水電站潤滑油控制系統優化

姜 崢，方志毅，占圣榮

（1. 浙江富春江水電設備有限公司，浙江 杭州 311121；2.科潤智能控制股份有限公司，浙江 江山 324100）

0 引言

燈泡貫流式機組潤滑油系統有兩個作用：①在軸承間和滑動部分形成油膜，防止其干摩擦，減少各軸瓦的發熱和磨損，延長壽命。②通過潤滑油的循環，將內部的熱量傳出，經油冷卻器冷卻后，使軸瓦的溫度保持在規定范圍，防止因瓦溫過高導致事故停機或者燒瓦。

潤滑油的循環，是通過軸承回油箱上兩臺互為主備的潤滑油泵，將軸承回油箱的油打至高位油箱，在機組開機時，供油總管上電動球閥打開，高位油箱油由高處自流進入機組各軸瓦，循環后回落至軸承回油箱。潤滑油控制系統則通過高位油箱的液位判斷，控制潤滑油泵的啟停，確保油箱內油位始終保持在正常水平[1]。

1 硬件設計

本次設計在高位油箱本體設置一套磁翻板液位計，配6 個液位開關和1 個液位變送器；一套獨立的浮球液位開關；一個隔離變送器（安裝在端子箱內）。在控制柜布置了PLC 和觸摸屏。選型上，結合工業4.0 的背景和當下國際形勢，工控系統的國產化、自主可控化變成了趨勢，近兩年本公司履約中的水電站機組，其輔助控制系統的核心PLC也由傲拓科技、和利時、浙大中控等國產品牌代替了西門子、施耐德等國外品牌。本次研究選用傲拓科技自主研發的NJ300 系列中型可編程控制器，其核心CPU 采用國產龍芯1B 處理器，采用開源Linux 操作系統，支持電源冗余和以太網冗余，同時控制柜面板配置昆侖通泰TPC1571 觸摸屏，方便現場使用，該套配置也滿足了國家能源集團對工控系統自主安全可控的建設要求[2]。

1.1 PLC 配置

PLC 配置如表1 所示。

表1 硬件配置表

1.2 輸入輸出模塊對應點表

各模塊點位通道分布如表2 所示。

表2 各模塊點位分布表

2 控制回路設計

2.1 控制電源設計

設計原理圖如圖1 所示，進線端采用兩路不同來源的電源，一路AC 220 V 和一路DC 220 V，經開關電源PW1、PW2 轉化后進入冗余模塊VD，最后輸出的DC 24 V 電源，供控制回路和PLC 模塊等設備使用, 此外在開關電源前后支路上設置了監視繼電器(KA1~KA4)，加上冗余模塊的輸入報警信號，可以全方位保護控制回路和設備供電的可靠性[3，4]。

圖1 控制電源冗余設計原理圖

2.2 控制模式設計

（1）顯示方式

高位油箱液位共設置4 種顯示方式：①現地磁翻板顯示；②隔離變送器面板顯示；③經PLC 轉換后在觸摸屏HMI上顯示；④監控系統讀取PLC點表，在上位機顯示。4 種顯示方式既能滿足機組安裝調試時現地觀察，又能滿足機組運行時對液位的實時監控。

（2）控制方式

控制方式共設置3 級：PLC 控制、隔離變送器控制和液位開關控制，三者形成多層級冗余。控制系統原理如圖2 所示。

圖2 控制系統原理圖

PLC 控制方式：現地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二路開關量信號，輸出的模擬量信號轉送至PLC 進行A/D 轉換，PLC 內設置3 組初始整定值，后期現場調試可通過觸摸屏對整定值進行調整，機組開機時，接收到開機脈沖令，啟動主泵，當模擬量值到達設定值的上下范圍，輸出一個寄存點，當液位開關信號同時到達時，開出液位正常停備泵、油位低啟備泵信號，從而控制潤滑油泵的啟停。

隔離變送器控制方式:當PLC 故障或者模擬量模塊故障時，故障信號一路傳送到監控系統，巡檢人員監視液位，若出現液位下降，應馬上到輔控柜，將轉換開關切至現地，手動啟動一臺潤滑油泵，因考慮中控室到輔控柜高層，人員到達時間較長，設置隔離變送器，故障信號的另一路傳送至隔離變送器控制回路中，現地液位模擬量信號經隔離變送器設定后，輸出二路開關量接點信號，定義為油位正常和油位低，當液位降到油位低時，輸出啟泵信號，兩臺潤滑油泵同時啟動，當收到油位正常信號時，兩臺潤滑油泵同時停止。注：隔離變送器設定值略低于PLC 內設定值。

液位開關控制: 液位開關在液位模擬量傳感器故障，PLC 和隔離變送器均無法啟泵時，用于控制潤滑油泵的啟停，其中3 個液位浮子開關分別定義為油位高、油位正常、油位低。其中油位低的設定值比PLC 和隔離變送器啟泵值稍低; 油位正常開關量的定值比PLC 和隔離變送器停泵定值稍高;油位高開關量的定值比PLC 過高報警定值稍高，節點設定在高位油箱溢油管上端。

以上3 種控制，實現多層冗余，多方位的確保機組潤滑油系統的運行穩定性。

2.3 控制回路設計

根據控制系統原理圖，1 號潤滑油泵控制回路設計如圖3所示，2號潤滑油泵控制回路設計與此相同。

圖3 1 號潤滑油泵控制回路

2.4 工況分析

正常運行時，轉換開關切至遠方，CPU 正常，收到機組開機令，PLC 判斷高位油箱液位>1 300 mm，輸出Q0.0（啟1 號主泵），此時控制回路KX1 常開觸點吸合，繼電器K2 得電，1 號潤滑油泵啟動。注：PLC 內對兩臺潤滑油泵設置每6 h 輪換及開停機次數輪換，降低長期工作對電機的損耗，本次研究分析，默認1 號泵為主泵，2 號泵為備泵，具體輪換程序不進行討論。

（1）正常運行時，主泵運行，出現高位油箱液位下降情況：

PLC 判斷：（1 225 mm ﹤油位值﹤1 255 mm）&液位開關GSL4，輸出啟備泵令Q0.2，控制回路KX4常開觸點吸合，繼電器K6 得電，2 號潤滑油泵啟動，油箱液位上升，當PLC 判斷：（1 380 mm ﹤油位值﹤1 425 mm）&液位開關GSL3，停備泵令Q0.3，控制回路KX5 常開觸點吸合，繼電器K7 得電，2 號潤滑油泵停止。

（2）正常運行時，CPU 故障，附屬模塊故障：

故障信號一路至中控室，檢修人員到控制柜旁，將轉換開關切至現地，手動啟泵；另一路傳至兩臺泵的控制回路中，KX3 常開觸點吸合，當液位降到1 240 mm，隔離變送器輸出啟泵信號，控制回路BX1常開觸點吸合，繼電器K2、K6 得電，1 號、2 號潤滑油泵啟動，油箱液位升到1 410 mm，隔離變送器輸出停泵信號，控制回路BX2 常開觸點吸合，繼電器K3、K7 得電，1 號、2 號潤滑油泵停止。

在此期間，若檢修人員未手動啟動一臺潤滑油泵，在高位油箱液位下降至1 240 mm 液位后，兩臺潤滑油泵將再次同時啟動，液位到1 410 mm 時，同時停泵，往復動作。汛期電站處于發電高峰時，出現PLC 故障，則需要每6 h 對兩臺泵進行手動切換一次。當其中一臺泵處于手動模式時，則另一臺泵可通過液位開關進行啟停控制。

（3）機組運行，液位傳感器故障無信號輸出時：

當PLC 模塊接受不到模擬量信號時，會輸出故障信號，此信號也會傳送至中控室，檢修人員應現地手動啟動任意一臺泵，然后檢查現地設備、隔離變送器顯示屏和觸摸屏畫面液位顯示，分析問題原因，在此過程中，將液位開關作為后備保護，控制潤滑油泵啟停動作，保證機組潤滑油系統穩定可靠的運行。

液位開關GSL5 信號觸發，繼電器K8 得電后，其常開觸點吸合，繼電器K6 得電，2 號潤滑油泵啟動，液位上升，液位開關GSL2 信號觸發，繼電器K7得電后，其常閉觸點斷開，繼電器K2、K6 失電，1 號、2 號潤滑油泵停止。

同理，在檢修人員未手動啟泵前，2 臺油泵在完成一次啟備泵，停泵后，每次到液位低和液位正常時，都會同時動作。在汛期發電高峰，出現此問題，檢修人員也要每6 h 對主泵進行一次切換。

2.5 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。本次設計在控制柜觸摸屏上做了故障閃爍和顯示故障報警信息,同時通過通信形式，將報警信號輸出給監控系統。另外油箱本體的油位高報警和油位過低報警信號，直接從油箱端子箱處引至監控系統，由監控系統在上位機處做報警提示。兩種報警源和多種提醒方式確保故障信息能夠及時送達維護人員處，以便在第一時間處理問題，保障機組運行的穩定可靠性。

3 結語

本次潤滑油系統在控制電源、控制模式、控制回路和報警功能上，都采用了冗余結構的設計，進一步提高潤滑油系統的可靠性，也為水電站“無人值班”（少人值守）的運行模式打下基礎[5，6]。