烏金峽電站左岸供水控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

豆文杰 馮廷琳

（國投甘肅小三峽發(fā)電有限公司，甘肅 蘭州 730000）

一、引言

烏金峽水電站位于白銀市靖遠縣平堡鄉(xiāng)境內(nèi)，是黃河龍羊峽至青銅峽河段15 級梯級規(guī)劃中的第12 級電站，電站安裝4 臺35MW 燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量14 萬千瓦。

烏金峽電站左岸供水系統(tǒng)是全廠技術(shù)供水的重要組成部分，擔(dān)負著向4臺機組主軸密封等重要設(shè)備供水、循環(huán)水池補水、辦公樓供水等作用。原控制系統(tǒng)在運行過程中故障頻發(fā)，日益影響機組安全穩(wěn)定運行。對左岸供水控制系統(tǒng)進行技術(shù)改造，使電站公用及機組輔助設(shè)備具有更高的可靠性和自動化程度的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)勢在必行[1]。

二、系統(tǒng)組成及控制方案

（一）系統(tǒng)組成

烏金峽電站左岸供水系統(tǒng)主要由大口井、蓄水池、水泵房滲漏水池、深井泵、離心泵、潛污泵、管路、測量儀表、控制柜等組成。系統(tǒng)示意圖如圖1：

圖1 烏金峽電站左岸供水系統(tǒng)示意圖

（二）控制方案

烏金峽電站左岸供水系統(tǒng)設(shè)備分布范圍廣、數(shù)量多、控制功能各異。綜合考慮現(xiàn)場實際，

采用方案如下：①各被控設(shè)備組自成系統(tǒng)，獨立組盤，分別設(shè)置控制單元，實現(xiàn)被控設(shè)備的自動控制、故障保護及報警。②各控制單元實現(xiàn)與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的通信，將被控設(shè)備的故障、運行狀態(tài)等信號通過以太網(wǎng)送至電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，重要信號以繼電器無源接點形式傳遞給公用LCU。③在電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)中增加一幅左岸供水控制系統(tǒng)的畫面，直觀顯示泵的啟停狀態(tài)，通過畫面中泵的動態(tài)鏈接啟動流程來遠方啟停水泵。④控制柜上設(shè)有“現(xiàn)地/遠方/切除”控制方式開關(guān)，可靈活地選擇系統(tǒng)的工作方式為電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)參與控制或完全由現(xiàn)地PLC 自動控制。⑤模擬量信號為從現(xiàn)場的非電量傳感器或變送器引入的兩線制模擬量信號，為了適用于可編程控制器的模擬量采集處理，通過雙路配電器給每個變送器配獨立的隔離電源，選用配電器輸出為4～20mA 的模擬量信號，并聯(lián)輸入給PLC 模擬量模塊和數(shù)顯儀表。⑥ 2 臺深井泵互為主備，各自設(shè)置“手動/切除/工作/備用/工備自轉(zhuǎn)”5 位的工作方式開關(guān),以蓄水池水位為被控量，并帶有大口井水位過低閉鎖啟深井泵保護功能。⑦2 臺離心水泵互為主備，各自設(shè)置了“手動/切除/工作/備用/工備自轉(zhuǎn)”5 位的工作方式開關(guān)，以供水管路壓力為被控量，通過變頻器實現(xiàn)系統(tǒng)恒壓變頻供水。⑧一臺潛污泵采用手動控制方式，通過操作開關(guān)可將水泵電機的運行分別設(shè)置為啟動、0位、停止。

三、設(shè)備選型

在綜合考慮系統(tǒng)性能、可靠性、擴展性和網(wǎng)絡(luò)性能、CPU 運算速度及存儲容量、CPU 時鐘頻率、CPU 控制功能、主要模塊的性能指標(biāo)等因素，選用法國施耐德公司生產(chǎn)的TSX Premium 系列PLC。包含CPU 模塊、電源模塊、開關(guān)量I/O 模塊、模擬量I/O 模塊、通訊模塊[2]。

綜合考慮啟動裝置的性能、電磁特性及性價比，并且變頻器需要具備PID 宏功能。方案選擇ATV630 系列變頻器作為實現(xiàn)恒壓供水的主設(shè)備。因現(xiàn)場被控離心泵額定功率為5.5kW，參考廠家提供的變頻器和自動斷路器配合表，選擇ATV630U55N4 型變頻器及配套接觸器、斷路器為離心泵主回路設(shè)備。

該控制系統(tǒng)需要測量的主要非電量有水位和壓力。選擇麥克傳感器公司生產(chǎn)的MPM4700 系列的投入式液位變送器和MPM484 系列壓力變送器為。為保證設(shè)備可靠性，同時選用歐姆龍K8AK-LS 導(dǎo)電式液位開關(guān)作為200m3水池水位開關(guān)量控制。

四、硬件回路設(shè)計

（一）PLC 部分

根據(jù)控制方案，PLC 需要采集現(xiàn)地模擬量、各臺泵的控制方式、泵的啟停信號以及各類故障信號，并對采集到的信息進行判斷處理后，以控制設(shè)備正確動作。部分開關(guān)量輸入接線原理圖如圖2。

圖2 部分開關(guān)量輸入接線原理圖

（二）變頻器回路設(shè)計

變依據(jù)控制方案，用一臺ATV630 變頻器帶一臺離心泵冗余配置來保證系統(tǒng)的可靠性。離心泵控制電氣原理圖如圖3 所示：

圖3 離心泵控制電氣原理圖

變頻器STOA 和STOB 端子為安全扭矩中斷；AI1 輸入接口接壓力變送器反饋值；R1A 和R1C 接變頻器故障信號；R2A 和R2C 接變頻器運行信號；DI1邏輯輸入端子和+24V 接KB1 常開觸點。

五、軟件設(shè)計

軟件部分設(shè)計主要包括人機界面組態(tài)、全廠監(jiān)控系統(tǒng)畫面組態(tài)以及PLC控制程序編寫。根據(jù)選用的CPU 模塊，使用施耐德PLC 編程軟件UnityPro XI 5.0 編寫控制程序。

離心泵控制邏輯為：通過各臺離心泵運行方式選擇開關(guān)可將各離心泵電機的運行分別設(shè)置為手動、切除、工作、備用、工備自轉(zhuǎn)等5 種方式。在后3 種工作方式下均實現(xiàn)自動啟、停，并可實現(xiàn)遠方控制。在自動運行方式下，能在控制盤上將某臺離心泵設(shè)置為工作水泵、備用水泵，實現(xiàn)2 臺水泵的互為備用；離心泵變頻器根據(jù)出口管路壓力反饋值調(diào)整電機運行，使得管路壓力恒定，主備離心泵每隔15 天輪換一次。

深井泵控制邏輯為：通過各深井泵運行方式選擇開關(guān)可將各水泵電機的運行分別設(shè)置為手動、切除、工作、備用、工備自轉(zhuǎn)等5 種方式。在后3 種工作方式下均實現(xiàn)自動啟、停，并可實現(xiàn)遠方控制。在自動運行方式下，能在控制盤上將某水泵設(shè)置為工作深井泵、備用水泵，實現(xiàn)2 臺水泵的互為備用；當(dāng)200 立方水池水位到啟工作泵水位時，啟動工作水泵；到備用泵啟動水位啟備用泵；當(dāng)水位正常時，停所用的泵；當(dāng)大口井水位過低時閉鎖深井泵啟動。

六、調(diào)試

按照定值單在人機界面對水位、壓力等控制參數(shù)進行設(shè)置。然后根據(jù)離心泵電機參數(shù)設(shè)置好變頻器參數(shù)。進入[完整設(shè)置]-[電機參數(shù)]-[電機數(shù)據(jù)]對電機參數(shù)進行設(shè)定。進入[完整設(shè)置]-[泵功能]-[PID 控制器]對PID 控制參數(shù)設(shè)定。進入[完整設(shè)置]-[輸入/輸出]，分別對R1、R2、DI1 功能進行分配。

在各水泵試運轉(zhuǎn)前，必須核對各水泵電機主電相序正確，且無缺相。對各水泵先現(xiàn)地點動試運轉(zhuǎn)，無堵轉(zhuǎn)、無反轉(zhuǎn)現(xiàn)象后手動啟動運行，各泵的啟停信號反饋信號正確。然后切至自動，逐條驗證自動控制邏輯正確。在試運轉(zhuǎn)過程中送核對以MB+網(wǎng)上送全廠監(jiān)控系統(tǒng)LCU 的搖信量、遙測量、遙控量正確。

七、結(jié)語

通過生產(chǎn)現(xiàn)場實際調(diào)試與試運行，所設(shè)計的烏金峽左岸供水控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，完全達到了“無人值班、少人值守”的運行要求，使烏金峽電站公用及機組輔助設(shè)備可靠性進一步提升。對主設(shè)備保護完善，日常操作方便，維護簡單，值得推廣應(yīng)用。