可編程控制器在水輪機組油壓裝置控制系統中的應用

楊 秀 偉

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

引言

油壓裝置是為水輪發電機組調速系統、進水閥操作系統、機組自動控制系統供給壓力能源的裝置，是控制和調速系統中的重要設備之一。

水輪機組油壓裝置的作用是為機組提供安全、可靠、穩定的壓力油源，以實現水輪發電機組的開停機、頻率和負荷調節。水輪機調節系統油壓裝置運行的可靠性、穩定性直接關系到主設備的安全和發電的質量，油壓裝置自動化控制的可靠性是機組安全穩定運行的保證。為保證機組完成自動化操作，油壓裝置進行自動控制就顯得尤為重要。本文主要講述油壓裝置控制系統的軟、硬件的構成及功能的實現等。

1 油壓裝置的結構及工作原理

1.1 油壓裝置的構成

本油壓裝置采用分離式結構，機械液壓系統圖如圖1所示，液壓系統由回油箱總裝、壓力罐總裝組成。

回油箱總裝由回油箱箱體、兩套電機泵組、組合閥、液位計、空氣濾清器、閥門和管路附件等組成。

壓力油罐總裝是由壓力油罐本體和安裝在罐體上的壓力表、壓力開關、壓力變送器、旁路磁翻柱液位計、空氣安全閥及自動補氣裝置等組成。

1.2 油壓裝置的工作原理

油壓裝置和用油設備組成一個封閉的循環油路。回油箱上有兩套相同的電機泵組，當機組在運行工況時，一臺油泵做連續或間斷運行，另一臺做為備用。主用油泵可根據壓力罐內油壓及液位的變化啟動或停止，它們也可以輪換作為主、備用。在正常運行時，當壓力罐內壓力降到6.1MPa時，啟動主用泵從回油箱清潔油區吸油送到壓力油罐，當壓力達到6.3MPa時停泵。當壓力罐輸出油量大于主用泵輸油量或主用泵未能在6.1MPa時啟動，致使罐內壓力繼續下降，當降至5.8MPa時，啟動備用泵，當罐內壓力升至6.3MPa時，停止主、備用泵。系統中的回油返回回油箱臟油區，通過過濾網過濾后進入箱內凈油區，以備投入下一輪循環。

壓油罐內的油氣體積比為1：2，為了保證壓力罐內油氣比例，壓力油罐上裝有自動補氣裝置，當壓力油罐內的油位達到上限，而壓力又降至6.0MPa以下，則自動補氣裝置動作向罐內補氣，直到壓力達到6.4MPa或油位降至下限油位，停止補氣。

2 油壓裝置控制系統的設計

2.1 控制系統設計方案

本系統采用以油壓控制為主、油位控制為輔的方式。由PLC根據壓力油罐和回油箱自動化元件所提供的壓力、油位信號對油泵、組合閥、自動補氣裝置等進行控制，實現自動補氣控制以及油泵控制，從而使壓力油罐內的油壓、油位保持在正常范圍內，同時PLC根據回油箱自動化元件所提供的油位信號對自動添油裝置進行控制，保證回油箱油位正常，使整個水輪機組得以正常運行。

圖1 油壓裝置機械液壓系統圖

控制裝置采用現地自動控制為主，現地手動控制為輔的控制原則。控制方式由設在控制屏上的控制開關設定，控制開關設“自動”、“手動”兩個位置。

（1）控制開關在“自動”位置時，由PLC根據每臺設備的運行次數自動輪換其工作／備用方式；當設備發生故障時，PLC自動識別，切除故障并報警，同時由PLC控制啟動備用設備，維持系統正常工作。

（2）控制開關在“手動”位置時，可不經PLC直接控制油泵的啟、停。只能由操作人員現地手動啟停對應油泵，便于設備調試及在特殊情況下的手動操作處理。

2.2 控制系統的硬件設計

油壓裝置控制系統由油壓裝置控制柜及油泵啟動柜組成。

油壓裝置控制柜主要負責各個子系統的控制，考慮到對輸入輸出的要求及系統模塊的擴展，油壓裝置控制柜選用 Schneider M340可編程控制器進行數據的處理，Schneider M340可編程控制器具有體積小、擴展模塊類型多、可實現modbus通訊等特點。該系統用了24個離散輸入點、4個模擬輸入點、24個離散輸出點，PLC硬件組態見表1。Schneider M340可編程控制器在實現油壓裝置的運行和管理的同時，還將運行結果反饋給PLC進行智能判斷，形成閉環控制。并將故障信息和相關的采樣數據等傳送到遠程LCU上，以便于系統分析、運行管理和維護。

表1 硬件組態表

油泵啟動柜主要由油泵的控制回路（手動和自動）和主回路組成，為了保證油壓裝置工作的可靠性，裝有2臺螺桿泵，1臺為工作油泵，另1臺為備用油泵，當機組在運行工況時，一套油泵做間斷運行，另一臺做為備用。為了延長油泵電機的使用壽命，油泵電機的啟停控制采用施耐德公司的ATS-48系列軟啟動器；當2臺壓油泵都設置為自動方式時，由PLC完成2臺泵的工作／備用方式設置和切換和啟停控制。

2.3 控制系統軟件設計

控制系統的軟件是基于Schneider的Unity Pro應用程序開發的。根據控制系統的要求，本系統分為啟泵子程序、停泵子程序和補氣子程序，主用泵選擇子程序，自動添油子程序，故障處理子程序等五個功能子程序，系統控制流程如圖2所示。根據各個工況的 不同控制要求，主要完成以下幾項功能：

圖2 主程序流程圖

（1）壓力的控制：壓力罐內的壓力應保持在6.1～6.3MPa之間，當壓力發生變化時，對油泵以及自動補氣裝置進行控制，以保持壓力罐內的壓力在合理的范圍內，保證機組的正常運行。

（2）自動補氣控制：壓油罐內的油氣體積比為1：2，當壓力油罐內的油位達到上限，而壓力又降至6.0MPa以下，則自動補氣裝置動作向罐內補氣，直到壓力達到6.3MPa或油位降至下限油位，停止補氣。

（3）油泵的控制：為了保證壓力罐壓力正常，本系統設有兩臺油泵，互為主備用，且泵間歇運行，壓力<6.1MPa時，啟動主用油泵；壓力<5.8MPa時，啟動輔助泵；當壓力低于事故低油壓壓力時，發出事故停機信號。根據泵的運行時間，兩臺泵輪流作為主用泵啟動。

（4）回油箱油位控制：回油箱油位低時，油位低開關動作自動添油，當油量加到正常位置時，它的回油箱油位正常壓力開關接點閉合，關閉自動添油裝置。

3 結束語

本系統采用油壓、液位雙重控制方案，提高了系統的可靠性；實現定期自動“倒泵”，保證每臺油泵年運行小時數相等，避免了使用率不均而造成部分油泵過磨損或因長期不用而卡澀。采用軟啟動器，解決了由于油泵啟動沖擊而引起的電氣、機械故障等問題。

本系統是按照“無人值班，少人值守”的要求進行設計，因此對輔助設備的自動化程度要求較高，PLC和現場總線在水電廠控制系統中的應用提高了輔助設備控制系統的自動化程度。節省了投資費用，給電廠工作人員的運行、維護帶來了很大的方便。

該系統已用于安徽響水澗，云南功果橋等多個電站，實際應用證明該系統運行穩定，可靠性很高。

[1]Modicon M340編程手冊[S]．施奈德電氣公司．

[2]Unity Pro語言和程序結構[S]．施奈德電氣公司，2006（11）．