淺談水電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的PLC改造

黎洪

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，提高電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平已經(jīng)變得尤為重要。為了使水電廠的自動(dòng)化控制更加有效，文章制定了針對(duì)水電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的PLC總體改造方案，在分析水電廠對(duì)PLC的需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合了PLC的特性與功能，給出了PLC的實(shí)際使用意義，分析了PLC改造的設(shè)計(jì)思路，闡述了自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與上位機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了PLC的主要模塊，重點(diǎn)分析了PLC的選擇與組態(tài)、PLC電源及接地的設(shè)計(jì)研究，并給出了各個(gè)模塊的主要特點(diǎn)及需求。

關(guān)鍵詞：PLC；現(xiàn)地控制；水電廠；自動(dòng)化控制；檢測(cè)系統(tǒng)；接地設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TV736 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）15-0053-03

水電建設(shè)是我國(guó)重要的建設(shè)活動(dòng)，電力系統(tǒng)的發(fā)展不僅關(guān)系到我國(guó)經(jīng)濟(jì)與工業(yè)的發(fā)展，而且也與人們的生活息息相關(guān)。因此，只有發(fā)展電力建設(shè)，才能使我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)更加繁榮。為此，合理提高發(fā)電廠的發(fā)電能力已經(jīng)至關(guān)重要。針對(duì)目前水電廠系統(tǒng)自動(dòng)化不強(qiáng)，設(shè)備先進(jìn)程度不足，發(fā)展并提高水電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)水平是一項(xiàng)急需解決的問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代科技的發(fā)展，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行PLC改造，對(duì)提高水電廠自動(dòng)化控制水平可以起到一定的作用。

1 PLC的基本原理

PLC指的是一種可以用于工業(yè)應(yīng)用的數(shù)字運(yùn)算操作系統(tǒng)的電子系統(tǒng)。PLC通過(guò)可編程的存儲(chǔ)器，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的順序、監(jiān)控及功率調(diào)節(jié)等控制，也可以完成對(duì)水電站的設(shè)備與進(jìn)水口處事故的監(jiān)控。

1.1 水電廠對(duì)PLC的要求

電力系統(tǒng)具備產(chǎn)銷同時(shí)完成的特點(diǎn)，電力并不是可以存儲(chǔ)的。因此，水電機(jī)組的啟停需要具備快速、調(diào)節(jié)便利、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。因此，PLC用于電力系統(tǒng)中，需要達(dá)到如下要求：

（1）具備良好的實(shí)時(shí)性。當(dāng)機(jī)組發(fā)生異常的情況時(shí)候，需要迅速進(jìn)行檢測(cè)判斷，并記錄事故的發(fā)生順序，快速完成響應(yīng)與執(zhí)行操作。

（2）具備較高的可靠性。在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，高可靠性是其最基本的特征之一，必須具備良好的可靠性，才能保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（3）具備易于維修的能力。機(jī)械運(yùn)行，發(fā)生故障或者更換部件是很正常的，因此，必須易于維修，才能提高機(jī)械的使用時(shí)間，并降低經(jīng)濟(jì)開(kāi)銷。

1.2 PLC的特性及功能

為了可以滿足各種不同類型的水電廠的需要，PLC需要具備如下特性。

（1）使用模塊化結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代科技不斷進(jìn)步，機(jī)械設(shè)備也在隨之不斷發(fā)展。只有設(shè)計(jì)便于組件更新與升級(jí)，才能跟得上發(fā)展的步伐。因此，PLC的設(shè)計(jì)需要具備模塊化的結(jié)構(gòu)，可以針對(duì)開(kāi)發(fā)的需求，采用部分升級(jí)的方法。

（2）通用性較強(qiáng)。為了使其可以用于更多的水電廠，PLC的設(shè)計(jì)需要具備高通用性，同時(shí)，也需要按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以避免個(gè)性化的設(shè)計(jì)。

1.3 PLC的結(jié)構(gòu)

PLC由以下幾個(gè)結(jié)構(gòu)組成：

（1）中央處理單元（CPU）。CPU是PLC的控制核心部分。該部分可以實(shí)現(xiàn)電源檢測(cè)、I/O設(shè)備、存儲(chǔ)器及預(yù)警定時(shí)等功能，同時(shí)可以判斷用戶程序的錯(cuò)誤。

（2）存儲(chǔ)器。該部分又稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。可以分為以下幾種類型：讀/寫存儲(chǔ)器（RAM）、可擦除只讀存儲(chǔ)器（EPROM）、一種電可擦除只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）。

2 水電廠的檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 水電廠針對(duì)PLC的改造設(shè)計(jì)

水電廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思想是以計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)為主，基本常用設(shè)備為輔，要求檢測(cè)系統(tǒng)可以覆蓋全廠的控制部分，可以迅速、準(zhǔn)確并有效地對(duì)水電廠進(jìn)行檢測(cè)及控制。因此，為了進(jìn)一步提高水電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)情況，需要對(duì)PLC進(jìn)行改造。機(jī)組的PLC應(yīng)該可以針對(duì)以下方面進(jìn)行控制：開(kāi)機(jī)與停機(jī)流程、緊急停機(jī)、執(zhí)行AGC與AVC自動(dòng)負(fù)荷調(diào)整功能。

2.2 自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要兼顧可靠性高、自動(dòng)化程度高、設(shè)計(jì)合理、維護(hù)簡(jiǎn)單等要求。最理想的狀態(tài)是：按照控制對(duì)象預(yù)先設(shè)置的要求對(duì)水電廠進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)發(fā)生事故的時(shí)候，可以產(chǎn)生預(yù)警功能，并可以切斷事故源，使損失降到最低。為此，針對(duì)水電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的PLC改造需要進(jìn)行如下的設(shè)計(jì)：

（1）網(wǎng)絡(luò)通信。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)使用MB+網(wǎng)方式通信與MODBUS協(xié)議，外部網(wǎng)絡(luò)使用以太網(wǎng)進(jìn)行通信，可以有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控，滿足調(diào)度的自動(dòng)化需求。

（2）上位機(jī)。上位機(jī)需要包括2臺(tái)操作員工作站，互相作為備用以防不時(shí)之需。

（3）系統(tǒng)時(shí)鐘管理功能。需要高精度的時(shí)鐘裝置對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間校對(duì)及管理，只有整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)的時(shí)鐘都保證同步性，才可以滿足系統(tǒng)的需求。

（4）現(xiàn)地控制單元。該部分主要包括以下的控制單元：機(jī)組水機(jī)現(xiàn)地控制單元、機(jī)組勵(lì)磁現(xiàn)地控制單元、機(jī)組電調(diào)現(xiàn)地控制單元、公用設(shè)備現(xiàn)地控制單元、輔助設(shè)備現(xiàn)地控制單元與快速門現(xiàn)地控制單元。

2.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

（1）基本設(shè)計(jì)。

硬件配置：上位機(jī)應(yīng)該具備性能與可靠性高的特點(diǎn)。因此，CPU的主頻不能低于3GHz，內(nèi)存需要1G以上的容量，硬盤容量不能低于100GB，而且需要高分辨率的顯示器。

軟件：通常使用組態(tài)工業(yè)控制軟件，這類軟件可以便于研發(fā)人員在短時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出性能先進(jìn)的整套工業(yè)控制系統(tǒng)軟件。有助于縮短軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的周期，并且可以節(jié)約成本，有效地降低了工業(yè)造價(jià)。

（2）實(shí)例。

技術(shù)規(guī)范：以大東江為例，小東江上位機(jī)系統(tǒng)配置與大東江相同，網(wǎng)絡(luò)配置為單以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。大東江上位機(jī)改造后更換了上位機(jī)A、B機(jī)以及工程師站的硬件，將原來(lái)的Alpha Station 255/233工作站替換為HP ALPHA DS15 工作站。

總體結(jié)構(gòu)：東江水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有通訊服務(wù)器一臺(tái)，通訊服務(wù)器設(shè)置在計(jì)算機(jī)房，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)同水情測(cè)報(bào)及其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通訊。全廠設(shè)有語(yǔ)音報(bào)警裝置一套用于事故時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警，提醒運(yùn)行人員處理，并具有電話語(yǔ)音報(bào)警和電話查詢等功能。全廠共設(shè)6套現(xiàn)地控制單元（LCU），4臺(tái)發(fā)電機(jī)變壓器組各設(shè)一個(gè)，開(kāi)關(guān)站設(shè)一個(gè)，全廠公用設(shè)備共設(shè)一個(gè)。機(jī)組LCU 配有獨(dú)立的同期裝置，溫度量檢測(cè)裝置和現(xiàn)地操作控制開(kāi)關(guān)、按鈕等裝置。在LCU脫機(jī)運(yùn)行時(shí)，可通過(guò)現(xiàn)地工業(yè)控制微機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠主設(shè)備的控制、監(jiān)視和調(diào)節(jié)。對(duì)于電站內(nèi)部的大量智能數(shù)據(jù)采集及功能裝置，本系統(tǒng)留有足量的通訊接口及擴(kuò)充手段，具有良好的可擴(kuò)充性。

3 水電廠控制單元設(shè)計(jì)

3.1 PLC的選擇與組態(tài)

由于水電廠的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境并不是很好，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)還有電磁干擾、潮濕、振動(dòng)等干擾，因此，需要采用性能較好的PLC。本文選自QUANTUM系列的PLC。下面針對(duì)該型號(hào)的PLC，結(jié)合水電廠中的水機(jī)進(jìn)行PLC模塊組態(tài)分析介紹。

3.2 PLC電源及接地的設(shè)計(jì)研究

PLC電源直接與機(jī)組運(yùn)行相關(guān)，因此，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要考慮電源是否可以滿足機(jī)組及事故突然的需要。本文采用以交流220V為供電方法，同時(shí)，使用24V直流供電方法作為輔助供電的方法，每臺(tái)機(jī)組引入電源功率為1000W的UPS電源。

3.3 PLC的主要功能

為了滿足發(fā)電機(jī)的控制需求，PLC需要可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、通信、數(shù)據(jù)采集與輔助功能四個(gè)部分。

（1）自動(dòng)控制。PLC的自動(dòng)控制功能主要應(yīng)該體現(xiàn)在針對(duì)生產(chǎn)流程的控制便捷的基礎(chǔ)上，使用PLC控制，僅僅需要一個(gè)開(kāi)停機(jī)命令，就可以按照預(yù)定順序執(zhí)行命令。

（2）通信。此功能要求PLC可以完成各個(gè)部分的通信功能，以達(dá)到將指令傳輸?shù)哪康摹?/p>

（3）數(shù)據(jù)采集。這部分功能需要完成生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在回顧了PLC基本原理的基礎(chǔ)上，對(duì)其在水電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析討論。PLC的使用，可以有效提高水電廠的運(yùn)行效率。由于PLC自身的特點(diǎn)，可以針對(duì)水電廠的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控與調(diào)節(jié)的功能，有助于完善電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。同時(shí)，針對(duì)故障，PLC的引入也可以有效控制并切斷故障，爭(zhēng)取時(shí)間使設(shè)備得到維護(hù)，并可以將損失降低。PLC的使用可以有效地實(shí)現(xiàn)水電廠的自動(dòng)化控制，并可以降低人工的使用量，同時(shí)使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、可靠，具備更好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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