周靈桂

(安?？h河湖灌溉服務(wù)中心，江西 安福 343200)

0 引 言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，PLC(可編程控制器)在水電站自動(dòng)化控制中的應(yīng)用具有繼電設(shè)備少、接線簡(jiǎn)單、控制功能強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、使用與維護(hù)方便、編程簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展的特點(diǎn)，越來(lái)越受到小水電站自動(dòng)化設(shè)計(jì)人員的青睞，因而廣泛地應(yīng)用在水電站的自動(dòng)控制中。

PLC在水電站自動(dòng)化設(shè)計(jì)中主要實(shí)現(xiàn)的功能有：數(shù)據(jù)采集與處理功能(其中包括模擬量的采集、開(kāi)關(guān)量的接入與一些綜合量的采集)，控制與調(diào)節(jié)功能，控制操作安全功能，安全運(yùn)行監(jiān)視功能，數(shù)據(jù)通訊功能，運(yùn)行日志記錄與故障信息的存儲(chǔ)與查詢(xún)等自動(dòng)化功能。

1 概 述

江西省安福縣西江頭水電站是1座建于20世紀(jì)70年代的老電站，裝有630 kW+250 kW的2臺(tái)臥式混流式低壓(0.4 kV)發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)水頭27.5 m。機(jī)組的輔助設(shè)備不多，沒(méi)有復(fù)雜的油、氣、直流系統(tǒng)，電氣保護(hù)只采用常規(guī)的發(fā)電機(jī)過(guò)壓、過(guò)流、缺相、機(jī)組過(guò)速等常用的保護(hù)，勵(lì)磁系統(tǒng)采用可控硅勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)速器采用的是手電動(dòng)調(diào)速器，進(jìn)水閥采用的是手電動(dòng)蝴蝶閥，剎車(chē)采用氣動(dòng)剎車(chē)系統(tǒng)(電磁閥控制剎車(chē))。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本次改造設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)為：在PLC與觸摸屏配合控制下機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵自動(dòng)開(kāi)停機(jī)操作，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的常規(guī)保護(hù)；在故障時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警；事故情況下能夠緊急停機(jī)等功能。另外，在PLC與觸摸屏故障或關(guān)閉的情況下也能夠獨(dú)立正常運(yùn)行與開(kāi)停機(jī)操作。

3 自動(dòng)化設(shè)計(jì)分析

3.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

首先需要熟悉電站各電氣設(shè)備、水機(jī)設(shè)備的操作步驟、電氣原理以及保護(hù)要求等基礎(chǔ)資料，熟悉機(jī)組開(kāi)關(guān)機(jī)操作流程以及操作過(guò)程中的注意事項(xiàng)，理清設(shè)計(jì)思路，確保程序設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確與完整。

3.1.1 確定開(kāi)機(jī)流程

(1)開(kāi)機(jī)流程

①開(kāi)機(jī)前準(zhǔn)備：檢查機(jī)組無(wú)事故信號(hào)(如有事故信號(hào)，故障處理事復(fù)歸)、隔離刀閘確保在合位、斷路器在分位、勵(lì)磁開(kāi)關(guān)合位、剎車(chē)已經(jīng)解除、同期方式(自動(dòng)開(kāi)機(jī)在自動(dòng)位，手動(dòng)開(kāi)機(jī)時(shí)在手動(dòng)位)。

②開(kāi)啟蝴蝶閥至全開(kāi)位。

③緩慢開(kāi)啟導(dǎo)葉開(kāi)度(自動(dòng)開(kāi)機(jī)時(shí)根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速高低自動(dòng)點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié))。

④檢測(cè)機(jī)組轉(zhuǎn)速接近50 Hz時(shí)啟動(dòng)起勵(lì)回路，機(jī)端電壓達(dá)到自動(dòng)起勵(lì)電壓后起勵(lì)退出，然后自動(dòng)調(diào)整機(jī)組電壓、頻率與網(wǎng)電同步(手機(jī)時(shí)手動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁與導(dǎo)葉開(kāi)度)。

⑤機(jī)端電壓穩(wěn)定后啟動(dòng)斷路器貯能(一次點(diǎn)動(dòng))。

⑥在機(jī)組電壓、頻率與網(wǎng)電電壓、頻率接近時(shí)投入同期裝置電源，同期裝置監(jiān)測(cè)到滿(mǎn)足同期條件時(shí)給出合閘信號(hào)進(jìn)行斷路器合閘。

⑦關(guān)閉同期裝置電源，設(shè)定機(jī)組功率因數(shù)運(yùn)行模式(自動(dòng)時(shí)可以設(shè)置恒功率因數(shù)或恒勵(lì)磁電流，手動(dòng)時(shí)手動(dòng)調(diào)節(jié)恒勵(lì)磁電流)，然后逐步提高機(jī)組出力至發(fā)電運(yùn)行態(tài)。

(2)設(shè)置一鍵自動(dòng)開(kāi)機(jī)

啟動(dòng)一鍵開(kāi)機(jī)后自動(dòng)檢測(cè)開(kāi)機(jī)準(zhǔn)備條件，符合開(kāi)機(jī)條件后自動(dòng)按開(kāi)機(jī)流程開(kāi)機(jī)，執(zhí)行某項(xiàng)操作流程時(shí)如不符合執(zhí)行條件則停止操作流程并顯示不符合條件內(nèi)容。

(3)設(shè)置手動(dòng)開(kāi)機(jī)

開(kāi)機(jī)每一流程觸摸屏上都有操作按鈕，操作前自動(dòng)檢查每一流程的操作條件，設(shè)置不符合操作條件時(shí)拒絕操作限制。

3.1.2 確定停機(jī)流程

(1)正常關(guān)機(jī)流程

發(fā)電運(yùn)行態(tài)→導(dǎo)葉開(kāi)度關(guān)至0(同時(shí)調(diào)節(jié)功率因數(shù)至1)→斷路器分閘→滅磁→關(guān)閉蝴蝶閥→啟動(dòng)剎車(chē)→機(jī)組停機(jī)態(tài)。

(2)設(shè)置一鍵自動(dòng)關(guān)機(jī)

啟動(dòng)后自動(dòng)減負(fù)荷減無(wú)功，待有功為0、功率因數(shù)為1后分?jǐn)嗦菲鳌鷾绱拧P(guān)蝴蝶閥→啟動(dòng)剎車(chē)。

(3)設(shè)置手動(dòng)關(guān)機(jī)

手動(dòng)關(guān)導(dǎo)葉開(kāi)度減負(fù)荷至0同時(shí)減無(wú)功至功率因數(shù)為1→斷路器分閘→滅磁→關(guān)蝴蝶閥→剎車(chē)，觸摸屏上每一項(xiàng)操作都有相應(yīng)操作按鈕。

(4)設(shè)置緊急停機(jī)

在機(jī)組或電網(wǎng)故障發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)觸發(fā)緊急關(guān)機(jī)程序(控制屏上設(shè)置手動(dòng)緊急停機(jī)按鈕)。緊急關(guān)機(jī)程序是一套獨(dú)立的程序，能滿(mǎn)足最快的關(guān)機(jī)操作：立即跳斷路器，同時(shí)利用系統(tǒng)網(wǎng)電或發(fā)電機(jī)端電壓關(guān)閉導(dǎo)葉開(kāi)度、蝴蝶閥，然后啟動(dòng)剎車(chē)系統(tǒng)對(duì)機(jī)組剎車(chē)(各受控設(shè)備操作電源設(shè)置網(wǎng)電電源與本機(jī)電源自動(dòng)切換電路)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的30%時(shí)再自動(dòng)滅磁。

3.1.3 確定發(fā)電機(jī)保護(hù)方式

電氣保護(hù)可以采用微機(jī)發(fā)電機(jī)后備保護(hù)測(cè)控裝置的輸出接入PLC裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

水輪機(jī)軸瓦與發(fā)電機(jī)的溫度可以利用溫度巡檢儀的輸出信號(hào)接入PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警或事故停機(jī)。

3.1.4 確定PLC對(duì)模擬量數(shù)據(jù)的接入方式

機(jī)組運(yùn)行頻率、電壓、電流、相位等的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)可以采用帶RS485接口的多功能電力儀表的輸出數(shù)字信號(hào)接入PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1.5 接入水位信號(hào)

根據(jù)水位高低自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷功能，可以利用水位控制器輸出水位過(guò)高過(guò)低信號(hào)接入PLC來(lái)控制。

3.1.6 電動(dòng)設(shè)備操作電源設(shè)置網(wǎng)電電源與本機(jī)電源自動(dòng)切換電路

開(kāi)機(jī)前利用電網(wǎng)電源供電，發(fā)電機(jī)一旦建壓后立即切換為本機(jī)電源供電，原理圖如圖1所示。

3.2 確定自動(dòng)控制設(shè)計(jì)整體框架圖

確定自動(dòng)控制設(shè)計(jì)整體框架圖如圖2所示。

圖2 自動(dòng)控制設(shè)計(jì)整體框架圖

3.3 主要設(shè)備PLC與觸摸屏的選擇

3.3.1 確定 PLC控制器(設(shè)備位置信號(hào)、外部指令信號(hào)等)輸入回路

輸入回路是PLC進(jìn)一步控制各路設(shè)備操作的前提保障，是PLC的眼、耳、鼻。從這次設(shè)計(jì)的開(kāi)停機(jī)流程來(lái)看PLC需要輸入的信號(hào)有：

(1)斷路器與隔離開(kāi)關(guān)信號(hào)

(2)勵(lì)磁系統(tǒng)信號(hào)

(3)微機(jī)保護(hù)信號(hào)

(4)機(jī)組測(cè)控信號(hào)

(5)同期裝置信號(hào)

(6)水機(jī)回路信號(hào)

(7)水位信號(hào)

(8)蝴蝶閥位置信號(hào)

以上輸入回路信號(hào)需要24條，設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

圖3 輸入回路設(shè)計(jì)原理圖

3.3.2 確定PLC控制器輸出回路。

輸出回路是PLC控制各路設(shè)備操作、輸出各項(xiàng)功能的橋梁，是PLC的手腳。這次設(shè)計(jì)主要的設(shè)備控制信號(hào)有：

(1)斷路器操作回路

(2)勵(lì)磁系統(tǒng)操作回路(輸出到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器)

(3)故障報(bào)警回路

故障報(bào)警信號(hào)。

(4)蝴蝶閥控制回路

(5)水輪機(jī)操作回路

(6)機(jī)組剎車(chē)回路

以上輸出回路信號(hào)需要16條，設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

圖4 輸出回路設(shè)計(jì)原理圖

從以上可以看出，選擇PLC控制器時(shí)必須滿(mǎn)足至少24條信號(hào)輸入回路以及16條信號(hào)輸出回路，已轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的數(shù)據(jù)采用RS485接口傳遞數(shù)據(jù)。經(jīng)考慮配套輔設(shè)、擴(kuò)展性、成本、質(zhì)量、程序設(shè)計(jì)方便等方面因素，選用了西門(mén)子公司的S7—200SMART—226型號(hào)的PLC，配套觸摸屏采用威綸通MT6070iH。

3.4 PLC與觸摸屏程序設(shè)計(jì)

要充分考慮自動(dòng)控制的組態(tài)、I/O分配、控制要求、加密、操作權(quán)限、數(shù)據(jù)信息存貯與查詢(xún)以及開(kāi)機(jī)畫(huà)面、手動(dòng)畫(huà)面、自動(dòng)畫(huà)面、參數(shù)設(shè)置頁(yè)面、I/O監(jiān)控頁(yè)面、報(bào)警頁(yè)面、幫助頁(yè)面的設(shè)計(jì)，觸摸屏顯示界面既要簡(jiǎn)潔美觀，保證各項(xiàng)監(jiān)視數(shù)據(jù)顯示齊全，又要實(shí)用與操作方便。

PLC與觸摸屏程序按目標(biāo)要求編寫(xiě)好后下載至設(shè)備中，然后經(jīng)多次調(diào)試與程序修改，確保程序滿(mǎn)足操作、顯示、查詢(xún)等各項(xiàng)指令的正常運(yùn)行。

3.5 PLC控制系統(tǒng)(含觸摸屏)直流電源設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)(含觸摸屏)采用AC220 V轉(zhuǎn)DC24 V的電源(采用電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)雙電源)，開(kāi)關(guān)電源主要考慮它的輸出功率，必須保證所有用電設(shè)備的最大額定功率；另外還要考慮輸出電源的穩(wěn)定可靠性與波形質(zhì)量，詳見(jiàn)圖5。

圖5 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)原理圖

4 結(jié)論與建議

(1)設(shè)計(jì)前一定要統(tǒng)計(jì)好所有的受控設(shè)備數(shù)量，弄清設(shè)備控制原理、調(diào)節(jié)方式以及怎樣實(shí)現(xiàn)與PLC連接受控，盡可能把所有的控制設(shè)備都集成在PLC的直接控制范圍內(nèi)。

(2)設(shè)計(jì)前一定要考慮機(jī)組模擬量數(shù)據(jù)怎么實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化成PLC能夠識(shí)別和分析的數(shù)字量，程序設(shè)計(jì)還要考慮數(shù)字量的刷新頻率。

(3)指令操作、參數(shù)修改、記錄查詢(xún)等權(quán)限要按不同操作人員設(shè)置不同的權(quán)限，每一個(gè)操作要有操作記錄，方便以后查詢(xún)。

(4)如果電站無(wú)直流系統(tǒng)，設(shè)備直流電源采用交流變直流使用的話，應(yīng)該采用電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)雙電源回路，這樣才能保證事故跳閘的情況下還能保證

PLC與觸摸屏等設(shè)備的供電。

(5)除在觸摸屏上能實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)外，控制屏上還加裝電流、電壓、功率、功率因數(shù)、勵(lì)磁電流電壓等監(jiān)視儀表，在觸摸屏或后臺(tái)終端故障時(shí)也能通過(guò)屏面儀表正常查看機(jī)組運(yùn)行狀況。

(6)除在觸摸屏上具備各項(xiàng)操作功能外，還應(yīng)該在制控屏上獨(dú)立設(shè)置導(dǎo)葉開(kāi)度調(diào)節(jié)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)旋鈕開(kāi)關(guān)與事故緊急停機(jī)、滅磁、剎車(chē)等操作按鈕(開(kāi)關(guān))與PLC控制并行操作，確保在PLC與觸摸屏故障的情況下機(jī)組能夠獨(dú)立正常運(yùn)行與手動(dòng)開(kāi)停機(jī)操作。

(7)自動(dòng)化制控要充分考慮機(jī)組運(yùn)行各類(lèi)參數(shù)設(shè)置、故障報(bào)警信息的顯示與查詢(xún)，還要考慮機(jī)組運(yùn)行操作幫助查詢(xún)以及各類(lèi)機(jī)組運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)的存貯備份及查詢(xún)。