PLC在變壓器冷卻裝置中的應用

張晨冬

(株洲冶煉集團股份有限公司,湖南株洲 412004)

·機械設備·

PLC在變壓器冷卻裝置中的應用

張晨冬

(株洲冶煉集團股份有限公司,湖南株洲 412004)

文章介紹了變壓器冷卻裝置的工作原理及采用PLC對冷卻裝置控制的原理。詳細介紹了可編程控制器(PLC)的主要組成部分,西門子公司S7-200系列CPU226的功能及特點、軟件編程,EM231的配置,TD-200顯示器的組態。PLC依據變壓器的油溫調整冷卻裝置運行臺數,達到冷卻裝置自動運行及節約電能的目的。

冷卻器;PLC;自動;油溫

變壓器油風冷卻裝置是變壓器的重要組成部分,它的運行是否正常直接影響變壓器的安全運行。由于變壓器油風冷卻裝置的控制部分大多采用繼電器控制,其接線多而復雜、體積大、功耗高、可靠性低、維護量大,其故障甚至導致變壓器停止運行,嚴重威脅電力系統的安全運行。

隨著計算機技術和數據通訊技術的發展,以微處理器技術為基礎的可編程控制器(PLC)不斷發展和完善,使得PLC已經成為電氣自動控制系統中應用最為廣泛的核心裝置,在工業自動控制領域占有十分重要的地位。PLC是專為工業控制而設計的,采用可編程的存儲器,執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算操作等面向用戶的指令;并通過數字式或模擬式的輸入/輸出來控制各種機械或生產過程。PLC在性能上大大優于傳統的繼電器控制,除了具有可靠性高(平均無故障運行時間可達10萬小時以上)、編程方便、維修方便、體積小、擴展時原系統改變小、功耗低、較強的通訊功能外,而且還具有如下特點:計算機代替繼電器控制盤、用程序代替硬接線、輸入/輸出電平可與外部裝置直接相連、結構易于擴展。

1 油風冷卻裝置及其控制系統

變壓器在運行過程中由于存在鐵芯損耗及線圈的銅損,將產生較大的熱量,這些熱量使變壓器的油

四臺獨立的油風冷卻裝置組成了冷卻裝置組,各臺油風冷卻裝置通過閥門與總匯流管并聯連接。每臺油風冷卻裝置由兩臺三相交流380 V、1.5 kW風扇電機及一臺三相交流380 V、3 kW潛油泵電機組成,風扇電機、潛油泵電機控制回路設有轉換開關、接觸器、斷路器、油流繼電器和熱繼電器等繼電器元件,PLC主控單元根據油溫的變化確定油風冷卻裝置的運行或停止,PLC能夠在線監測油風冷卻裝置的運行狀況,發現故障及時報警。

2 系統結構及I/O分配

根據系統實現的功能和設備技術要求,采用西門子S7—200 CPU226(24輸入/16輸出),模擬量擴展模快EM231 RTD(4輸入/無輸出)、TD200顯示屏。系統框架圖如圖1所示。

圖1 冷卻器系統結構圖

西門子公司S7—200系列的CPU226功能具有大、中型PLC的水平,而價格卻和小型PLC價格一樣。其模塊包括一個中央處理單元、電源以及數字I/O點,這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。CPU負責執行程序,以便對工業自動化控制任務或過程進行控制。輸入部分從現場設備中采集信號,輸出部分則輸出控制信號,控制工業過程中的設備。主要特點表現在以下幾個方面:(1)主機輸入和輸出點數為40點,最大可擴展為248點數字量或35點模擬量;(2)增加了通訊口的數量,具有兩個 RS—485通訊口,通訊能力大大增強;(3)主機上集成了24 V直流電源,可以直接用于連接傳感器和執行機構;(4)可利用EEPROM存儲模塊存儲用戶程序和部分數據,無須用鋰電池進行掉電保護;(5)用STEP7-Micro/Win32編程軟件進行編程的用戶程序,利用通訊設備非常方便地下裝到PLC主機的存儲器RAM中或將PLC中程序上裝到計算機中進行修改;(6)可帶7個擴展模塊,用戶程序存儲量為6.6K字;(7)具有PPI、MPI通訊協議和自由方式通訊能力。

輸入端子分為兩組,第一組輸入端子由I0.0～I0.7、I1.0～I1.4共13個輸入點組成,每個外部輸入的開關信號均由各輸入端子接出,經一個直流電源終至公共端1M,第二組輸入端子由I1.5～I1.7、I2.0～I2.7共11個輸入點組成,每個外部輸入的開關信號均由各輸入端子接出,經一個直流電源終至公共端2M,由于是直流輸入模塊,所以采用直流電源作為檢測各輸入接點狀態的電源。M、L+兩個端子提供DC24V/400mA電源作為模擬量擴展模快EM231的工作電源。輸出端子為繼電器輸出方式,所以既可帶直流負載也可帶交流負載,負載的激勵源由負載性質確定。PLC輸入輸出點列于表1。

表1 PLC輸入輸出點

配置EM231 RTD:EM231熱電阻模塊為S7—200連接各種型號的熱電阻提供了方便的接口。它也允許S7—200測量三個不同的電阻范圍,連接到模塊的熱電阻必須是相同的類型。

組態EM231RTD使用DIP開關可以選擇熱電阻的類模型塊、接線方式、溫度測量單位和傳感器熔斷方向。熱電阻模塊EM231與PT100熱電阻傳感器采用4線連接,此連接方式精度最高。可以通過設定DIP開關1、2、3、4、5來選擇RTD的類型。DIP配置開關位于模塊的底部,要使DIP開關設置起作用,需要重新給PLC或用戶的24V電源上電。

3 軟件編程

PLC梯形圖程序采用西門子 STEP7-Micro/ Win32編程軟件編寫,在編輯程序過程中具有簡單語法檢查功能。利用此功能可提前避免一些語法和數據類型方面的錯誤;具有用戶程序的文檔管理和加密等功能;還可以直接用編程軟件設置PLC工作方式、運行參數以及進行運行監控和強制操作等。軟件功能的實現可以在聯機工作方式下進行,部分功能的實現也可以在離線工作方式下進行。聯機方式下可直接針對相連的PLC進行操作,如上裝和下載用戶程序和組態數據等。離線方式下不直接與PLC聯系,所有程序和參數都暫時存放在計算機磁盤上,等聯機后再下載到PLC中。程序主要由以下幾部分組成:(1)總電源的自動投入程序,默認1#總電源自動投入運行,在1#電源故障情況下,經過一定的延時投入2#總電源運行;(2)變壓器油溫、控制箱內溫度模擬量采集初始化;(3)設定各寄存器、計時器、冷卻器啟動溫度、冷卻器停止溫度、總電源工作模式、冷卻器工作模式、通訊方式等參數初始值; (4)冷卻器按變壓器油的溫度自動投入運行、停止運行程序;(5)兩路總電源均有故障時,變壓器停止運行程序;(6)冷卻器故障提示程序。

當油風冷卻器采用PLC自動控制時,1#總電源自動投入運行,當工作電源有故障時,自動延時切換至另一路正常的電源工作,如果兩路電源同時出現故障,則將延時一段時間,迫使變壓器停止運行;冷卻器的自動運行,主要是根據變壓器當時的油溫來決定,冷卻器自動運行時的設定溫度與冷卻器自動停止時的設定溫度,兩者存在一定的差值,大約相差15～20℃,主要是為了避免冷卻器的頻繁啟動。該程序設有手動控制部分,一旦PLC失效,總電源、油風冷卻器仍能在手動情況下繼續工作。解決了一旦PLC故障,將引起整個系統癱瘓的問題。

其軟件編程流程圖如圖2所示。

TD200是西門子公司生產的、可以與S7—200相連的20字符的雙行文本顯示器,使用TD200向導程序進行編程,能很方便地顯示所需要的文本信息和數據。TD200為監控數據、修改參數提供了一個價格低廉的人機界面。

TD200與S7—200通訊采用一對一網絡配置, TD200用 TD200提供的 TD/CPU電纜與S7—200 CPU通訊并由S7—200 CPU供電。

TD200是一個文本顯示設備,顯示 S7—200 CPU允許的信息,不必對 TD200進行組態和編程,唯一存儲在TD200里的操作數是TD200地址、CPU地址、波特率和參數塊的位置。TD200的組態存儲在CPU可變存儲器(V存儲器)里的一個TD200參數內。TD200的操作數,例如語言、更新速率、信息和信息使能位,存儲在CPU中TD200參數塊內。

STEP7-Micro/Win提供一個“TD200向導”,它便于在S7—200 CPU數據存儲區中組態參數塊和信息。在完成選擇項的選擇和信息的建立后, TD200組態向導自動把參數塊和信息文本寫入數據塊編輯器,然后將數據塊下裝到CPU中。TD200組態向導建立了一個包含 TD200參數塊和消息的數據塊,可以打開數據塊編輯器來游覽向導格式化了的參數塊和消息。

上電后,TD200從CPU讀參數塊,對所有參數均進行合法性檢查。如果一切合格,TD200開始主動輪詢信息使能位以決定要顯示的信息,并從CPU讀取信息,然后顯示信息。

4 應用效果

株洲冶煉集團股份有限公司電力自動化中心220 kV變電站于2005年9月應用了PLC控制的變壓器油風冷卻裝置,該裝置應用在一臺額定電壓為220 kV、額定容量為90MW的電力變壓器油風冷卻裝置中。該裝置使用一段時間以來,取得了較好的效果,在穩定性、靈敏度、故障率等方面較繼電器的控制有較大的優勢,特別是冷卻器能夠根據變壓器的油溫進行自動運行,減少了冷卻器的運行臺數,以及冷卻器運行的總時間,節約了大量的電能。公司電力負荷實行分時供電,即在整個電網的用電高峰時,電力負荷小;在整個電網的用電低谷時,電力負荷大;這樣一來,變壓器負荷峰谷差相當大,峰谷差值一般達到1∶2.5,最大時達到1∶3,變壓器的油溫也隨著電力負荷的變化而變化,變壓器在高負荷時,變壓器油溫高達80℃,而變壓器在低負荷時,變壓器油溫低至20℃,如果冷卻器不實行根據變壓器的油溫進行自動控制,冷卻器將持續不間斷運行,在變壓器低負荷時段,冷卻器將浪費大量的能源。冷卻器自動運行時的設定溫度與冷卻器自動停止時的設定溫度,兩者之間必須存在一定的差值,大約相差15～20℃,主要是為了避免冷卻器的頻繁啟動。冷卻器自動運行時的設定溫度要根據環境溫度的不同、負荷的大小來設定,主要根據溫升的速率來決定。一般來說,冷卻器自動運行時的設定溫度,夏季要比其他季節時低,負荷高時比負荷低時低。

修改冷卻器自動運行及自動停止的油溫值是非常方便的,同時也可以方便地修改冷卻器工作電源全停時,引起變壓器跳閘的延時時間等運行參數。修改運行參數時:按住文本顯示器TD200[F3]功能鍵,使參數設定信息行顯示,按向下鍵,直到需編輯參數行,按回車鍵,通過密碼校驗后,再按回車鍵,就可以用上/下鍵修改參數。修改參數正確后,按回車鍵,待全部修改結束,按[F4]鍵使參數信息行退出顯示,程序就可以按新的參數運行了。

圖2 軟件編程流程

5 結 論

采用可編程序控制器(PLC)、文本顯示器解決了變壓器油風冷卻器根據油溫變化的自動運行,使變壓器油風冷卻器運行穩定性進一步得到提高,且節約了大量的電能。因此,可編程控制器在工業自動控制領域將會有很好的應用前景,而可編程序控制器的發展,也將推動工業自動控制達到更高的水平。

[1] 王永華.現代電氣控制與PLC應用技術[M].北京:航空航天大學出版社,2006.

Application of PLC in the Cooling Equipment of Transformer

ZHANG Chen-dong
(Zhuzhou S melter Group Co.,Ltd,Zhuzhou412004,China)

The paper introduces the principle of the cooling equipments of transformer and PLC control of cooling equipments.It introduces the details of Siemens S7-200 such as the main components,the function,feature and programming.It also introduces the details about the configuration of EM231 and TD-200.PLC adjusts the number of cooling equipments in term of the oil temperature of transformer so that the cooling equipments work automatically and the power energy can be saved.

cooling equipments;PLC;automatic control;oil temperature

TH86

A

1003-5540(2010)02-0051-05

張晨冬(1965-),男,工程師,主要從事電氣設備自動化控制技術管理工作。溫上升,嚴重影響變壓器的安全運行。油風冷卻裝置采取強迫油循環、風冷卻來降低變壓器的油溫,其工作原理為:從變壓器油箱上部匯油管輸入的載熱油進入油風冷卻裝置,將熱量傳遞給由風扇帶動的運動空氣,冷卻后的變壓器油通過油泵加壓,經下部匯油管重新進入變壓器油箱吸收熱量,依此循環。

2009-11-20