IPC型微机调速器电气柜原理.doc

HGS-E222型调速器微机调节器原理使用说明书 K1020HGS型调速器微机调节器原理使用说明书目 次 1 概述 2 主要功能与特点 3 主要参数 4 系统硬件配置及软件结构 5 系统调节原理 6 操作与显示 7 维护与检修 8 注意事项 附录A：HGS-E222(I8000PAC)型微机调速器通讯协议及交换信息HGS-E222型调速器微机调节器原理使用说明书1 概述 本调节器为水轮机电液调速器的两个重要组成部分之一，完成调速系统的主要控制规律与操作保护功能，同机械液压随动系统配合，控制水轮发电机组的频率及有功功率，实现机组的开机、停机、并网、发电等功能；并可与电站监控系统通讯，接受监控系统的控制。该电气柜以可编程自动控制器(PAC)为硬件核心，采用双微机通道冗余控制结构，并配以液晶触摸屏做为操作显示接口，具有良好的全中文图形人机界面和在线帮助系统，操作简单方便。电气柜为模块化的硬件结构，易于维护、维修，可靠性高。2 主要功能和特点2.1 主要功能2.1.1 调节控制功能(1) 能保证常规水轮机发电机组迅速地开机、停机、并网及增减负荷；稳定运行于机组自动空载、并网带负荷、调频等工况。(2) 通过液晶触摸屏简洁清晰的全中文图形界面，实时显示机组当前工况和状态，以及机组的频率、有功功率、导叶开度和轮叶开度；允许通过菜单设置实时修改空载运行参数、负载运行参数、人工失灵区和发电工况的调节模式。(3) 调节规律采用变参数PID调节, 有三种调节模式:转速（频率）调节模式、功率调节模式、开度调节模式。它可根据机组的运行工况自动或手动修改。(4) 实时采集水头信号，自动按水头修正空载开度和空载调节控制参数和不良工况限制区，并有效克服水头波动。(5) 通过在线帮助的中文字幕可提供简单的操作方法及注意事项，以便用户掌握正确的使用方法.(6) 实时显示多种调速系统故障信息并报警,以方便检修人员进行检修及更换相应的部件。(7) 拥有在线仿真及调速器性能测试功能，可用于调速器系统离线或在线性能测试；如测试调速器静特性的转速死区、非线性度等静态指标及空载摆动、甩负荷的超调量及调节时间等动态指标，能以表格和曲线的形式自动显示和记录试验结果，并评价动态过程的数据，方便电站调试。(8) 具有一至多个RS422/RS485串行口，可方便地与上位监控系统组成现地工业网络，接受上位机控制。2.1.2 容错及故障保护功能(1) 调速器采用两套完全相同的微机系统构成(A、B)，互为备用，当其中一套微机系统出现故障时，该系统所有输出将断开，另一子系统上相应输出闭合。如果故障子系统原为在线系统，则系统无扰动切到备用子系统；如果故障发生在备用子系统，则该子系统只需退出备用，而两套系统同时故障时可切换到手动运行。(2) 系统供电电源分为内电源和外电源，内电源给数字电路供电，外电源给模拟电路供电，模拟地与数字地分开。并且开关信号，模拟信号的输入、输出均设置了隔离电路。这样不仅避免了数字回路与模拟回路间的电源干扰，又大大地减少了外界干扰的窜入。(3) 信号输入通道采用冗余法，对于关系到系统安全运行的重要信号量均采用双信号源、双输入回路，如两路机频测量通道，互为备用。当某一路信号存在故障时，由相应的软件处理模块将失效支路的软件开关断开，接通另一正常支路。这样能有效保证机组在各种情况下稳定运行。(4)当机组电压互感器(TV)和转速信号发生器(SSG)同时故障时，切至手动状态，保证当前的运行位置。(5) 当导叶反馈传感器故障时，切至手动状态，保证接力器当前的运行位置。(6)装置由厂用AC220V交流电源/DC220V直流电源供给控制回路工作，当厂用交流电源故障时，直流电源自动投入，以保证调速器的正常工作。(7) 自动判断伺服比例阀是否故障，以采取相应保护措施，保证系统安全运行。(8) 水头信号的失效不会产生负荷的冲击，可以从触摸屏输入“人工水头”进行需要的调节。(9) 可以准确诊断机组频率、电网频率、反馈回路、开关量输入、A/D通道、D/A通道等多种故障，如果故障是瞬时的可以自动恢复，如果是永久故障将显示故障类型和首发时间。(10) 每块插件均采用专业厂家的标准化高性能产品。2.2特点(1) 可靠性高、抗干扰力强。(2) 功能强大。不仅拥有常规调速器的各种调节功能，还具有多种故障检测功能以及调速器静、动态试验功能。并可对水力发电调速系统进行仿真，模拟机组频率、功率变化，方便调试和人员培训。(3) 操作简单、调试方便。采用液晶触摸屏显示器，编制精美的汉化图形界面，清晰准确地显示机组当前运行工况，运行参数，人机界面友好，使整个操作一目了然，并具有在线帮助功能，全部操作均比常规调速器简单。(4) 检修维护方便。具有模块化的组合式硬件结构，多种状态、信息显示及故障报警，有利于运行人员查找故障点。(5) 软件编制采用C及C+语言编制，并采用模块化结构，便于维护和扩充升级。(6) 能方便地与上位机交换信息，便于电厂综合自动化控制。3 主要参数3.1 频率给定范围：45HZ55Hz3.2 开度及功率给定范围：0100% (120%)3.3 永态转差系数范围：010% 3.4 人工死失灵区范围：00.5HZ 3.5 PID参数整定范围： 比例增益 Kp：0.520 积分增益 Ki：0.0510 1/s 微分增益 Kd：05 s3.6 静特性近似直线，转速死区：ix 0.04%3.7 轮叶协联装置不准确度ia 1.5%3.8 接力器不动时间：Tq 0.2 s3.9 供电电源 交流电源：220VAC 20%、50Hz单相 直流电源：220VDC 3.10 柜体尺寸：长宽高=8006002200mm4 系统硬件配置及软件结构4.1 主控制器-I-8411主控制器(I-8411)具有四个I/O扩展槽，它包括一个主控制单元和一系列标准通讯口以及一个I/O总线，它的尺寸大小为 230x110x75.5mm。主控制器(I-8411)处理器特性如下：CPU ：AMD 80188， SRAM：512K bytes, Flash Memory：512K bytes，内置看门狗定时器和实时时钟等。4.2 模拟量数据采集卡-I-8017H模拟量数据采集卡(I-8017H)为带有8个隔离模拟量输入模块，它的分辨率为14位，为差分输入。模拟量输入范围为10V, 5V, 2.5V, 1.25V。输入阻抗为10M，隔离电压为3000VDC。4.3 模拟量输出卡-I-8024模拟量输出卡(I-8024)为带有4个隔离模拟量输出模块，它的分辨率为12位，模拟量输出范围为10V。隔离电压为3000VDC。4.4 开关量输入输出板-I-8054开关量输入输出板(I-8054) 为带有16个隔离数字输入/输出模块。具有8个数字输入通道，它的逻辑低位电平最大值为+1V，它的逻辑高位电平值为+3.5V30V。具有8个数字输出通道。4.5 信号调理模块：采用标准隔离型模拟信号输入/输出调理模块，适用于工业运行环境，以工业标准DIN-Rail方式安装。可接受10mV、50mV、0.5V、2.5V、5v、10v的双极性电压输入或010mV、0100mV、01V、05V、010V的单极性电压输入或20mA的双极性电流输入及020mA的单极性电流输入信号；可选择5V的双极性电压输出，或0-10V的单极性电压输出；并可利用选择开关在现场进行设定，使得在系统规划上保留最大的弹性。该模块可提供1000VDC的隔离功能。其光隔离技术比传统的变压器拥有更高的抗电磁干扰能力，且功率消耗较低。4.6 智能测频模块：一路机组电压互感器（TV）信号、一路转速信号发生器(SSG) 信号和一路电网TV信号直接输入测频模块，经信号隔离变压器后送入整形电路，由单片微处理器测出机组频率和电网频率后经RS232通讯接口输入工控机。TV信号幅值范围为0.3V180V，线性频率范围为1090Hz，测频分辨率小于0.001Hz。测频模块采用高质量、低功耗的大规模集成电路构成，并采用通道冗余结构确保了测频模块的高可靠性。4.7 接力器位移传感器：采用高性能、高可靠的直线位移传感器。其供电电源为24VDC，输出为420mA电流信号，分辨率为25mm，非线性0.02%F.S.(全行程)，重复误差0.001%F.S.。4.8 比例阀功放板：采用BOSCH公司与其比例阀配套的功率放大板，供电电源为24VDC，输入信号为10V。4.9 应用软件：应用软件的开发采用具有良好模块化结构的C及C+程序设计语言，在BorlandC+3.1集成开发平台上编制而成。应用软件按程序任务可分为以下几个相对独立的模块： 人机界面及管理软件； 调节控制及故障处理软件； 通讯软件； 调速器性能测试软件； 性能测试结果打印输出软件。5 系统调节原理 微机调节器采用并联PID调节规律。当油开关闭合或油开关断开但网频fw故障时，频差为频率给定fg与机组频率fj之差；当油开关断开且网频fw正常时，频差为电网频率fw与机组频率fj之差再加上一固定频率差，以使机组频率略高于电网频率，便于机组快速并网。该调速器具有三种调节模式：转速（频率）调节模式：频率死区切除，采用PID调节；功率调节模式(并网且功率测量正常)：频率死区投入，采用PI调节；开度调节模式(并网后)：频率死区投入，采用PI调节。 在空载工况下只有频率调节模式，而在负载工况下则具有频率、功率和开度三种调节模式，可人为设定为任何一种调节模式。当处于功率调节模式时，如果功率测量故障，则自动切换到开度调节模式；在功率和开度调节模式时，如果机组频率与额定频率之差超过一定范围，则自动切换到频率调节模式。各种调节模式间的切换由于设有状态跟踪，故均为无扰切换。对不同调节模式设有不同的PID调节参数。5.1 开机特性5.1.1 基本开机特性 调速器接到开机指令后，将导叶开启至第一开机开度，等待一定时间后，轮叶由起动位置慢慢关回，并开始检查机组频率，如果机组频率大于45Hz，则将导叶关闭至第二开机开度，调速器即由开机工况转入空载工况，进行PID调节。如果在开机过程中接到停机指令，则转入停机工况。5.1.2 开机特性与水头关系 开机过程中的第一开机开度、第二开机开度和轮叶起动位置均与水头有关，调速器中保存有空载开度与水头的关系曲线、轮叶起动位置与水头的关系曲线，可根据实测或运行人员输入的水头值，调速器自动计算出对应水头的第一开机开度、第二开机开度值和轮叶起动位置。5.2 停机特性 调速器接到停机指令后，导叶即由当前开度，以第一停机速度将导叶关闭；当导叶关闭至一定开度时，即以第二停机速度将导叶关闭至全关位置，等待一段时间后，再将轮叶自动开至起动位置，如果手动停机，则需手动将轮叶开至起动位置。5.2 轮叶数字协联 在微机调速器中预置了几条协联曲线，每条曲线按水头大小，从小到大逐条排到数据区内，这样就可以根据当前水头值和当前导叶值查出并计算出当前轮叶的开度。当导叶处在自动工况，轮叶处在自动协联状态，当导叶切手动工况或轮叶切手动工况，协联关系被打破，轮叶处于一固定位置运行。6 操作与显示 该微机调速器电气柜各种操作控制通过液晶触摸屏实现。 触摸屏显示器上长期固定显示的参数有： 机组当前运行工况，如停机、空载、发电； 死区投入/切除及手动/自动运行状态指示； 当前调节模式，如频率调节、开度调节、功率调节； 给定指示； 机组频率、开度、功率值的模拟指针式指示与数字显示； 当前运行主机； 微机A与微机B故障指示，表示当前微机A与微机B是否有故障发生，但其所指示的某些故障并不影响微机的正常运行； 上、下游水位及净水头显示。 多数操作结果通过一弹出窗口进行显示，如各种参数的修改、系统详细的故障查询、模拟量及开关量输入结果显示、调节器控制输出显示等。7 维护与检修7.1 一般性检查 为了保证调速器安全运行，运行操作人员应经常对调速器进行以下几方面的监视与检查。 柜体前门上微机A、微机B正常工作指示灯是否正常（正常时点亮）； 测频模块上发光二极管“TXD”是否闪烁（正常时闪烁）； 平板显示器上微机A、微机B是否有故障指示。若有故障指示，则可通过“状态查询”菜单下的“故障信息”子菜单，查找详细的故障原因，进而排除故障。7.2 常见故障类型及故障排除类型可能原因纠正方法测频故障通讯线或信号线断开模块绿色发光二极管不闪烁正确接线模块CPU损坏，更换模块导叶反馈故障导叶位置反馈信号线断开导叶位置传感器电源消失导叶位置反馈信号调理模块损坏检查反馈信号线更换相应电源保险管更换相应信号调理模块导叶主阀反馈故障主阀位置反馈信号线断开主阀位置传感器电源故障主阀位置反馈信号调理模块损坏检查反馈信号线更换电源模块更换相应信号调理模块功率反馈故障功率反馈信号线断线功率传感器故障正确接线更换功率传感器网络通讯故障网络通讯线断开网络通讯板故障正确接线更换相应网络通讯板卡轮叶反馈故障轮叶位置反馈信号线断开轮叶位置传感器电源消失轮叶位置反馈信号调理模块损坏检查反馈信号线更换相应电源保险管更换相应信号调理模块轮叶主阀反馈故障主阀位置反馈信号线断开主阀位置传感器电源故障主阀位置反馈信号调理模块损坏检查反馈信号线更换电源模块更换相应信号调理模块 备注：在表中只列出了几种故障类型的可能故障原因和排除故障的一般方法，有的故障得结合实际情况综合考虑。8 注意事项8.1 保存条件 本装置在安装前应置于-5+40的温度范围内保存，相对湿度不大于90%，室内无酸、碱、盐及腐蚀性、爆炸性气体，不受灰尘，雪雨等侵害。8.2 在安装使用前，应先仔细阅读本说明书及有关图纸及技术资料，并参考相关操作规程。8.3 电气柜安调试应按制造厂提供的安装调试说明书进行操作，如无特殊情况，不宜变动柜体内部的接线及部件。8.4 除正常检修外，应关闭好电气柜柜门，避免灰尘等有害物质侵入柜体，影响电气回路正常工作。8.5 电气柜应定期进行清理及维护，以保证设备处于良好的工作状态。附录A：HGS-E222(I8000PAC)型微机调速器通讯协议及交换信息 1. 调速器通讯协议采用Modbus协议，其物理通讯接口为：RS485。有关Modbus协议参数及交换数据地址定义如下：通讯协议：MODBUS-RTU Slave 调速器站址(Slave Station No.)：1 传送/接收波特率(Baud Rate)：9600bps数据格式：起始位 1、数据位 8、停止位 1、无校验 2. 调速器与电站监控系统LCU交换的信息及名称见下表：13东方电机控制设备有限公司序号数据名称数据类型功能码数据地址传输方向1导叶开度测量值 (10=1%)16位二进制无符号整数0x030x0003LCU GOV2轮叶开度测量值 (10=1%)0x030x0004LCU GOV3有功功率测量值 (10=1MW)0x030x0005LCU GOV4机组水头测量值 (10=1m)0x030x0006LCU GOV5调速器状态信息 (见注1)0x030x0007LCU GOV6调速器故障信息A0 (见注2)0x030x0008LCU GOV7调速器故障信息A1 (见注3)0x030x0009LCU GOV8调速器故障信息B0 (见注2)0x030x000ALCU GOV9调速器故障信息B1 (见注3)0x030x000BLCU GOV*注1. 调速器故障信息由16位二进制整数表示，各位定义如下：Bit 15备用Bit 7运行工况：012 不确定状态、停机等待、开机1、开机2、空载、发电、甩负荷、停机、紧急停机、调相、调相转发电、发电转调相、调相停机Bit 14人工水头模式Bit 6Bit 13电网频率跟踪投入Bit 5Bit 12操作模式为现地Bit 4Bit 11频率死区投入Bit 3备用Bit 10备用Bit 2调节模式：1-4 频率调节、开度调节、功率调节、电手动运行Bit 9导叶自动模式Bit 1Bit 81：A为主机，0：B主机Bit 0序号数据名称数据类型功能码数据地址传输方向1导叶开度测量值 (10=1%)16位二进制无符号整数0x030x0003LCU GOV2轮叶开度测量值 (10=1%)0x030x0004LCU GOV3有功功率测量值 (10=1MW)0x030x0005LCU GOV4机组水头测量值 (10=1m)0x030x0006LCU GOV5调速器状态信息 (见注1)0x030x0007LCU GOV6调速器故障信息A0 (见注2)0x030x000