PLC在高压受油器试验台中的应用

2013-08-29章纯中

中国水能及电气化 2013年4期

章纯中

(天津市天发重型水电设备制造有限公司，天津 300400)

1 概述

图1 受油器试验台

受油器是水轮机的重要设备，受油器主要结构包括受油器体、受油器轴内、外操作油管、受油器座、桨叶开腔及关腔等部件。受油器体与受油器座间设有绝缘垫，防止产生轴电流。受油器的主要作用是将机组调速系统的压力油自固定油管导至主轴的内、外操作油管内，并连接至转轮内的桨叶接力器，以控制、调整水轮机桨叶开度，从而使水轮发电机组始终处在协联工况下稳定运行。目前水轮发电机受油器采用的是低压6.3MPa以下的供油方式，优点是压力低，结构简单可靠;缺点是机组投资比较大。高压受油器压力为10～16MPa，机组由于不需要中高压气源和油压装置而节约电站建设成本。

受油器试验台设备由电机、皮带联轴器、受油器本体、受油器管路组成，具体构成见图1。受油器试验台模拟现场环境，主轴转速可以在50～1000r/min下连续调整，液压泵站为受油器提供16MPa高压润滑油。通过监测受油器漏油情况，确定受油器密封状况，确保在高压长期运行情况下工作可靠，PLC自动控制系统可自动调整主轴转速、受油器油压，并自动检测受油器漏油量，通过改进并提高受油器密封，提高产品的质量和技术水品。

2 PLC介绍

PLC可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller)，实质是一种专用于工业控制的计算机。PLC硬件由电源、中央处理单元CPU、存储器、输入输出接口电路、功能模块、定位模块、通信模块等组成。其丰富的软件功能，可完成逻辑控制、定时控制、计数控制、步进控制、PID控制、数据控制、定位控制等;工作原理是采用循环扫描方式，读取PLC输入状态、执行用户程序、处理任何通讯端口或智能模块接收到的讯息、执行CPU自诊断、检查电源、存储器、I/O、定时器、计数器的状态，控制PLC输出信号，既控制设备运行。

3 PLC的优点

S7-200可编程控制器 (PLC)，组成微处理器、电源、输入电路和输出电路、设备通讯紧凑的设计、灵活的配置，内部包含功能强大的指令和逻辑运算功能，满足工业环境下工作要求。它能够为高压受油器实验装置提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于设备现场环境及工作状态的需要，在无人值守状态下，自动连续运行3个月，与计算机联网通讯，记录受油器设备压力、温度、漏油量工作参数。S7-200可编程控制器主要优点如下:

(1)PLC运行可靠性高，抗现场各种电磁、振动干扰能力强。工业现场电机、变频器、电焊机等用电设备，产生的各种电磁干扰，使得供电系统电源、频率波动，机械设备振动，而且现场温度和湿度的变化比较大，一般通用微机不能正常工作。传统的继电器—接触器控制系统虽然抗干扰能力强，但由于大量的机械触点寿命短，系统可靠性差。PLC则采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，在PLC主机里，集成了成百上千个继电器、定时器、顺序控制器等，以往这需要大量继电器和繁杂连线才能完成，现在可通过软件编程来实现。PLC输入、输出采用光电耦合电路，抗干扰能力强，且使用寿命长，在恶劣的环境下运行可靠。特别在电站各种交直流及高电压大电流产生的电磁干扰及高温高湿场合下，不会产生误动作。

(2)PLC编程简单方便、容易操作。PLC采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，编程语言形象直观，指令少、语法简便，因此系统开发周期短，现场调试容易。使用计算机通过PLC专用编程电缆，可监控PLC运行状态，在线修改程序，改变工艺控制方案而不拆动硬件，特别适合根据现场实际情况，需要修改工艺流程的场合，如水电站中的液压泵站控制、风机动力控制、电站的二次系统控制等。

(3)PLC采用积木式模块化安装方式，适应不同的工作环境要求。PLC具有丰富的输入、输出接口模块，主要分为电源模块、CPU模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输人输出/模块、测温电阻、热电偶输入模块、通讯模块等。将这些模块插入标准的机架底板上，组成不同的PLC系统，这种结构配置灵活，安装方便，便于扩展。在水电站应用上，测温电阻、液位变送器、位移变送器与相应的输入模块连接，检测机组各点温度、液位和位移模拟量变化数值。

4 PLC应用注意事项

(1)根据控制设备工艺要求，选择PLC主要应从机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。

(2)使用环境。温度0～55℃，相对湿度95%，海拔不超过2000m，避免腐蚀、污染和易燃气体。

(3)根据输入信号响应频率选择合适的具有高速I/O处理功能或选用具有快速响应的模块。

(4)PLC系统的电源和接地，PLC可编程控制器可能会发生故障并导致控制设备意外运行，因此要考虑人身和设备的安全问题，应该使用独立控制电源、接地安全装置进行保护以防止可能的人身伤害或设备损坏。

(5)PLC设备安装应考虑自然对流冷却。在设备上方和下方必须提供至少25mm的间隙。而且要预留至少75mm的深度空间。

(6)PLC安装要远离变频器、软启动、变压器等高频干扰设备和震动源，当不可避免时必须采取屏蔽高频干扰和减震措施。

5 受油器自动化系统硬件设计

高压受油器试验装置主要有手动、自动控制、自动检测，硬件主要包括计算机 (或触摸屏)、S7-200 PLC的硬件、接触器、断路器等自动化元件，共同构成一个控制系统。为提高系统的可靠性，PLC可编程控制器输出不是直接驱动接触器，而是通过继电器控制接触器的动作，防止外部元件过载或损坏造成PLC可编程控制器故障。

S7-200可编程控制器 (PLC)的硬件有如下几个:

(1)CPU模块:S7-224AC/DC/继电器，14输入/10输出。

(2)EM221数字量输入模块:8点输入。

(3)EM235模拟量输入/输出模块，4输入/1输出。

(4)EM231:2点RTD输入

模拟量输入/输出模块，检测压力、液位、变频器转速信号，其输出模块向变频器输入转速设定值，自动控制变频器输出频率，即控制电机转速;RTD输入模块，将设备上的测温电阻信号输入给PLC，随时监控设备的温度。高速旋转编码器检测设备转速，PLC控制器的输入信号均经过光电耦合电路进行隔离，以提高系统的抗干扰能力。

采用ATV21变频器，PLC既接收变频器输出的频率信号，又通过模拟量输出控制变频器从而控制电机转速。

上位机硬件采用PCA6010主板的工业控制计算机，显示适时的压力、转速、漏油量信号，可以手动调整电机转速、储存各种参数信号，方便调试和设备监控。

6 系统软件设计

高压受油器试验装置主要包括主机、液压系统、测速系统、电动机变频器速度控制系统、漏油量检测系统和计算机显示、故障报警系统等，如图2所示。

图2 PLC可编程控制系统方框图

受油器控制软件部分包括主程序，电机控制子程序，压力控制子程序，温度控制子程序，漏油计算子程序，电机、压力、温度故障处理子程序。下面就各程序设计作简要说明。

(1)主程序。主程序主要监控PLC设备运行状态及调用子程序。

(2)电机控制子程序。分油泵电机和主轴旋转电机，手动启动、停止，在自动状态下根据系统压力信号油泵电机自动运行;按下手动频率调整按钮，每触发1次，控制变频器便以0.1Hz频率增减旋转电机转速，微调旋转电机转速，通过计算机设定旋转电机转速，旋转电机采用闭环控制，PLC自动检测变频器转速输入信号并输出控制变频器，使其在设定转速下运行。

(3)压力控制子程序。压力控制子程序检测系统油压信号，在油泵电机启动和停止时，打开泄压阀使液压系统无压，电机不带负荷启停，自动运转时油压过低电机启动，油压过高电机停止，超压情况下及时停机并报警。

(4)温度控制子程序。温度控制子程序检测受油器设备上测温电阻模拟信号，防止设备旋转时摩擦产生热量，保护设备可靠运行，当超过设定值时，自动停机报警，保证在无人状态下自动可靠运行。

(5)漏油计算子程序。通过计量桶上液位变送控制器反馈液位信号，计算漏油达到规定液位所需时间，计算出单位时间下液体漏油量，两个计量桶自动切换，程序自动修正计量误差系数，提高计量精度，通过漏油计算数值，更改设备密封方式及材质，提高设备的密封性能和旋转稳定性。

(6)故障处理子程序。为保证整个受油器液压泵站系统的安全、可靠运行，安全保护环节在软件和硬件两方面进行。即在控制系统中采取安装过载保护、短路保护、液压系统中压力开关、流量开关、液位开关，在转轴上安装测温电阻、旋转编码器等硬件措施。在软件方面，通过旋转编码器给PLC输入信号，随时监测电机的转速，PLC通过模拟量输出，控制变频器输出频率自动调整电机转速，使设备转速稳定在设定值;PLC还随时监测压力、液位、流量、温度输入信号，当信号发生变化超过设定值时，报警停止设备运行，保证设备及人身安全，只有在故障排除以后，信号复位正常，系统才能正常工作。

7 PLC应用的效果分析

使用PLC可编程序控制器，其系统内部包含所需的继电器、定时器、计数器等，减少外部硬件接线，只要满足正确I/O输入/输出信号即可。设备工艺的变动，可通过更改用户程序达到控制设备要求，PLC软件带有模拟实验功能，可在实验室进行模拟调试，缩短现场调试时间。

PLC可编程控制器与研华工业计算机连接，在显示器上显示电机电流、转速、液压泵站系统工作压力、漏油量数值、设备连续工作时间;并通过显示器输入电机工作频率、液压泵站系统工作压力值等，计算机硬盘存储单位时间内的系统压力、电机各种工作状态、设备漏油量等参数，对设备运行情况提供可靠依据，可优化改进设备性能和质量。)随着科学技术的发展，新技术会更多地应用于可编程控制器上，会有体积小、运算速度快、存储容量更大、智能性更强的品种出现，PLC产品的品种会更加丰富、模块规格更齐全，随着PLC价格的降低、设备自动化程度的提高，以及大规模工业网络技术的发展，PLC可编程控制器与工业计算机作为自动化控制和自动化网络控制重要组成部分，将在各个领域发挥越来越大的作用。