可編程控制器（PLC）在水電廠中的應(yīng)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(gè)電站構(gòu)成梯級(jí)水力發(fā)電,其中龔嘴電站裝機(jī)容量 7×100MW,銅街子電站裝機(jī)容量4×150MW,總裝機(jī)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(jī)容量4×100MW, 下廠房為洞內(nèi)式廠房,裝機(jī)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(guó)家電力公司列為第二批無人值班試點(diǎn)單位。為實(shí)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(duì)龔、銅兩站進(jìn)行綜合自動(dòng)化改造,改造后兩電站實(shí)現(xiàn)在沙灣梯調(diào)中心控制龔、銅兩站,全計(jì)算機(jī)監(jiān)控。

　　2可編程控制器簡(jiǎn)介

　　可編程控制器(簡(jiǎn)稱PLC)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用已有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史,現(xiàn)已發(fā)展成為一項(xiàng)非常成熟的工控技術(shù),它具有邏輯定序、定時(shí)、計(jì)數(shù)、運(yùn)算、控制、信號(hào)及報(bào)警、保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)和遠(yuǎn)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(diǎn)已廣泛得到承認(rèn),在火電、水電、變電站和化工、冶金、機(jī)械等各行各業(yè)中已大量應(yīng)用了PLC技術(shù)。目前,我國(guó)市場(chǎng)上的PLC產(chǎn)品種類繁多。我廠選用最多的是三菱電機(jī)可編程控制器(FX系列)。下面以三菱電機(jī)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(yùn)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(dòng)指令、空操作、線圈接通保持指令、線圈接通清除指令、運(yùn)算記憶、記憶讀出及復(fù)位和程序結(jié)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(jī)械動(dòng)作易于理解的表達(dá)圖。使用者即使不進(jìn)行復(fù)雜的程序設(shè)計(jì),也能極其簡(jiǎn)單地對(duì)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(dá)負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路與轉(zhuǎn)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(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(yùn)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(shí)器T,計(jì)數(shù)器C,數(shù)據(jù)寄存器D,變址寄存器Z/V。

　　2.4應(yīng)用指令

　　應(yīng)用指令包括程序流程、傳送和比較指令、算術(shù)和邏輯運(yùn)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(shè)備和外部模塊。

　　2.5特殊軟元件

　　PC狀態(tài)、時(shí)鐘、標(biāo)志、步進(jìn)順控、禁止中斷、出錯(cuò)檢測(cè)、高速表、功能擴(kuò)展、脈沖捕捉、替代功能、內(nèi)部增/減計(jì)數(shù)器和高速計(jì)數(shù)器。

　　2.6編程語言

　　PLC應(yīng)用技術(shù)的主要內(nèi)容之一是編寫應(yīng)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(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(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(shí)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(hào)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(hào)。(3)信號(hào)輸入、輸出形式及控制功能相同,都是將輸入信號(hào)經(jīng)過電路的邏輯運(yùn)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(shù)量不同。硬件繼電器中的動(dòng)作觸點(diǎn)數(shù)量只是那么有限的幾對(duì);而軟繼電器的觸點(diǎn)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(diǎn)數(shù)量,僅考慮各元件之間的動(dòng)作順序,適當(dāng)設(shè)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(shí)動(dòng)作問題,但要求考慮正確的動(dòng)作步序,盡量減少程序步數(shù)。 PLC梯形圖編寫時(shí)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(diǎn)的排列順序、線圈的排列順序、線圈右側(cè)不允許串有接點(diǎn)以及接點(diǎn)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(yùn)算控制方式:存儲(chǔ)程序、反復(fù)運(yùn)算方式;
　　輸入輸出控制方式:批處理方式;
　　運(yùn)算處理速度:基本指令0.48μs/指令;應(yīng)用指令數(shù)～數(shù)百μ
　　指令數(shù):基本指令20個(gè)、步進(jìn)指令2個(gè)、應(yīng)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(jì)數(shù)器:C0～C199;
　　數(shù)據(jù)寄存器:D0～D7999。

　　3可編程控制器的應(yīng)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(jī)可編程控制器(FX系列)和美國(guó)A-B公司生產(chǎn)的SLC-5LC。龔嘴水力發(fā)電總廠在綜合自動(dòng)化改造時(shí),一方面采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),用動(dòng)作靈敏、可靠性高、性能穩(wěn)定的自動(dòng)化元件代替原有的可靠性差、測(cè)值不準(zhǔn)的自動(dòng)化元件。另一方面用PLC代替原有的水車自動(dòng)盤、機(jī)組油壓裝置控制盤以及空壓機(jī)、集水井控制盤等。利用PLC,既能夠自成系統(tǒng)獨(dú)立對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制,又能方便地與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,具有測(cè)值準(zhǔn)確、故障率低、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),使其在一般情況下能夠獨(dú)立運(yùn)行,只在PLC發(fā)生故障的情況下,才由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)其相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行干預(yù)控制。

　　3.1配置與功能

　　3.1.1空壓機(jī)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(jī)控制及保護(hù):空氣開關(guān)、接觸器、熱保護(hù)元件(帶缺相保護(hù))。

　　測(cè)控元件:壓力變送器、電磁閥、電子流量開關(guān)、溫度開關(guān)。

　　(2)功能:

　　系統(tǒng)的測(cè)控核心為PLC,它負(fù)責(zé)所有信息的處理。所有監(jiān)測(cè)開關(guān)量送入PLC輸入口,變送器將測(cè)得的氣壓電信號(hào)送入PLC專用A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。PLC按照預(yù)置程序完成對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)量控制,實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)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(tǒng)能記錄各臺(tái)空壓機(jī)的累計(jì)運(yùn)行次數(shù)、累計(jì)運(yùn)行時(shí)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(jī)控制器、壓力變送器、壓差變送器、液位變送器、組合補(bǔ)氣閥B302、壓力開關(guān)。

　　(2)功能:

　　整套裝置完成對(duì)壓油裝置的自動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)油泵的自動(dòng)啟停及自動(dòng)補(bǔ)氣,維持壓力和油位在正常的工作范圍內(nèi);自動(dòng)運(yùn)行時(shí)“工作”和“備用”泵自動(dòng)循環(huán),輪流擔(dān)任,當(dāng)“工作”泵故障時(shí),“備用”泵自動(dòng)頂替。系統(tǒng)依據(jù)連續(xù)精確測(cè)量的油位和補(bǔ)氣油位設(shè)定值,控制電磁補(bǔ)氣閥組進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)氣,至正常油位后停止補(bǔ)氣, 并在壓油罐油位及回油箱油位異常時(shí),發(fā)出相應(yīng)的故障信號(hào)。

　　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(jī)控制:軟起動(dòng)器、空氣開關(guān);

　　控制元件:液位變送器、浮子開關(guān)、電磁閥(常開式)、熱導(dǎo)式流量開關(guān);

　　(2)功能:

　　PLC作為系統(tǒng)的測(cè)控核心,首先將液位變送器和浮子開關(guān)測(cè)得的水位信號(hào)進(jìn)行自檢和互檢等數(shù)據(jù)處理。PLC按照預(yù)置程序,執(zhí)行對(duì)水泵電機(jī)的啟?？刂?維持集水井中的水位正常并自動(dòng)完成水泵電機(jī)的“工作——備用”狀態(tài)切換。當(dāng)水位達(dá)到備用水位及高水位時(shí),發(fā)出相應(yīng)信號(hào)。系統(tǒng)采用不同測(cè)量原理的兩種水位測(cè)量控制信號(hào),液位變送器和浮子開關(guān)輪換擔(dān)任“主態(tài)”工作狀態(tài),運(yùn)行中其中一個(gè)擔(dān)任“主態(tài)”出現(xiàn)故障時(shí)另一個(gè)自動(dòng)頂替其運(yùn)行;液位變送器和浮子開關(guān)組成的控制測(cè)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(guān)、流量開關(guān)、壓差變送器、電動(dòng)閥。

　　(2)功能:

　　PLC根據(jù)主變負(fù)荷和3只溫度開關(guān)與1只溫度傳感器送來的4個(gè)設(shè)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(bào)警;對(duì)風(fēng)冷式變壓器冷卻器實(shí)現(xiàn)對(duì)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(nèi);對(duì)水冷式變壓器冷卻器實(shí)現(xiàn)冷卻器的自動(dòng)啟停,并能對(duì)冷卻器淤堵進(jìn)行報(bào)警,能自動(dòng)對(duì)冷卻器冷卻水進(jìn)行正反向倒換。其運(yùn)行方式除了按主變油溫自動(dòng)調(diào)節(jié)外,還自動(dòng)執(zhí)行定時(shí)逐臺(tái)循環(huán)切換。當(dāng)冷卻器在運(yùn)行中出現(xiàn)故障,測(cè)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(bào)警信號(hào)上送給電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)為了保證主變冷卻器的事故停運(yùn)動(dòng)作可靠,對(duì)于3只溫度開關(guān)與1只溫度傳感器的動(dòng)作正確與否,測(cè)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(dá)到事故溫度設(shè)定值),裝置才會(huì)送出跳閘信號(hào),否則不會(huì)動(dòng)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(gè)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(jìn)行操作,也可在閘門LCU-PLC上進(jìn)行操作?，F(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(guān)、位移傳感器、空氣開關(guān)、軟起動(dòng)控制器等。

　　(2)功能:

　　(a)數(shù)據(jù)采集運(yùn)行監(jiān)視

　　大壩LCU和現(xiàn)地PLC均可采集并監(jiān)測(cè)顯示各壓力、油位、閘門開度、自動(dòng)化元件動(dòng)作情況等,對(duì)油泵的運(yùn)行狀態(tài)、閘門位置等進(jìn)行監(jiān)視,出現(xiàn)故障或異常時(shí)報(bào)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)閘門控制

　　大壩LCU和現(xiàn)地PLC可獨(dú)立執(zhí)行確定的任務(wù),PLC即使在脫離大壩LCU時(shí)仍能通過操作面板實(shí)現(xiàn)閘門的控制及顯示,運(yùn)行人員通過現(xiàn)地PLC控制面板上的觸摸按鈕進(jìn)行閘門的開度設(shè)置,工作、備用泵切換,閘門的起升、下降、停止的控制;可完成對(duì)弧門水封系統(tǒng)的水潤(rùn)滑裝置自動(dòng)控制。閘門的下沉回升通過PLC 實(shí)現(xiàn)。當(dāng)閘門處于任意設(shè)定位置時(shí),由于漏油等原因發(fā)生下滑并超過200mm時(shí),啟動(dòng)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(shí),備用泵啟動(dòng),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(shí),發(fā)報(bào)警信號(hào)。自動(dòng)運(yùn)行時(shí),工作泵、備用泵自動(dòng)循環(huán),輪流擔(dān)任,當(dāng)工作泵故障時(shí)備用泵自動(dòng)頂替工作。

　　(c)現(xiàn)場(chǎng)PLC模擬量、開關(guān)量與大壩LCU共同享用,以確保兩套系統(tǒng)自動(dòng)平穩(wěn)切換?，F(xiàn)地單元PLC故障時(shí)能自動(dòng)平穩(wěn)切換到大壩LCU工作,并報(bào)出故障信號(hào),但不影響其它PLC的正常工作;在大壩LCU故障時(shí),現(xiàn)地PLC能自動(dòng)投入到獨(dú)立工作狀態(tài)。

　　(d)保護(hù)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(yùn)行情況確定閘門的運(yùn)行是否正常,如發(fā)生電氣或機(jī)械方面異常,可根據(jù)不同情況保護(hù)動(dòng)作,以避免設(shè)備的損壞、溢流門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PLC可作為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的一部分,可獨(dú)立運(yùn)行也可由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一管理。

　　3.2應(yīng)用情況

　　為實(shí)現(xiàn)“無人值班、少人值守”,龔嘴水力發(fā)電總廠進(jìn)行了綜合自動(dòng)化改造,對(duì)龔嘴和銅站輔機(jī)及公用設(shè)備進(jìn)行了大量改造工作,在輔助設(shè)備控制系統(tǒng)改造中大量使用了PLC技術(shù),其中空壓機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)在龔、銅兩站高壓、低壓氣機(jī)系統(tǒng)中使用了4套,機(jī)組壓油裝置自動(dòng)測(cè)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(dòng)測(cè)控系統(tǒng)使用了9套,大壩溢洪門自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)1套,主變冷卻器5套。

　　從以上投運(yùn)的PLC裝置的實(shí)際運(yùn)行情況看,PLC裝置運(yùn)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(dòng)化元件組成的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng),徹底改變了傳統(tǒng)的測(cè)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(diǎn)壓力表計(jì)、機(jī)械式壓力繼電器,這種全新的系統(tǒng)測(cè)控模式自動(dòng)化程度高、運(yùn)行可靠、功能齊全,具備完善的自動(dòng)控制、保護(hù)及信息傳遞功能,能可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自身工作狀態(tài)的自檢,外圍設(shè)備故障狀況判斷,并具有較強(qiáng)的故障容錯(cuò)功能。全面地?cái)?shù)據(jù)顯示功能為檢查和分析設(shè)備的運(yùn)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(jìn)行綜合自動(dòng)化改造工作,其目的是為實(shí)現(xiàn)水電站“無人值班、少人值守”,而原有輔機(jī)控制很難滿足 “無人值班、少人值守”的要求。在輔機(jī)及公用設(shè)備控制系統(tǒng)改造中,我廠選用PLC控制而沒有采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地LCU進(jìn)行控制有以下幾點(diǎn)原因:

　　(1)水電站輔助設(shè)備(如壓油裝置、頂蓋排水泵等)即使在機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下,也要按其監(jiān)視的工況自動(dòng)控制啟停,如果這些輔助設(shè)備控制全部由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)來完成,勢(shì)必要求機(jī)組LCU在停機(jī)狀態(tài)時(shí)也不能退出檢修,這時(shí),對(duì)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(jì)上都是不可取的。目前,隨著新技術(shù)的發(fā)展,已采用PLC實(shí)現(xiàn)控制以提高可靠性。當(dāng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)暫時(shí)不可能與機(jī)組同步投運(yùn),或者監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)暫時(shí)故障而短時(shí)退出時(shí),為保證機(jī)組的運(yùn)行安全,除少數(shù)的輔助設(shè)備(與機(jī)組運(yùn)行同時(shí)工作的如技術(shù)供水系統(tǒng)、主軸密封水等)可由機(jī)組LCU實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制外,其它輔助設(shè)備宜分別設(shè)置專門的自動(dòng)裝置。

　　(2)水電廠的公用設(shè)備主要包括高、低壓氣系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等,這些設(shè)備安裝位置分散,相互獨(dú)立、自成系統(tǒng),只需靠各自的自動(dòng)化元件,按其監(jiān)視狀態(tài)和給定的運(yùn)行方式獨(dú)立進(jìn)行控制,自動(dòng)控制的邏輯比較簡(jiǎn)單。為滿足調(diào)試與運(yùn)行管理的需要,一般都分別設(shè)制現(xiàn)地控制屏,如果將這些分散設(shè)備的自動(dòng)控制都集中到計(jì)算機(jī)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(duì)公用LUC的可靠性要求太高,從而增加了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)編程與調(diào)試的難度,使得自動(dòng)控制難以實(shí)現(xiàn)。

　　(3)PLC操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便,PLC編程語言標(biāo)準(zhǔn)化,步進(jìn)階梯圖易懂。

　　(4)從經(jīng)濟(jì)方面來講,PLC的價(jià)格較之相同測(cè)點(diǎn)數(shù)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(tǒng)獨(dú)立對(duì)設(shè)備進(jìn)行可靠監(jiān)測(cè)控制的特點(diǎn),即使計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)或其它各系統(tǒng)發(fā)生故障不能運(yùn)行時(shí),也完全不會(huì)對(duì)該系統(tǒng)的正常工作造成影響。因此,采用以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主再加上若干個(gè)PLC小系統(tǒng)(主要用作輔助設(shè)備及公用設(shè)備的監(jiān)測(cè)控制) 組成整個(gè)電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的方式,無論從經(jīng)濟(jì)還是從安全的角度看,都是一種非常好的配置方法。