電機(jī)輪換策略在水電廠輔助控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

易 珊

（四川華電雜谷腦水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

0 引言

水電廠的輔助系統(tǒng)主要包括機(jī)組輔助系統(tǒng)（如調(diào)速器油壓裝置系統(tǒng)、主變冷卻器系統(tǒng)、頂蓋排水系統(tǒng)等）、公用輔助系統(tǒng)（如機(jī)組檢修、廠房滲漏排水系統(tǒng)）、廠外輔助系統(tǒng)（如電梯基坑、大壩滲漏排水系統(tǒng)、消力池滲漏排水系統(tǒng)、水廠系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)）等。主要由自動(dòng)化測控元件（液位開關(guān)、液位變送器、壓力開關(guān)、壓力變送器、流量開關(guān)、流量變送器等）、軟啟動(dòng)器或接觸器、電機(jī)、其他執(zhí)行元件（如電磁閥等）組成的以PLC 為核心的控制系統(tǒng)。

為保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠，在諸多實(shí)際應(yīng)用案例中，單一輔助控制系統(tǒng)經(jīng)常需要同一功能的多臺電機(jī)工作，以滿足既定（如排水、打壓等）功能需求。為了讓每臺電機(jī)安全、有序地完成啟停任務(wù)，避免電機(jī)工作次數(shù)、時(shí)間不均衡，影響電機(jī)的使用效率和壽命，一般采用多臺電機(jī)輪換啟動(dòng)、互為備用的策略。電機(jī)的正常、合理輪換是系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，電機(jī)輪換策略包括按運(yùn)行次數(shù)輪換、按次輪換、按累計(jì)運(yùn)行時(shí)間輪換和故障輪換。對于連續(xù)運(yùn)行時(shí)間較短的系統(tǒng)，多采用按次輪換的方式；對于連續(xù)運(yùn)行時(shí)間較長的系統(tǒng)，可采用按次輪換或按累計(jì)運(yùn)行時(shí)間輪換的方式。

多數(shù)輔助控制系統(tǒng)的主要控制對象為電機(jī)（如空壓機(jī)、排水電機(jī)等），因此，多電機(jī)輪換策略的研究對于實(shí)際檢修維護(hù)工作具有重要意義。

1 雙電機(jī)輪換策略

1.1 CTU 計(jì)數(shù)器循環(huán)計(jì)數(shù)法

該輪換策略主要通過利用加計(jì)數(shù)器（CTU）和電機(jī)的運(yùn)行信號，得到判斷主用電機(jī)的標(biāo)志位，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)按次輪換，具體實(shí)現(xiàn)方法如圖1 所示。

圖1 CTU 計(jì)數(shù)器循環(huán)計(jì)數(shù)法

加計(jì)數(shù)器CTU 主要用于遞增計(jì)數(shù)，當(dāng)R 輸入為1 時(shí)，表示信號復(fù)歸，會(huì)將值0 賦值至CV 輸出；另外，控制模塊檢測CU 輸入值，每次從0 到1 的跳變，都會(huì)促成CV 值加1，當(dāng)CV≥PV 時(shí)，Q 輸出值設(shè)置為1；當(dāng)PV 設(shè)置為2，CU 輸入信號量電機(jī)1和電機(jī)2 運(yùn)行信號取反時(shí)，Q 輸出賦值給R。加計(jì)數(shù)器的輸出值有0、1、2。當(dāng)CV 輸出為2 時(shí)，Q 輸出為1，CV 立即置0。因此CV 的穩(wěn)態(tài)輸出為0、1。當(dāng)PLC 首次運(yùn)行時(shí)，CV 輸出%MW101 為0，EQ_INT 的輸出%M101 輸出為0，標(biāo)志1 號電機(jī)為主用電機(jī)。當(dāng)1 號電機(jī)運(yùn)行結(jié)束時(shí)，CU 收到1 個(gè)上升沿，CV 輸出%MW101 置1，標(biāo)志2 號電機(jī)主用。當(dāng)2 號電機(jī)運(yùn)行結(jié)束時(shí)，CU 再次收到1 個(gè)上升沿，CV 輸出%MW101 置2，Q 輸出%M100 置1，CV 輸出%MW101 置0，標(biāo)志1 號電機(jī)主用。如此循環(huán)往復(fù)，完成雙電機(jī)輪換。

CTU 計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的電機(jī)輪換策略特點(diǎn)是PLC斷電重啟之后主態(tài)電機(jī)標(biāo)志位的值保持為上次斷電的值。

1.2 點(diǎn)位式輪換法

該輪換策略主要通過使用bool 類型變量的值0和1 分別指示主用電機(jī)和備用電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)按次輪換，具體實(shí)現(xiàn)方法如圖2 所示。

圖2 雙電機(jī)點(diǎn)位式輪換策略

變量%M200 的狀態(tài)0 和1 用于指示主用電機(jī)和備用電機(jī)，其通過置位線圈和復(fù)位線圈完成對其狀態(tài)的輪換。PLC 首次上電時(shí)，%M200 的值為0，1 號電機(jī)主用。當(dāng)1 號電機(jī)運(yùn)行結(jié)束后出現(xiàn)的下降沿使負(fù)轉(zhuǎn)換感應(yīng)線圈置1，或者1 號電機(jī)故障時(shí)，%M200 通過置位線圈置1，標(biāo)志主用電機(jī)輪換成2 號電機(jī)。當(dāng)2 號電機(jī)運(yùn)行結(jié)束后出現(xiàn)的下降沿使負(fù)轉(zhuǎn)換感應(yīng)線圈置1，或者2 號電機(jī)故障時(shí)，%M200 通過復(fù)位線圈置0，標(biāo)志主用電機(jī)輪換成1 號電機(jī)。如此循環(huán)往復(fù)，完成雙電機(jī)運(yùn)行輪換。點(diǎn)位式電機(jī)輪換策略有如下3 個(gè)特點(diǎn)：

(1)在PLC 失電重啟后，指示位變量狀態(tài)能保持為失電前狀態(tài)；

(2)僅用1 個(gè)bool 型指示變量就能完成雙電機(jī)輪換；

(3)在主用指示變量輪換置位和復(fù)位時(shí)使用運(yùn)行信號進(jìn)行自鎖，增強(qiáng)了程序的強(qiáng)健性。

2 多電機(jī)輪換策略

2.1 多電機(jī)輪換的一般性策略

多電機(jī)使用場景的一般性控制要求如下（此處以3 臺電機(jī)運(yùn)行為例）：PLC 程序根據(jù)在外部采集的模擬量信號或者開關(guān)量信號控制一定數(shù)量的電機(jī)啟停，當(dāng)需要1 臺電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)優(yōu)先級最高的電機(jī)；當(dāng)需要再啟動(dòng)1 臺電機(jī)時(shí)，啟動(dòng)在備用狀態(tài)中優(yōu)先級最高的電機(jī)；當(dāng)需要再啟動(dòng)1 臺電機(jī)時(shí)，3 臺電機(jī)均啟動(dòng)。而在備用電機(jī)中對電機(jī)優(yōu)先級的排序，是電機(jī)合理、有序、安全、可靠運(yùn)行的前提。

2.2 多電機(jī)輪換策略舉例

（1）CTU 加法器循環(huán)計(jì)數(shù)法

該策略主要通過使用兩個(gè)CTU 加計(jì)數(shù)器循環(huán)計(jì)數(shù)，分別對應(yīng)單電機(jī)運(yùn)行循環(huán)計(jì)數(shù)和雙電機(jī)運(yùn)行循環(huán)計(jì)數(shù)。對于單電機(jī)運(yùn)行時(shí)，PV 設(shè)置為3，CU 輸入信號1 號電機(jī)運(yùn)行、2 號電機(jī)運(yùn)行、3 號電機(jī)運(yùn)行信號串聯(lián)，Q 輸出賦值給R。加計(jì)數(shù)器的輸出值有0、1、2、3。當(dāng)CV 輸出為3 時(shí)，Q 輸出為1，CV 立即置0。因此CV 的穩(wěn)態(tài)輸出為0、1、2，可分別指示單電機(jī)運(yùn)行情況下主用電機(jī)分別為1 號電機(jī)、2 號電機(jī)、3 號電機(jī)。當(dāng)單臺電機(jī)運(yùn)行結(jié)束時(shí)，主用電機(jī)自動(dòng)切換至下一電機(jī)。實(shí)現(xiàn)方法如圖3 所示。

圖3 CTU 加法器單泵循環(huán)計(jì)數(shù)法

對于雙電機(jī)運(yùn)行時(shí)，PV 設(shè)置為3，Q 輸出賦值給R。加計(jì)數(shù)器的輸出值有0、1、2、3。當(dāng)CV 輸出為3 時(shí)，Q 輸出為1，CV 立即置0。因此CV 的穩(wěn)態(tài)輸出為0、1、2，可分別用來指示雙電機(jī)運(yùn)行情況下主用電機(jī)分別為1 號、2 號電機(jī)，2 號、3 號電機(jī)和3號、1 號電機(jī)。實(shí)現(xiàn)方法如圖4 所示。

圖4 CTU 加法器雙泵循環(huán)計(jì)數(shù)法

該策略在PLC 掉電后標(biāo)志位狀態(tài)不會(huì)改變，在實(shí)際使用過程中應(yīng)該考慮到電機(jī)非正常狀態(tài)時(shí)退出輪換序列。

（2）INT 類型數(shù)據(jù)循環(huán)移位法

該策略在實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛，主要使用向左循環(huán)移位指令（ROL）或向右循環(huán)移位指令（ROR）對整型數(shù)據(jù)進(jìn)行移“1”操作，根據(jù)“1”在整型數(shù)據(jù)的不同位置，使標(biāo)志位移動(dòng)，用以分別標(biāo)志不同的主用電機(jī)。在主用電機(jī)運(yùn)行結(jié)束之后或者故障時(shí)，進(jìn)行移“1”操作，從而完成主用電機(jī)的輪換。下面以向左循環(huán)移位指令為例。

當(dāng)系統(tǒng)初始化時(shí)，將標(biāo)志主態(tài)位的INT 數(shù)據(jù)賦值為1，代表1 號電機(jī)為主態(tài)位，此時(shí)16 位二進(jìn)制數(shù)值為，實(shí)現(xiàn)方法如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)初始化時(shí)標(biāo)志位邏輯圖

當(dāng)1 號電機(jī)故障或運(yùn)行后，將標(biāo)志主態(tài)位的INT數(shù)據(jù)里面的二進(jìn)制進(jìn)行移位操作，使用ROL 向左移1 位指令，將INT 數(shù)據(jù)賦值為2，代表2 號電機(jī)為主態(tài)位，移位后的二進(jìn)制數(shù)值為，實(shí)現(xiàn)方法如圖6 所示。

圖6 向左移1 位邏輯圖

當(dāng)2 號電機(jī)故障或運(yùn)行后，將標(biāo)志主態(tài)位的INT 數(shù)據(jù)里面的二進(jìn)制進(jìn)行移位操作，使用ROL 向左移1 位指令，將INT 數(shù)據(jù)賦值為4，代表3 號電機(jī)為主態(tài)位，移位后的二進(jìn)制數(shù)值為。

當(dāng)3 號電機(jī)故障或者運(yùn)行后，將標(biāo)志位主態(tài)位的INT 數(shù)據(jù)里面的二進(jìn)制進(jìn)行移位操作，使用ROL向左移1 位指令，將INT 數(shù)據(jù)賦值為8。多臺電機(jī)輪換時(shí)，依次類推進(jìn)行移位，從而確定電機(jī)主態(tài)位。

如果只有3 臺電機(jī)，則增加判斷條件當(dāng)INT 數(shù)值大于4 時(shí)，將INT 重新賦值為1，即1 號電機(jī)為主態(tài)位，實(shí)現(xiàn)方法如圖7 所示。

圖7 主態(tài)位重新置1 邏輯圖

當(dāng)需要1 臺電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，判斷主態(tài)位在幾號電機(jī)，則啟動(dòng)對應(yīng)的電機(jī)。

當(dāng)需要兩臺電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，先判斷主態(tài)位在幾號電機(jī)，再同時(shí)加1 臺電機(jī)序號，兩臺同時(shí)啟動(dòng)。如果主態(tài)位在1 號電機(jī)，則啟動(dòng)1 號、2 號電機(jī)；如果主態(tài)位在2 號電機(jī)，則啟動(dòng)2 號、3 號電機(jī)；如果主態(tài)位在3 號電機(jī)，則啟動(dòng)3 號、1 號電機(jī)。

當(dāng)需要3 臺電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，不再判斷主態(tài)位，直接啟動(dòng)3 臺電機(jī)。主態(tài)位移位3 次，又回到3 臺電機(jī)啟動(dòng)前的主態(tài)位，實(shí)際主態(tài)位并未發(fā)生改變。

該策略具有以下特點(diǎn)：

（1）可擴(kuò)展性強(qiáng)，理論上最多可以實(shí)現(xiàn)對16 臺電機(jī)的輪換控制；

（2）輪換邏輯簡單，3 臺電機(jī)的輪換策略和16 臺電機(jī)的輪換邏輯一致，對于多臺電機(jī)同時(shí)運(yùn)行輪換的情況編程較為簡單、清晰；

（3）PLC 失電重啟后標(biāo)志位狀態(tài)不會(huì)改變，重啟后依然可以延續(xù)重啟前的電機(jī)輪換次序。

3 運(yùn)行次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間輪換策略

該輪換策略首先需要統(tǒng)計(jì)電機(jī)運(yùn)行次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)運(yùn)行次數(shù)或運(yùn)行時(shí)間達(dá)到輪換設(shè)定值時(shí)進(jìn)行輪換，既可以防止電機(jī)長時(shí)間空置，又可以方便地分析電機(jī)運(yùn)行效率，為檢修維護(hù)提供時(shí)間參考。

3.1 累計(jì)運(yùn)行次數(shù)統(tǒng)計(jì)

累計(jì)運(yùn)行次數(shù)采用累加法，電機(jī)每運(yùn)行1 次，運(yùn)行次數(shù)加1，實(shí)現(xiàn)方法如圖8 所示,Number_Of_Times 代表電機(jī)運(yùn)行次數(shù)。

圖8 累計(jì)運(yùn)行次數(shù)統(tǒng)計(jì)邏輯圖

3.2 累計(jì)運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)

累計(jì)運(yùn)行時(shí)間采用累加求和進(jìn)位策略。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，每運(yùn)行1 s 進(jìn)行1 次加1 計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)方法如

圖9 累計(jì)運(yùn)行時(shí)間邏輯圖

在實(shí)際應(yīng)用中，比如年度檢修后，需要將電機(jī)運(yùn)行次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間重新計(jì)數(shù)時(shí)，可以通過Reset 按鍵延時(shí)將運(yùn)行次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間清零，實(shí)現(xiàn)方法如圖10 所示。程序中，按下Reset 持續(xù)10 s 后，則可以將運(yùn)行次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間清零。

圖10 運(yùn)行次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間清零邏輯圖

該策略具有以下特點(diǎn)：

（1）統(tǒng)計(jì)方法簡單清晰，可將電機(jī)運(yùn)行時(shí)間精確到秒；

（2）當(dāng)某臺電機(jī)運(yùn)行次數(shù)或運(yùn)行時(shí)間達(dá)到設(shè)定值后，將標(biāo)志輸出并接至故障信號，則可通過故障輪換邏輯實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輪換；

（3）PLC 失電重啟后電機(jī)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，當(dāng)統(tǒng)計(jì)值超過設(shè)定值后會(huì)出現(xiàn)計(jì)數(shù)超限情況，為避免此問題，可在年度檢修工作后將其清零便于分析統(tǒng)計(jì)。

4 結(jié)語

合理、有序、安全、可靠地設(shè)計(jì)PLC 控制程序，可以防止系統(tǒng)在運(yùn)行過程中頻繁、長時(shí)間使用主用電機(jī)、長時(shí)間空置備用電機(jī)的情況。多電機(jī)輪換的控制策略要體現(xiàn)公平性，在正常運(yùn)行情況下同一功能的多臺電機(jī)應(yīng)該有相同的機(jī)會(huì)參與運(yùn)行，在電機(jī)故障后可以靈活地調(diào)整輪換策略。文中提出的幾種多電機(jī)輪換策略，可供輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員及電氣維護(hù)人員在處理此類應(yīng)用問題時(shí)參考。