PLC在小型水电站自动化控制中的应用设计分析
2023-10-23周灵桂
周灵桂
(安福县河湖灌溉服务中心，江西 安福 343200)
0 引 言
随着电子技术的发展，PLC(可编程控制器)在水电站自动化控制中的应用具有继电设备少、接线简单、控制功能强、可靠性高、配置灵活、使用与维护方便、编程简单、易于扩展的特点，越来越受到小水电站自动化设计人员的青睐，因而广泛地应用在水电站的自动控制中。
PLC在水电站自动化设计中主要实现的功能有：数据采集与处理功能(其中包括模拟量的采集、开关量的接入与一些综合量的采集)，控制与调节功能，控制操作安全功能，安全运行监视功能，数据通讯功能，运行日志记录与故障信息的存储与查询等自动化功能。
1 概 述
江西省安福县西江头水电站是1座建于20世纪70年代的老电站，装有630 kW+250 kW的2台卧式混流式低压(0.4 kV)发电机组，设计水头27.5 m。机组的辅助设备不多，没有复杂的油、气、直流系统，电气保护只采用常规的发电机过压、过流、缺相、机组过速等常用的保护，励磁系统采用可控硅励磁调节系统，调速器采用的是手电动调速器，进水阀采用的是手电动蝴蝶阀，刹车采用气动刹车系统(电磁阀控制刹车)。
2 设计目标
本次改造设计的主要目标为：在PLC与触摸屏配合控制下机组能够实现一键自动开停机操作，实现机组的常规保护；在故障时能够及时报警；事故情况下能够紧急停机等功能。另外，在PLC与触摸屏故障或关闭的情况下也能够独立正常运行与开停机操作。
3 自动化设计分析
3.1 设计准备
首先需要熟悉电站各电气设备、水机设备的操作步骤、电气原理以及保护要求等基础资料，熟悉机组开关机操作流程以及操作过程中的注意事项，理清设计思路，确保程序设计的准确与完整。
3.1.1 确定开机流程
(1)开机流程
①开机前准备：检查机组无事故信号(如有事故信号，故障处理事复归)、隔离刀闸确保在合位、断路器在分位、励磁开关合位、刹车已经解除、同期方式(自动开机在自动位，手动开机时在手动位)。
②开启蝴蝶阀至全开位。
③缓慢开启导叶开度(自动开机时根据机组转速高低自动点动开关调节)。
④检测机组转速接近50 Hz时启动起励回路，机端电压达到自动起励电压后起励退出，然后自动调整机组电压、频率与网电同步(手机时手动调节励磁与导叶开度)。
⑤机端电压稳定后启动断路器贮能(一次点动)。
⑥在机组电压、频率与网电电压、频率接近时投入同期装置电源，同期装置监测到满足同期条件时给出合闸信号进行断路器合闸。
⑦关闭同期装置电源，设定机组功率因数运行模式(自动时可以设置恒功率因数或恒励磁电流，手动时手动调节恒励磁电流)，然后逐步提高机组出力至发电运行态。
(2)设置一键自动开机
启动一键开机后自动检测开机准备条件，符合开机条件后自动按开机流程开机，执行某项操作流程时如不符合执行条件则停止操作流程并显示不符合条件内容。
(3)设置手动开机
开机每一流程触摸屏上都有操作按钮，操作前自动检查每一流程的操作条件，设置不符合操作条件时拒绝操作限制。
3.1.2 确定停机流程
(1)正常关机流程
发电运行态→导叶开度关至0(同时调节功率因数至1)→断路器分闸→灭磁→关闭蝴蝶阀→启动刹车→机组停机态。
(2)设置一键自动关机
启动后自动减负荷减无功，待有功为0、功率因数为1后分断路器→灭磁→关蝴蝶阀→启动刹车。
(3)设置手动关机
手动关导叶开度减负荷至0同时减无功至功率因数为1→断路器分闸→灭磁→关蝴蝶阀→刹车，触摸屏上每一项操作都有相应操作按钮。
(4)设置紧急停机
在机组或电网故障发生时能够及时触发紧急关机程序(控制屏上设置手动紧急停机按钮)。紧急关机程序是一套独立的程序，能满足最快的关机操作：立即跳断路器，同时利用系统网电或发电机端电压关闭导叶开度、蝴蝶阀，然后启动刹车系统对机组刹车(各受控设备操作电源设置网电电源与本机电源自动切换电路)，发电机转速低于额定转速的30%时再自动灭磁。
3.1.3 确定发电机保护方式
电气保护可以采用微机发电机后备保护测控装置的输出接入PLC装置来实现。
水轮机轴瓦与发电机的温度可以利用温度巡检仪的输出信号接入PLC来实现报警或事故停机。
3.1.4 确定PLC对模拟量数据的接入方式
机组运行频率、电压、电流、相位等的基础信息数据可以采用带RS485接口的多功能电力仪表的输出数字信号接入PLC来实现。
3.1.5 接入水位信号
根据水位高低自动调节机组负荷功能，可以利用水位控制器输出水位过高过低信号接入PLC来控制。
3.1.6 电动设备操作电源设置网电电源与本机电源自动切换电路
开机前利用电网电源供电，发电机一旦建压后立即切换为本机电源供电，原理图如图1所示。
3.2 确定自动控制设计整体框架图
确定自动控制设计整体框架图如图2所示。
图2 自动控制设计整体框架图
3.3 主要设备PLC与触摸屏的选择
3.3.1 确定 PLC控制器(设备位置信号、外部指令信号等)输入回路
输入回路是PLC进一步控制各路设备操作的前提保障，是PLC的眼、耳、鼻。从这次设计的开停机流程来看PLC需要输入的信号有：
(1)断路器与隔离开关信号
(2)励磁系统信号
(3)微机保护信号
(4)机组测控信号
(5)同期装置信号
(6)水机回路信号
(7)水位信号
(8)蝴蝶阀位置信号
以上输入回路信号需要24条，设计原理图如图3所示。
图3 输入回路设计原理图
3.3.2 确定PLC控制器输出回路。
输出回路是PLC控制各路设备操作、输出各项功能的桥梁，是PLC的手脚。这次设计主要的设备控制信号有：
(1)断路器操作回路
(2)励磁系统操作回路(输出到励磁调节器)
(3)故障报警回路
故障报警信号。
(4)蝴蝶阀控制回路
(5)水轮机操作回路
(6)机组刹车回路
以上输出回路信号需要16条，设计原理图如图4所示。
图4 输出回路设计原理图
从以上可以看出，选择PLC控制器时必须满足至少24条信号输入回路以及16条信号输出回路，已转换为数字量的数据采用RS485接口传递数据。经考虑配套辅设、扩展性、成本、质量、程序设计方便等方面因素，选用了西门子公司的S7—200SMART—226型号的PLC，配套触摸屏采用威纶通MT6070iH。
3.4 PLC与触摸屏程序设计
要充分考虑自动控制的组态、I/O分配、控制要求、加密、操作权限、数据信息存贮与查询以及开机画面、手动画面、自动画面、参数设置页面、I/O监控页面、报警页面、帮助页面的设计，触摸屏显示界面既要简洁美观，保证各项监视数据显示齐全，又要实用与操作方便。
PLC与触摸屏程序按目标要求编写好后下载至设备中，然后经多次调试与程序修改，确保程序满足操作、显示、查询等各项指令的正常运行。
3.5 PLC控制系统(含触摸屏)直流电源设计
本系统(含触摸屏)采用AC220 V转DC24 V的电源(采用电网与发电机双电源)，开关电源主要考虑它的输出功率，必须保证所有用电设备的最大额定功率；另外还要考虑输出电源的稳定可靠性与波形质量，详见图5。
图5 系统电源设计原理图
4 结论与建议
(1)设计前一定要统计好所有的受控设备数量，弄清设备控制原理、调节方式以及怎样实现与PLC连接受控，尽可能把所有的控制设备都集成在PLC的直接控制范围内。
(2)设计前一定要考虑机组模拟量数据怎么实现精准转化成PLC能够识别和分析的数字量，程序设计还要考虑数字量的刷新频率。
(3)指令操作、参数修改、记录查询等权限要按不同操作人员设置不同的权限，每一个操作要有操作记录，方便以后查询。
(4)如果电站无直流系统，设备直流电源采用交流变直流使用的话，应该采用电网与发电机双电源回路，这样才能保证事故跳闸的情况下还能保证
PLC与触摸屏等设备的供电。
(5)除在触摸屏上能实时显示运行状况数据外，控制屏上还加装电流、电压、功率、功率因数、励磁电流电压等监视仪表，在触摸屏或后台终端故障时也能通过屏面仪表正常查看机组运行状况。
(6)除在触摸屏上具备各项操作功能外，还应该在制控屏上独立设置导叶开度调节、励磁调节旋钮开关与事故紧急停机、灭磁、刹车等操作按钮(开关)与PLC控制并行操作，确保在PLC与触摸屏故障的情况下机组能够独立正常运行与手动开停机操作。
(7)自动化制控要充分考虑机组运行各类参数设置、故障报警信息的显示与查询，还要考虑机组运行操作帮助查询以及各类机组运行状况数据的存贮备份及查询。
