系统由电气和机械两大部分组成。柜体结构根据用户要求可选用机械电气分柜或机械电气合柜结构。3.1 电气系统配置3.1.1 硬件配置1柜体(1) 机电分柜： 尺寸：8006002300mm或8006002260mm 颜色：任选(2) 机电合柜： 尺寸：单调：7506001650mm 双调：12008001650mm 颜色：任选2电源系统（1）开关电源1：+24V专

20、供继电器及操作终端（2）开关电源2：+24V/+36V专供电机驱动（3）+15V电源供反馈用3面板部分 操作终端4控制部分（1）电源模块（2）CPU模块（3）输入扩展模块（4）输出扩展模块（5）AD模块 （6）通讯模块：（7）日本ROZE公司步进电机驱动器（8）日本三洋公司步进电机3.1.2 软件基本配置 (1) 并联PID调节程序采用基本型逻辑控制器。 (2) 实时画面显示、记录及监控软件。 (3) 实时故障诊断程序 (4) 双调数字协联子程序(5) 机组起停等操作子程序3.1.3 功能增强软件配置 (1) 与上位机通讯软件(2) 功率控制闭环调节软件3.1.4 调试设备及软件（不属于调速器

21、设备内） (1) PC机 (2) PLC软件 (3) HG-II水轮机调速器特性综合测试仪(4) 89C51单片机编程器3.1.5 试验设备（不属于调速器设备内）(1) HG-II水轮机调速器特性综合测试仪（用于调速器静、动态特性测试）。(2) PC机3.2 机械系统配置 (1) 步进式无油电液转换器（带自动复中机构） (2) 主配压阀活塞及阀体 机械手操及开限机构（机构系统有两种结构，一种有机械开限机构，一种无机械开限机构，可选）紧急停机电磁阀、双连滤油器。 第四章 主要技术数据及性能指标4.1 主要技术数据 1测频环节 (1) 方式：残压测频或齿盘测频 (2) 输入电压：残压：0.2 V2

22、00V，齿盘：24V脉冲信号 (3) 脉冲调制时间：120ms (4) 测试范围：5100Hz (5) 测量精度：0.0015Hz 2调节参数整定范围 永态转差系数： bp=010% (分辨率1%) 暂态转差系数： bt =0200% (分辨率1%) 缓冲时间常数： Td=120秒 (分辨率1秒) 加速度时间常数：Tn=03秒 (分辨率0.1秒) 3控制参数范围 开度给定 PG=0100% (分辨率1%) 频率给定 FG=4555Hz (分辨率0.01Hz) 人工失灵区宽度 E=00.5Hz (分辨率0.01Hz) 功率死区 Ep=05%PN 开度限制 L=0100% (分辨率1%) 功率给定

23、 P=0120% PN4 PLC运算速度基本指令：0.034S/指令5 步进电机参数(1) 步进电机型号及生产厂家：步进电机型号：103H8222-0441生产厂家：日本三洋公司(2) 二相步进电机： 2A/相(3) 保持力矩： 4.9NM 6电源 (1) 厂用交流电源： 50Hz，220V15%，550伏安(2) 厂用直流电源： 220V（或110V）15%，520瓦4.2 主要性能指标 1调速器死区： (0.020.04)% 2甩大于25%额定负荷不动时间：0.2秒。 3空载自动运行频率摆动： 750K）的要求。如何完成PLC对频率信号的测量，一直是困扰着国内以PLC作为调节器的生产厂家。

24、少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I/O输入模块，送入PLC总线。这种测量方式存在以下问题增加了系统环节，降低了可靠性。由于单片机测频模块与PLC的16点I/O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。PLC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，也就无法应用彩色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

25、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6MHz，对于50Hz的频率信号测量精度为1/120000。远远超出标准的规定，这是任何一种PLC利用高速计数方式实现本体测频达不到的。、集成度高、抗干扰性能力强：该单片机采用超大规模的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。、运算速度快：测频环节采用最新型高档单片机，集成了时钟倍频电路，是同类型单片机中运算速度最快的单片机。5.6 电源系统BW(S)T-P

26、LC调速器的PLC控制端元采用的是AC220V作为外部输入工作电源。其内部工作电压为24VDC/5VDC。BW(S)T-PLC调速器系统除了PLC工作电源外，还设计了+24V/+36V、+15V外部电源。外部电源选用台湾明纬开关电源，采用交、直流同时输入。每组电源内部工作原理相同。仅只是输出电压不同，原理框图如下：+24V/+36V：供驱动模块和外部继电器、操作终端和机械柜上的指示灯用+15V：供接力器反馈、电机反馈、表头调整板用l 交流输入电压/频率：190260VAC/4763HZl 效率：典型值70%（满载时）l 安全标准：满足（A）UL478（B）VDE0871B级l 过电流保护：所有

27、输出端均有短路保护和过流保护。l 绝缘测试：输入端与地之间，输入端与输出端之间l 绝缘电阻：30M欧l 工作环境温度：050摄氏度l 直流输入电压：DC220V10%l 交流输入电压：AC220V10%l 交直流电源互为备用第六章 软件编程说明6.1 主程序流程框图整个控制程序包括许多程序模块，每个程序模块又由相应的程序组成。1上电或复位程序：（1）设置标志单元（D和M）；（2）PLC模块初始值；（3）设置定时器初始值；（4）采样导叶反馈及频差；（5）PID参数初值设置。2停机等待：（1）A/D采样；（2）上位机通信；（3）故障诊断及显示；（4）操作监视；（5）参数修改及PID系数计算。3开机

28、过程：（1）开机；（2）读频差及检错；（3）A/D采样及脉冲输出；（4）故障诊断及处理；（5）操作处理。4空载：（1）读频差及检错；（2）故障诊断及处理；（3）操作处理；（4）参数修改及PID系数计算；（5）PID计算；（6）A/D采样及脉冲输出；（7）显示控制；（8）上位机通信。5负载：除了实现空载的功能外，还具有：（1）模式判断（人为和自动）；（2）功率闭环调节。6.2 调节模式BW(S)T-PLC设有频率调节模式、开度调节模式及功率调节模式。1频率/开度调节模式：（1）条件：a空载运行；b负载运行时，指定为频率/开度调节模式；c功率调节时，功率信号故障或频率超差。（2）运行：a调节规律：

29、PID；b给定参数：频率给定、开度给定；c人工失灵区：空载为0，负载可以设置0.5Hz；d增减开度给定。2功率调节模式：（1）条件：负载运行时，有功率调节指令。（2）运行：a调节规律：PI；b给定参数：功率给定；c功率死区：05%PN。3功率给定信号：在功率调节时，功率给定为数字量，由上位机通过通讯口下送。6.3 开机、停机规律1开机规律：1）基本开机特性：模型参考闭环开机规律a在开机过程中，调速器始终处在闭环控制之中。b其频率给定值由参考模型给定，它是一条期望的机组转速上升过程线，实际的机组转速跟踪这一期望特性而逐步升高。c与开环开机规律相比，此种开机规律启动快速，又不过速。d此开机规律无需设置开机顶点，任何有效水头都可快速开机并网发电。 2）模型参考闭环开机规律与开环开机规律的比较：开环开机规律（请见开环开机过程图）实质上是对开度进行开环控制，因而需要具有空载开度的资料，而该资料往往不够精确，这也就使开机规律不够理想。开环开机规律的开机顶点难于确定，其受控于水头的变化，需要知道不同水头下的空载开度。模型参考闭环开机规律（请见模型参考闭环开机规律图）有效地克