基于PLC的水電站監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

方偉龍

（廣西西江開發(fā)投資集團(tuán)有限公司百色分公司 廣西百色 531500）

基于PLC的水電站監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

方偉龍

（廣西西江開發(fā)投資集團(tuán)有限公司百色分公司 廣西百色 531500）

在計(jì)算機(jī)工控技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，計(jì)算機(jī)的工控技術(shù)逐漸完善。其中，可編程的邏輯控制儀器（Programmable Logic Controller，PLC）這種工業(yè)控制的系統(tǒng)給自動化的控制技術(shù)提供了應(yīng)用軟件，促進(jìn)各種監(jiān)控設(shè)備發(fā)展與完善。本文就水電站的監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探討PLC的自動控制實(shí)現(xiàn)，同時(shí)研究PLC水電站的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用，以期推動水電站的可持續(xù)發(fā)展。

PLC；水電站監(jiān)控系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)

近幾年來，人們對于供電質(zhì)量與可靠性要求越來越高，需要對自動化與數(shù)字化水平不高的水電廠實(shí)行微機(jī)控制和監(jiān)視改造。國內(nèi)大中型的水電站基本使用自動化裝置與計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，而且較為先進(jìn)，但由于這類監(jiān)控價(jià)格比較貴、系統(tǒng)較為復(fù)雜，一些小型的水電站不適用，因此，需要對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行完善，提高監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)用性。

1 水電站中監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

某水電站主要對1號機(jī)組設(shè)備進(jìn)行自動化改造，對一次設(shè)備、油系統(tǒng)、水系統(tǒng)與氣系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

（1）這種計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)是分散型，其運(yùn)行的方式是“少人值守”。

（2）系統(tǒng)軟硬件都是分層配置，同時(shí)將易操作、標(biāo)準(zhǔn)化、開放化與通用化作為基本原則。

（3）各個(gè)控制單元比較獨(dú)立，通常情況下是獨(dú)立的運(yùn)行，而單元資源可以和其他單元共享。如果系統(tǒng)中某部分不工作或者是出現(xiàn)故障，基本不會影響到系統(tǒng)的其他部分運(yùn)行。

（4）集中管理上位機(jī)由NC2000組態(tài)軟件組成，能加強(qiáng)人機(jī)對話的功能，而且人機(jī)界面比較友好，符合水電站的運(yùn)行操作。通常監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控對象包含以下幾種：1號水輪機(jī)組與附屬輔助性設(shè)備；水電站的廠用電體系；水電站的公用設(shè)備；1號機(jī)組進(jìn)出水的閘門；水電站一次電力設(shè)備。

此外，水電站中計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)主要使用開放、分層模式，其主要包含保護(hù)室、管理層與現(xiàn)地的控制層三部分。而水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)從圖1可以看出。

1.1 監(jiān)控的管理層

中央的監(jiān)控層主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制與集中監(jiān)視全部設(shè)備運(yùn)行情況，同時(shí)顯示——分析——記錄被控制過程參數(shù)與過程參數(shù)的狀態(tài)，以便綜合控制水電廠的生產(chǎn)過程。此外，還要在中央的監(jiān)控室配備工控機(jī)，并采取一主一備原則，這樣即便其中一臺工控機(jī)出現(xiàn)故障，另一臺工控機(jī)也能保證系統(tǒng)正常工作。

1.2 現(xiàn)地的控制層

現(xiàn)地的控制層可以對工藝流程進(jìn)行直接控制，主要包含重要設(shè)備運(yùn)行，可以獨(dú)立的完成數(shù)據(jù)采集與控制。現(xiàn)地的控制層主要使用分布方式，也就指現(xiàn)代化控制層按照現(xiàn)場的設(shè)備分為若干小單元，同時(shí)每一個(gè)單元都要建立獨(dú)立LCU。而本次研究水電站的監(jiān)控系統(tǒng)主要包含兩個(gè)組，同時(shí)均設(shè)立了獨(dú)立的LCU。其中LCU結(jié)構(gòu)模式從圖2中可以看出。

圖1 發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)圖

圖2 LCU+工控機(jī)的模式圖

2 PLC的自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

水輪機(jī)組對于計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)至關(guān)重要，其不僅是整個(gè)生產(chǎn)過程直接執(zhí)行的部分，而且是接收管理層指令與命令的關(guān)鍵部分。水輪機(jī)組電、水與機(jī)是被控的對象，要想實(shí)現(xiàn)對其的精確控制難度比較大。控制內(nèi)容主要包含水輪機(jī)組自動開停機(jī)、負(fù)荷調(diào)整、故障診斷以及故障報(bào)警等。

2.1 PLC的編程

應(yīng)用主程序和功能塊方式對PLC實(shí)施編程，編程系統(tǒng)主要包含八個(gè)功能塊，也就是自動開機(jī)的模塊FC1、自動停機(jī)的模塊FC2、狀態(tài)判斷的模塊FC3、增減有功（無功）的模塊FC4、虛擬量判斷模塊FC5、輔機(jī)控制模塊FC6、故障的處理模塊FC7以及與其他系統(tǒng)通訊處理模塊FC8。在運(yùn)行的過程中，PLC可以對八個(gè)功能模塊進(jìn)行讀寫的操作，并將各功能模塊調(diào)用情況寫入其中，以便自動地控制機(jī)組及其他輔助設(shè)備。

2.2 NC2000的組態(tài)

NC2000組態(tài)屬于國電南瑞公司的產(chǎn)品，這種組態(tài)功能比較強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要包含數(shù)據(jù)庫、圖形界面、報(bào)警記錄與相關(guān)報(bào)表等部分。通常NC2000組態(tài)開發(fā)過程具有數(shù)據(jù)庫、腳本語言、運(yùn)行畫面等，圖3就是NC2000組態(tài)操作的界面。組態(tài)的界面可以顯示無功功率與有功功率等信息，以便運(yùn)行值班人員設(shè)置無功功率與有功功率，便于直接控制PLC實(shí)施增減的操作；在開停機(jī)流程界面設(shè)置緊急停機(jī)的按鈕，方便出現(xiàn)事故實(shí)施緊急停機(jī)的操作；在界面上設(shè)置了輔助設(shè)備、調(diào)速器、勵磁等系統(tǒng)的監(jiān)視燈，方便運(yùn)行值班人員實(shí)時(shí)掌握機(jī)組運(yùn)行情況。使用界面控制故障，并把全部故障點(diǎn)進(jìn)行集中，以便發(fā)生故障后，及時(shí)報(bào)警，及時(shí)處理。

3 PLC水電站監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 PLC原理

PLC一般用在一些中小水電站的監(jiān)控體系分站層的設(shè)備中，PLC有很多作用，例如：調(diào)節(jié)控制與采集數(shù)據(jù)等。PLC在計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)范疇中，與計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)比較相似，例如：包含電源、中央的處理器與存儲器等。此外，在PLC設(shè)計(jì)過程中，嚴(yán)格按照工業(yè)使用的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以充分發(fā)揮PLC的優(yōu)勢，例如：可靠性比較高、編程比較簡單、抗干擾能力比較強(qiáng)等優(yōu)勢。并且由于PLC設(shè)計(jì)原理存在差異，其產(chǎn)品性能與功能也就會不同，因此，在選擇過程中，需要嚴(yán)格按照水電站實(shí)際需求選擇，例如：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用功能、控制規(guī)模與安全性能等方面需求。

3.2 本地層中PLC采集數(shù)據(jù)的功能

圖3 1號機(jī)組單元監(jiān)視畫面圖

在本地層中，PLC一般是對開關(guān)器以及機(jī)組輔助的控制設(shè)備進(jìn)行控制，同時(shí)能夠在監(jiān)控的系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行水輪機(jī)組數(shù)據(jù)采集，其中，信號采集過程如下：①對模擬量進(jìn)行采集、處理，包含有功、無功、電壓、電流量采集。其中，在保護(hù)對策方面，若在PLC檢查中，可查出預(yù)先設(shè)定限值，以便及時(shí)采取保護(hù)措施對被監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。②數(shù)字量采集與處理功能主要包含檢查狀態(tài)、定期采集與更新數(shù)據(jù)庫；按照順序?qū)κ录M(jìn)行記錄并報(bào)警；相關(guān)保護(hù)的措施，一旦事故的信號傳輸至LCU，就可以按照事故信號制定保護(hù)措施，有效保護(hù)相關(guān)設(shè)備。③電度量的采集與處理，用串口連接方式對電度表進(jìn)行連接，然后采集機(jī)組的電度量。

3.3 PLC順序控制的功能以及數(shù)據(jù)處理

PLC軟件功能的模塊比較多，主要包含空轉(zhuǎn)、空載、并網(wǎng)發(fā)電、正常停機(jī)以及事故的緊急停機(jī)等。PLC具有最高級緊急停機(jī)的流程，主要包含正常停機(jī)的流程與事故的停機(jī)流程，在啟動停機(jī)流程時(shí)，需要推出停機(jī)流程的畫面。

3.4 模糊控制下PLC機(jī)組電壓的自動調(diào)節(jié)

模糊控制的系統(tǒng)理論主要包含模糊邏輯規(guī)則推理、模糊學(xué)、模糊知識，同時(shí)在模糊控制系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)的控制技術(shù)，形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字自動化控制。而電站AVC主要指按照預(yù)定要求與條件來控制全廠的無功功率或者是水電站的母線電壓，這樣不僅不會阻礙了機(jī)組安全運(yùn)行，而且能降低電廠的功率損耗。此外，為確保系統(tǒng)運(yùn)行電壓正常，需確保系統(tǒng)具有充足的電源，主要因?yàn)橄到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與負(fù)荷均需要無功的功率，并且這些無功的電源能夠及時(shí)補(bǔ)償無功的功率損耗。加之，系統(tǒng)主要的無功電源是發(fā)電機(jī)組，可見，電站AVC控制對于水電站至關(guān)重要。而在模糊控制下，PLC主要通過語言規(guī)則方式來歸納與描述行為控制的經(jīng)驗(yàn)，再應(yīng)用模糊集的理論對水電站運(yùn)行情況進(jìn)行分析，然后在計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上制定智能的控制方式。而且在模糊控制的系統(tǒng)中，PLC不用構(gòu)建精確數(shù)學(xué)的模型，只需要應(yīng)用發(fā)電勵磁的控制器實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就能夠?qū)Πl(fā)電站的勵磁控制器中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 結(jié)語

總而言之，可編程的控制器普遍應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的領(lǐng)域，同時(shí)已經(jīng)取得一定成效。而且經(jīng)分析研究可知，將PLC應(yīng)用在水電站的監(jiān)控系統(tǒng)中，可以保障水電站運(yùn)行可靠性與安全性，有效提高水電站的自動化水平，從而促進(jìn)我國水電站可持續(xù)發(fā)展。

[1]王成軍，孫守淵，嚴(yán)強(qiáng).基于PLC技術(shù)的土房水電站閘門監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[J].江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，23（03）：10～13.

[2]周柏青，毛建生.基于PLC技術(shù)的水利自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2015，14（10）：21～22.

[3]余紹春.基于PLC的中小型水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（18）.

[4]吳小平.基于PLC的中小型水電站閘門監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011.

TV736

A

1004-7344（2016）04-0105-02

2016-1-14

方偉龍（1987-），男，助理工程師，大學(xué)本科，主要從事水電站電氣檢修工作。