PLC在小型水電站自動化控制中的應用設計分析

周靈桂

(安?？h河湖灌溉服務中心，江西 安福 343200)

0 引 言

隨著電子技術的發(fā)展，PLC(可編程控制器)在水電站自動化控制中的應用具有繼電設備少、接線簡單、控制功能強、可靠性高、配置靈活、使用與維護方便、編程簡單、易于擴展的特點，越來越受到小水電站自動化設計人員的青睞，因而廣泛地應用在水電站的自動控制中。

PLC在水電站自動化設計中主要實現的功能有：數據采集與處理功能(其中包括模擬量的采集、開關量的接入與一些綜合量的采集)，控制與調節(jié)功能，控制操作安全功能，安全運行監(jiān)視功能，數據通訊功能，運行日志記錄與故障信息的存儲與查詢等自動化功能。

1 概 述

江西省安?？h西江頭水電站是1座建于20世紀70年代的老電站，裝有630 kW+250 kW的2臺臥式混流式低壓(0.4 kV)發(fā)電機組，設計水頭27.5 m。機組的輔助設備不多，沒有復雜的油、氣、直流系統(tǒng)，電氣保護只采用常規(guī)的發(fā)電機過壓、過流、缺相、機組過速等常用的保護，勵磁系統(tǒng)采用可控硅勵磁調節(jié)系統(tǒng)，調速器采用的是手電動調速器，進水閥采用的是手電動蝴蝶閥，剎車采用氣動剎車系統(tǒng)(電磁閥控制剎車)。

2 設計目標

本次改造設計的主要目標為：在PLC與觸摸屏配合控制下機組能夠實現一鍵自動開停機操作，實現機組的常規(guī)保護；在故障時能夠及時報警；事故情況下能夠緊急停機等功能。另外，在PLC與觸摸屏故障或關閉的情況下也能夠獨立正常運行與開停機操作。

3 自動化設計分析

3.1 設計準備

首先需要熟悉電站各電氣設備、水機設備的操作步驟、電氣原理以及保護要求等基礎資料，熟悉機組開關機操作流程以及操作過程中的注意事項，理清設計思路，確保程序設計的準確與完整。

3.1.1 確定開機流程

(1)開機流程

①開機前準備：檢查機組無事故信號(如有事故信號，故障處理事復歸)、隔離刀閘確保在合位、斷路器在分位、勵磁開關合位、剎車已經解除、同期方式(自動開機在自動位，手動開機時在手動位)。

②開啟蝴蝶閥至全開位。

③緩慢開啟導葉開度(自動開機時根據機組轉速高低自動點動開關調節(jié))。

④檢測機組轉速接近50 Hz時啟動起勵回路，機端電壓達到自動起勵電壓后起勵退出，然后自動調整機組電壓、頻率與網電同步(手機時手動調節(jié)勵磁與導葉開度)。

⑤機端電壓穩(wěn)定后啟動斷路器貯能(一次點動)。

⑥在機組電壓、頻率與網電電壓、頻率接近時投入同期裝置電源，同期裝置監(jiān)測到滿足同期條件時給出合閘信號進行斷路器合閘。

⑦關閉同期裝置電源，設定機組功率因數運行模式(自動時可以設置恒功率因數或恒勵磁電流，手動時手動調節(jié)恒勵磁電流)，然后逐步提高機組出力至發(fā)電運行態(tài)。

(2)設置一鍵自動開機

啟動一鍵開機后自動檢測開機準備條件，符合開機條件后自動按開機流程開機，執(zhí)行某項操作流程時如不符合執(zhí)行條件則停止操作流程并顯示不符合條件內容。

(3)設置手動開機

開機每一流程觸摸屏上都有操作按鈕，操作前自動檢查每一流程的操作條件，設置不符合操作條件時拒絕操作限制。

3.1.2 確定停機流程

(1)正常關機流程

發(fā)電運行態(tài)→導葉開度關至0(同時調節(jié)功率因數至1)→斷路器分閘→滅磁→關閉蝴蝶閥→啟動剎車→機組停機態(tài)。

(2)設置一鍵自動關機

啟動后自動減負荷減無功，待有功為0、功率因數為1后分斷路器→滅磁→關蝴蝶閥→啟動剎車。

(3)設置手動關機

手動關導葉開度減負荷至0同時減無功至功率因數為1→斷路器分閘→滅磁→關蝴蝶閥→剎車，觸摸屏上每一項操作都有相應操作按鈕。

(4)設置緊急停機

在機組或電網故障發(fā)生時能夠及時觸發(fā)緊急關機程序(控制屏上設置手動緊急停機按鈕)。緊急關機程序是一套獨立的程序，能滿足最快的關機操作：立即跳斷路器，同時利用系統(tǒng)網電或發(fā)電機端電壓關閉導葉開度、蝴蝶閥，然后啟動剎車系統(tǒng)對機組剎車(各受控設備操作電源設置網電電源與本機電源自動切換電路)，發(fā)電機轉速低于額定轉速的30%時再自動滅磁。

3.1.3 確定發(fā)電機保護方式

電氣保護可以采用微機發(fā)電機后備保護測控裝置的輸出接入PLC裝置來實現。

水輪機軸瓦與發(fā)電機的溫度可以利用溫度巡檢儀的輸出信號接入PLC來實現報警或事故停機。

3.1.4 確定PLC對模擬量數據的接入方式

機組運行頻率、電壓、電流、相位等的基礎信息數據可以采用帶RS485接口的多功能電力儀表的輸出數字信號接入PLC來實現。

3.1.5 接入水位信號

根據水位高低自動調節(jié)機組負荷功能，可以利用水位控制器輸出水位過高過低信號接入PLC來控制。

3.1.6 電動設備操作電源設置網電電源與本機電源自動切換電路

開機前利用電網電源供電，發(fā)電機一旦建壓后立即切換為本機電源供電，原理圖如圖1所示。

3.2 確定自動控制設計整體框架圖

確定自動控制設計整體框架圖如圖2所示。

圖2 自動控制設計整體框架圖

3.3 主要設備PLC與觸摸屏的選擇

3.3.1 確定 PLC控制器(設備位置信號、外部指令信號等)輸入回路

輸入回路是PLC進一步控制各路設備操作的前提保障，是PLC的眼、耳、鼻。從這次設計的開停機流程來看PLC需要輸入的信號有：

(1)斷路器與隔離開關信號

(2)勵磁系統(tǒng)信號

(3)微機保護信號

(4)機組測控信號

(5)同期裝置信號

(6)水機回路信號

(7)水位信號

(8)蝴蝶閥位置信號

以上輸入回路信號需要24條，設計原理圖如圖3所示。

圖3 輸入回路設計原理圖

3.3.2 確定PLC控制器輸出回路。

輸出回路是PLC控制各路設備操作、輸出各項功能的橋梁，是PLC的手腳。這次設計主要的設備控制信號有：

(1)斷路器操作回路

(2)勵磁系統(tǒng)操作回路(輸出到勵磁調節(jié)器)

(3)故障報警回路

故障報警信號。

(4)蝴蝶閥控制回路

(5)水輪機操作回路

(6)機組剎車回路

以上輸出回路信號需要16條，設計原理圖如圖4所示。

圖4 輸出回路設計原理圖

從以上可以看出，選擇PLC控制器時必須滿足至少24條信號輸入回路以及16條信號輸出回路，已轉換為數字量的數據采用RS485接口傳遞數據。經考慮配套輔設、擴展性、成本、質量、程序設計方便等方面因素，選用了西門子公司的S7—200SMART—226型號的PLC，配套觸摸屏采用威綸通MT6070iH。

3.4 PLC與觸摸屏程序設計

要充分考慮自動控制的組態(tài)、I/O分配、控制要求、加密、操作權限、數據信息存貯與查詢以及開機畫面、手動畫面、自動畫面、參數設置頁面、I/O監(jiān)控頁面、報警頁面、幫助頁面的設計，觸摸屏顯示界面既要簡潔美觀，保證各項監(jiān)視數據顯示齊全，又要實用與操作方便。

PLC與觸摸屏程序按目標要求編寫好后下載至設備中，然后經多次調試與程序修改，確保程序滿足操作、顯示、查詢等各項指令的正常運行。

3.5 PLC控制系統(tǒng)(含觸摸屏)直流電源設計

本系統(tǒng)(含觸摸屏)采用AC220 V轉DC24 V的電源(采用電網與發(fā)電機雙電源)，開關電源主要考慮它的輸出功率，必須保證所有用電設備的最大額定功率；另外還要考慮輸出電源的穩(wěn)定可靠性與波形質量，詳見圖5。

圖5 系統(tǒng)電源設計原理圖

4 結論與建議

(1)設計前一定要統(tǒng)計好所有的受控設備數量，弄清設備控制原理、調節(jié)方式以及怎樣實現與PLC連接受控，盡可能把所有的控制設備都集成在PLC的直接控制范圍內。

(2)設計前一定要考慮機組模擬量數據怎么實現精準轉化成PLC能夠識別和分析的數字量，程序設計還要考慮數字量的刷新頻率。

(3)指令操作、參數修改、記錄查詢等權限要按不同操作人員設置不同的權限，每一個操作要有操作記錄，方便以后查詢。

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

PLC與觸摸屏等設備的供電。

(5)除在觸摸屏上能實時顯示運行狀況數據外，控制屏上還加裝電流、電壓、功率、功率因數、勵磁電流電壓等監(jiān)視儀表，在觸摸屏或后臺終端故障時也能通過屏面儀表正常查看機組運行狀況。

(6)除在觸摸屏上具備各項操作功能外，還應該在制控屏上獨立設置導葉開度調節(jié)、勵磁調節(jié)旋鈕開關與事故緊急停機、滅磁、剎車等操作按鈕(開關)與PLC控制并行操作，確保在PLC與觸摸屏故障的情況下機組能夠獨立正常運行與手動開停機操作。

(7)自動化制控要充分考慮機組運行各類參數設置、故障報警信息的顯示與查詢，還要考慮機組運行操作幫助查詢以及各類機組運行狀況數據的存貯備份及查詢。