利用PLC控制技术实现对水电厂进行综合自动化改造

1 、概况

龚嘴水力发电总厂位于四川省境内的大渡河上，目前由龚嘴和铜街子两个电站构成梯级水力发电，其中龚嘴电站装机容量 7×100MW，铜街子电站装机容量4×150MW，总装机容量1300MW。龚嘴水电站分为上下厂房，上厂房为坝后式明厂房，装机容量4×100MW， 下厂房为洞内式厂房，装机容量3×100MW;铜街子电站位于龚嘴电站下游约33km，也为坝后式明厂房。龚嘴水力发电总厂基地位于乐山市沙湾区，距离龚嘴电站约37km，距离铜街子电站约32km。

1995年，龚嘴水力发电总厂被国家电力公司列为第二批无人值班试点单位。为实现“无人值班（少人值守）”，龚嘴水力发电总厂从1996年开始全面对龚、铜两站进行综合自动化改造，改造后两电站实现在沙湾梯调中心控制龚、铜两站，全计算机监控。

2 、可编程控制器简介

可编程控制器（简称PLC）在工业控制领域应用已有相当长的历史，现已发展成为一项非常成熟的工控技术，它具有逻辑定序、定时、计数、运算、控制、信号及报警、保护、远动和远传等多种功能，其灵活性、可靠性、易编程、易调节等优点已广泛得到承认，在火电、水电、变电站和化工、冶金、机械等各行各业中已大量应用了PLC技术。目前，我国市场上的PLC产品种类繁多。我厂选用最多的是三菱电机可编程控制器（FX系列）。下面以三菱电机可编程控制器（FX系列）为例，简要介绍这种PLC基本组成及性能：

2.1基本逻辑指令

基本逻辑指令包括运算开始、串联连接、并联连接、电路块串联连接、电路块并联连接、线圈驱动指令、空操作、线圈接通保持指令、线圈接通清除指令、运算记忆、记忆读出及复位和程序结束等基本指令。

2.2步进顺控指令

STL（继电器阶梯图或步进阶梯图）是一种摆脱具体的机械动作易于理解的表达图。使用者即使不进行复杂的程序设计，也能极其简单地对程序控制器进行编程。STL图完全以继电器阶梯图的形式表示，具有综合表达负载驱动电路与转移条件电路的特点。流程的形式有单流程、选择性分支与汇合流程、跳转流程、并行分支与汇合流程、中间状态STL、初始状态STL和运行模式的选择控制。

2.3软元件功能

组成有输入、输出继电器XY，辅助继电器M，状态元件S，指针P/I，常数处理K/H，定时器T，计数器C，数据寄存器D，变址寄存器Z/V。

2.4应用指令

应用指令包括程序流程、传送和比较指令、算术和逻辑运算指令、循环与移位、数据处理、高速处理、方便指令、外部I/O设备和外部模块。

2.5特殊软元件

PC状态、时钟、标志、步进顺控、禁止中断、出错检测、高速表、功能扩展、脉冲捕捉、替代功能、内部增/减计数器和高速计数器。

2.6编程语言

PLC应用技术的主要内容之一是编写应用程序，而梯形图语言则是使用得最多的一种编程语言。PLC梯形图是由传统的电气控制电路原理图演变来的，所以容易被广大技术人员接受和掌握。梯形图和电气控制电路原理图的主要相同之处是：（1）图形结构形式相同，都是展开电路原理图，传统的电气控制电路原理图可以看成是继电器梯形图;而用于PLC编程时则称为PLC梯形图。（2）继电器梯形图中使用的是各种控制电器的图形符号LC梯形图中则使用PLC内部资源-编程元件的等效电路符号。（3）信号输入、输出形式及控制功能相同，都是将输入信号经过电路的逻辑运算后输出，完成一定的控制功能。两者的主要不同之处是： （1）工作方式不同。继电器梯形图是各支路上同时加上电源的并行工作方式LC梯形图是顺序扫描的串行工作方式。（2）触点的可用数量不同。硬件继电器中的动作触点数量只是那么有限的几对;而软继电器的触点数量是无限的，可以任意次使用。（3）编程方式不同。在继电器梯形图中是用继电器有限的触点数量，仅考虑各元件之间的动作顺序，适当设置相互制约条件LC梯形图是顺序扫描工作方式，没有并行支路同时动作问题，但要求考虑正确的动作步序，尽量减少程序步数。 PLC梯形图编写时主要采用横画法，主要用等效电路和能流方向表示，编写中注意接点的排列顺序、线圈的排列顺序、线圈右侧不允许串有接点以及接点的排列要符合能流规则等。

2.7三菱可编程控制器（FX系列）的基本性能

3 、可编程控制器的应用

我厂使用最多的可编程控制器是日本三菱公司生产的电机可编程控制器（FX系列）和美国A-B公司生产的SLC-5LC。龚嘴水力发电总厂在综合自动化改造时，一方面采用先进的计算机监控系统，用动作灵敏、可靠性高、性能稳定的自动化元件代替原有的可靠性差、测值不准的自动化元件。另一方面用PLC代替原有的水车自动盘、机组油压装置控制盘以及空压机、集水井控制盘等。利用PLC，既能够自成系统独立对相应设备进行监测控制，又能方便地与计算机监控系统进行数据交换，具有测值准确、故障率低、运行稳定等优点，使其在一般情况下能够独立运行，只在PLC发生故障的情况下，才由计算机监控系统对其相应设备进行干预控制。

3.1配置与功能

3.1.1空压机控制系统

（1）配置：

三菱可编程控器FX2-80T、4A/D模块、电源、继电器等。

电机控制及保护：空气开关、接触器、热保护元件（带缺相保护）。

测控元件：压力变送器、电磁阀、电子流量开关、温度开关。

（2）功能：

系统的测控核心为PLC，它负责所有信息的处理。所有监测开关量送入PLC输入口，变送器将测得的气压电信号送入PLC专用A/D转换模块进行数据处理。PLC按照预置程序完成对空压机系统的自动测量控制，实现空压机的自动启停、供水阀和压力气罐排污阀的自动控制。系统能记录各台空压机的累计运行次数、累计运行时间。

3.1.2压油装置控制系统

（1）配置：

三菱可编程控制器FX2-80T、SGK交流固态电机控制器、压力变送器、压差变送器、液位变送器、组合补气阀B302、压力开关。

（2）功能：

整套装置完成对压油装置的自动控制，实现对油泵的自动启停及自动补气，维持压力和油位在正常的工作范围内;自动运行时“工作”和“备用”泵自动循环，轮流担任，当“工作”泵故障时，“备用”泵自动顶替。系统依据连续精确测量的油位和补气油位设定值，控制电磁补气阀组进行自动补气，至正常油位后停止补气， 并在压油罐油位及回油箱油位异常时，发出相应的故障信号。

3.1.3集水井控制系统

（1）配置：

三菱可编程控器FX2-80T、4A/D模块、电源、继电器等。

电机控制：软起动器、空气开关;

控制元件：液位变送器、浮子开关、电磁阀（常开式）、热导式流量开关;

（2）功能：

PLC作为系统的测控核心，首先将液位变送器和浮子开关测得的水位信号进行自检和互检等数据处理。PLC按照预置程序，执行对水泵电机的启停控制，维持集水井中的水位正常并自动完成水泵电机的“工作——备用”状态切换。当水位达到备用水位及高水位时，发出相应信号。系统采用不同测量原理的两种水位测量控制信号，液位变送器和浮子开关轮换担任“主态”工作状态，运行中其中一个担任“主态”出现故障时另一个自动顶替其运行;液位变送器和浮子开关组成的控制测量模式具互检功能。

3.1.4变压器冷却器控制系统

（1）配置：

FX2-80MT可编程控制器、4A/D模块、温度变送器、温度开关、流量开关、压差变送器、电动阀。

（2）功能：

PLC根据主变负荷和3只温度开关与1只温度传感器送来的4个设定温度值，进行冷却器的启动和停止控制与温度升高的予警和报警;对风冷式变压器冷却器实现对油泵和冷却器的自动启停，维持主变油温在正常的工作范围内;对水冷式变压器冷却器实现冷却器的自动启停，并能对冷却器淤堵进行报警，能自动对冷却器冷却水进行正反向倒换。其运行方式除了按主变油温自动调节外，还自动执行定时逐台循环切换。当冷却器在运行中出现故障，测控装置还能自动进行“工作”“备用”状态的切换;同时，将报警信号上送给电站计算机监控系统。

系统为了保证主变冷却器的事故停运动作可靠，对于3只温度开关与1只温度传感器的动作正确与否，测控装置除了进行自检与互检外，还要进行两者之间的三选二关联动作（即：两只温度开关与1只温度传感器在事故温度时，必须有两个以上的输出量达到事故温度设定值），装置才会送出跳闸信号，否则不会动作。

3.1.5大坝溢洪门控制系统

（1）系统结构及配置：

该系统的构成为每个溢洪门由一套PLC控制，5套溢洪门的PLC连成PLC网和大坝LCU-PLC相连;操作控制既可在现地控制单元PLC的面板上进行操作，也可在闸门LCU-PLC上进行操作。现地PLC组成为：A-LC-5可编程控制器、电源、面板、通信转换器1770-KF3、继电器、电磁阀、压力开关、位移传感器、空气开关、软起动控制器等。

（2）功能：

（a）数据采集运行监视

大坝LCU和现地PLC均可采集并监测显示各压力、油位、闸门开度、自动化元件动作情况等，对油泵的运行状态、闸门位置等进行监视，出现故障或异常时报警。压力传感器输出值直接接进PLC，由PLC输出各上限和下限控制接点。

（b）闸门控制

大坝LCU和现地PLC可独立执行确定的任务，PLC即使在脱离大坝LCU时仍能通过操作面板实现闸门的控制及显示，运行人员通过现地PLC控制面板上的触摸按钮进行闸门的开度设置，工作、备用泵切换，闸门的起升、下降、停止的控制;可完成对弧门水封系统的水润滑装置自动控制。闸门的下沉回升通过PLC 实现。当闸门处于任意设定位置时，由于漏油等原因发生下滑并超过200mm时，启动工作泵，闸门上升到原位置。若工作泵故障，继续下滑到250mm时，备用泵启动，闸门上升到原位置。若备用泵出现故障，继续下滑到300mm时，发报警信号。自动运行时，工作泵、备用泵自动循环，轮流担任，当工作泵故障时备用泵自动顶替工作。

（c）现场PLC模拟量、开关量与大坝LCU共同享用，以确保两套系统自动平稳切换。现地单元PLC故障时能自动平稳切换到大坝LCU工作，并报出故障信号，但不影响其它PLC的正常工作;在大坝LCU故障时，现地PLC能自动投入到独立工作状态。

（d）保护功能

溢洪闸门PLC监控系统可以根据采集的数据和运行情况确定闸门的运行是否正常，如发生电气或机械方面异常，可根据不同情况保护动作，以避免设备的损坏、溢流门PLC控制电源由两段电源供电，且能自动切换。

（e）通讯功能

溢洪闸门PLC可作为计算机监控系统的一部分，可独立运行也可由计算机监控系统统一管理。

3.2应用情况

为实现“无人值班、少人值守”，龚嘴水力发电总厂进行了综合自动化改造，对龚嘴和铜站辅机及公用设备进行了大量改造工作，在辅助设备控制系统改造中大量使用了PLC技术，其中空压机自动测控系统在龚、铜两站高压、低压气机系统中使用了4套，机组压油装置自动测控系统在铜站使用了4套、龚站使用了7套，渗漏排水自动测控系统使用了9套，大坝溢洪门自动测控系统1套，主变冷却器5套。

从以上投运的PLC装置的实际运行情况看，PLC装置运行安全、可靠、稳定;采用以可编程控制器为核心及高可靠的外围自动化元件组成的自动测控系统，彻底改变了传统的测控方式，它取代了传统的调整困难、容易疲劳受损的接点压力表计、机械式压力继电器，这种全新的系统测控模式自动化程度高、运行可靠、功能齐全，具备完善的自动控制、保护及信息传递功能，能可靠地实现系统自身工作状态的自检，外围设备故障状况判断，并具有较强的故障容错功能。全面地数据显示功能为检查和分析设备的运行情况提供依据，从而提高了综合管理水平。

4 、结束语

龚嘴水力发电总厂从1996年开始进行综合自动化改造工作，其目的是为实现水电站“无人值班、少人值守”，而原有辅机控制很难满足 “无人值班、少人值守”的要求。在辅机及公用设备控制系统改造中，我厂选用PLC控制而没有采用计算机监控系统现地LCU进行控制有以下几点原因：

（1）水电站辅助设备（如压油装置、顶盖排水泵等）即使在机组停机状态下，也要按其监视的工况自动控制启停，如果这些辅助设备控制全部由计算机监控系统来完成，势必要求机组LCU在停机状态时也不能退出检修，这时，对LCU的可靠性和可用率提出了不切实际的要求，在技术上和经济上都是不可取的。目前，随着新技术的发展，已采用PLC实现控制以提高可靠性。当计算机监控系统暂时不可能与机组同步投运，或者监控系统出现暂时故障而短时退出时，为保证机组的运行安全，除少数的辅助设备（与机组运行同时工作的如技术供水系统、主轴密封水等）可由机组LCU实现自动控制外，其它辅助设备宜分别设置专门的自动装置。

（2）水电厂的公用设备主要包括高、低压气系统、排水系统等，这些设备安装位置分散，相互独立、自成系统，只需靠各自的自动化元件，按其监视状态和给定的运行方式独立进行控制，自动控制的逻辑比较简单。为满足调试与运行管理的需要，一般都分别设制现地控制屏，如果将这些分散设备的自动控制都集中到计算机监控系统的公用LCU上则连接电缆增加很多，干扰难防，对公用LUC的可靠性要求太高，从而增加了计算机监控系统编程与调试的难度，使得自动控制难以实现。

（3）PLC操作简单、维护方便，PLC编程语言标准化，步进阶梯图易懂。

（4）从经济方面来讲，PLC的价格较之相同测点数量的LCU模件的价格要低得多;在安全性方面， PLC由于具有上述能够自成系统独立对设备进行可靠监测控制的特点，即使计算机监控系统或其它各系统发生故障不能运行时，也完全不会对该系统的正常工作造成影响。因此，采用以计算机监控为主再加上若干个PLC小系统（主要用作辅助设备及公用设备的监测控制） 组成整个电站的计算机监控系统的方式，无论从经济还是从安全的角度看，都是一种非常好的配置方法。