S7—200型PLC在丹江口水電站壓油裝置中的應用

【摘要】丹江口水電站壓油裝置采用的是北京碩宇新技術研究所研制的交流電機固態(tài)控制器SGK-100AL，設備的控制部分由主監(jiān)控系統(tǒng)承擔。由于元器件嚴重老化且相關備件已停產(chǎn)，嚴重威脅到機組的安全穩(wěn)定運行，于是進行改造，改造后的壓油裝置現(xiàn)地控制設備采用西門子S7-200型PLC為控制核心，不僅解決了傳統(tǒng)油泵電機控制回路存在的安全隱患而且實現(xiàn)了自動補氣功能。

【關鍵詞】S7-200；PLC；油壓；油位；補氣

1.引言

丹江口水電站位于湖北省丹江口市漢江與其支流丹江匯合口下游800m處，擔負著防洪、發(fā)電、航運三大職能，因水質(zhì)優(yōu)良而成為南水北調(diào)中線工程的水源地。丹江口水電站裝設有6臺15萬kW混流式水輪發(fā)電機組，總?cè)萘繛?0萬kW，年平均發(fā)電量38.3億kW·h。自1968年第一臺機組投產(chǎn)發(fā)電以來，就擔負著華中電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用任務，現(xiàn)由湖北電網(wǎng)調(diào)度。從1992年開始，丹江口水電站著手實施6臺機組的增容改造，截止2013年4月已完成6臺機組增容，改造后的機組總裝機容量將達到105萬kW。

壓油裝置是水電站水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)中不可缺少的重要輔助設備，由它產(chǎn)生并貯存高壓油，提供調(diào)速器操作所需要的壓力油，是機組啟動、停機、調(diào)節(jié)負荷的動力能源。壓油裝置的可靠運行是機組實現(xiàn)自動控制的必備條件，是發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行的保證。

PLC全稱可編程控制器，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術、計算機技術和通信技術融為一體，因其功能強、可靠性高、體積小、維護方便，廣泛應用于工業(yè)控制領域。本文主要討論S7-200型PLC在丹江口水電站壓油裝置中的應用。

2.改造前設備概況

2.1 設備概況

丹江口水電站壓油裝置控制系統(tǒng)原為北京碩宇新技術研究所研制的交流電機固態(tài)控制器SGK-100AL，受控設備為2臺油泵，2個卸載閥。工作過程為監(jiān)控現(xiàn)地控制單元（LCU）接收壓油罐電接點壓力表的起泵和停泵信號，經(jīng)過內(nèi)部控制流程分析判斷，通過繼電器開出來控制固態(tài)控制器（SGK）中可控硅的通斷，由此來啟動或停止油泵電機，使壓油罐壓力恒定，壓油罐油位保持正常。當現(xiàn)地控制單元故障時，油泵控制權自動切換到機組順控裝置（PLC），由PLC來完成油泵的起停控制。

2.2 改造原因

（1）設備已運行17年，SGK元器件嚴重老化，相關備品備件已經(jīng)不再生產(chǎn)。

（2）近年來設備故障頻繁且呈上升趨勢，維護工作量大。

（3）部分壓力表接點粘連造成信號動作或復歸時接點抖動，影響I/O模件正常工作。

（4）監(jiān)控系統(tǒng)承擔著設備的控制任務，一旦監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓，壓油裝置將無法正常工作。

（5）不具備遠方監(jiān)視油壓、油位測量值功能。

（6）不具備自動補氣功能，需運行人員手動進行補氣。

綜合以上原因廠里決定在機組檢修期間對壓油裝置進行更新改造，鑒于PLC在工業(yè)控制領域的廣泛應用和良好的用戶口碑，新的壓油裝置采用西門子S7-200型可編程控制器，改造后的壓油裝置與電站主監(jiān)控分離擁有自己獨立的控制系統(tǒng)。

3.S7-200型PLC壓油裝置控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構（如圖1所示）

改造后的壓油裝置現(xiàn)地控制設備采用西門子S7-200型PLC為控制核心，通過2臺ABB軟啟動器實現(xiàn)電機的啟動和停止。自動化采集元件由油壓變送器、油位變送器、壓力開關和液位開關組成，模擬量與開關量雙路控制，這種并聯(lián)冗余配置提高了檢測信號的可靠性。自動化采集元件將油壓和油位信息送至PLC，由PLC對采集到的數(shù)據(jù)進行計算和處理，根據(jù)控制程序中所設定的參數(shù)實現(xiàn)壓油裝置的自動控制，同時將運行結(jié)果反饋給PLC進行智能判斷，形成閉環(huán)控制。壓油裝置裝設有2臺電機，1臺為主用泵，1臺為備用泵，PLC自動進行主備輪換的判斷，并將泵的主用值、設備的運行狀態(tài)和報警信息顯示在壓油裝置現(xiàn)地控制設備的觸摸屏上，授權用戶可在觸摸屏上對相應定值進行設定。

設備運行過程中有故障信號，現(xiàn)地控制單元對應的報警燈會點亮，同時PLC將故障信號送至監(jiān)控LCU，通過監(jiān)控網(wǎng)絡將壓油裝置的運行情況送至中央控制室，實現(xiàn)設備的遠程監(jiān)視。同時在監(jiān)控LCU的觸摸屏上也能觀察到設備的運行情況。

圖1 壓油裝置控制系統(tǒng)結(jié)構

3.2 系統(tǒng)自動化元件配置及工作原理

（1）壓力變送器

型號：PTSS11-21

電源：24VDC

量程：0～4Mpa

輸出：4～20mA

精度：0.2

（2）油位變送器

型號：PDT21-10-TV

電源：24VDC

量程：0～10kpa

輸出：4～20mA

精度：0.2

油壓/油位變送控制器將4～20mA的模擬量信號送至PLC的模擬量模塊，由PLC進行模擬量的計算和處理，然后將處理過的油壓、油位模擬量信號送至監(jiān)控現(xiàn)地控制單元LCU。PLC根據(jù)控制程序中設定的壓力值和油位值對油泵電機及自動補氣裝置進行控制。

模擬量輸入量程的具體設值見表1。

表1 模擬量輸入量程設值

零點AD量程AD顯現(xiàn)零點顯現(xiàn)量程

油罐壓力6395321120Mpa4Mpa

油罐油位6426320600米1米

（3）壓力開關

型號：YZVXC150B

量程：0～4kpa

精度：1.6

（4）磁翻板及液位開關

磁翻板型號：EF316C1H216-1080GM

環(huán)境溫度：-10℃～140℃

長度：1080mm

法蘭：DN25PN4.0

液位開關型號：EFB-1420

壓力開關、液位開關采集的是開關量。原電接點壓力表受外界振動環(huán)境影響，定值會偏移，更換的注油式壓力表經(jīng)過幾個月的運行，狀況穩(wěn)定。壓力開關（電接點壓力表）、液位開關根據(jù)功能不同進行相應定值設定，當壓力或油位達到相應值時，接點閉合發(fā)出信號至PLC進行判斷從而實現(xiàn)對油泵及自動補氣裝置的控制。

壓力變送器和壓力開關的具體設值見表2所示。

表2 壓力變送器和壓力開關的設定值

主動啟用備用啟動停止自動壓力過高手動壓力過高低油壓停機

2.32.252.52.552.651.65

3.3 油泵控制

由ABB軟啟動器直接驅(qū)動油泵的啟動和停止。當油壓降低到工作壓力下限值2.3Mpa時，啟動主用泵向壓力油罐供油，油壓恢復到工作壓力上限值2.5Mpa時，油泵停止工作。在啟用主用泵工作的情況下，此時如果主用泵發(fā)生故障，或者調(diào)速系統(tǒng)需連續(xù)供油等原因，使壓力油罐內(nèi)油壓繼續(xù)降低到低于工作油壓下限2.25Mpa時，啟動備用泵向壓力油罐供油，直至壓力油罐內(nèi)油壓達到工作壓力上限2.5Mpa時，主用泵和備用泵停止工作。當壓力低于1.65Mpa時向監(jiān)控發(fā)“低油壓停機”信號，同時監(jiān)控系統(tǒng)啟動低油壓事故停機流程，事故停機。

3.4 壓力過高脫扣

自動狀態(tài)下當壓力超過2.55Mpa時由PLC流程開出信號驅(qū)動跳閘繼電器同時跳2臺泵軟啟電源空開，并發(fā)“油壓過高”信號。手動狀態(tài)為避免人為疏忽造成壓力過高異常現(xiàn)象，回路設計當壓力達到2.65Mpa時直接驅(qū)動軟啟空開跳閘線圈脫扣，切斷油泵電機工作電源。

4.壓油裝置控制系統(tǒng)運行方式

油泵的工作方式分為三種情況：兩臺泵都在手動控制狀態(tài)，兩臺泵都在自動控制狀態(tài)，一臺泵在手動控制狀態(tài)另一臺泵在自動控制狀態(tài)。控制方式由控制開關把手設定。控制開關有自動、切除、手動三個位置。

（1）都為手動：2臺泵控制把手切至“手動”位置，由操作人員現(xiàn)地手動啟動停止相對應油泵。

（2）都為自動：2臺泵控制把手切至“自動”位置，由PLC控制泵的動作，包括啟動主用、啟動備用、主備輪換。

在PLC程序中設定主用泵和備用泵一次一輪換運行。只要處于自動條件下的兩個泵同時停止，便可交換主用編號，為下一次啟動做準備。

（3）一手動一自動：PLC僅對工作在自動方式的泵進行控制，包括啟動主用、啟動備用，在此情況下主備輪換無效。

每進行一次手、自動切換由PLC程序內(nèi)部判斷并將各種信號復位。當選擇開關置于切除位置時，油泵立即停止運行。

5.結(jié)束語

PLC在丹江口水電站壓油裝置控制系統(tǒng)中的應用提高了設備的綜合自動化水平，解決了原壓油裝置存在的安全隱患，完善了設備功能，自2012年8月投運以來，設備運行情況良好，故障率低，維護方便，充分滿足生產(chǎn)實際需要，是發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行的保證，值得在水電站主、輔設備中廣泛推廣應用。

作者簡介：劉燕（1981—），女，工程師，研究方向：水電廠監(jiān)控系統(tǒng)及自動化控制。