如何用PLC设计水电机组的机械稳定监测系统
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水轮发电机的机械稳定对电力系统安全、机组效率及寿命至关重要。在机组设计、制造、安装、运行等各中间环节中存在着各种不确定因素，导致机组在实际运行中经常发生机械故障。
三峡大学科技学院机械电气学部、国网谷城县供电公司的研究人员张昌胜、谢美珊、李妍、王雅婕、蒋小辉，在2020年第1期《电气技术》杂志上撰文（论文标题为“基于可编程逻辑控制器的水电机组机械稳定监测系统设计”），基于可编程逻辑控制器对水电机组状态信号进行采集、分析和处理，采用上下位机模式对机组实时监测，使运行维护人员及时了解机组的运行状态，以保证水电厂的安全可靠运行。
随着电网规模及能源增长，对水电技术的发展提出更高的安全性和稳定性要求。水电机组长期运行中容易产生过大的振动和摆度，导致机组的机架、轴系出现不可逆转的机械损伤，甚至导致机组发生安全事故。运行稳定性问题在大、中型水轮发电机组中均不同程度地存在。
水轮发电机属于旋转设备，转子在运行过程中出现的振动和摆动是因其固有的机械特征。如果在生产过程中及时发现水轮机振动和摆动过限，就能及时预警和纠正，防止可能出现的安全事故，减小对生产和工作影响，这对整个电力系统的稳定运行意义重大。
1 水轮机振动
水轮机机组在正常工作过程中会受到机械、水力和电磁3种力作用的影响，产生3种振动。机械振动是转子轴线没有与基准面保持垂直、转动部件的动静态不平衡等原因造成的，引起的是周期性振动，主要表现在主轴轴线不正而引起的机械振动。
水力振动是由于流道设计不合理、过流部件表面粗糙及机组运行偏离设计工况等原因，使流场中出现不良涡流引起的周期性振动，这些运动包括了二次流振动和空化空蚀振动等。在机组运转过程中，产生的电磁振动有两种类型，即转频或者极频。
电磁振动的原因主要是水轮机组在运转过程中产生的，在机组转子高速运行时引起机组振动。在水轮机进行正常运转的过程中，水轮机中产生的各种振动相互之间会产生影响。而且，这3种振动在相同水力下也会表现出不同的振动情况，对水轮机产生的影响也各不相同。
2 水轮机组特征信号采集及处理
2.1 水轮机组振动及摆度信号采集
在水轮发电机运行过程中，由于水轮机系统的复杂程度较高，需要保证水轮机运转过程的稳定性，所以在水轮机运转过程稳定性的研究中，首先需要采集到足够的特征信号。大型水轮发电机组机械稳定的特征信号包括机组振动、主轴摆动值、抬机量、机组键相、进出口压力、压差、轴心轨迹等。
工程上将机组固定部件在平衡位置的摆动称为振动，反映机组稳定性的振动特征量有：①上机架的X轴和Y轴水平振动、垂直振动；②定子机座两个轴上的径向运动和轴向运动；③端盖上的水平运动和铁心上的径向运动和切向运动。
工程上对水轮机组的运动过程有规定的称谓，一般将机组在平衡位置的摆动叫做摆度，它主要是用来反映机组在X轴和Y轴的特征量。抬机量是指在运行过程中机组沿主轴竖直方向的上下移动。水力压力脉动容易使水轮机振动加剧，为此需监测尾水进出口压力和蜗壳压差来反映蜗壳内水流流动。
目前，在机组监测中传感器的运用范围较广，主要是针对机械振动中加速度和振动的监测。对于主轴的监测，一般采用的是电涡流和电容式的传感器。合理的布置数据采集点是采集特征信号的关键，一方面应保证数据的有效性，另一方面要避免数据冗余。
2.2 信号处理
由于水电机组是一个集成机械和电气特性的复杂系统，且机组空间中存在着强烈的电磁场耦合现象，在通过传感器采集的信号中往往含有各种干扰，因此对采集到的信号进行滤波意义重大。本文在上位机中基于Matlab采用二阶高斯滤波对采集振动及摆度信号进行滤波。
通常要求水电机组在额定工况下运行，各状态量所采集的信号接近周期性函数，并且具有比较固定的频率。对这些采集的信号进行傅里叶变换（fast Fourier transform, FFT），可以分析出频谱图，从而获得关于机组稳定性的重要信息。
利用Matlab中的“DFT”函数，可对采集到的振动信号、摆度信号进行傅里叶分析，将离散的信号绘制成频谱图，从而获得引起该信号的主频及振动幅值。通过采用消除和限制主频频率、减小主频信号的幅值等方法，来改善振动和摆度，有利于提高水电机组的机械稳定性，对水电机组的安全稳定运行具有重要意义。
3 监测系统设计
3.1 传感器选型和布置
在水轮发电机组中共装置8个传感器，监测振动和摆度信号的传感器各有4个，其中：①将监测振动的4个传感器分别装设在上机架的两侧，采集上机架水平方向振动的数据为X向和Y向，采集上机架垂直方向振动的数据为X向和Y向；②将监测摆度的4个传感器装设在上导和水导附近，采集上导轴承摆度的数据为X向和Y向，采集水导轴承摆度的数据为X向和Y向。传感器布置如图1所示。
图1 传感器布置图
3.2 系统硬件搭建
在本监测系统的设计中，将硬件搭建分为3层。第1层为传感器，作用是采集数据。第2层为可编程控制器（programmable logic controller, PLC），PLC没有模拟量处理功能，添加EM231I和EM231II两个模拟量采集模块的作用是采集模拟量。
将传感器采集的振动值通过模拟量采集模块送入PLC，PLC再将数据转换成工程值送入第3层。第3层为基站，由主机MIN、可以编程的工程师站、只能读取数据的操作员站组成，在本设计中不考虑广域网。由于PLC没有储存器，所以需要将数据通过现场总线（profibus）传送到基站中，基站再按照主机、工程师站、操作员站的顺序读取数据。
图2 监控系统硬件系统图
4 程序设计
使用软件Step-Microwin在PLC/S7-315C中写入用户程序，能够实现模拟量和数字量之间的转换。在本设计中，将传感器测量采集的数据分别送入PLC中，PLC再将采集到信号进行工程值转换，并上传至主机中，在主机中对信号进行滤波及快速傅里叶换算，获得机组振动及摆度特征参数，对该特征参数及工程值进行保存以供历史查询，同时将特征参数显示在工程师站及操作员站中。若PLC发现振动及摆度的监测数值过限，则输出报警，并将报警信息上传至主机中。该系统流程如图3所示。
图3 系统流程图
5 结论
本文针对大型水电机组运行中振动和摆度过大引起的稳定性问题，提出基于PLC的3层监控系统，底层传感器采集信号上传至PLC中，PLC对信号进行工程值转换及过限报警，PLC将工程值通信至上位机层，上位机对信号进行滤波及快速傅里叶分析，保存并显示。
整个系统能够实现对水电机组振动、摆度等信号的实时监测，使运行和维护人员及时了解机组的运行状态，以保证水电厂的安全可靠运行。