PLCM218在水电站油压装置控制系统中的应用

涂丽琴，程玉婷，严国强，王丽娟，王爱生

（长江科学院长江控制设备研究所，武汉 430010）

PLCM218在水电站油压装置控制系统中的应用

涂丽琴，程玉婷，严国强，王丽娟，王爱生

（长江科学院长江控制设备研究所，武汉 430010）

调速系统油压装置是水电站重要的辅助设备之一。以Schneider公司M218系列的PLC为例，详细介绍了该系统自动控制功能及过程。M218体现了施耐德电气的“灵活设备控制”理念，该控制系统具有高可靠性和稳定性。

PLC M218；油压装置；自动补气；软起动器

水轮发电机调速系统油压装置的作用是产生并贮存压力油，是机组启动、停止、调节出力及其它液压操作的动力源。水轮机调速系统油压装置运行的可靠性、稳定性直接关系到机组的安全和发电的质量，油压装置自动化控制的可靠性是机组安全稳定运行的保证。本文主要叙述湖北小漩电站油压装置控制系统的软、硬件的构成及功能的实现等。

1 油压装置的结构及控制要求

湖北小漩电站油压装置设计参数为：压力油罐容积4 m3；回油箱容积5．4 m3；额定工作油压6．3 MPa；油泵输油量2×6 L／S；油泵电动机功率2×55 kW；组合阀通径DN50。图1给出了油压装置系统原理。由图1可知，该电站油压装置主要部件有压力油罐及附件压力表、压力开关、压力变送器、压力罐液位计、空气阀、自动补气装置、回油箱及其附件浮子液位计、油混水报警器、电机／泵组、油泵组合阀等。

油压装置的控制系统满足如下基本要求：①每台油泵电动机的控制方式可通过一个控制开关进行设置，控制方式包括：手动、切除、自动。自动控制方式下能自动地实现油泵自动启、停、自动轮换以及远程启、停控制。在手动控制方式下，能实现各油泵电动机的手动启、停操作；②在自动运行方式下，根据压力油罐压力自动启、停工作油泵及备用油泵；③在运行过程中，当压力油罐压力继续下降至过低压力时，发事故低油压信号；当压力油罐压力升至过高压力时，发油压过高故障信号；④自动补气装置可自动向压力油罐补充压缩空气，以维持压力油罐内油的压力和体积在规定范围内；⑤当某一台油泵启动时，相应地启动该回路上的减载阀，并且保持一定的时间后复归该减载阀，实现电机的空载启动，减小压力冲击；⑥当回油箱的油位过高或过低时，发回油箱油位异常信号；⑦当回油箱中水含量超过报警设定值时，发回油箱油混水报警信号；⑧控制系统能实现与计算机监控系统的通讯，能提供油压装置的有关参数和油泵电动机与补气阀的运行状态、异常报警信号等。

图1 油压装置系统原理图Fig．1 Schematic diagram of oil pressure unit

2 控制原理

2．1 控制系统的硬件构成

为了实现油压装置的控制要求，电气部分主要元器件为：空气断路器、交流接触器、软起动器、快速熔断器、PLCM218、人机界面、继电器、测量及信号元件、指示灯及操作元件。上述元器件组装于外形尺寸为2 260 mm×800 mm×800 mm的盘内，盘前及盘后开门，下进下出接线方式。

2．1．1 PLC硬件设计

结合控制对象、控制任务、项目的实际情况以及价格等因素，油压装置控制系统可以选择不同的PLC，本方案选用了法国Schneider公司所推出TM218LDA40DR4PHN，M218系列小型PLC作为其核心控制单元。

M218系列Schneider电气推出的超高性能、超强扩展能力的新一代PLC，具有接口功能丰富、集成度较高和组态可扩展等特点，采用交流220 V供电，配备24路DI、16路DO、4通道高速计数、2PTO、2路模拟量输入和2路模拟量输出；同时可通过MBS接口对外进行通信。上述特性不仅完全满足了本系统中开关量输入／输出、模拟量输入和与上位机通信的基本要求，同时为后期系统功能的升级与优化留出了较大空间。所有监测开关量送入PLC专用模入转换模块进行数据处理，如图2所示。它体现了施耐德电气的“灵活设备控制”理念，通过提供高性能的速度控制、运动控制和通信网络等核心电气控制解决方案来实现符合设备发展趋势且简单装配的电气控制系统，使设备始终处于自动化控制的前沿。

2．1．2 软起动器设计

软起动器是一种用于控制异步电动机的设备，它集电机软起动、软停车、轻载节能、多种保护于一体，一般以大功率晶闸管构成三相交流调压电路，通过控制晶闸管的触发角，调节晶闸管调压电路的输出电压，实现电动机的无触点降压软起动的功能。软起动器特别适用于各类泵类负载或风机类负载。具有可靠性高、维护量小、电动机保护良好、参数设置简单等优点。

本方案采用法国Schneider公司ATS 48C11Q型软起动器，该软起动器除具备软起动功能外，还具有过流保护、反相缺相保护、频率越限保护、过热保护、堵转保护等多种保护功能。该款软起动器的参数内容丰富、设置简便，在现场调试时，能够很好地适应各种复杂的环境，而且运行稳定、维护量极小。

对于110 kW及以上的电动机，根据负载情况，其软起动器需要考虑按照重载应用选型。

2．2 系统的软件设计

电气控制系统的核心元器件是PLC，程序设计采用模块化、功能化结构，便于调试和扩展，由程序实现开关量采集及处理、模拟量采集和计算、电机运行时间统计、主用泵和备用泵的轮换启停、减载阀的控制、补气阀的控制、对外输出报警信号等子程序组成。下面分别介绍几个主要的子程序和功能块。

2．2．1 油泵电动机的启停及轮换

油压装置依靠油泵－电动机将回油箱内的常压油泵入压力罐中，通过电能到压力势能的转换，实现能量存储过程。为保证系统安全以及维护方便，一般至少设置2套油泵－电动机。PLC控制2套油泵－电动机的启停和轮换，见图3所示。

图2 PLC M 218电气控制原理图Fig．2 Schematic diagram of electric control by PLC M 218

程序中，油泵启停遵循如下原则：油压正常时停止2台油泵；油压低时启动主油泵；油压过低时启动2台油泵。

油泵轮换遵循如下原则：投入自动工况且回路无故障的电机参加轮换；设置一个主备标志位，以参加轮换的电机所在回路完成一次启停为依据进行翻转，进而选择主油泵。

对于配备3台油泵的油压装置，其控制方式类同。在程序中设置一个标志字，以参加轮换的电机所在回路完成一次启停为依据进行自加翻转，进而选择主用泵、主备用泵和次备用泵。

与油泵－电动机启停密切相关的是组合阀上减载阀的控制，减载阀的作用是当电动机开始运转时，将油泵输出的油直接排入到回油箱中，可以减小电动机的启动电流，提高油泵的使用寿命。当PLC接收到电动机启动的信号后，开始输出相应的减载阀控制信号，减载阀持续动作的时间在显示屏上设置及修改。若软启动设置为自由停车，当电动机停止运转时，也可以由PLC启动减载阀，减小油压突变对设备管路的冲击，并且可以防止电机反转的情况。

2．2．2 补气阀控制

正常情况下，压力油罐中油气比约为1∶2，由于设备密封原因导致漏气会造成油面抬高，此时需要对压力罐进行补气，维持压力油罐内油面处于正常范围，保证压力油罐中油气比1∶2的比值。

程序中，自动补气遵循如下原则：①如图4，设M21＝1表示压力油罐油位从H1下降至H0的这一区间过程，M21＝0表示油位从H0上升至H1区间过程，M21＝1是启动补气阀的必要条件；②油位正常时停止补气；③油压正常时停止补气。

图4 油罐油压示意图Fig．4 Oil pressure in the oil tank

由于“油位高”和“油位正常”这2个开关量一般由安装在压力油罐上的液位开关提供，需要对其DI输入做防抖动处理，确保补气阀启停正确。

如果补气阀自身提供状态输出，则引入PLC后，可以更方便地实现补气阀启停控制。补气阀启停控制用梯形图见图5。

图5 补气阀启停控制程序图Fig．5 Process of controlling the air supply valve

根据电站不同的补气设备，结合其硬件特性，PLC程序就要作出相应的处理。有些油压装置上配备有补气阀、排气阀和排油阀，那么其补气启停控制就更复杂。

2．2．3 模拟量参与控制

考虑到开关量可能会发生粘连、拒动、误动等情况，设计中将模拟量作为控制判据，参与流程控制，增加了系统的安全可靠性。此时需要对模拟量采取延时、作返回死区等处理方法。

图3 控制流程框图Fig．3 Flow chart of PLC control

压力变送器输出4～20 mA，PLC采集该模拟量，调零调幅后与实际油压值对应，假设油压装置额定油压为6．3 MPa，启主泵压力为6．0 MPa，程序中作如下处理：

IF（Pressure＞6 300），Time10︳100 THEN∥油压大于6．3 MPa并且持续1 s

M101＝1∥置停泵标志位＝1

END︳IF

IF（Pressure＜6 250），Time10︳100 THEN∥油压小于6．25 MPa并且持续1 s

M101＝0∥置停泵标志位＝0

END︳IF

IF（Pressure＜6 000），Time10︳200 THEN∥油压小于6．0 MPa并且持续2 s

M102＝1∥置启主泵标志位＝1

END︳IF

IF（Pressure＞6 050），Time10︳200 THEN∥油压大于6．05 MPa并且持续2 s

M102＝0∥置启主泵标志位＝0

END︳IF

采用相同的处理方法，可以相应的得到所需标志位，然后将停泵标志位M101、启主泵标志位M102、启备用泵标志位M103作为判据，参与油泵启停控制。

同样地，对油位的模拟量信号进行处理，可以得到各种油位开关信号，参与补气阀的启停控制；对油温的模拟量信号进行处理，可以得到各种油温开关信号，参与冷却泵的启停控制。

3 人机界面

人机界面是操作人员与控制柜PLC之间传递、交换信息的窗口，对油压装置的状态进行实时监控，同时电站根据实际运行经验对必要的参数进行设置和修改，极大方便了电站机组的运行和维护。人机界面的主要内容包括主显画面、数据列表、参数修改、事件记录和特殊功能设置。主显画面和数据列表中显示油压、油罐油位、油箱油位、油温等模拟量，每台油泵电机的手自动状态、主备状态、运行时刻、运行时间，补气阀的手自动状态、运行时刻、运行时间，接触器、减载阀的启停状态等数据。

数据列表如图6。参数修改画面需要操作者输入密码方能进入，主要内容包括各模拟量的调零调幅设置、油泵和补气阀运行超时限制值设置、各报警点阈值设置等，以上各设置值在PLC中均作掉电保存处理。事件记录画面用于各状态量及报警点输出信息的回访。特殊功能设置画面用于修改人机界面的系统时间、对比度和亮度的调整、触碰效果的修正。

图6 数据列表界面图Fig．6 Screenshot of data list

4 结 论

由于采用了M218 PLC、Schneider软起动器等为核心元器件进行设计，该控制系统具有安全可靠、运行稳定、使用简便等特点，为水电站实现“无人值班、少人值守”的运行方式提供了强有力的保障。

［1］ GB／T 9652—2007，水轮机控制系统技术条件［S］．北京：中国标准出版社，2007．（GB／T 9652—2007，Specifications of System for Hydraulic Turbine［S］．Beijing：China Standards Publishing House，2007．（in Chinese））

［2］ GB／T 9652．2—2007，水轮机控制系统试验［S］．北京：中国标准出版社，2007．（GB／T 9652．2—2007，Test Code of Control System for Hydraulic Turbine［S］．Beijing：China Standards Publishing House，2007．（in Chinese））

［3］ 魏守平．水轮机控制工程［M］．武汉：华中科技大学出版社，2005．（WEIShou-ping．Control Engineering for Hydraulic Turbine［M］．Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press，2005．（in Chinese））

［4］ 郭建业．高油压水轮机调速器技术及应用［M］．武汉：长江出版社，2007．（GUO Jian-ye．Technique of High Pressure Turbine Governor and Its Application［M］．Wuhan：Changjiang Press，2007．（in Chinese））

［5］ 潘熙和，王丽娟，王林涛．水轮发电机组调速与励磁设备［M］．武汉：湖北科学技术出版社，2011．（PAN Xihe，WANG Li-juan，WANG Lin-tao．Governor and Excitation Device for Hydraulic Turbine Generator［M］．Wuhan：HubeiScience and Technology Press，2011．（in Chinese） ）

（编辑：王 慰）

Application of PLCM 218 in Hydraulic Power Plant Oil Pressure Control System

TU Li-qin，CHENG Yu-ting，YAN Guo-qiang，WANG Li-juan，WANG Ai-sheng
（Changjiang Control Equipment Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Oil pressure unit is one of themost significant auxiliary equipment in hydraulic power plant．Taking the M218 series PLC（Programmable Logic Controller）produced by Schneider company as an example，we introduce the system’s automatic control functions and the process in detail．M218 embodies Schneider’s conceptof Flexible Equipment Control，and the control system has high reliability and stability．

PLCM218；oil pressure unit；automatic air-inflation；soft starter

TP211．31

A

1001－5485（2013）11－0101－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．020

2013－02－28；

2013－04－17

涂丽琴（1983－），女，湖北汉川人，助理工程师，主要从事水电站控制设备研究与设计，（电话）15071375967（电子信箱）tuliqin＠126．com。