可編程控制器（PLC）在水電廠(chǎng)中的應用

1概況

　　龔嘴水力發(fā)電總廠(chǎng)位于四川省境內的大渡河上,目前由龔嘴和銅街子兩個(gè)電站構成梯級水力發(fā)電,其中龔嘴電站裝機容量 7×100MW,銅街子電站裝機容量4×150MW,總裝機容量1300MW。龔嘴水電站分為上下廠(chǎng)房,上廠(chǎng)房為壩后式明廠(chǎng)房,裝機容量4×100MW, 下廠(chǎng)房為洞內式廠(chǎng)房,裝機容量3×100MW;銅街子電站位于龔嘴電站下游約33km,也為壩后式明廠(chǎng)房。龔嘴水力發(fā)電總廠(chǎng)基地位于樂(lè )山市沙灣區,距離龔嘴電站約37km,距離銅街子電站約32km。

　　1995年,龔嘴水力發(fā)電總廠(chǎng)被國家電力公司列為第二批無(wú)人值班試點(diǎn)單位。為實(shí)現“無(wú)人值班(少人值守)”,龔嘴水力發(fā)電總廠(chǎng)從1996年開(kāi)始全面對龔、銅兩站進(jìn)行綜合自動(dòng)化改造,改造后兩電站實(shí)現在沙灣梯調中心控制龔、銅兩站,全計算機監控。

　　2可編程控制器簡(jiǎn)介

　　可編程控制器(簡(jiǎn)稱(chēng)PLC)在工業(yè)控制領(lǐng)域應用已有相當長(cháng)的歷史,現已發(fā)展成為一項非常成熟的工控技術(shù),它具有邏輯定序、定時(shí)、計數、運算、控制、信號及報警、保護、遠動(dòng)和遠傳等多種功能,其靈活性、可靠性、易編程、易調節等優(yōu)點(diǎn)已廣泛得到承認,在火電、水電、變電站和化工、冶金、機械等各行各業(yè)中已大量應用了PLC技術(shù)。目前,我國市場(chǎng)上的PLC產(chǎn)品種類(lèi)繁多。我廠(chǎng)選用最多的是三菱電機可編程控制器(FX系列)。下面以三菱電機可編程控制器(FX系列)為例,簡(jiǎn)要介紹這種PLC基本組成及性能:

　　2.1基本邏輯指令

　　基本邏輯指令包括運算開(kāi)始、串聯(lián)連接、并聯(lián)連接、電路塊串聯(lián)連接、電路塊并聯(lián)連接、線(xiàn)圈驅動(dòng)指令、空操作、線(xiàn)圈接通保持指令、線(xiàn)圈接通清除指令、運算記憶、記憶讀出及復位和程序結束等基本指令。

　　2.2步進(jìn)順控指令

　　STL(繼電器階梯圖或步進(jìn)階梯圖)是一種擺脫具體的機械動(dòng)作易于理解的表達圖。使用者即使不進(jìn)行復雜的程序設計,也能極其簡(jiǎn)單地對程序控制器進(jìn)行編程。STL圖完全以繼電器階梯圖的形式表示,具有綜合表達負載驅動(dòng)電路與轉移條件電路的特點(diǎn)。流程的形式有單流程、選擇性分支與匯合流程、跳轉流程、并行分支與匯合流程、中間狀態(tài)STL、初始狀態(tài)STL和運行模式的選擇控制。

　　2.3軟元件功能

　　組成有輸入、輸出繼電器XY,輔助繼電器M,狀態(tài)元件S,指針P/I,常數處理K/H,定時(shí)器T,計數器C,數據寄存器D,變址寄存器Z/V。

　　2.4應用指令

　　應用指令包括程序流程、傳送和比較指令、算術(shù)和邏輯運算指令、循環(huán)與移位、數據處理、高速處理、方便指令、外部I/O設備和外部模塊。

　　2.5特殊軟元件

　　PC狀態(tài)、時(shí)鐘、標志、步進(jìn)順控、禁止中斷、出錯檢測、高速表、功能擴展、脈沖捕捉、替代功能、內部增/減計數器和高速計數器。

　　2.6編程語(yǔ)言

　　PLC應用技術(shù)的主要內容之一是編寫(xiě)應用程序,而梯形圖語(yǔ)言則是使用得最多的一種編程語(yǔ)言。PLC梯形圖是由傳統的電氣控制電路原理圖演變來(lái)的,所以容易被廣大技術(shù)人員接受和掌握。梯形圖和電氣控制電路原理圖的主要相同之處是:(1)圖形結構形式相同,都是展開(kāi)電路原理圖,傳統的電氣控制電路原理圖可以看成是繼電器梯形圖;而用于PLC編程時(shí)則稱(chēng)為PLC梯形圖。(2)繼電器梯形圖中使用的是各種控制電器的圖形符號LC梯形圖中則使用PLC內部資源-編程元件的等效電路符號。(3)信號輸入、輸出形式及控制功能相同,都是將輸入信號經(jīng)過(guò)電路的邏輯運算后輸出,完成一定的控制功能。兩者的主要不同之處是: (1)工作方式不同。繼電器梯形圖是各支路上同時(shí)加上電源的并行工作方式LC梯形圖是順序掃描的串行工作方式。(2)觸點(diǎn)的可用數量不同。硬件繼電器中的動(dòng)作觸點(diǎn)數量只是那么有限的幾對;而軟繼電器的觸點(diǎn)數量是無(wú)限的,可以任意次使用。(3)編程方式不同。在繼電器梯形圖中是用繼電器有限的觸點(diǎn)數量,僅考慮各元件之間的動(dòng)作順序,適當設置相互制約條件LC梯形圖是順序掃描工作方式,沒(méi)有并行支路同時(shí)動(dòng)作問(wèn)題,但要求考慮正確的動(dòng)作步序,盡量減少程序步數。 PLC梯形圖編寫(xiě)時(shí)主要采用橫畫(huà)法,主要用等效電路和能流方向表示,編寫(xiě)中注意接點(diǎn)的排列順序、線(xiàn)圈的排列順序、線(xiàn)圈右側不允許串有接點(diǎn)以及接點(diǎn)的排列要符合能流規則等。
　　
　　2.7三菱可編程控制器(FX系列)的基本性能

　　運算控制方式:存儲程序、反復運算方式;
　　輸入輸出控制方式:批處理方式;
　　運算處理速度:基本指令0.48μs/指令;應用指令數～數百μ
　　指令數:基本指令20個(gè)、步進(jìn)指令2個(gè)、應用指令228個(gè);
　　輸入繼電器:154點(diǎn)X0～X267;
　　輸出繼電器:84點(diǎn)Y0～Y267;
　　輔助繼點(diǎn)器:M0～M8255;
　　狀態(tài)繼電器:S0～S999;
　　定時(shí)器:T0～T255;
　　計數器:C0～C199;
　　數據寄存器:D0～D7999。

　　3可編程控制器的應用

　　我廠(chǎng)使用最多的可編程控制器是日本三菱公司生產(chǎn)的電機可編程控制器(FX系列)和美國A-B公司生產(chǎn)的SLC-5LC。龔嘴水力發(fā)電總廠(chǎng)在綜合自動(dòng)化改造時(shí),一方面采用先進(jìn)的計算機監控系統,用動(dòng)作靈敏、可靠性高、性能穩定的自動(dòng)化元件代替原有的可靠性差、測值不準的自動(dòng)化元件。另一方面用PLC代替原有的水車(chē)自動(dòng)盤(pán)、機組油壓裝置控制盤(pán)以及空壓機、集水井控制盤(pán)等。利用PLC,既能夠自成系統獨立對相應設備進(jìn)行監測控制,又能方便地與計算機監控系統進(jìn)行數據交換,具有測值準確、故障率低、運行穩定等優(yōu)點(diǎn),使其在一般情況下能夠獨立運行,只在PLC發(fā)生故障的情況下,才由計算機監控系統對其相應設備進(jìn)行干預控制。

　　3.1配置與功能

　　3.1.1空壓機控制系統

　　(1)配置:

　　三菱可編程控器FX2-80T、4A/D模塊、電源、繼電器等。

　　電機控制及保護:空氣開(kāi)關(guān)、接觸器、熱保護元件(帶缺相保護)。

　　測控元件:壓力變送器、電磁閥、電子流量開(kāi)關(guān)、溫度開(kāi)關(guān)。

　　(2)功能:

　　系統的測控核心為PLC,它負責所有信息的處理。所有監測開(kāi)關(guān)量送入PLC輸入口,變送器將測得的氣壓電信號送入PLC專(zhuān)用A/D轉換模塊進(jìn)行數據處理。PLC按照預置程序完成對空壓機系統的自動(dòng)測量控制,實(shí)現空壓機的自動(dòng)啟停、供水閥和壓力氣罐排污閥的自動(dòng)控制。系統能記錄各臺空壓機的累計運行次數、累計運行時(shí)間。

　　3.1.2壓油裝置控制系統

　　(1)配置:

　　三菱可編程控制器FX2-80T、SGK交流固態(tài)電機控制器、壓力變送器、壓差變送器、液位變送器、組合補氣閥B302、壓力開(kāi)關(guān)。

　　(2)功能:

　　整套裝置完成對壓油裝置的自動(dòng)控制,實(shí)現對油泵的自動(dòng)啟停及自動(dòng)補氣,維持壓力和油位在正常的工作范圍內;自動(dòng)運行時(shí)“工作”和“備用”泵自動(dòng)循環(huán),輪流擔任,當“工作”泵故障時(shí),“備用”泵自動(dòng)頂替。系統依據連續精確測量的油位和補氣油位設定值,控制電磁補氣閥組進(jìn)行自動(dòng)補氣,至正常油位后停止補氣, 并在壓油罐油位及回油箱油位異常時(shí),發(fā)出相應的故障信號。

　　3.1.3集水井控制系統

　　(1)配置:

　　三菱可編程控器FX2-80T、4A/D模塊、電源、繼電器等。

　　電機控制:軟起動(dòng)器、空氣開(kāi)關(guān);

　　控制元件:液位變送器、浮子開(kāi)關(guān)、電磁閥(常開(kāi)式)、熱導式流量開(kāi)關(guān);

　　(2)功能:

　　PLC作為系統的測控核心,首先將液位變送器和浮子開(kāi)關(guān)測得的水位信號進(jìn)行自檢和互檢等數據處理。PLC按照預置程序,執行對水泵電機的啟?？刂?維持集水井中的水位正常并自動(dòng)完成水泵電機的“工作——備用”狀態(tài)切換。當水位達到備用水位及高水位時(shí),發(fā)出相應信號。系統采用不同測量原理的兩種水位測量控制信號,液位變送器和浮子開(kāi)關(guān)輪換擔任“主態(tài)”工作狀態(tài),運行中其中一個(gè)擔任“主態(tài)”出現故障時(shí)另一個(gè)自動(dòng)頂替其運行;液位變送器和浮子開(kāi)關(guān)組成的控制測量模式具互檢功能。

　　3.1.4變壓器冷卻器控制系統

　　(1)配置:

　　FX2-80MT可編程控制器、4A/D模塊、溫度變送器、溫度開(kāi)關(guān)、流量開(kāi)關(guān)、壓差變送器、電動(dòng)閥。

　　(2)功能:

　　PLC根據主變負荷和3只溫度開(kāi)關(guān)與1只溫度傳感器送來(lái)的4個(gè)設定溫度值,進(jìn)行冷卻器的啟動(dòng)和停止控制與溫度升高的予警和報警;對風(fēng)冷式變壓器冷卻器實(shí)現對油泵和冷卻器的自動(dòng)啟停,維持主變油溫在正常的工作范圍內;對水冷式變壓器冷卻器實(shí)現冷卻器的自動(dòng)啟停,并能對冷卻器淤堵進(jìn)行報警,能自動(dòng)對冷卻器冷卻水進(jìn)行正反向倒換。其運行方式除了按主變油溫自動(dòng)調節外,還自動(dòng)執行定時(shí)逐臺循環(huán)切換。當冷卻器在運行中出現故障,測控裝置還能自動(dòng)進(jìn)行“工作”“備用”狀態(tài)的切換;同時(shí),將報警信號上送給電站計算機監控系統。

　　系統為了保證主變冷卻器的事故停運動(dòng)作可靠,對于3只溫度開(kāi)關(guān)與1只溫度傳感器的動(dòng)作正確與否,測控裝置除了進(jìn)行自檢與互檢外,還要進(jìn)行兩者之間的三選二關(guān)聯(lián)動(dòng)作(即:兩只溫度開(kāi)關(guān)與1只溫度傳感器在事故溫度時(shí),必須有兩個(gè)以上的輸出量達到事故溫度設定值),裝置才會(huì )送出跳閘信號,否則不會(huì )動(dòng)作。

　　3.1.5大壩溢洪門(mén)控制系統

　　(1)系統結構及配置:

　　該系統的構成為每個(gè)溢洪門(mén)由一套PLC控制,5套溢洪門(mén)的PLC連成PLC網(wǎng)和大壩LCU-PLC相連;操作控制既可在現地控制單元PLC的面板上進(jìn)行操作,也可在閘門(mén)LCU-PLC上進(jìn)行操作?，F地PLC組成為:A-LC-5可編程控制器、電源、面板、通信轉換器1770-KF3、繼電器、電磁閥、壓力開(kāi)關(guān)、位移傳感器、空氣開(kāi)關(guān)、軟起動(dòng)控制器等。

　　(2)功能:

　　(a)數據采集運行監視

　　大壩LCU和現地PLC均可采集并監測顯示各壓力、油位、閘門(mén)開(kāi)度、自動(dòng)化元件動(dòng)作情況等,對油泵的運行狀態(tài)、閘門(mén)位置等進(jìn)行監視,出現故障或異常時(shí)報警。壓力傳感器輸出值直接接進(jìn)PLC,由PLC輸出各上限和下限控制接點(diǎn)。

　　(b)閘門(mén)控制

　　大壩LCU和現地PLC可獨立執行確定的任務(wù),PLC即使在脫離大壩LCU時(shí)仍能通過(guò)操作面板實(shí)現閘門(mén)的控制及顯示,運行人員通過(guò)現地PLC控制面板上的觸摸按鈕進(jìn)行閘門(mén)的開(kāi)度設置,工作、備用泵切換,閘門(mén)的起升、下降、停止的控制;可完成對弧門(mén)水封系統的水潤滑裝置自動(dòng)控制。閘門(mén)的下沉回升通過(guò)PLC 實(shí)現。當閘門(mén)處于任意設定位置時(shí),由于漏油等原因發(fā)生下滑并超過(guò)200mm時(shí),啟動(dòng)工作泵,閘門(mén)上升到原位置。若工作泵故障,繼續下滑到250mm時(shí),備用泵啟動(dòng),閘門(mén)上升到原位置。若備用泵出現故障,繼續下滑到300mm時(shí),發(fā)報警信號。自動(dòng)運行時(shí),工作泵、備用泵自動(dòng)循環(huán),輪流擔任,當工作泵故障時(shí)備用泵自動(dòng)頂替工作。

　　(c)現場(chǎng)PLC模擬量、開(kāi)關(guān)量與大壩LCU共同享用,以確保兩套系統自動(dòng)平穩切換?，F地單元PLC故障時(shí)能自動(dòng)平穩切換到大壩LCU工作,并報出故障信號,但不影響其它PLC的正常工作;在大壩LCU故障時(shí),現地PLC能自動(dòng)投入到獨立工作狀態(tài)。

　　(d)保護功能

　　溢洪閘門(mén)PLC監控系統可以根據采集的數據和運行情況確定閘門(mén)的運行是否正常,如發(fā)生電氣或機械方面異常,可根據不同情況保護動(dòng)作,以避免設備的損壞、溢流門(mén)PLC控制電源由兩段電源供電,且能自動(dòng)切換。

　　(e)通訊功能

　　溢洪閘門(mén)PLC可作為計算機監控系統的一部分,可獨立運行也可由計算機監控系統統一管理。

　　3.2應用情況

　　為實(shí)現“無(wú)人值班、少人值守”,龔嘴水力發(fā)電總廠(chǎng)進(jìn)行了綜合自動(dòng)化改造,對龔嘴和銅站輔機及公用設備進(jìn)行了大量改造工作,在輔助設備控制系統改造中大量使用了PLC技術(shù),其中空壓機自動(dòng)測控系統在龔、銅兩站高壓、低壓氣機系統中使用了4套,機組壓油裝置自動(dòng)測控系統在銅站使用了4套、龔站使用了7套,滲漏排水自動(dòng)測控系統使用了9套,大壩溢洪門(mén)自動(dòng)測控系統1套,主變冷卻器5套。

　　從以上投運的PLC裝置的實(shí)際運行情況看,PLC裝置運行安全、可靠、穩定;采用以可編程控制器為核心及高可靠的外圍自動(dòng)化元件組成的自動(dòng)測控系統,徹底改變了傳統的測控方式,它取代了傳統的調整困難、容易疲勞受損的接點(diǎn)壓力表計、機械式壓力繼電器,這種全新的系統測控模式自動(dòng)化程度高、運行可靠、功能齊全,具備完善的自動(dòng)控制、保護及信息傳遞功能,能可靠地實(shí)現系統自身工作狀態(tài)的自檢,外圍設備故障狀況判斷,并具有較強的故障容錯功能。全面地數據顯示功能為檢查和分析設備的運行情況提供依據,從而提高了綜合管理水平。

　4結束語(yǔ)

　　龔嘴水力發(fā)電總廠(chǎng)從1996年開(kāi)始進(jìn)行綜合自動(dòng)化改造工作,其目的是為實(shí)現水電站“無(wú)人值班、少人值守”,而原有輔機控制很難滿(mǎn)足 “無(wú)人值班、少人值守”的要求。在輔機及公用設備控制系統改造中,我廠(chǎng)選用PLC控制而沒(méi)有采用計算機監控系統現地LCU進(jìn)行控制有以下幾點(diǎn)原因:

　　(1)水電站輔助設備(如壓油裝置、頂蓋排水泵等)即使在機組停機狀態(tài)下,也要按其監視的工況自動(dòng)控制啟停,如果這些輔助設備控制全部由計算機監控系統來(lái)完成,勢必要求機組LCU在停機狀態(tài)時(shí)也不能退出檢修,這時(shí),對LCU的可靠性和可用率提出了不切實(shí)際的要求,在技術(shù)上和經(jīng)濟上都是不可取的。目前,隨著(zhù)新技術(shù)的發(fā)展,已采用PLC實(shí)現控制以提高可靠性。當計算機監控系統暫時(shí)不可能與機組同步投運,或者監控系統出現暫時(shí)故障而短時(shí)退出時(shí),為保證機組的運行安全,除少數的輔助設備(與機組運行同時(shí)工作的如技術(shù)供水系統、主軸密封水等)可由機組LCU實(shí)現自動(dòng)控制外,其它輔助設備宜分別設置專(zhuān)門(mén)的自動(dòng)裝置。

　　(2)水電廠(chǎng)的公用設備主要包括高、低壓氣系統、排水系統等,這些設備安裝位置分散,相互獨立、自成系統,只需靠各自的自動(dòng)化元件,按其監視狀態(tài)和給定的運行方式獨立進(jìn)行控制,自動(dòng)控制的邏輯比較簡(jiǎn)單。為滿(mǎn)足調試與運行管理的需要,一般都分別設制現地控制屏,如果將這些分散設備的自動(dòng)控制都集中到計算機監控系統的公用LCU上則連接電纜增加很多,干擾難防,對公用LUC的可靠性要求太高,從而增加了計算機監控系統編程與調試的難度,使得自動(dòng)控制難以實(shí)現。

　　(3)PLC操作簡(jiǎn)單、維護方便,PLC編程語(yǔ)言標準化,步進(jìn)階梯圖易懂。

　　(4)從經(jīng)濟方面來(lái)講,PLC的價(jià)格較之相同測點(diǎn)數量的LCU模件的價(jià)格要低得多;在安全性方面, PLC由于具有上述能夠自成系統獨立對設備進(jìn)行可靠監測控制的特點(diǎn),即使計算機監控系統或其它各系統發(fā)生故障不能運行時(shí),也完全不會(huì )對該系統的正常工作造成影響。因此,采用以計算機監控為主再加上若干個(gè)PLC小系統(主要用作輔助設備及公用設備的監測控制) 組成整個(gè)電站的計算機監控系統的方式,無(wú)論從經(jīng)濟還是從安全的角度看,都是一種非常好的配置方法。