基于PLC的水機后備保護系統(tǒng)設(shè)計

康志遠(yuǎn)，趙 彪，劉 宇，張 濤

（五凌電力有限公司近尾洲水電廠，湖南 衡陽 410004）

近尾洲水電廠機組為燈泡貫流式機組，設(shè)計水頭6.8 m，最大水頭10 m，最小水頭3 m，設(shè)計流量361 m3/s，單機最大出力21.06 MW，額定轉(zhuǎn)速75 r/min，最大飛逸轉(zhuǎn)速225 r/min，機組安裝高程48.8 m。電廠共裝機3臺，總?cè)萘?3.18 MW，設(shè)計年發(fā)電量2.589億kW·h，是一座具有發(fā)電、航運、灌溉等綜合效益的水電廠。本文基于近尾洲水電廠設(shè)備的實際生產(chǎn)安全，探索獨立于機組LCU控制系統(tǒng)之外一種后備保護方案，建立獨立的水機后備保護控制系統(tǒng)[1]，已應(yīng)用于3臺機組，并取得較好的效果，從而實現(xiàn)了對機組主器件的保護，消除了重大設(shè)備隱患，保障了機組安全運行。

1 概述

近尾洲水電廠原機組設(shè)計未在LCU程序外設(shè)置獨立水機保護裝置，且機組控制系統(tǒng)采用單套CPU，存在嚴(yán)重的安全隱患[2]。因此電廠針對此重大設(shè)備隱患進行技術(shù)攻關(guān)，增加獨立的水機保護控制系統(tǒng)。系統(tǒng)基于西門子S7-200系列PLC獨立設(shè)計，保護點包括機組主設(shè)備和輔助設(shè)備壓力、溫度、油流等變量，并與機組運行狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，為保護動作提供精準(zhǔn)判斷。后備保護設(shè)計上完全獨立于監(jiān)控系統(tǒng)LCU，當(dāng)停機跳閘信號觸發(fā)后，能獨立響應(yīng)并啟動緊急停機流程，進一步提高了機組運行的可靠性和安全性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文硬件設(shè)計由5大模塊構(gòu)成：電源模塊、主控制器CPU模塊、信號輸入模塊、信號輸出模塊、報警模塊，其中核心模塊為主控制器CPU，采用西門S7-200 PLC。該系列PLC功能強、速度快、擴展靈活，結(jié)構(gòu)簡單、內(nèi)置豐富的集成功能，具有較高的數(shù)據(jù)采集及運算能力。系統(tǒng)硬件模塊示意圖如圖1所示[3]。

圖1 系統(tǒng)硬件模塊示意圖

2.1 電源模塊

由于CPU226需要穩(wěn)定的直流供電，因此電源取自廠站直流系統(tǒng)，220 V直流電經(jīng)過電源模塊整流后輸出24 V，然后用獨立的空氣開關(guān)進行控制。電源模塊采用菲尼克斯電源系列，型號為QUINTPS/24 V DC，該電源電壓輸入范圍85 V～300 V，內(nèi)部配置熔斷器和壓敏電阻，能防止電涌電流沖擊，保護電源組件；額定輸出為24 V±1%額定值，輸出端具有過電壓保護，保護電壓小于35 V DC，能耐抗交流4 kV絕緣測試，因此絕緣性能高、抗干擾性好、輸出穩(wěn)定。除此之外，電源模塊自身具有斷電報警功能，只要將自帶接點開關(guān)接入監(jiān)控系統(tǒng)，一旦電源失電，上位機會立刻報水機保護電源裝置故障，運行人員第一時間會收到報警信息并進行故障處理。電源模塊示意如圖2所示。

圖2 電源模塊示意圖

2.2 主控制器模塊

主控制器模塊型號為CPU226，屬于西門子小型可編程控制器，可以單機運行，具有齊全的編程和組態(tài)軟件，可靠性高、功耗小、運行速度快。模塊包括中央處理單元和24點輸入接口、16點輸出接口，可用點數(shù)較多，滿足設(shè)計要求。CPU主要負(fù)責(zé)對外部輸入信號實時監(jiān)測，若某個信號點動作，CPU在掃描周期內(nèi)進行檢測處理，并作用于輸出模塊，開出緊急停機信號，并將動作信號發(fā)送到上位機，通過上位機進行報警顯示。

2.3 信號輸入模塊

信號輸入模塊由停機跳閘點和轉(zhuǎn)速>1%Ne蠕動信號組成，它負(fù)責(zé)采集動作信號，讀取傳感器中開關(guān)量變化，將信號發(fā)送至控制器中，通過控制器CPU進行判斷處理。本系統(tǒng)停機跳閘點包括軸承高位油箱油位低跳閘點，壓油槽壓力低跳閘點，油流低跳閘點，溫控屏發(fā)導(dǎo)、推力、冷風(fēng)、熱風(fēng)溫度高等。將跳閘點與轉(zhuǎn)速>1%Ne串聯(lián)，當(dāng)機組在運行狀態(tài)時，跳閘點動作則開出跳閘信號，作用于機組解列停機；當(dāng)機組停機時，轉(zhuǎn)速為零，邏輯條件不符合，保護裝置處于熱備用狀態(tài)。信號輸入I/O地址分配如表1所示。

表1 信號輸入地址分配

2.4 信號輸出模塊

信號輸出模塊由跳閘信號組成，包括調(diào)速器停機令、勵磁開關(guān)跳閘、快速關(guān)閉閥動作、出口開關(guān)分閘。同時給監(jiān)控系統(tǒng)開出停機信號。跳閘點動作后對應(yīng)指示燈保持常亮狀態(tài)，通過指示燈可以對開出信號進行故障判斷。系統(tǒng)設(shè)計相應(yīng)復(fù)位開關(guān)，用于模塊重啟和調(diào)試需求。信號輸出I/O地址分配如表2所示。

表2 輸出信號地址分配

2.5 報警模塊

報警模塊包括裝置失電告警和信號開出告警。水機保護電源中自帶失電保護開關(guān)，開關(guān)接點接入監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)電源失電后，電源裝置會觸發(fā)故障。若跳閘信號開出，可通過PLC指示燈進行顯示，并通過觸摸屏和上位機對報警信號進行實時讀取，專業(yè)人員能第一時間對報警進行處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由CPU226信號檢測、信號處理和信號開出組成。CPU226具有24個輸入端口，16個輸出端口，256個定時器和計數(shù)器，2個RS-485通信接口。編程軟件采用STEP 7 MicroWIN SP9 V4.0，具有在線調(diào)試功能[4，5]。本文跳閘點檢測主要包括機組油位、油流異常信號和溫度異常信號，針對不同信號輸入，PLC在程序邏輯做出相應(yīng)的判斷。當(dāng)油位、油流跳閘信號輸入時，程序加入了0.5 ms的防抖設(shè)計，防止現(xiàn)地硬接點松動導(dǎo)致機組非停；當(dāng)溫度信號異常時，若溫度值大于跳閘值且小于150 ℃，信號保持5 s后才能作用于停機信號，若溫度值大于跳閘值且快速上升并超過150 ℃，則無法開出停機信號，這樣有利于避免現(xiàn)地接點斷線造成的機組非停，從而對機組解列停機實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，有效地增強了設(shè)備穩(wěn)定性。主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

4 試驗結(jié)果

利用機組檢修機會安裝水機保護裝置，試驗中模擬LCU控制系統(tǒng)死機或者斷電情況，對現(xiàn)地跳閘信號進行模擬動作，水機后備保護系統(tǒng)運行正常，所有跳閘點均能響應(yīng)，并開出對應(yīng)的停機信號，達(dá)到了設(shè)備改造預(yù)期效果。以正推軸承測溫點為例，試驗結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 軸承油溫保護點動作示意圖

圖5 水機保護裝置動作指示

5 結(jié)論

本文針對設(shè)備重大隱患需求，研制了一款基于S7-200 PLC的水機后備保護裝置，實現(xiàn)了對機組的保護控制。試驗結(jié)果表明，該裝置在機組LCU死機后，能獨立開出于機組停機信號，保護機組發(fā)電主設(shè)備及輔助設(shè)備，防止事態(tài)擴大，保障了電力安全生產(chǎn)。本文設(shè)計的水機保護裝置功能完整、動作可靠、適用性強，對機組穩(wěn)定運行具有重要的意義。