可編程控制器（PLC）在水電廠中的應用

1概況

　　龔嘴水力發(fā)電總廠位于四川省境內(nèi)的大渡河上,目前由龔嘴和銅街子兩個電站構(gòu)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房,上廠房為壩后式明廠房,裝機容量4×100MW, 下廠房為洞內(nèi)式廠房,裝機容量3×100MW;銅街子電站位于龔嘴電站下游約33km,也為壩后式明廠房。龔嘴水力發(fā)電總廠基地位于樂山市沙灣區(qū),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)電總廠被國家電力公司列為第二批無人值班試點單位。為實現(xiàn)“無人值班(少人值守)”,龔嘴水力發(fā)電總廠從1996年開始全面對龔、銅兩站進行綜合自動化改造,改造后兩電站實現(xiàn)在沙灣梯調(diào)中心控制龔、銅兩站,全計算機監(jiān)控。

　　2可編程控制器簡介

　　可編程控制器(簡稱PLC)在工業(yè)控制領域應用已有相當長的歷史,現(xiàn)已發(fā)展成為一項非常成熟的工控技術,它具有邏輯定序、定時、計數(shù)、運算、控制、信號及報警、保護、遠動和遠傳等多種功能,其靈活性、可靠性、易編程、易調(diào)節(jié)等優(yōu)點已廣泛得到承認,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。目前,我國市場上的PLC產(chǎn)品種類繁多。我廠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、線圈驅(qū)動指令、空操作、線圈接通保持指令、線圈接通清除指令、運算記憶、記憶讀出及復位和程序結(jié)束等基本指令。

　　2.2步進順控指令

　　STL(繼電器階梯圖或步進階梯圖)是一種擺脫具體的機械動作易于理解的表達圖。使用者即使不進行復雜的程序設計,也能極其簡單地對程序控制器進行編程。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(qū)動電路與轉(zhuǎn)移條件電路的特點。流程的形式有單流程、選擇性分支與匯合流程、跳轉(zhuǎn)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(shù)處理K/H,定時器T,計數(shù)器C,數(shù)據(jù)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、算術和邏輯運算指令、循環(huán)與移位、數(shù)據(jù)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)、時鐘、標志、步進順控、禁止中斷、出錯檢測、高速表、功能擴展、脈沖捕捉、替代功能、內(nèi)部增/減計數(shù)器和高速計數(shù)器。

　　2.6編程語言

　　PLC應用技術的主要內(nèi)容之一是編寫應用程序,而梯形圖語言則是使用得最多的一種編程語言。PLC梯形圖是由傳統(tǒng)的電氣控制電路原理圖演變來的,所以容易被廣大技術人員接受和掌握。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(jié)構(gòu)形式相同,都是展開電路原理圖,傳統(tǒng)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編程時則稱為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(nèi)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)觸點的可用數(shù)量不同。硬件繼電器中的動作觸點數(shù)量只是那么有限的幾對;而軟繼電器的觸點數(shù)量是無限的,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數(shù)量,僅考慮各元件之間的動作順序,適當設置相互制約條件LC梯形圖是順序掃描工作方式,沒有并行支路同時動作問題,但要求考慮正確的動作步序,盡量減少程序步數(shù)。 PLC梯形圖編寫時主要采用橫畫法,主要用等效電路和能流方向表示,編寫中注意接點的排列順序、線圈的排列順序、線圈右側(cè)不允許串有接點以及接點的排列要符合能流規(guī)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(shù)～數(shù)百μ
　　指令數(shù):基本指令20個、步進指令2個、應用指令228個;
　　輸入繼電器:154點X0～X267;
　　輸出繼電器:84點Y0～Y267;
　　輔助繼點器:M0～M8255;
　　狀態(tài)繼電器:S0～S999;
　　定時器:T0～T255;
　　計數(shù)器:C0～C199;
　　數(shù)據(jù)寄存器:D0～D7999。

　　3可編程控制器的應用

　　我廠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)電總廠在綜合自動化改造時,一方面采用先進的計算機監(jiān)控系統(tǒng),用動作靈敏、可靠性高、性能穩(wěn)定的自動化元件代替原有的可靠性差、測值不準的自動化元件。另一方面用PLC代替原有的水車自動盤、機組油壓裝置控制盤以及空壓機、集水井控制盤等。利用PLC,既能夠自成系統(tǒng)獨立對相應設備進行監(jiān)測控制,又能方便地與計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換,具有測值準確、故障率低、運行穩(wěn)定等優(yōu)點,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(jiān)控系統(tǒng)對其相應設備進行干預控制。

　　3.1配置與功能

　　3.1.1空壓機控制系統(tǒng)

　　(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:空氣開關、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、電子流量開關、溫度開關。

　　(2)功能:

　　系統(tǒng)的測控核心為PLC,它負責所有信息的處理。所有監(jiān)測開關量送入PLC輸入口,變送器將測得的氣壓電信號送入PLC專用A/D轉(zhuǎn)換模塊進行數(shù)據(jù)處理。PLC按照預置程序完成對空壓機系統(tǒng)的自動測量控制,實現(xiàn)空壓機的自動啟停、供水閥和壓力氣罐排污閥的自動控制。系統(tǒng)能記錄各臺空壓機的累計運行次數(shù)、累計運行時間。

　　3.1.2壓油裝置控制系統(tǒng)

　　(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、壓力開關。

　　(2)功能:

　　整套裝置完成對壓油裝置的自動控制,實現(xiàn)對油泵的自動啟停及自動補氣,維持壓力和油位在正常的工作范圍內(nèi);自動運行時“工作”和“備用”泵自動循環(huán),輪流擔任,當“工作”泵故障時,“備用”泵自動頂替。系統(tǒng)依據(jù)連續(xù)精確測量的油位和補氣油位設定值,控制電磁補氣閥組進行自動補氣,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,發(fā)出相應的故障信號。

　　3.1.3集水井控制系統(tǒng)

　　(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:軟起動器、空氣開關;

　　控制元件:液位變送器、浮子開關、電磁閥(常開式)、熱導式流量開關;

　　(2)功能:

　　PLC作為系統(tǒng)的測控核心,首先將液位變送器和浮子開關測得的水位信號進行自檢和互檢等數(shù)據(jù)處理。PLC按照預置程序,執(zhí)行對水泵電機的啟?？刂?維持集水井中的水位正常并自動完成水泵電機的“工作——備用”狀態(tài)切換。當水位達到備用水位及高水位時,發(fā)出相應信號。系統(tǒng)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關輪換擔任“主態(tài)”工作狀態(tài),運行中其中一個擔任“主態(tài)”出現(xiàn)故障時另一個自動頂替其運行;液位變送器和浮子開關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(tǒng)

　　(1)配置:

　　FX2-80MT可編程控制器、4A/D模塊、溫度變送器、溫度開關、流量開關、壓差變送器、電動閥。

　　(2)功能:

　　PLC根據(jù)主變負荷和3只溫度開關與1只溫度傳感器送來的4個設定溫度值,進行冷卻器的啟動和停止控制與溫度升高的予警和報警;對風冷式變壓器冷卻器實現(xiàn)對油泵和冷卻器的自動啟停,維持主變油溫在正常的工作范圍內(nèi);對水冷式變壓器冷卻器實現(xiàn)冷卻器的自動啟停,并能對冷卻器淤堵進行報警,能自動對冷卻器冷卻水進行正反向倒換。其運行方式除了按主變油溫自動調(diào)節(jié)外,還自動執(zhí)行定時逐臺循環(huán)切換。當冷卻器在運行中出現(xiàn)故障,測控裝置還能自動進行“工作”“備用”狀態(tài)的切換;同時,將報警信號上送給電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

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

　　3.1.5大壩溢洪門控制系統(tǒng)

　　(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置:

　　該系統(tǒng)的構(gòu)成為每個溢洪門由一套PLC控制,5套溢洪門的PLC連成PLC網(wǎng)和大壩LCU-PLC相連;操作控制既可在現(xiàn)地控制單元PLC的面板上進行操作,也可在閘門LCU-PLC上進行操作。現(xiàn)地PLC組成為:A-LC-5可編程控制器、電源、面板、通信轉(zhuǎn)換器1770-KF3、繼電器、電磁閥、壓力開關、位移傳感器、空氣開關、軟起動控制器等。

　　(2)功能:

　　(a)數(shù)據(jù)采集運行監(jiān)視

　　大壩LCU和現(xiàn)地PLC均可采集并監(jiān)測顯示各壓力、油位、閘門開度、自動化元件動作情況等,對油泵的運行狀態(tài)、閘門位置等進行監(jiān)視,出現(xiàn)故障或異常時報警。壓力傳感器輸出值直接接進PLC,由PLC輸出各上限和下限控制接點。

　　(b)閘門控制

　　大壩LCU和現(xiàn)地PLC可獨立執(zhí)行確定的任務,PLC即使在脫離大壩LCU時仍能通過操作面板實現(xiàn)閘門的控制及顯示,運行人員通過現(xiàn)地PLC控制面板上的觸摸按鈕進行閘門的開度設置,工作、備用泵切換,閘門的起升、下降、停止的控制;可完成對弧門水封系統(tǒng)的水潤滑裝置自動控制。閘門的下沉回升通過PLC 實現(xiàn)。當閘門處于任意設定位置時,由于漏油等原因發(fā)生下滑并超過200mm時,啟動工作泵,閘門上升到原位置。若工作泵故障,繼續(xù)下滑到250mm時,備用泵啟動,閘門上升到原位置。若備用泵出現(xiàn)故障,繼續(xù)下滑到300mm時,發(fā)報警信號。自動運行時,工作泵、備用泵自動循環(huán),輪流擔任,當工作泵故障時備用泵自動頂替工作。

　　(c)現(xiàn)場PLC模擬量、開關量與大壩LCU共同享用,以確保兩套系統(tǒng)自動平穩(wěn)切換?，F(xiàn)地單元PLC故障時能自動平穩(wěn)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,現(xiàn)地PLC能自動投入到獨立工作狀態(tài)。

　　(d)保護功能

　　溢洪閘門PLC監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和運行情況確定閘門的運行是否正常,如發(fā)生電氣或機械方面異常,可根據(jù)不同情況保護動作,以避免設備的損壞、溢流門PLC控制電源由兩段電源供電,且能自動切換。

　　(e)通訊功能

　　溢洪閘門PLC可作為計算機監(jiān)控系統(tǒng)的一部分,可獨立運行也可由計算機監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一管理。

　　3.2應用情況

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

　　從以上投運的PLC裝置的實際運行情況看,PLC裝置運行安全、可靠、穩(wěn)定;采用以可編程控制器為核心及高可靠的外圍自動化元件組成的自動測控系統(tǒng),徹底改變了傳統(tǒng)的測控方式,它取代了傳統(tǒng)的調(diào)整困難、容易疲勞受損的接點壓力表計、機械式壓力繼電器,這種全新的系統(tǒng)測控模式自動化程度高、運行可靠、功能齊全,具備完善的自動控制、保護及信息傳遞功能,能可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)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(shù)據(jù)顯示功能為檢查和分析設備的運行情況提供依據(jù),從而提高了綜合管理水平。

　4結(jié)束語

　　龔嘴水力發(fā)電總廠從1996年開始進行綜合自動化改造工作,其目的是為實現(xiàn)水電站“無人值班、少人值守”,而原有輔機控制很難滿足 “無人值班、少人值守”的要求。在輔機及公用設備控制系統(tǒng)改造中,我廠選用PLC控制而沒有采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地LCU進行控制有以下幾點原因:

　　(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(jiān)視的工況自動控制啟停,如果這些輔助設備控制全部由計算機監(jiān)控系統(tǒng)來完成,勢必要求機組LCU在停機狀態(tài)時也不能退出檢修,這時,對LCU的可靠性和可用率提出了不切實際的要求,在技術上和經(jīng)濟上都是不可取的。目前,隨著新技術的發(fā)展,已采用PLC實現(xiàn)控制以提高可靠性。當計算機監(jiān)控系統(tǒng)暫時不可能與機組同步投運,或者監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)暫時故障而短時退出時,為保證機組的運行安全,除少數(shù)的輔助設備(與機組運行同時工作的如技術供水系統(tǒng)、主軸密封水等)可由機組LCU實現(xiàn)自動控制外,其它輔助設備宜分別設置專門的自動裝置。

　　(2)水電廠的公用設備主要包括高、低壓氣系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等,這些設備安裝位置分散,相互獨立、自成系統(tǒng),只需靠各自的自動化元件,按其監(jiān)視狀態(tài)和給定的運行方式獨立進行控制,自動控制的邏輯比較簡單。為滿足調(diào)試與運行管理的需要,一般都分別設制現(xiàn)地控制屏,如果將這些分散設備的自動控制都集中到計算機監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)編程與調(diào)試的難度,使得自動控制難以實現(xiàn)。

　　(3)PLC操作簡單、維護方便,PLC編程語言標準化,步進階梯圖易懂。

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