隔河巖電廠(chǎng)大壩廊道排水控制系統(tǒng)改造及優(yōu)化設(shè)計(jì)

饒士立，鄭艷梅，吳 凡

(湖北清江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000)

大壩廊道排水系統(tǒng)主要作用是將壩體和山體滲水集中排出，保證廊道內(nèi)的觀測(cè)設(shè)備和下游消力池觀測(cè)廊道的安全。隔河巖電廠(chǎng)水利樞紐大壩廊道排水控制系統(tǒng)分布于4個(gè)泵站，分別在右護(hù)(潛水泵2臺(tái)，各37 kW)、58廊道13壩段(潛水泵2臺(tái)，各30 kW)、58廊道16壩段(潛水泵2臺(tái)，各30 kW)和左護(hù)(潛水泵3臺(tái)，各37 kW)。每個(gè)泵站中，各水泵電機(jī)互為備用，根據(jù)集水井水位自動(dòng)啟停，也可手動(dòng)控制啟停。

隔河巖電廠(chǎng)原大壩廊道排水控制系統(tǒng)為2003年投運(yùn)，其所處的大壩廊道內(nèi)環(huán)境潮濕且通風(fēng)效果差，在長(zhǎng)達(dá)14年的運(yùn)行中，逐漸凸顯出以下問(wèn)題：①各泵站盤(pán)柜柜內(nèi)元件出現(xiàn)不同程度的老化，曾出現(xiàn)接觸器燒損、信號(hào)頻繁誤報(bào)、停泵按鈕接點(diǎn)粘連導(dǎo)致不能正常停泵等缺陷；②該排水控制系統(tǒng)信號(hào)上送PLC布置在右護(hù)泵站，通過(guò)遠(yuǎn)程I/O采集左護(hù)、58廊道16壩段、58廊道13壩段三個(gè)泵站的信號(hào)，通信傳輸由左護(hù)→58廊道16壩段→58廊道13壩段→右護(hù)→監(jiān)控系統(tǒng)主站，以此形成的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)在傳輸可靠性方面存在瓶頸；③接觸器過(guò)于老舊，廠(chǎng)家不再生產(chǎn)，備品備件兼容性差，無(wú)法滿(mǎn)足消缺要求。

為解決以上問(wèn)題，隔河巖電廠(chǎng)大壩廊道排水控制系統(tǒng)于2017年進(jìn)行了改造和升級(jí)。新系統(tǒng)的電氣單元加裝軟啟動(dòng)器，在直接啟動(dòng)基礎(chǔ)上增加軟啟動(dòng)方式；由液位變送器和浮球開(kāi)關(guān)組成測(cè)量部分，實(shí)現(xiàn)模擬量+開(kāi)關(guān)量的雙重測(cè)量通道；采用施耐德PLC進(jìn)行控制及通信，并通過(guò)雙環(huán)網(wǎng)方式優(yōu)化通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

1.1.1 根據(jù)大壩廊道排水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，主要設(shè)置以下5種功能

1)自動(dòng)排水。各泵站均采用液位變送器采集水位模擬量信號(hào)，分別設(shè)置有啟主泵水位、啟備用泵水位、停泵水位。在自動(dòng)運(yùn)行方式下，同一泵站內(nèi)各水泵電機(jī)輪換啟動(dòng)，各泵站依據(jù)水位模擬量信號(hào)或浮球開(kāi)關(guān)量信號(hào)自動(dòng)啟停水泵電機(jī)。

2)手動(dòng)排水。在手動(dòng)運(yùn)行方式下，可通過(guò)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和按鈕單獨(dú)控制被控水泵電機(jī)的啟停。

3)實(shí)時(shí)監(jiān)控。各泵站水位模擬量信號(hào)及重要開(kāi)關(guān)量信號(hào)均由工業(yè)以太網(wǎng)通信上傳至監(jiān)控系統(tǒng)主站，各泵站運(yùn)行狀態(tài)變化以報(bào)文及語(yǔ)音方式經(jīng)監(jiān)控系統(tǒng)語(yǔ)音工作站實(shí)時(shí)播報(bào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)該排水控制系統(tǒng)4個(gè)泵站的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4)故障診斷。由現(xiàn)地單元PLC可直接診斷出來(lái)的故障分為兩類(lèi)：一類(lèi)故障和二類(lèi)故障。一旦一類(lèi)故障發(fā)生，故障指示燈會(huì)常亮示警，且出現(xiàn)該故障的水泵電機(jī)將無(wú)法啟動(dòng)，直至故障解除。二類(lèi)故障不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行，但故障指示燈會(huì)常亮示警，直至故障解除。

5)數(shù)據(jù)記錄。監(jiān)控系統(tǒng)主站歷史服務(wù)器會(huì)有效記錄各泵站數(shù)據(jù)信息，排水控制系統(tǒng)在后期運(yùn)行中如若出現(xiàn)故障，將以此數(shù)據(jù)記錄作為故障分析重要依據(jù)。

1.1.2 根據(jù)大壩廊道排水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，主要實(shí)現(xiàn)以下4種功能冗余

1)啟動(dòng)方式冗余。新系統(tǒng)采用水泵電機(jī)軟啟動(dòng)方式及旁路接觸器直接啟動(dòng)方式。優(yōu)先選用軟啟動(dòng)方式啟動(dòng)水泵電機(jī)，避免水泵電機(jī)啟動(dòng)電流過(guò)大而沖擊廠(chǎng)用電。在軟啟動(dòng)器故障且短期內(nèi)無(wú)法修復(fù)時(shí)，可切至旁路接觸器直接啟動(dòng)方式，以保證水泵電機(jī)順利投運(yùn)。

2)啟停判據(jù)冗余。各泵站優(yōu)先以水位傳感器采集的水位模擬量信號(hào)為依據(jù)控制水泵電機(jī)自動(dòng)啟停，此時(shí)浮球采集的開(kāi)關(guān)量信號(hào)作水位報(bào)警。在水位傳感器故障時(shí)，系統(tǒng)將再以浮球采集的開(kāi)關(guān)量信號(hào)為依據(jù)自動(dòng)啟停水泵電機(jī)。

3)通信鏈路冗余。系統(tǒng)雙環(huán)網(wǎng)通信在功能冗余方面有兩點(diǎn)體現(xiàn)。其一，4個(gè)泵站的環(huán)網(wǎng)通信組成閉合回路，環(huán)中數(shù)據(jù)可以雙向傳輸，避免了因某一結(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致的通信中斷。其二，環(huán)網(wǎng)設(shè)置為兩套，A套環(huán)網(wǎng)由右護(hù)泵站的光電交換機(jī)A1通過(guò)多模光纖與監(jiān)控系統(tǒng)主站的核心交換機(jī)A通信，B套環(huán)網(wǎng)由左護(hù)泵站的光電交換機(jī)B1通過(guò)多模光纖與監(jiān)控系統(tǒng)主站的核心交換機(jī)B通信，任何一套網(wǎng)絡(luò)掉電或故障均不會(huì)影響系統(tǒng)正常通信。系統(tǒng)通信鏈路如圖1所示。

4)電源供應(yīng)冗余。系統(tǒng)動(dòng)力柜及控制柜均從兩路電源取電，以避免單路電源失電導(dǎo)致系統(tǒng)掉電，且動(dòng)力柜斷電不影響控制柜電源，控制柜斷電不影響光電交換機(jī)電源，從而保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)通信鏈路圖

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)分3層結(jié)構(gòu)，依次為主站監(jiān)控層、PLC控制層、現(xiàn)地設(shè)備層。主站監(jiān)控層以工業(yè)計(jì)算機(jī)為中心，采用雙網(wǎng)模式，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC控制層的各泵站進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的集中監(jiān)控以及必要的數(shù)據(jù)記錄和顯示。PLC控制層作為各泵站運(yùn)行監(jiān)視和控制終端，能實(shí)時(shí)采集水泵電機(jī)控制方式、啟動(dòng)方式、水位數(shù)據(jù)、故障信息等運(yùn)行狀態(tài)，并針對(duì)不同運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵電機(jī)的自動(dòng)控制。現(xiàn)地設(shè)備層即現(xiàn)場(chǎng)的各執(zhí)行設(shè)備及檢測(cè)報(bào)警裝置等，包括水泵電機(jī)、接觸器、軟啟動(dòng)器、繼電器、傳感器等。

4個(gè)泵站各自設(shè)置一套施耐德Quantum 140系列PLC作為各泵站的控制核心。各泵站的PLC相互獨(dú)立，配合數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、以太網(wǎng)接口模塊共同完成系統(tǒng)要求的控制及通信功能。各泵站PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 各泵站PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC模塊選型

大壩廊道排水控制系統(tǒng)中PLC主要作用是：①數(shù)據(jù)采集，如水泵電機(jī)運(yùn)行工況、水位信息等；②數(shù)據(jù)處理，通過(guò)程序邏輯，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并輸出控制信號(hào)；③數(shù)據(jù)交互，各泵站間及泵站與監(jiān)控系統(tǒng)主站間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以完成對(duì)該控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。該控制系統(tǒng)現(xiàn)地單元位置離主廠(chǎng)房有較遠(yuǎn)距離，比較偏僻，穩(wěn)定通信是對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)控的必要條件；且該控制系統(tǒng)工作在比較潮濕環(huán)境中，因而對(duì)PLC工作性能要求比較高。本項(xiàng)目所選用的控制器為施耐德Quantum系列PLC，工作性能較為穩(wěn)定。各模塊配置為：CPU65150，數(shù)字量輸入為DDI35300(24VDC 32點(diǎn)輸入)，數(shù)字量輸出為DDO35300(24VDC 32點(diǎn)輸出),模擬量輸入為ACI04000(16通道電流)，以太網(wǎng)接口模塊為NOE77101。PLC模塊配置如圖3所示。

圖3 各泵站PLC模塊配置

2.2 水泵電機(jī)控制原理

水泵電機(jī)控制原理由主回路和控制回路組成。

主回路主要由斷路器、主接觸器、旁路接觸器、軟啟動(dòng)器、熱繼電器、空氣開(kāi)關(guān)及水泵電機(jī)等組成，接線(xiàn)如圖4所示。

圖4 主回路接線(xiàn)圖

控制回路由控制電源監(jiān)視、軟啟動(dòng)、直接啟動(dòng)、水泵電機(jī)運(yùn)行指示、軟啟動(dòng)器故障指示、熱繼電器動(dòng)作指示、系統(tǒng)故障指示等組成。控制回路部分如圖5所示，其中繼電器1KA3線(xiàn)圈在軟啟動(dòng)器1RQ正常時(shí)勵(lì)磁，此時(shí)1KA3常開(kāi)結(jié)點(diǎn)6-10閉合，當(dāng)軟啟動(dòng)器故障時(shí)，該常開(kāi)結(jié)點(diǎn)斷開(kāi)。在軟啟動(dòng)或直接啟動(dòng)方式下，均可手動(dòng)或自動(dòng)啟停水泵電機(jī)。

以軟啟動(dòng)方式自動(dòng)控制為例：?jiǎn)?dòng)方式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)1SA1切至“軟啟動(dòng)”，控制方式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)1SA2切至“自動(dòng)”；當(dāng)PLC開(kāi)出啟動(dòng)水泵電機(jī)指令時(shí)，其相應(yīng)開(kāi)出繼電器K1線(xiàn)圈勵(lì)磁，K1常開(kāi)結(jié)點(diǎn)5-9閉合，此時(shí)繼電器1KM4線(xiàn)圈勵(lì)磁；則1KM4常開(kāi)結(jié)點(diǎn)1-2閉合，使得繼電器1KM3線(xiàn)圈勵(lì)磁，主回路中1KM3常開(kāi)結(jié)點(diǎn)67-68延時(shí)閉合，為軟啟動(dòng)器運(yùn)行作準(zhǔn)備，同時(shí)1KM4常開(kāi)結(jié)點(diǎn)57-58閉合，使得主接觸器1KM1線(xiàn)圈勵(lì)磁，則主接觸器閉合；主回路中1KM1常開(kāi)結(jié)點(diǎn)153-154閉合，此時(shí)軟啟動(dòng)器具備啟動(dòng)條件，水泵電機(jī)經(jīng)主接觸器、軟啟動(dòng)器開(kāi)始啟動(dòng)。水泵電機(jī)軟啟動(dòng)完成后，軟啟動(dòng)器R2A-R2C常開(kāi)結(jié)點(diǎn)閉合，旁路接觸器1KM2線(xiàn)圈勵(lì)磁，則旁路接觸器閉合，水泵電機(jī)經(jīng)主接觸器、旁路接觸器運(yùn)行。

當(dāng)PLC開(kāi)出停止水泵電機(jī)指令時(shí)，其相應(yīng)開(kāi)出繼電器K1線(xiàn)圈失電，K1常開(kāi)結(jié)點(diǎn)5-9斷開(kāi)，此時(shí)繼電器1KM4線(xiàn)圈失電；則1KM4常開(kāi)結(jié)點(diǎn)1-2斷開(kāi)，使得繼電器1KM3線(xiàn)圈失電，同時(shí)1KM4常開(kāi)結(jié)點(diǎn)57-58延時(shí)斷開(kāi)，使得主接觸器1KM1線(xiàn)圈失電，則主接觸器斷開(kāi)，水泵電機(jī)停止運(yùn)行。

圖5 控制回路部分接線(xiàn)圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用編程軟件Unity Pro XL V7.0組態(tài)項(xiàng)目程序，各泵站PLC控制程序由主程序、數(shù)字量輸入輸出映射處理、水位模擬量處理、電壓模擬量處理、電流模擬量處理、水泵電機(jī)輪換啟停控制、故障診斷、數(shù)據(jù)上送主站等程序組成。

主程序：主程序內(nèi)的程序語(yǔ)句總是會(huì)被循環(huán)掃描并執(zhí)行，并通過(guò)主程序調(diào)用各子程序，將所有子程序的運(yùn)算結(jié)果均遞交到主程序，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

數(shù)字量輸入輸出映射處理程序：數(shù)字量輸入輸出為BOOL/EBOOL型變量。EBOOL類(lèi)型為定位變量，是與I/O硬件模塊輸入輸出通道相關(guān)聯(lián)的。BOOL類(lèi)型作為本項(xiàng)目中非定位變量，既不與I/O硬件模塊輸入輸出通道相關(guān)聯(lián)，也不與內(nèi)存引用地址相關(guān)聯(lián)。將EBOOL類(lèi)型變量映射為無(wú)需設(shè)定地址的BOOL類(lèi)型變量，經(jīng)此處理后，首先可有效避免編寫(xiě)程序時(shí)有外部變量重復(fù)輸出，其次在設(shè)備后續(xù)運(yùn)行中，若I/O硬件模塊某通道故障，則需對(duì)該通道進(jìn)行變更，對(duì)通道接線(xiàn)更改后，在修改PLC程序時(shí)只需在映射處理程序中修改新的變量通道對(duì)應(yīng)的EBOOL地址即可，簡(jiǎn)化了程序修改工作量。數(shù)字量映射部分程序段如圖6，其中B1_RQW(%I1.4.2)、B2_QT(%Q1.5.2)為EBOOL型，DI1[1]、DO1[1]為BOOL型。

圖6 數(shù)字量度輸入輸出映射部分程序

模擬量處理程序：本項(xiàng)目中模擬量輸入模塊采集的為4～20 mA電流信號(hào)，在該模塊內(nèi)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為0～16000的數(shù)字量。本項(xiàng)目中所選用的16通道模擬量輸入模塊，位于1號(hào)導(dǎo)軌上6號(hào)插槽，每個(gè)通道經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后所得的數(shù)字量占一個(gè)字內(nèi)存(即16位)，數(shù)據(jù)類(lèi)型為INT型。模擬量各通道地址如表1所示(其中3號(hào)水泵電壓、3號(hào)水泵電流只存在于左護(hù)泵站)。

表1 模擬量輸入通道地址

水泵電機(jī)輪換啟停控制程序：作為水泵電機(jī)自動(dòng)啟停的重要邏輯部分，在該程序中，依據(jù)水位定值(模擬量主用，開(kāi)關(guān)量備用)啟停水泵電機(jī)，控制水泵電機(jī)輪換啟動(dòng)。控制流程(以右護(hù)泵站為例)如圖7所示。

故障診斷程序：經(jīng)PLC診斷出的故障分為一類(lèi)故障和二類(lèi)故障。針對(duì)某臺(tái)水泵電機(jī)而言，出現(xiàn)一類(lèi)故障時(shí)，需將該故障消除，該水泵才能投入自動(dòng)運(yùn)行；二類(lèi)故障不切除水泵，但會(huì)通過(guò)指示燈報(bào)警，如此不會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行。系統(tǒng)故障報(bào)警信號(hào)會(huì)上送至監(jiān)控系統(tǒng)主站。系統(tǒng)故障具體組成如表2所示。

圖7 水泵電機(jī)啟停控制流程

表2 系統(tǒng)故障

4 結(jié) 語(yǔ)

本項(xiàng)目以施耐德PLC為核心，應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等對(duì)隔河巖電廠(chǎng)大壩廊道4個(gè)泵站進(jìn)行監(jiān)測(cè)并控制，經(jīng)過(guò)全面改造后的大壩廊道排水控制系統(tǒng)，功能更完善、性能更穩(wěn)定、維護(hù)更便捷，在后期運(yùn)行過(guò)程中狀態(tài)良好，該項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)通用性較強(qiáng)，在同類(lèi)型控制系統(tǒng)中有較高的推廣意義。