水電站自主可控PLC控制系統應用研究

張 堃，周立成，朱 斌，黃真懿，陳 銳

(1. 三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443000； 2. 傲拓科技股份有限公司，江蘇 南京 210012)

隨著自動化技術的高速發展，PLC技術已廣泛應用于水電站自動控制系統，產品多數采用進口知名品牌[1]，當下國際形勢錯綜復雜，技術要實現自主可控，只有加大科技創新才能將關鍵核心技術掌握在自己手里。隨著PLC技術逐步趨于成熟，從內部核心芯片的設計，到外部驅動回路的制造[2]，均可以實現自主可控，本次研究將自主可控PLC設備應用于水電站滲漏排水系統中，確保排水系統的穩定、可靠運行，實現控制系統設備由進口設備向自主可控設備轉型。此次研究選用傲拓科技NJ300系列可編程控制器，NJ300 PLC核心CPU采用中科院龍芯處理器，操作系統采用開源LINUX操作系統，滿足PLC產品自主可控的要求，滲漏排水控制系統外部回路設計全部采用自主可控元器件，最終實現自主可控PLC滲漏排水控制系統[3-4]。

1 PLC介紹

傲拓科技NJ300系列可編程控制器，除具有一般PLC的優點外，在系統體系結構、功能、可靠性等方面具有如下的特點：

1.1 硬件特點

1)自主可控。NJ300 PLC核心CPU采用嵌入式低功耗高性能32位處理器，主頻266 MHz，內存不小于8M的超大內存中科院龍芯處理器，操作系統采用開源LINUX操作系統，支持多任務分配，滿足國家對PLC產品自主可控的要求。

2)環境適應能力強。NJ300系列PLC是一款寬溫型產品，低溫可達零下40℃，高溫70℃，產品經過三防處理，滿足潮濕、鹽霧等極其惡劣環境的使用，體現了NJ300 PLC極強的環境適應能力。

3)性能穩定。供電電源采用冗余結構設計；用戶應用程序、系統參數等數據能永久保存到PLC中，并且存儲不依靠電池；所有模塊(包括CPU和電源)都支持帶電熱插拔方便維護，并且所有模塊在總線背板上可以任意安裝；CPU模件集成雙以太網接口(節省了網絡模件)，可實現網絡冗余。

1.2 軟件特點

NJ300所使用的編程軟件NAPro是南大傲拓自主開發的PLC編程軟件，符合IEC61131-3國際標準的編程語言及獨創的順序控制圖語言，支持在線調試、在線下載、離線仿真功能程序開發更快捷，與其它品牌編程軟件相比具有以下特點：

1)NAPro邏輯編程軟件自帶實時曲線錄波功能和離線仿真功能，具有獨創的順序控制圖(SCC)編程語言，具備多項目管理功能和獨立數據存儲空間；

2)冗余CPU的主從切換可以通過軟件中的系統切換專用指令(SWITCH)進行CPU切換，大大降低了主從切換的局限性；

3)軟件自帶PLC變量測點表: PLC變量測點表可以統計每個測點的使用次數，能有效避免測點使用重復后帶來的邏輯錯誤。

1.3 國內外產品對比

國內南大傲拓NJ300系列產品與國外進口同檔次的產品進行對比，如表1所示。

表1 國內外產品參數對比

2 控制系統應用設計

滲漏排水系統是水電站的重要設備，負責將水電站集水井中的滲漏水排出，確保水電站機組可靠、穩定運行，防止水淹廠房的特大事故發生。在進行水電站排水系統應用設計時建立在以下原則上進行設計：

1)系統設計必須穩定、可靠，具備冗余功能；

2)水位到達啟泵水位時啟泵，到達停泵水位時停泵；

3)系統故障或者水位達到超高水位時，具備報警功能；

4)集水井檢修時，可以將集水井水全部排水；

5)水位值必須實時監控。

2.1 硬件設計

滲漏排水控制系統PLC硬件配置如表2所示，控制回路外部元器件、導線及模件均采用國產品牌。

表2 硬件配置

2.2 控制回路設計

2.2.1 電源設計

電源控制回路電氣原理設計如圖1所示，該控制系統采用雙電源冗余結構，兩路AC220 V電源分別取至不同的母線，每一個電源回路均設置了保護裝置，電源裝置PS1、PS2將進線電源轉化為24 V電源，經切換裝置VD1后，供控制回路使用，電源采用冗余結構設計，確保控制回路供電的可靠性[5]。

圖1 控制電源原理圖

2.2.2 控制回路設計

1)水位值顯示設計。水位值采用三種顯示功能設計：第一種現地傳感器直接送遠方監控系統，供遠方監控系統水位顯示；第二種現地傳感器經過帶顯示功能的隔離變送器顯示；第三種經PLC控制系統計算后觸摸屏顯示，三種顯示冗余功能確保了水位值實時監視，確保水位值正常[6]。

2)控制原理設計。控制信號源液位計(模擬量)和液位開關形成多冗余，PLC控制、常規回路控制形成多層級冗余，分三級控制，控制系統原理如圖2所示，電氣設計控制如圖3，圖4所示。

圖2 控制系統原理圖

一級控制回路設計：液位計模擬量信號輸送至隔離變送器，由隔離變送器設定輸出一路模擬量信號和三路開關量信號；隔離變送器輸出的模擬量信號轉送至PLC，經PLC處理后判定啟停泵定值，驅動開出回路，啟停排水泵。

二級控制回路設計：水位模擬量信號經隔離變送器設定輸出的三路開關量接點信號，定義為水位高、水位低、水位過高，定值與PLC內水位高啟泵、水位低停泵、水位過高報警的定值相同，當PLC故障時可自動啟、停水泵、水位過高報警。

三級控制回路設計：三路液位浮子開關量信號分別定義為水位高、水位低、水位過高。其中的水位高開關量的定值比PLC和隔離變送器啟泵定值稍高，用于當液位模擬量傳感器故障時，PLC和隔離變送器均無法啟泵時，后備啟泵；水位低開關量的定值比PLC和隔離變送器停泵定值稍低，用于當液位模擬量傳感器故障時，PLC和隔離變送器均無法停泵時，后備停泵；水位過高開關量的定值比PLC和隔離變送器水位過高報警定值稍高，用于當液位模擬量傳感器故障時，PLC和隔離變送器均無法對水位過高報警時，后備水位過高報警。

3)控制回路設計。根據控制原理圖，電氣控制回路設計如圖3、圖4所示。

圖4 電氣設計控制(2)

滲漏排水系統電氣控制回路K4繼電器采用雙線圈繼電器，確保控制系統的穩定，一級控制回路設計時PLC正常運行，KA9繼電器得電，到達啟泵水位時啟泵繼電器KA5、KA7動作，停泵時KA6、KA8停泵繼電器動作；二級回路設計時PLC故障，KA9繼電器失電，切換至隔離變送器SHX1、SHX2開關量節點控制；三級控制回路設計時前兩路均故障，直接通過圖3中的開關量K1、K2、K3進行排水泵的啟停控制和報警，實現三種冗余控制方式。

圖3 電氣設計控制(1)

3)啟停泵控制順序。排水系統啟停泵時，分為模擬量和開關量啟停泵，自動控制方式時，到達PLC啟停泵水位時啟停泵，PLC出現故障時，到達隔離變送器啟停泵水位時啟停泵，前兩者均出現故障時，達到開關量啟停泵液位整定值時啟停泵。開關量啟停泵是模擬量出現故障時的后備保護，形成冗余結構布置，啟停泵原理如圖5所示，定值設定如下：

圖5 啟停泵控制原理圖

啟泵：考慮啟泵延時作用，PLC啟泵定值低于隔離變送器啟泵定值5 cm，隔離變送器啟泵定值低于開關量啟泵液位整定定值5 cm。

停泵：PLC停泵定值高于隔離變送器設置停泵定值5 cm，隔離變送器啟泵定值高于開關量啟泵液位整定定值5 cm。

4)報警功能。故障報警能夠提醒維護人員對現場故障及時處理，確保控制系統穩定運行。水電站排水控制系統報警設計時，同樣采用冗余設計，觸摸屏故障閃爍顯示故障報警信息、故障報警閃爍指示燈、蜂鳴器故障發生器，三種故障輸出方式確保故障信息能夠及時送達維護人員。

2.3 小 結

滲漏排水系統控制回路在設計時，控制電源、水位值顯示功能、啟停泵控制回路、報警功能均采用冗余結構設計，確保了控制系統的穩定可靠。

3 結 語

通過對自主可控PLC的研究以及排水系統的冗余控制設計后，并將研究結果應用于水電站滲漏排水控制系統中，設備應用后控制功能運行穩定、可靠，順利實現水電站滲漏排水控制系統設備由進口向自主可控轉型，為自主可控PLC在水電站相關設備應用提供了理論數據與應用先例，核心技術自主可控，才能將大國重器牢牢掌握在自己手里。