浅谈水电厂自动化控制系统的PLC改造

黎洪

摘要：随着科学技术的发展，提高电力系统的自动化水平已经变得尤为重要。为了使水电厂的自动化控制更加有效，文章制定了针对水电厂自动化控制系统的PLC总体改造方案，在分析水电厂对PLC的需求的基础上，结合了PLC的特性与功能，给出了PLC的实际使用意义，分析了PLC改造的设计思路，阐述了自动化系统设计方案与上位机的系统设计，设计了PLC的主要模块，重点分析了PLC的选择与组态、PLC电源及接地的设计研究，并给出了各个模块的主要特点及需求。

关键词：PLC；现地控制；水电厂；自动化控制；检测系统；接地设计

中图分类号：TV736 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）15-0053-03

水电建设是我国重要的建设活动，电力系统的发展不仅关系到我国经济与工业的发展，而且也与人们的生活息息相关。因此，只有发展电力建设，才能使我国的国民经济更加繁荣。为此，合理提高发电厂的发电能力已经至关重要。针对目前水电厂系统自动化不强，设备先进程度不足，发展并提高水电厂自动化控制系统水平是一项急需解决的问题。随着计算机与现代科技的发展，对该系统进行PLC改造，对提高水电厂自动化控制水平可以起到一定的作用。

1 PLC的基本原理

PLC指的是一种可以用于工业应用的数字运算操作系统的电子系统。PLC通过可编程的存储器，可以实现机组的顺序、监控及功率调节等控制，也可以完成对水电站的设备与进水口处事故的监控。

1.1 水电厂对PLC的要求

电力系统具备产销同时完成的特点，电力并不是可以存储的。因此，水电机组的启停需要具备快速、调节便利、操作简单等特点。因此，PLC用于电力系统中，需要达到如下要求：

（1）具备良好的实时性。当机组发生异常的情况时候，需要迅速进行检测判断，并记录事故的发生顺序，快速完成响应与执行操作。

（2）具备较高的可靠性。在电力系统运行过程中，高可靠性是其最基本的特征之一，必须具备良好的可靠性，才能保障系统正常运行。

（3）具备易于维修的能力。机械运行，发生故障或者更换部件是很正常的，因此，必须易于维修，才能提高机械的使用时间，并降低经济开销。

1.2 PLC的特性及功能

为了可以满足各种不同类型的水电厂的需要，PLC需要具备如下特性。

（1）使用模块化结构。现代科技不断进步，机械设备也在随之不断发展。只有设计便于组件更新与升级，才能跟得上发展的步伐。因此，PLC的设计需要具备模块化的结构，可以针对开发的需求，采用部分升级的方法。

（2）通用性较强。为了使其可以用于更多的水电厂，PLC的设计需要具备高通用性，同时，也需要按照标准进行设计，以避免个性化的设计。

1.3 PLC的结构

PLC由以下几个结构组成：

（1）中央处理单元（CPU）。CPU是PLC的控制核心部分。该部分可以实现电源检测、I/O设备、存储器及预警定时等功能，同时可以判断用户程序的错误。

（2）存储器。该部分又称为系统程序存储器。可以分为以下几种类型：读/写存储器（RAM）、可擦除只读存储器（EPROM）、一种电可擦除只读存储器（EEPROM）。

2 水电厂的检测系统

2.1 水电厂针对PLC的改造设计

水电厂自动控制系统的基本设计思想是以计算机检测系统为主，基本常用设备为辅，要求检测系统可以覆盖全厂的控制部分，可以迅速、准确并有效地对水电厂进行检测及控制。因此，为了进一步提高水电厂自动化控制系统情况，需要对PLC进行改造。机组的PLC应该可以针对以下方面进行控制：开机与停机流程、紧急停机、执行AGC与AVC自动负荷调整功能。

2.2 自动化系统设计方案

PLC控制系统的设计需要兼顾可靠性高、自动化程度高、设计合理、维护简单等要求。最理想的状态是：按照控制对象预先设置的要求对水电厂进行监控，当发生事故的时候，可以产生预警功能，并可以切断事故源，使损失降到最低。为此，针对水电厂自动化控制系统的PLC改造需要进行如下的设计：

（1）网络通信。整个网络使用MB+网方式通信与MODBUS协议，外部网络使用以太网进行通信，可以有效实现远方监控，满足调度的自动化需求。

（2）上位机。上位机需要包括2台操作员工作站，互相作为备用以防不时之需。

（3）系统时钟管理功能。需要高精度的时钟装置对监控系统进行时间校对及管理，只有整个系统内各个子系统的时钟都保证同步性，才可以满足系统的需求。

（4）现地控制单元。该部分主要包括以下的控制单元：机组水机现地控制单元、机组励磁现地控制单元、机组电调现地控制单元、公用设备现地控制单元、辅助设备现地控制单元与快速门现地控制单元。

2.3 上位机设计

（1）基本设计。

硬件配置：上位机应该具备性能与可靠性高的特点。因此，CPU的主频不能低于3GHz，内存需要1G以上的容量，硬盘容量不能低于100GB，而且需要高分辨率的显示器。

软件：通常使用组态工业控制软件，这类软件可以便于研发人员在短时间内开发出性能先进的整套工业控制系统软件。有助于缩短软件设计与开发的周期，并且可以节约成本，有效地降低了工业造价。

（2）实例。

技术规范：以大东江为例，小东江上位机系统配置与大东江相同，网络配置为单以太网结构。大东江上位机改造后更换了上位机A、B机以及工程师站的硬件，将原来的Alpha Station 255/233工作站替换为HP ALPHA DS15 工作站。

总体结构：东江水电站计算机监控系统设有通讯服务器一台，通讯服务器设置在计算机房，主要负责系统同水情测报及其他计算机系统的通讯。全厂设有语音报警装置一套用于事故时进行语音报警，提醒运行人员处理，并具有电话语音报警和电话查询等功能。全厂共设6套现地控制单元（LCU），4台发电机变压器组各设一个，开关站设一个，全厂公用设备共设一个。机组LCU 配有独立的同期装置，温度量检测装置和现地操作控制开关、按钮等装置。在LCU脱机运行时，可通过现地工业控制微机实现对电厂主设备的控制、监视和调节。对于电站内部的大量智能数据采集及功能装置，本系统留有足量的通讯接口及扩充手段，具有良好的可扩充性。

3 水电厂控制单元设计

3.1 PLC的选择与组态

由于水电厂的现场环境并不是很好，同时，现场还有电磁干扰、潮湿、振动等干扰，因此，需要采用性能较好的PLC。本文选自QUANTUM系列的PLC。下面针对该型号的PLC，结合水电厂中的水机进行PLC模块组态分析介绍。

3.2 PLC电源及接地的设计研究

PLC电源直接与机组运行相关，因此，在设计的过程中，需要考虑电源是否可以满足机组及事故突然的需要。本文采用以交流220V为供电方法，同时，使用24V直流供电方法作为辅助供电的方法，每台机组引入电源功率为1000W的UPS电源。

3.3 PLC的主要功能

为了满足发电机的控制需求，PLC需要可以实现自动控制、通信、数据采集与辅助功能四个部分。

（1）自动控制。PLC的自动控制功能主要应该体现在针对生产流程的控制便捷的基础上，使用PLC控制，仅仅需要一个开停机命令，就可以按照预定顺序执行命令。

（2）通信。此功能要求PLC可以完成各个部分的通信功能，以达到将指令传输的目的。

（3）数据采集。这部分功能需要完成生产过程中的数据处理任务。

4 结语

本文在回顾了PLC基本原理的基础上，对其在水电厂自动化控制系统中的应用进行了分析讨论。PLC的使用，可以有效提高水电厂的运行效率。由于PLC自身的特点，可以针对水电厂的运行进行监控与调节的功能，有助于完善电力系统的正常运行。同时，针对故障，PLC的引入也可以有效控制并切断故障，争取时间使设备得到维护，并可以将损失降低。PLC的使用可以有效地实现水电厂的自动化控制，并可以降低人工的使用量，同时使系统更加稳定、可靠，具备更好的经济价值。

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