于獻(xiàn)榕，賴 銓，戴志偉，馬麗君，謝裕忠

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七0三研究所無錫分部 能源動(dòng)力技術(shù)事業(yè)部, 江蘇 無錫 214151)

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干式負(fù)載智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

于獻(xiàn)榕，賴 銓，戴志偉，馬麗君，謝裕忠

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七0三研究所無錫分部 能源動(dòng)力技術(shù)事業(yè)部, 江蘇 無錫 214151)

干式負(fù)載廣泛應(yīng)用于發(fā)電機(jī)組的性能測(cè)試與維護(hù)保養(yǎng)領(lǐng)域；為了提高其智能化水平，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于西門子S7-200 PLC的控制系統(tǒng)，其控制策略是先用窮舉法找出功率總和等于功率設(shè)定值的檔位組合，再根據(jù)干式負(fù)載的故障情況，從找出的檔位組合中剔除那些因?yàn)楣收隙鵁o法實(shí)現(xiàn)的檔位組合，最后按照“需要操作的檔位數(shù)量最少”、“優(yōu)先選擇動(dòng)作次數(shù)最少的檔位”這兩個(gè)指標(biāo)，從剩余的檔位組合中挑選出一個(gè)最優(yōu)值用于最終輸出，從而實(shí)現(xiàn)了降低操作人員的工作負(fù)擔(dān)、均衡接觸器的動(dòng)作次數(shù)和壽命、在突發(fā)故障時(shí)最大程度保證試驗(yàn)正常進(jìn)行的目的。

干式負(fù)載；智能控制系統(tǒng)；最優(yōu)控制；檔位；動(dòng)作次數(shù)；壽命

0 引言

干式負(fù)載[1-7]主要由接觸器、電阻器、散熱風(fēng)機(jī)等組成，通過電阻器的通電發(fā)熱來消耗發(fā)電機(jī)組的功率，是一種專為發(fā)電機(jī)組、UPS(不間斷電源)、電力傳輸設(shè)備等電源設(shè)備進(jìn)行出廠監(jiān)測(cè)、交接驗(yàn)收和維護(hù)保養(yǎng)的檢測(cè)設(shè)備。它的應(yīng)用可使被測(cè)設(shè)備工作在最接近真實(shí)工況的帶載條件下，從而充分檢測(cè)出設(shè)備的輸出性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和隱患，為新機(jī)組帶載能力的檢測(cè)和新發(fā)電工程的驗(yàn)收提供了科學(xué)依據(jù)。

干式負(fù)載調(diào)節(jié)功率的原理與找零相同：設(shè)置了若干種不同功率的檔位，每種檔位的數(shù)量不盡相同，比如：功率為P1的檔位一共有A1個(gè)，功率為P2的檔位一共有A2個(gè)，……，功率為Pn的檔位一共有An個(gè)；想要將功率設(shè)定為某個(gè)值時(shí)，就分別從不同檔位中選擇合適的若干個(gè)，使得這些檔位的功率總和等于設(shè)定值。

對(duì)于“如何選出功率總和等于設(shè)定值的檔位組合”這個(gè)問題，現(xiàn)有干式負(fù)載的解決辦法主要有兩個(gè)[8]，一是由操作人員自行決定選擇哪個(gè)檔位，二是預(yù)先保存功率設(shè)定值與檔位組合的對(duì)應(yīng)關(guān)系，比如1 000 kW閉合某幾個(gè)檔位、2 000 kW閉合另外幾個(gè)檔位等。這兩個(gè)方法都有其不足之處：如果由操作人員自行選擇檔位，則增加了操作人員的工作負(fù)擔(dān)、產(chǎn)品智能化程度不足；如果操作人員給出功率設(shè)定值后閉合預(yù)定的檔位，則難以對(duì)突發(fā)故障做出靈活響應(yīng)、最大程度保證試驗(yàn)的正常進(jìn)行。而且，這兩種方法都難以均衡接觸器的動(dòng)作次數(shù)和壽命，可能會(huì)導(dǎo)致某些接觸器過早損壞。針對(duì)這些不足之處，本文采用窮舉法和最優(yōu)控制算法設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)智能控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，S7-200 PLC對(duì)干式負(fù)載發(fā)出檔位、風(fēng)機(jī)接觸器的閉合/斷開指令，接收干式負(fù)載的檔位、風(fēng)機(jī)接觸器的反饋信號(hào)、空氣壓力開關(guān)信號(hào)和排氣溫度信號(hào)；電壓、電流互感器的信號(hào)輸入到電力儀表中，電力儀表檢測(cè)出電力參數(shù)后通過485串口傳輸給S7-200 PLC；監(jiān)控軟件安裝在遠(yuǎn)程PC上，通過以太網(wǎng)電纜接收S7-200 PLC的數(shù)據(jù)并下達(dá)操作指令。

圖1 控制系統(tǒng)示意圖

2 PLC軟件設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)的基本問題，是“找出功率總和等于設(shè)定值的檔位組合”。如前言所述，干式負(fù)載調(diào)節(jié)功率的原理與找零相同，因此可采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法或窮舉法解決?？紤]到干式負(fù)載的檔位數(shù)量有限，本文采用了窮舉法以減輕編程工作量。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的目標(biāo)是：當(dāng)出現(xiàn)接觸器不動(dòng)作、風(fēng)機(jī)不轉(zhuǎn)、排氣超溫等故障時(shí)，仍然能解決該基本問題；再進(jìn)一步的目標(biāo)是：如果同時(shí)有幾個(gè)檔位組合都能解決上述問題，就采用最優(yōu)控制算法挑選出一個(gè)檔位動(dòng)作最少的最優(yōu)值。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要分兩步走：1)實(shí)現(xiàn)對(duì)干式負(fù)載常見故障的自動(dòng)檢測(cè)；2)采用窮舉法和最優(yōu)控制算法，從無故障的檔位中選出滿足功率設(shè)定值并且動(dòng)作最少的檔位組合。

2.1 故障判斷邏輯

干式負(fù)載的常見故障主要有4種：風(fēng)機(jī)接觸器故障、檔位接觸器故障、排氣超溫故障、風(fēng)壓低故障。

2.1.1 風(fēng)機(jī)故障判斷邏輯

每次調(diào)節(jié)功率時(shí)，都先起動(dòng)風(fēng)機(jī)，直到本次功率調(diào)節(jié)所需的風(fēng)機(jī)都起動(dòng)完畢后再閉合檔位。這么做的原因是：如果先閉合檔位接觸器再起動(dòng)風(fēng)機(jī)，一旦發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)起動(dòng)失敗，只能切換檔位接觸器，該檔位接觸器會(huì)在非常短的時(shí)間內(nèi)先閉合再斷開，可能會(huì)被瞬間沖擊電流損壞。另外，每次斷開檔位時(shí)，都要等待3分鐘后再停止該風(fēng)道的風(fēng)機(jī)，目的是繼續(xù)冷卻電阻管、防止排氣溫度過高。

風(fēng)機(jī)故障的判斷分兩種情況:1)風(fēng)機(jī)起動(dòng)過程中的判斷;2)正常運(yùn)行過程中的判斷。功率調(diào)節(jié)過程的風(fēng)機(jī)故障判斷如圖2所示：如果有風(fēng)機(jī)起動(dòng)指令，就將指令輸出到接觸器，同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)2秒定時(shí)器，用于監(jiān)測(cè)接觸器的反饋。如果在2秒內(nèi)監(jiān)測(cè)到接觸器反饋為真，說明風(fēng)機(jī)起動(dòng)指令執(zhí)行成功，退出循環(huán)；如果沒有，就生成“風(fēng)機(jī)無法起動(dòng)”故障報(bào)警。正常運(yùn)行過程中的風(fēng)機(jī)故障判斷邏輯比較簡(jiǎn)單：如果風(fēng)機(jī)指令與接觸器反饋不符，就生成報(bào)警。

圖2 風(fēng)機(jī)故障判斷邏輯框圖

編程方法簡(jiǎn)述如下：如果檔位設(shè)置指令GearSet為真，就將風(fēng)機(jī)起動(dòng)指令FanSet置真，否則將FanSet置假并將延時(shí)停機(jī)定時(shí)器的啟動(dòng)標(biāo)志StartTimer_FanStop置真。

如果風(fēng)機(jī)起動(dòng)指令FanSet(常開)的正跳變?yōu)檎?，說明處于起動(dòng)過程，就同時(shí)置位輸出映像寄存器FanOn(控制接觸器的繼電器)和風(fēng)機(jī)起動(dòng)定時(shí)器的啟動(dòng)標(biāo)志StartTimer_FanOn；如果StartTimer_FanOn為真、接觸器反饋信號(hào)Fan_Feedback為假，就啟動(dòng)2秒定時(shí)器FanOpen_Timer；當(dāng)Fan_Feedback為真時(shí)，將StartTimer_FanOn置假；當(dāng)FanOpen_Timer為真時(shí)，如果FanSet與Fan_Feedback的值不同，就將報(bào)警信號(hào)FanOpen_Error置真、StartTimer_FanOn置假，否則將兩者都置假。

當(dāng)風(fēng)機(jī)起動(dòng)定時(shí)器的啟動(dòng)標(biāo)志StartTimer_FanOn為假時(shí)，說明處于正常運(yùn)行過程，如果FanSet為真、Fan_Feedback為假，就將報(bào)警信號(hào)FanOpen_Error置真；如果FanSet為假、Fan_Feedback為真，就將報(bào)警信號(hào)FanClose_Error置真。同時(shí)，開始執(zhí)行檔位操作流程。

對(duì)于風(fēng)機(jī)停止指令，處理流程與之相同。

如果延時(shí)停機(jī)定時(shí)器的啟動(dòng)標(biāo)志StartTimer_FanStop為真，就啟動(dòng)一個(gè)3分鐘定時(shí)器Timer_FanStop；如果Timer_FanStop為真，就將置位輸出寄存器FanOff置真、StartTimer_FanStop置假。

2.1.2 檔位故障判斷邏輯

檔位也是通過接觸器來閉合的，因此其故障判斷邏輯與2.1.1節(jié)相同。

2.1.3 超溫故障判斷邏輯

為了避免溫度波動(dòng)引起檔位切換，當(dāng)排氣溫度持續(xù)2秒后才生成故障報(bào)警，邏輯框圖如圖3所示。

圖3 超溫故障判斷邏輯

編程方法簡(jiǎn)述如下：如果排氣溫度超過報(bào)警設(shè)定值，就將定時(shí)器啟動(dòng)標(biāo)志StartTimer_TempAlarm置真，否則置假；如果StartTimer_TempAlarm為真，就啟動(dòng)2秒定時(shí)器Timer_TempAlarm；如果Timer_TempAlarm為真，就將報(bào)警信號(hào)TempAlarm置真、StartTimer_TempAlarm置假，否則將兩者都置假。

2.1.4 風(fēng)壓低故障判斷邏輯

干式負(fù)載的每個(gè)風(fēng)道都安裝了一個(gè)空氣壓力開關(guān)，風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)道中會(huì)形成風(fēng)壓，使得空氣壓力開關(guān)閉合。通過監(jiān)測(cè)空氣壓力開關(guān)的狀態(tài)就能知道風(fēng)機(jī)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

風(fēng)壓低故障判斷也有兩種情況，一是風(fēng)機(jī)起動(dòng)過程中的判斷，二是正常運(yùn)行過程中的判斷。其邏輯框圖如圖4所示：對(duì)于情況一，如果有風(fēng)機(jī)起動(dòng)指令，就啟動(dòng)一個(gè)2秒定時(shí)器，如果在2秒內(nèi)監(jiān)測(cè)到空氣壓力開關(guān)信號(hào)為真，說明風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，復(fù)位定時(shí)器并退出循環(huán)；如果沒有，就生成“風(fēng)道風(fēng)壓低”故障報(bào)警。如果定時(shí)器已復(fù)位，說明已處于情況二，如果風(fēng)機(jī)起動(dòng)指令為真并且空氣壓力開關(guān)信號(hào)為假，就啟動(dòng)一個(gè)2秒定時(shí)器，當(dāng)空氣壓力開關(guān)信號(hào)持續(xù)2秒為假時(shí)，才生成“風(fēng)道風(fēng)壓低”報(bào)警(這么做的原因是：空氣壓力開關(guān)進(jìn)口處的空氣處于紊流狀態(tài)，在周圍環(huán)境風(fēng)速的影響下，風(fēng)壓偶爾會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，使得信號(hào)瞬間跳動(dòng))。

編程方法簡(jiǎn)述如下：如果風(fēng)機(jī)起動(dòng)指令FanSet(常開)的正跳變?yōu)檎?，說明處于起動(dòng)過程，就將定時(shí)器1的啟動(dòng)標(biāo)志StartTimer1_PSwitch置真；如果StartTimer1_PSwitch為真，就啟動(dòng)2秒定時(shí)器PSwitch_Timer1；如果PSwitch(空氣壓力開關(guān)反饋信號(hào))為假，就將StartTimer1_PSwitch置假；如果PSwitch_Timer1為真、PSwitch為真、FanOpen_Error為假、FanSet為真，就將報(bào)警信號(hào)NoWind置真、StartTimer1_PSwitch置假。

當(dāng)StartTimer1_PSwitch為假時(shí)，說明處于正常運(yùn)行過程，如果PSwitch為假、FanOpen_Error為假、FanSet為真，就將定時(shí)器2的啟動(dòng)標(biāo)志StartTimer2_PSwitch置真；如果StartTimer2_PSwitch為真，就啟動(dòng)2秒定時(shí)器PSwitch_Timer2；如果PSwitch為假，就將StartTimer2_PSwitch置假；如果PSwitch_Timer2為真、PSwitch為真、FanOpen_Error為假、FanSet為真，就將報(bào)警信號(hào)NoWind置真、StartTimer2_PSwitch置假。

對(duì)于風(fēng)機(jī)停止指令，處理流程與之相同。

2.2 檔位選擇邏輯

檢測(cè)出干式負(fù)載的故障后，就可以采用最優(yōu)控制算法選擇滿足功率設(shè)定要求的無故障檔位了，方法如下：先采用窮舉法找出功率總和等于功率設(shè)定值的檔位組合，即從功率為的檔位中選出X1個(gè)(X1≤A1)，從功率為P2的檔位中選出X2個(gè)(X2≤A2)，……，從功率為的檔位中選出Xn個(gè)(Xn≤An)；再根據(jù)干式負(fù)載的故障情況，從找出的檔位組合中剔除那些因?yàn)楣收隙鵁o法實(shí)現(xiàn)的檔位組合；最后，按照“需要操作的檔位數(shù)量最少”、“優(yōu)先選擇動(dòng)作次數(shù)最少的檔位”這兩個(gè)指標(biāo)，從剩余的檔位組合中挑選出一個(gè)最優(yōu)值，用于最終輸出。其邏輯框圖如圖5所示。

圖4 風(fēng)壓低故障判斷邏輯框圖

圖5 檔位選擇邏輯框圖

3 PC軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境之一，已廣泛應(yīng)用于故障診斷、檢測(cè)測(cè)試、過程控制等領(lǐng)域。其通信技術(shù)非常強(qiáng)大，既可通過VISA庫(kù)和儀器驅(qū)動(dòng)程序直接讀取硬件數(shù)據(jù)[9]，也可通過OPC、DataSocket、Active等技術(shù)與其他設(shè)備交換數(shù)據(jù)。另外，通過DSC模塊(數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控模塊)可以很方便地實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與事件報(bào)警功能，大大減輕了編程負(fù)擔(dān)[10-12]。

圖6是采用LabVIEW開發(fā)的干式負(fù)載監(jiān)控軟件與西門子S7-200 PLC之間的通訊示意圖。PC通過西門子的PC Access軟件和OPC通訊協(xié)議，與S7-200 PLC實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)連接；干式負(fù)載監(jiān)控軟件通過LabVIEW的共享變量引擎與PC Access連接并交換數(shù)據(jù)，讀取到的數(shù)據(jù)通過DSC模塊存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并實(shí)現(xiàn)事件報(bào)警。

圖6 監(jiān)控軟件與PLC的通訊示意圖

圖7是干式負(fù)載監(jiān)控軟件的界面。該軟件具備完善的控制功能，既可以按數(shù)值設(shè)定功率，也可以按百分比設(shè)定功率；按百分比設(shè)定功率時(shí)，可以選擇不同的階躍百分比(5%、10%、20%、25%、50%)和超載百分比(0%、5%、10%、20%、25%、50%)，根據(jù)階躍百分比和超載百分比自動(dòng)算出該干式負(fù)載能夠完成的試驗(yàn)功率(比如，階躍百分比為25%、超載百分比為10%時(shí)，能夠完成的試驗(yàn)功率有：550 kW、1 100 kW、1 650 kW、2 200 kW、2 750 kW、3 300 kW、3 850 kW、4 400 kW)。

該軟件還能夠設(shè)定功率隨時(shí)間變化曲線，讓控制系統(tǒng)自動(dòng)完成整個(gè)試驗(yàn)，減輕了操作人員的工作負(fù)擔(dān)。

借助于DSC模塊，該軟件具備了完善的實(shí)時(shí)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、故障報(bào)警等功能。

圖7 干式負(fù)載監(jiān)控軟件界面

4 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于一臺(tái)檔位配置為1個(gè)25 kW、1個(gè)50 kW、2個(gè)100 kW、1個(gè)200 kW、10個(gè)400 kW的干式負(fù)載，設(shè)計(jì)了如下試驗(yàn)來驗(yàn)證前述軟件功能：最高功率設(shè)定為4 400 kW，按照1 000 kW(25%)、2 000 kW(50%)、3 000 kW(75%)、4 000 kW(100%)、4 400 kW(110%)、4 000 kW(100%)、3 000 kW(75%)、2 000 kW(50%)、1 000 kW(25%)的次序依次設(shè)定功率，并記錄所有檔位的閉合情況，如表1所示。按照“需要操作的檔位數(shù)量最少”的指標(biāo)，功率設(shè)定值為1 000 kW時(shí)，閉合的檔位組合應(yīng)該是200 kW+400 kW+400 kW，而不是100 kW+100 kW+400 kW+400 kW；功率設(shè)定值從1 000 kW變到2 000 kW時(shí)，應(yīng)該是在斷開200 kW的同時(shí)閉合3個(gè)400 kW，而不是繼續(xù)閉合2個(gè)100 kW和3個(gè)400 kW；當(dāng)功率設(shè)定值由大變小時(shí)，對(duì)于數(shù)量眾多的400 kW檔位，按照“優(yōu)先選擇動(dòng)作次數(shù)最少的檔位”的指標(biāo)，優(yōu)先斷開最早閉合的那些檔位；從2 000 kW變到1 000 kW時(shí)，按照“需要操作的檔位數(shù)量最少”的指標(biāo)，斷開的是200 kW而不是2個(gè)100 kW。

表1的試驗(yàn)結(jié)果與上述分析完全一致。由此可知本文所述的智能控制系統(tǒng)確實(shí)能夠減少和均衡接觸器的動(dòng)作次數(shù)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有干式負(fù)載控制系統(tǒng)的不足，提出了一套創(chuàng)新的智能控制方法，使得操作人員在調(diào)節(jié)功率時(shí)，只需給出功率設(shè)定值即可，無需考慮選擇哪個(gè)檔位，大大減輕了工作負(fù)擔(dān)；對(duì)于功率相同的檔位，其動(dòng)作次數(shù)是均衡的，避免了某些接觸器因動(dòng)作過于頻繁而過早達(dá)到使用壽命；試驗(yàn)過程中出現(xiàn)接觸器不動(dòng)作、風(fēng)機(jī)不轉(zhuǎn)、排氣超溫等故障時(shí)，能夠自動(dòng)斷開有故障的檔位并切換到無故障的檔位，從而最大程度保證試驗(yàn)的正常進(jìn)行。

表1 某次試驗(yàn)的功率與檔位的對(duì)照值

[1] 張松源. 一種新型高壓負(fù)載箱[P].中國(guó)專利：201210514133.1，2012-12-5.

[2] 張松源. 一種電源性能測(cè)試用大功率無級(jí)調(diào)節(jié)負(fù)載箱[P]. 中國(guó)專利：201310080974.0，2013-3-8.

[3] 王行文，黎志盈，吳 概. 一種智能型負(fù)載電阻箱[P].中國(guó)專利：201310302259.7，2013-7-18.

[4] 張進(jìn)濱，姚承勇. 儲(chǔ)能電站測(cè)試負(fù)載[P]. 中國(guó)專利：201410143774.X，2014-4-10.

[5] 陳 滿，彭 鵬，黃曉東,等. 大功率阻感負(fù)載[P]. 中國(guó)專利：201420174091.6，2014-4-10.

[6] 冉 軍，周 琪. 交流負(fù)載[P]. 中國(guó)專利：201420594419.X，2014-10-14.

[7] 李彥鋼. 大功率船用發(fā)電機(jī)組智能交流負(fù)載柜[P]. 中國(guó)專利：200920254321.9，2009-11-4.

[8] 張松源. 一種發(fā)電機(jī)組智能測(cè)試系統(tǒng)[P]. 中國(guó)專利：201320119846.8，2013-3-8.

[9] 蔣 薇，張曉波，賴青貴. 基于LabVIEW的儀器通信技術(shù)研究[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2013,21(4):1030-1032.

[10] 裴 鋒，楊正明，汪翠英. 基于LabVIEW DSC監(jiān)控軟件開發(fā)[J]. 儀器儀表用戶, 2005,12(5):97-98.

[11] 于獻(xiàn)榕，孟 東，曹丹丹，等. 基于LabVIEW+DSC的監(jiān)控軟件通用架構(gòu)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息， 2012,28(10):97-98.

[12] 欒美艷. 采用虛擬測(cè)控軟件LabVIEW實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的監(jiān)控功能[D].大連：大連交通大學(xué),2005.

Design and Implementation of Intelligent Control System of Electric Load Device

Yu Xianrong，Lai Quan, Dai Zhiwei, Ma Lijun, Xie Yuzhong

(Wuxi Division of No.703 Research Institute， CSIC, Wuxi 214151,China)

Electric load device is widely used in performance test and maintenance of electric generating set. In order to improve its intelligent level, we designed and implemented a control system based on Siemens S7-200 PLC, whose strategy is find out at first those combinations of gears that could make the sum of their powers equal to the set value of power, then eliminate from them the ones that unable to operate due to device failure, and finally pick out the optimal one according to two rules: the number of manipulated gears is the minimum and the action time of gear is the minimum. This intelligent control system could reduce the burden of operators, balance the action times and lives of contactors, and ensure the test going on as far as possible when device failure happens.

electric load device; intelligent control system; optimum control; gear; action time; life

2015-09-29；

2015-11-04。

于獻(xiàn)榕(1981-)，男，江蘇無錫人，碩士研究生，工程師，主要從事燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)與數(shù)學(xué)模型的研究以及能源動(dòng)力領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)方向的研究。

1671-4598(2016)03-0059-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.017

TP3

A