基于PLC系统的干式负载箱平滑加载技术研究

基于 PLC系统的干式负载箱平滑加载技术研究

李成鑫 孙海明 李飒

沈阳发动机研究所，辽宁 沈阳 110015

摘要：负载箱平滑加载是干式负载箱系统作为负载加载的重要考核指标。本文介绍了通过负载的连续调节算法、控制系统硬件设计、档位接触器分合闸算法、控制系统的通讯保证，四个方面实现了干式负载箱的平滑加载。通过试验验证表明，负载箱各档位组合协调性好，满足燃机试车动态性要求。

关键字：PLC；IRT；干式负载箱

1 引言

舰船综合电力推进系统由于具有很高的经济性、机动性及可靠性等优势，已成为未来舰船动力的发展方向之一^[1]。由于航改燃气轮机因其具有质量轻、体积小等特点，由航改燃气轮机作为在船舶综合电力推进系统中的原动机成为未来发展方向^[2-3]。电负载测试系统有便于模拟燃气轮机上舰实际应用环境，加减载便捷等优点^[4]，有了越来越多的应用。

电负载的工作原理是，不同功率的阻性负载通过接触器并联在发电机输出回路中。所以要求在多个档位组合的过程中，分合闸动作时间是同时的，否则将在轴系上出现对燃机造成扰动，造成燃机控制算法中上下行判断出现反复，无法满足燃机测试要求。

2 负载箱系统情况

某套电负载系统共有5台负载箱，负载箱按功率等级可分为2700kW、5000kW两种规格负载箱，总容量20400kW。其中，额定功率2700kW负载箱共2台，各分11个档位，档位额定功率分别为10kW、20kW、20kW、50kW、100kW、100kW、200kW、200kW、500kW、500kW、1000kW；额定功率5000kW负载箱共3台，各分5个档位，档位额定功率分别为1000kW、1000kW、1000kW、1000kW、1000kW。

3负载平滑加载技术实现

3.1负载的连续调节算法

按照图1的负载箱功率分配逻辑，将燃机需消耗的总功率分解成为每台负载箱分配加载功率。

图1 负载箱功率分配逻辑框图

图中，P_总为燃机需要消耗的功率；P_主为主控负载箱设定加载功率；P_负为功率负载箱设定加载总功率；P_负1为1#负载箱设定加载功率；P_负2为2#负载箱加载设定功率；P_负3为3#负载箱加载设定功率；P_可1为1#负载箱可加载功率；P_可2为2#负载箱可加载功率；P_可3为3#负载箱可加载功率。

在负载箱各档的组合算法主要借鉴了“逐渐递增相加比较的算法”，将各负载箱内的档位按照功率大小排序，再按照功率大小依次比较。使用该算法可以快速达到任意功率值，而且复杂度低，效率高。

3.2 控制系统硬件设计

在本控制系统设计中，采用西门子S7-1500系列PLC作为控制系统硬件。各负载箱内使用PROFINET IO接口模块使用网线 与CPU相连，系统采用链形网络拓扑的分布式自动化系统，减少了系统中电缆的使用量，增加系统的可靠性。将CPU独立配置成柜，布置在恒温低压间内，远程IO接口及模块分别布置在室外各个负载箱内。CPU及相应模块选用常温型，远程IO接口及模块选用宽温型，以适用于-25℃～45℃的室外环境，提高了系统的可靠性和经济性。

3.3档位接触器分合闸算法

高压真空接触器的灭弧原理是主触头的动作在真空灭弧室中进行。开断时每相接触器灭弧室内的动、静触头快速分离。在触头分离过程中高温产生的金属蒸汽，当电弧在电流第一次过零时熄灭。电流过零后，金属蒸汽快速复合或凝聚，将在断口产生高的介电强度以耐受不断升高的恢复电压，完成电流分断。可见高压真空接触器的实际分闸时间与其接受到分闸指令和电流过零点的关系有关。

为实现不同功率档位接触器在同一时刻完成分闸灭弧与合闸动作，保证在功率组合过程中不出现功率波动，需要掌握以下时间：1、各档位接触器合闸时间T_合；2、各档位接触器分闸时间T_分；3、各档位实际接受指令与电流过零时的时间间隔T灭。

通过各档位出厂测试报告中的分合闸时间可以准确获得各档位T_合以及T_分。通过光耦过零检测电路检测发电机输出二次侧电压过零时触发高电平脉冲与档位实际接受指令的时间间隔为T_灭。经过对比所有负载档位的分合闸时间，发现各接触器的合闸时间均大于分闸时间。

经过图2档位接触器分合闸算法计算出各档位的合闸延时时间与分闸延时时间，确保各档位接触器在合闸时间最长的档位合闸时刻完成全部对应动作，实现接触器动作匹配。

图2 合分闸同步算法逻辑框图

3.4 控制系统的通讯保证

利用PROFINET IRT等时模式，可以有效协调PLC内部数据传输、循环的时间在相同时基下。过程输入数据在提前一定的时间Ti内准备好，在系统运行程序后，过程输出数据也可以在设定的时间同步输出^[5-7]。

在实际应用中，将有过零检测信号处理需求的4#和5#主控负载箱与CPU的PN连接。通过CPU支持过程影响分区的功能，配置IRT等时模式，设置CPU1516作为同步主站，4#和5#IO站作为同步从站，以CPU的时钟为基准进行同步。对过零检测信号以1ms的循环时间在过程映像输入区和过程映像输出区高速刷新

^[8]。从而实现对过零检测回路输出进行高速采集，精确求得T灭的功能。

4试验验证

本套电负载系统已投入使用超过一年的时间，已配合某型燃机完成超过1000小时试车。经过长时间的试验验证，证明该电负载系统运行稳定可靠，满足燃机试车要求。

图3为某次试验中，负载功率随时间的变化规律（参数的采集周期为20ms）。从图中可以看出，电负载功率在加载的过程中，各档位接触器之间分合闸动作协调良好，功率变化平稳无突变。并且由于本套负载系统功率变化间隔时间短、加载步长小，使得加载性能接近无级连续的特性，满足燃机在调试阶段的测试要求。

图3 负载功率随时间的变化规律

6结论

本套电负载系统采用利用创新的负载箱档位组合算法，档位匹配具有良好的一致性，接近无极调节特性，实现负载系统平滑加载，满足燃机各种测试要求，在未来燃气轮机试验中有着广阔的应用空间。

参考文献

[1] 马伟明. 船舶动力发展的方向 - 综合电力系统[J].上海海运学院学报,2004,25（1）：1-10.

[2] 孔庆毅. 船舶燃气轮机发电系统平稳技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2011.

[3] 陈玉洁. 新型航改燃气轮机技术在地面发电中的应用[J]. 燃气涡轮试验与研究,2012,25(S0)：52-54.

[4] 梁淼. 基于干式负载的船舶发电机组测试系统研究[D].广州：华南理工大学,2013.

[5] 王爱鹏. 基于PROFINET IRT等时模式的快速响应[J]. 中国仪器仪表,2013(S1):94-96.

[6] 梁永新. 基于PROFINET的电气设备IRT等实时控制研究[J]. 电气传动自动化,2018,40(5):15-16.

[7] 李程. 基于PROFINET协议的现场总线设备研究[D].青岛：青岛科技大学,2011.

[8] 周洁琼, 王立德. 基于PROFINET IRT的列车通信网络调度算法[J]. 北京交通大学学报,2016,40(3):7-13.