章純中

(天津市天發(fā)重型水電設(shè)備制造有限公司，天津 300400)

1 概述

圖1 受油器試驗(yàn)臺(tái)

受油器是水輪機(jī)的重要設(shè)備，受油器主要結(jié)構(gòu)包括受油器體、受油器軸內(nèi)、外操作油管、受油器座、槳葉開腔及關(guān)腔等部件。受油器體與受油器座間設(shè)有絕緣墊，防止產(chǎn)生軸電流。受油器的主要作用是將機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的壓力油自固定油管導(dǎo)至主軸的內(nèi)、外操作油管內(nèi)，并連接至轉(zhuǎn)輪內(nèi)的槳葉接力器，以控制、調(diào)整水輪機(jī)槳葉開度，從而使水輪發(fā)電機(jī)組始終處在協(xié)聯(lián)工況下穩(wěn)定運(yùn)行。目前水輪發(fā)電機(jī)受油器采用的是低壓6.3MPa以下的供油方式，優(yōu)點(diǎn)是壓力低，結(jié)構(gòu)簡單可靠;缺點(diǎn)是機(jī)組投資比較大。高壓受油器壓力為10～16MPa，機(jī)組由于不需要中高壓氣源和油壓裝置而節(jié)約電站建設(shè)成本。

受油器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備由電機(jī)、皮帶聯(lián)軸器、受油器本體、受油器管路組成，具體構(gòu)成見圖1。受油器試驗(yàn)臺(tái)模擬現(xiàn)場環(huán)境，主軸轉(zhuǎn)速可以在50～1000r/min下連續(xù)調(diào)整，液壓泵站為受油器提供16MPa高壓潤滑油。通過監(jiān)測受油器漏油情況，確定受油器密封狀況，確保在高壓長期運(yùn)行情況下工作可靠，PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速、受油器油壓，并自動(dòng)檢測受油器漏油量，通過改進(jìn)并提高受油器密封，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)水品。

2 PLC介紹

PLC可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller)，實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)。PLC硬件由電源、中央處理單元CPU、存儲(chǔ)器 、輸入輸出接口電路、功能模塊、定位模塊、通信模塊等組成。其豐富的軟件功能，可完成邏輯控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、步進(jìn)控制、PID控制、數(shù)據(jù)控制、定位控制等;工作原理是采用循環(huán)掃描方式，讀取PLC輸入狀態(tài)、執(zhí)行用戶程序、處理任何通訊端口或智能模塊接收到的訊息、執(zhí)行CPU自診斷、檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的狀態(tài)，控制PLC輸出信號(hào)，既控制設(shè)備運(yùn)行。

3 PLC的優(yōu)點(diǎn)

S7-200可編程控制器 (PLC)，組成微處理器、電源、輸入電路和輸出電路、設(shè)備通訊緊湊的設(shè)計(jì)、靈活的配置，內(nèi)部包含功能強(qiáng)大的指令和邏輯運(yùn)算功能，滿足工業(yè)環(huán)境下工作要求。它能夠?yàn)楦邏菏苡推鲗?shí)驗(yàn)裝置提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于設(shè)備現(xiàn)場環(huán)境及工作狀態(tài)的需要，在無人值守狀態(tài)下，自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)通訊，記錄受油器設(shè)備壓力、溫度、漏油量工作參數(shù)。S7-200可編程控制器主要優(yōu)點(diǎn)如下:

(1)PLC運(yùn)行可靠性高，抗現(xiàn)場各種電磁、振動(dòng)干擾能力強(qiáng)。工業(yè)現(xiàn)場電機(jī)、變頻器、電焊機(jī)等用電設(shè)備，產(chǎn)生的各種電磁干擾，使得供電系統(tǒng)電源、頻率波動(dòng)，機(jī)械設(shè)備振動(dòng)，而且現(xiàn)場溫度和濕度的變化比較大，一般通用微機(jī)不能正常工作。傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制系統(tǒng)雖然抗干擾能力強(qiáng)，但由于大量的機(jī)械觸點(diǎn)壽命短，系統(tǒng)可靠性差。PLC則采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的電子存儲(chǔ)器件來完成，在PLC主機(jī)里，集成了成百上千個(gè)繼電器、定時(shí)器、順序控制器等，以往這需要大量繼電器和繁雜連線才能完成，現(xiàn)在可通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)。PLC輸入、輸出采用光電耦合電路，抗干擾能力強(qiáng)，且使用壽命長，在惡劣的環(huán)境下運(yùn)行可靠。特別在電站各種交直流及高電壓大電流產(chǎn)生的電磁干擾及高溫高濕場合下，不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。

(2)PLC編程簡單方便、容易操作。PLC采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，編程語言形象直觀，指令少、語法簡便，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易。使用計(jì)算機(jī)通過PLC專用編程電纜，可監(jiān)控PLC運(yùn)行狀態(tài)，在線修改程序，改變工藝控制方案而不拆動(dòng)硬件，特別適合根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，需要修改工藝流程的場合，如水電站中的液壓泵站控制、風(fēng)機(jī)動(dòng)力控制、電站的二次系統(tǒng)控制等。

(3)PLC采用積木式模塊化安裝方式，適應(yīng)不同的工作環(huán)境要求。PLC具有豐富的輸入、輸出接口模塊，主要分為電源模塊、CPU模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸人輸出/模塊、測溫電阻、熱電偶輸入模塊、通訊模塊等。將這些模塊插入標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)架底板上，組成不同的PLC系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)配置靈活，安裝方便，便于擴(kuò)展。在水電站應(yīng)用上，測溫電阻、液位變送器、位移變送器與相應(yīng)的輸入模塊連接，檢測機(jī)組各點(diǎn)溫度、液位和位移模擬量變化數(shù)值。

4 PLC應(yīng)用注意事項(xiàng)

(1)根據(jù)控制設(shè)備工藝要求，選擇PLC主要應(yīng)從機(jī)型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。

(2)使用環(huán)境。溫度0～55℃，相對(duì)濕度95%，海拔不超過2000m，避免腐蝕、污染和易燃?xì)怏w。

(3)根據(jù)輸入信號(hào)響應(yīng)頻率選擇合適的具有高速I/O處理功能或選用具有快速響應(yīng)的模塊。

(4)PLC系統(tǒng)的電源和接地，PLC可編程控制器可能會(huì)發(fā)生故障并導(dǎo)致控制設(shè)備意外運(yùn)行，因此要考慮人身和設(shè)備的安全問題，應(yīng)該使用獨(dú)立控制電源、接地安全裝置進(jìn)行保護(hù)以防止可能的人身傷害或設(shè)備損壞。

(5)PLC設(shè)備安裝應(yīng)考慮自然對(duì)流冷卻。在設(shè)備上方和下方必須提供至少25mm的間隙。而且要預(yù)留至少75mm的深度空間。

(6)PLC安裝要遠(yuǎn)離變頻器、軟啟動(dòng)、變壓器等高頻干擾設(shè)備和震動(dòng)源，當(dāng)不可避免時(shí)必須采取屏蔽高頻干擾和減震措施。

5 受油器自動(dòng)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

高壓受油器試驗(yàn)裝置主要有手動(dòng)、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測，硬件主要包括計(jì)算機(jī) (或觸摸屏)、S7-200 PLC的硬件、接觸器、斷路器等自動(dòng)化元件，共同構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)。為提高系統(tǒng)的可靠性，PLC可編程控制器輸出不是直接驅(qū)動(dòng)接觸器，而是通過繼電器控制接觸器的動(dòng)作，防止外部元件過載或損壞造成PLC可編程控制器故障。

S7-200可編程控制器 (PLC)的硬件有如下幾個(gè):

(1)CPU模塊:S7-224AC/DC/繼電器，14輸入/10輸出。

(2)EM221數(shù)字量輸入模塊:8點(diǎn)輸入。

(3)EM235模擬量輸入/輸出模塊，4輸入/1輸出。

(4)EM231:2點(diǎn)RTD輸入

模擬量輸入/輸出模塊，檢測壓力、液位、變頻器轉(zhuǎn)速信號(hào)，其輸出模塊向變頻器輸入轉(zhuǎn)速設(shè)定值，自動(dòng)控制變頻器輸出頻率，即控制電機(jī)轉(zhuǎn)速;RTD輸入模塊，將設(shè)備上的測溫電阻信號(hào)輸入給PLC，隨時(shí)監(jiān)控設(shè)備的溫度。高速旋轉(zhuǎn)編碼器檢測設(shè)備轉(zhuǎn)速，PLC控制器的輸入信號(hào)均經(jīng)過光電耦合電路進(jìn)行隔離，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

采用ATV21變頻器，PLC既接收變頻器輸出的頻率信號(hào)，又通過模擬量輸出控制變頻器從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

上位機(jī)硬件采用PCA6010主板的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，顯示適時(shí)的壓力、轉(zhuǎn)速、漏油量信號(hào)，可以手動(dòng)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速、儲(chǔ)存各種參數(shù)信號(hào)，方便調(diào)試和設(shè)備監(jiān)控。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

高壓受油器試驗(yàn)裝置主要包括主機(jī)、液壓系統(tǒng)、測速系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)變頻器速度控制系統(tǒng)、漏油量檢測系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)顯示、故障報(bào)警系統(tǒng)等，如圖2所示。

圖2 PLC可編程控制系統(tǒng)方框圖

受油器控制軟件部分包括主程序，電機(jī)控制子程序，壓力控制子程序，溫度控制子程序，漏油計(jì)算子程序，電機(jī)、壓力、溫度故障處理子程序。下面就各程序設(shè)計(jì)作簡要說明。

(1)主程序。主程序主要監(jiān)控PLC設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及調(diào)用子程序。

(2)電機(jī)控制子程序。分油泵電機(jī)和主軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)，手動(dòng)啟動(dòng)、停止，在自動(dòng)狀態(tài)下根據(jù)系統(tǒng)壓力信號(hào)油泵電機(jī)自動(dòng)運(yùn)行;按下手動(dòng)頻率調(diào)整按鈕，每觸發(fā)1次，控制變頻器便以0.1Hz頻率增減旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，微調(diào)旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過計(jì)算機(jī)設(shè)定旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用閉環(huán)控制，PLC自動(dòng)檢測變頻器轉(zhuǎn)速輸入信號(hào)并輸出控制變頻器，使其在設(shè)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

(3)壓力控制子程序。壓力控制子程序檢測系統(tǒng)油壓信號(hào)，在油泵電機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)，打開泄壓閥使液壓系統(tǒng)無壓，電機(jī)不帶負(fù)荷啟停，自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)油壓過低電機(jī)啟動(dòng)，油壓過高電機(jī)停止，超壓情況下及時(shí)停機(jī)并報(bào)警。

(4)溫度控制子程序。溫度控制子程序檢測受油器設(shè)備上測溫電阻模擬信號(hào)，防止設(shè)備旋轉(zhuǎn)時(shí)摩擦產(chǎn)生熱量，保護(hù)設(shè)備可靠運(yùn)行，當(dāng)超過設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)停機(jī)報(bào)警，保證在無人狀態(tài)下自動(dòng)可靠運(yùn)行。

(5)漏油計(jì)算子程序。通過計(jì)量桶上液位變送控制器反饋液位信號(hào)，計(jì)算漏油達(dá)到規(guī)定液位所需時(shí)間，計(jì)算出單位時(shí)間下液體漏油量，兩個(gè)計(jì)量桶自動(dòng)切換，程序自動(dòng)修正計(jì)量誤差系數(shù)，提高計(jì)量精度，通過漏油計(jì)算數(shù)值，更改設(shè)備密封方式及材質(zhì)，提高設(shè)備的密封性能和旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

(6)故障處理子程序。為保證整個(gè)受油器液壓泵站系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行，安全保護(hù)環(huán)節(jié)在軟件和硬件兩方面進(jìn)行。即在控制系統(tǒng)中采取安裝過載保護(hù)、短路保護(hù)、液壓系統(tǒng)中壓力開關(guān)、流量開關(guān)、液位開關(guān)，在轉(zhuǎn)軸上安裝測溫電阻、旋轉(zhuǎn)編碼器等硬件措施。在軟件方面，通過旋轉(zhuǎn)編碼器給PLC輸入信號(hào)，隨時(shí)監(jiān)測電機(jī)的轉(zhuǎn)速，PLC通過模擬量輸出，控制變頻器輸出頻率自動(dòng)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，使設(shè)備轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值;PLC還隨時(shí)監(jiān)測壓力、液位、流量、溫度輸入信號(hào)，當(dāng)信號(hào)發(fā)生變化超過設(shè)定值時(shí)，報(bào)警停止設(shè)備運(yùn)行，保證設(shè)備及人身安全，只有在故障排除以后，信號(hào)復(fù)位正常，系統(tǒng)才能正常工作。

7 PLC應(yīng)用的效果分析

使用PLC可編程序控制器，其系統(tǒng)內(nèi)部包含所需的繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等，減少外部硬件接線，只要滿足正確I/O輸入/輸出信號(hào)即可。設(shè)備工藝的變動(dòng)，可通過更改用戶程序達(dá)到控制設(shè)備要求，PLC軟件帶有模擬實(shí)驗(yàn)功能，可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬調(diào)試，縮短現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間。

PLC可編程控制器與研華工業(yè)計(jì)算機(jī)連接，在顯示器上顯示電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、液壓泵站系統(tǒng)工作壓力、漏油量數(shù)值、設(shè)備連續(xù)工作時(shí)間;并通過顯示器輸入電機(jī)工作頻率、液壓泵站系統(tǒng)工作壓力值等，計(jì)算機(jī)硬盤存儲(chǔ)單位時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)壓力、電機(jī)各種工作狀態(tài)、設(shè)備漏油量等參數(shù)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況提供可靠依據(jù)，可優(yōu)化改進(jìn)設(shè)備性能和質(zhì)量。)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)會(huì)更多地應(yīng)用于可編程控制器上，會(huì)有體積小、運(yùn)算速度快、存儲(chǔ)容量更大、智能性更強(qiáng)的品種出現(xiàn)，PLC產(chǎn)品的品種會(huì)更加豐富、模塊規(guī)格更齊全，隨著PLC價(jià)格的降低、設(shè)備自動(dòng)化程度的提高，以及大規(guī)模工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，PLC可編程控制器與工業(yè)計(jì)算機(jī)作為自動(dòng)化控制和自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)控制重要組成部分，將在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。

8 結(jié)語

現(xiàn)場實(shí)踐證明:將PLC引入受油器試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)，成功解決了頻率、壓力控制問題，且控制方便，可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)直接控制，實(shí)現(xiàn)在無人值守情況下連續(xù)運(yùn)行，跟蹤記錄設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)，通過試驗(yàn)不斷改進(jìn)受油器結(jié)構(gòu)和密封材質(zhì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)品創(chuàng)新填補(bǔ)了國內(nèi)高壓受油器產(chǎn)品的空白。

［1］魯遠(yuǎn)棟．PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)［M］．北京:電子工業(yè)出版社．

［2］陳瑞陽．工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社．

［3］宋小春．從入門到精通:西門子S7-200PLC技術(shù)與應(yīng)用．北京:人民郵電出版社．