涂麗琴，程玉婷，嚴(yán)國(guó)強(qiáng)，王麗娟，王愛(ài)生

（長(zhǎng)江科學(xué)院長(zhǎng)江控制設(shè)備研究所，武漢 430010）

PLCM218在水電站油壓裝置控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

涂麗琴，程玉婷，嚴(yán)國(guó)強(qiáng)，王麗娟，王愛(ài)生

（長(zhǎng)江科學(xué)院長(zhǎng)江控制設(shè)備研究所，武漢 430010）

調(diào)速系統(tǒng)油壓裝置是水電站重要的輔助設(shè)備之一。以Schneider公司M218系列的PLC為例，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)自動(dòng)控制功能及過(guò)程。M218體現(xiàn)了施耐德電氣的“靈活設(shè)備控制”理念，該控制系統(tǒng)具有高可靠性和穩(wěn)定性。

PLC M218；油壓裝置；自動(dòng)補(bǔ)氣；軟起動(dòng)器

水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)油壓裝置的作用是產(chǎn)生并貯存壓力油，是機(jī)組啟動(dòng)、停止、調(diào)節(jié)出力及其它液壓操作的動(dòng)力源。水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)油壓裝置運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性直接關(guān)系到機(jī)組的安全和發(fā)電的質(zhì)量，油壓裝置自動(dòng)化控制的可靠性是機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的保證。本文主要敘述湖北小漩電站油壓裝置控制系統(tǒng)的軟、硬件的構(gòu)成及功能的實(shí)現(xiàn)等。

1 油壓裝置的結(jié)構(gòu)及控制要求

湖北小漩電站油壓裝置設(shè)計(jì)參數(shù)為：壓力油罐容積4 m3；回油箱容積5．4 m3；額定工作油壓6．3 MPa；油泵輸油量2×6 L／S；油泵電動(dòng)機(jī)功率2×55 kW；組合閥通徑DN50。圖1給出了油壓裝置系統(tǒng)原理。由圖1可知，該電站油壓裝置主要部件有壓力油罐及附件壓力表、壓力開(kāi)關(guān)、壓力變送器、壓力罐液位計(jì)、空氣閥、自動(dòng)補(bǔ)氣裝置、回油箱及其附件浮子液位計(jì)、油混水報(bào)警器、電機(jī)／泵組、油泵組合閥等。

油壓裝置的控制系統(tǒng)滿足如下基本要求：①每臺(tái)油泵電動(dòng)機(jī)的控制方式可通過(guò)一個(gè)控制開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)置，控制方式包括：手動(dòng)、切除、自動(dòng)。自動(dòng)控制方式下能自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)油泵自動(dòng)啟、停、自動(dòng)輪換以及遠(yuǎn)程啟、停控制。在手動(dòng)控制方式下，能實(shí)現(xiàn)各油泵電動(dòng)機(jī)的手動(dòng)啟、停操作；②在自動(dòng)運(yùn)行方式下，根據(jù)壓力油罐壓力自動(dòng)啟、停工作油泵及備用油泵；③在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)壓力油罐壓力繼續(xù)下降至過(guò)低壓力時(shí)，發(fā)事故低油壓信號(hào)；當(dāng)壓力油罐壓力升至過(guò)高壓力時(shí)，發(fā)油壓過(guò)高故障信號(hào)；④自動(dòng)補(bǔ)氣裝置可自動(dòng)向壓力油罐補(bǔ)充壓縮空氣，以維持壓力油罐內(nèi)油的壓力和體積在規(guī)定范圍內(nèi)；⑤當(dāng)某一臺(tái)油泵啟動(dòng)時(shí)，相應(yīng)地啟動(dòng)該回路上的減載閥，并且保持一定的時(shí)間后復(fù)歸該減載閥，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的空載啟動(dòng)，減小壓力沖擊；⑥當(dāng)回油箱的油位過(guò)高或過(guò)低時(shí)，發(fā)回油箱油位異常信號(hào)；⑦當(dāng)回油箱中水含量超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，發(fā)回油箱油混水報(bào)警信號(hào)；⑧控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的通訊，能提供油壓裝置的有關(guān)參數(shù)和油泵電動(dòng)機(jī)與補(bǔ)氣閥的運(yùn)行狀態(tài)、異常報(bào)警信號(hào)等。

圖1 油壓裝置系統(tǒng)原理圖Fig．1 Schematic diagram of oil pressure unit

2 控制原理

2．1 控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

為了實(shí)現(xiàn)油壓裝置的控制要求，電氣部分主要元器件為：空氣斷路器、交流接觸器、軟起動(dòng)器、快速熔斷器、PLCM218、人機(jī)界面、繼電器、測(cè)量及信號(hào)元件、指示燈及操作元件。上述元器件組裝于外形尺寸為2 260 mm×800 mm×800 mm的盤內(nèi)，盤前及盤后開(kāi)門，下進(jìn)下出接線方式。

2．1．1 PLC硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合控制對(duì)象、控制任務(wù)、項(xiàng)目的實(shí)際情況以及價(jià)格等因素，油壓裝置控制系統(tǒng)可以選擇不同的PLC，本方案選用了法國(guó)Schneider公司所推出TM218LDA40DR4PHN，M218系列小型PLC作為其核心控制單元。

M218系列Schneider電氣推出的超高性能、超強(qiáng)擴(kuò)展能力的新一代PLC，具有接口功能豐富、集成度較高和組態(tài)可擴(kuò)展等特點(diǎn)，采用交流220 V供電，配備24路DI、16路DO、4通道高速計(jì)數(shù)、2PTO、2路模擬量輸入和2路模擬量輸出；同時(shí)可通過(guò)MBS接口對(duì)外進(jìn)行通信。上述特性不僅完全滿足了本系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)量輸入／輸出、模擬量輸入和與上位機(jī)通信的基本要求，同時(shí)為后期系統(tǒng)功能的升級(jí)與優(yōu)化留出了較大空間。所有監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)量送入PLC專用模入轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如圖2所示。它體現(xiàn)了施耐德電氣的“靈活設(shè)備控制”理念，通過(guò)提供高性能的速度控制、運(yùn)動(dòng)控制和通信網(wǎng)絡(luò)等核心電氣控制解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)符合設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)且簡(jiǎn)單裝配的電氣控制系統(tǒng)，使設(shè)備始終處于自動(dòng)化控制的前沿。

2．1．2 軟起動(dòng)器設(shè)計(jì)

軟起動(dòng)器是一種用于控制異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)備，它集電機(jī)軟起動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能、多種保護(hù)于一體，一般以大功率晶閘管構(gòu)成三相交流調(diào)壓電路，通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)角，調(diào)節(jié)晶閘管調(diào)壓電路的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)觸點(diǎn)降壓軟起動(dòng)的功能。軟起動(dòng)器特別適用于各類泵類負(fù)載或風(fēng)機(jī)類負(fù)載。具有可靠性高、維護(hù)量小、電動(dòng)機(jī)保護(hù)良好、參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

本方案采用法國(guó)Schneider公司ATS 48C11Q型軟起動(dòng)器，該軟起動(dòng)器除具備軟起動(dòng)功能外，還具有過(guò)流保護(hù)、反相缺相保護(hù)、頻率越限保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)等多種保護(hù)功能。該款軟起動(dòng)器的參數(shù)內(nèi)容豐富、設(shè)置簡(jiǎn)便，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，能夠很好地適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境，而且運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)量極小。

對(duì)于110 kW及以上的電動(dòng)機(jī)，根據(jù)負(fù)載情況，其軟起動(dòng)器需要考慮按照重載應(yīng)用選型。

2．2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)的核心元器件是PLC，程序設(shè)計(jì)采用模塊化、功能化結(jié)構(gòu)，便于調(diào)試和擴(kuò)展，由程序?qū)崿F(xiàn)開(kāi)關(guān)量采集及處理、模擬量采集和計(jì)算、電機(jī)運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)、主用泵和備用泵的輪換啟停、減載閥的控制、補(bǔ)氣閥的控制、對(duì)外輸出報(bào)警信號(hào)等子程序組成。下面分別介紹幾個(gè)主要的子程序和功能塊。

2．2．1 油泵電動(dòng)機(jī)的啟停及輪換

油壓裝置依靠油泵－電動(dòng)機(jī)將回油箱內(nèi)的常壓油泵入壓力罐中，通過(guò)電能到壓力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)過(guò)程。為保證系統(tǒng)安全以及維護(hù)方便，一般至少設(shè)置2套油泵－電動(dòng)機(jī)。PLC控制2套油泵－電動(dòng)機(jī)的啟停和輪換，見(jiàn)圖3所示。

圖2 PLC M 218電氣控制原理圖Fig．2 Schematic diagram of electric control by PLC M 218

程序中，油泵啟停遵循如下原則：油壓正常時(shí)停止2臺(tái)油泵；油壓低時(shí)啟動(dòng)主油泵；油壓過(guò)低時(shí)啟動(dòng)2臺(tái)油泵。

油泵輪換遵循如下原則：投入自動(dòng)工況且回路無(wú)故障的電機(jī)參加輪換；設(shè)置一個(gè)主備標(biāo)志位，以參加輪換的電機(jī)所在回路完成一次啟停為依據(jù)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而選擇主油泵。

對(duì)于配備3臺(tái)油泵的油壓裝置，其控制方式類同。在程序中設(shè)置一個(gè)標(biāo)志字，以參加輪換的電機(jī)所在回路完成一次啟停為依據(jù)進(jìn)行自加翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而選擇主用泵、主備用泵和次備用泵。

與油泵－電動(dòng)機(jī)啟停密切相關(guān)的是組合閥上減載閥的控制，減載閥的作用是當(dāng)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將油泵輸出的油直接排入到回油箱中，可以減小電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，提高油泵的使用壽命。當(dāng)PLC接收到電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的信號(hào)后，開(kāi)始輸出相應(yīng)的減載閥控制信號(hào)，減載閥持續(xù)動(dòng)作的時(shí)間在顯示屏上設(shè)置及修改。若軟啟動(dòng)設(shè)置為自由停車，當(dāng)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，也可以由PLC啟動(dòng)減載閥，減小油壓突變對(duì)設(shè)備管路的沖擊，并且可以防止電機(jī)反轉(zhuǎn)的情況。

2．2．2 補(bǔ)氣閥控制

正常情況下，壓力油罐中油氣比約為1∶2，由于設(shè)備密封原因?qū)е侣鈺?huì)造成油面抬高，此時(shí)需要對(duì)壓力罐進(jìn)行補(bǔ)氣，維持壓力油罐內(nèi)油面處于正常范圍，保證壓力油罐中油氣比1∶2的比值。

程序中，自動(dòng)補(bǔ)氣遵循如下原則：①如圖4，設(shè)M21＝1表示壓力油罐油位從H1下降至H0的這一區(qū)間過(guò)程，M21＝0表示油位從H0上升至H1區(qū)間過(guò)程，M21＝1是啟動(dòng)補(bǔ)氣閥的必要條件；②油位正常時(shí)停止補(bǔ)氣；③油壓正常時(shí)停止補(bǔ)氣。

圖4 油罐油壓示意圖Fig．4 Oil pressure in the oil tank

由于“油位高”和“油位正?！边@2個(gè)開(kāi)關(guān)量一般由安裝在壓力油罐上的液位開(kāi)關(guān)提供，需要對(duì)其DI輸入做防抖動(dòng)處理，確保補(bǔ)氣閥啟停正確。

如果補(bǔ)氣閥自身提供狀態(tài)輸出，則引入PLC后，可以更方便地實(shí)現(xiàn)補(bǔ)氣閥啟?？刂?。補(bǔ)氣閥啟停控制用梯形圖見(jiàn)圖5。

圖5 補(bǔ)氣閥啟停控制程序圖Fig．5 Process of controlling the air supply valve

根據(jù)電站不同的補(bǔ)氣設(shè)備，結(jié)合其硬件特性，PLC程序就要作出相應(yīng)的處理。有些油壓裝置上配備有補(bǔ)氣閥、排氣閥和排油閥，那么其補(bǔ)氣啟停控制就更復(fù)雜。

2．2．3 模擬量參與控制

考慮到開(kāi)關(guān)量可能會(huì)發(fā)生粘連、拒動(dòng)、誤動(dòng)等情況，設(shè)計(jì)中將模擬量作為控制判據(jù)，參與流程控制，增加了系統(tǒng)的安全可靠性。此時(shí)需要對(duì)模擬量采取延時(shí)、作返回死區(qū)等處理方法。

圖3 控制流程框圖Fig．3 Flow chart of PLC control

壓力變送器輸出4～20 mA，PLC采集該模擬量，調(diào)零調(diào)幅后與實(shí)際油壓值對(duì)應(yīng)，假設(shè)油壓裝置額定油壓為6．3 MPa，啟主泵壓力為6．0 MPa，程序中作如下處理：

IF（Pressure＞6 300），Time10︳100 THEN∥油壓大于6．3 MPa并且持續(xù)1 s

M101＝1∥置停泵標(biāo)志位＝1

END︳IF

IF（Pressure＜6 250），Time10︳100 THEN∥油壓小于6．25 MPa并且持續(xù)1 s

M101＝0∥置停泵標(biāo)志位＝0

END︳IF

IF（Pressure＜6 000），Time10︳200 THEN∥油壓小于6．0 MPa并且持續(xù)2 s

M102＝1∥置啟主泵標(biāo)志位＝1

END︳IF

IF（Pressure＞6 050），Time10︳200 THEN∥油壓大于6．05 MPa并且持續(xù)2 s

M102＝0∥置啟主泵標(biāo)志位＝0

END︳IF

采用相同的處理方法，可以相應(yīng)的得到所需標(biāo)志位，然后將停泵標(biāo)志位M101、啟主泵標(biāo)志位M102、啟備用泵標(biāo)志位M103作為判據(jù)，參與油泵啟停控制。

同樣地，對(duì)油位的模擬量信號(hào)進(jìn)行處理，可以得到各種油位開(kāi)關(guān)信號(hào)，參與補(bǔ)氣閥的啟?？刂疲粚?duì)油溫的模擬量信號(hào)進(jìn)行處理，可以得到各種油溫開(kāi)關(guān)信號(hào)，參與冷卻泵的啟?？刂?。

3 人機(jī)界面

人機(jī)界面是操作人員與控制柜PLC之間傳遞、交換信息的窗口，對(duì)油壓裝置的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)電站根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對(duì)必要的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改，極大方便了電站機(jī)組的運(yùn)行和維護(hù)。人機(jī)界面的主要內(nèi)容包括主顯畫面、數(shù)據(jù)列表、參數(shù)修改、事件記錄和特殊功能設(shè)置。主顯畫面和數(shù)據(jù)列表中顯示油壓、油罐油位、油箱油位、油溫等模擬量，每臺(tái)油泵電機(jī)的手自動(dòng)狀態(tài)、主備狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)刻、運(yùn)行時(shí)間，補(bǔ)氣閥的手自動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)刻、運(yùn)行時(shí)間，接觸器、減載閥的啟停狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)列表如圖6。參數(shù)修改畫面需要操作者輸入密碼方能進(jìn)入，主要內(nèi)容包括各模擬量的調(diào)零調(diào)幅設(shè)置、油泵和補(bǔ)氣閥運(yùn)行超時(shí)限制值設(shè)置、各報(bào)警點(diǎn)閾值設(shè)置等，以上各設(shè)置值在PLC中均作掉電保存處理。事件記錄畫面用于各狀態(tài)量及報(bào)警點(diǎn)輸出信息的回訪。特殊功能設(shè)置畫面用于修改人機(jī)界面的系統(tǒng)時(shí)間、對(duì)比度和亮度的調(diào)整、觸碰效果的修正。

圖6 數(shù)據(jù)列表界面圖Fig．6 Screenshot of data list

4 結(jié) 論

由于采用了M218 PLC、Schneider軟起動(dòng)器等為核心元器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，該控制系統(tǒng)具有安全可靠、運(yùn)行穩(wěn)定、使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，為水電站實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班、少人值守”的運(yùn)行方式提供了強(qiáng)有力的保障。

［1］ GB／T 9652—2007，水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007．（GB／T 9652—2007，Specifications of System for Hydraulic Turbine［S］．Beijing：China Standards Publishing House，2007．（in Chinese））

［2］ GB／T 9652．2—2007，水輪機(jī)控制系統(tǒng)試驗(yàn)［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007．（GB／T 9652．2—2007，Test Code of Control System for Hydraulic Turbine［S］．Beijing：China Standards Publishing House，2007．（in Chinese））

［3］ 魏守平．水輪機(jī)控制工程［M］．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005．（WEIShou-ping．Control Engineering for Hydraulic Turbine［M］．Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press，2005．（in Chinese））

［4］ 郭建業(yè)．高油壓水輪機(jī)調(diào)速器技術(shù)及應(yīng)用［M］．武漢：長(zhǎng)江出版社，2007．（GUO Jian-ye．Technique of High Pressure Turbine Governor and Its Application［M］．Wuhan：Changjiang Press，2007．（in Chinese））

［5］ 潘熙和，王麗娟，王林濤．水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速與勵(lì)磁設(shè)備［M］．武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2011．（PAN Xihe，WANG Li-juan，WANG Lin-tao．Governor and Excitation Device for Hydraulic Turbine Generator［M］．Wuhan：HubeiScience and Technology Press，2011．（in Chinese） ）

（編輯：王 慰）

Application of PLCM 218 in Hydraulic Power Plant Oil Pressure Control System

TU Li-qin，CHENG Yu-ting，YAN Guo-qiang，WANG Li-juan，WANG Ai-sheng
（Changjiang Control Equipment Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Oil pressure unit is one of themost significant auxiliary equipment in hydraulic power plant．Taking the M218 series PLC（Programmable Logic Controller）produced by Schneider company as an example，we introduce the system’s automatic control functions and the process in detail．M218 embodies Schneider’s conceptof Flexible Equipment Control，and the control system has high reliability and stability．

PLCM218；oil pressure unit；automatic air-inflation；soft starter

TP211．31

A

1001－5485（2013）11－0101－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．020

2013－02－28；

2013－04－17

涂麗琴（1983－），女，湖北漢川人，助理工程師，主要從事水電站控制設(shè)備研究與設(shè)計(jì)，（電話）15071375967（電子信箱）tuliqin＠126．com。