某水電廠滲漏排水控制系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)與改造

謝源強(qiáng)

（五凌電力有限公司，湖南 長沙410004）

碗米坡水電廠位于湖南沅水支流酉水的中游，湘西土家族苗族自治州保靖縣境內(nèi)。電站安裝3臺80MW機(jī)組，總裝機(jī)容量240MW，1號～3號機(jī)組分別于2004年2月、5月和8月投產(chǎn)，設(shè)計(jì)年利用小時數(shù)3300h，多年設(shè)計(jì)平均發(fā)電量7.92億kW·h，是湖南省湘西地區(qū)最大水力發(fā)電站，在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用的任務(wù)。

1 原滲漏排水控制系統(tǒng)概況及改進(jìn)分析

1.1 原滲漏排控制系統(tǒng)概況

因廠房滲漏集水井來水較多，為保證其排水工作正常、可靠，共配置有3套控制信號，分別為模擬量、水位儀、浮子信號控制組；控制電源僅由滲漏排水泵動力電源供給；且機(jī)組水淹廠房保護(hù)為滲漏排水系統(tǒng)浮子信號（為滲漏集水井內(nèi)水位過高浮子與水淹廠房浮子同時動作延時作為此保護(hù)的啟動動作條件）單網(wǎng)通信至機(jī)組PLC實(shí)現(xiàn)。當(dāng)其中任一個信號控制故障，均需將滲漏排水系統(tǒng)水泵切停，然后由專業(yè)人員檢查及處理；處理期間需人為監(jiān)測水位并手動抽水，增加了現(xiàn)場工作人員的工作量，增大了水淹廠房的可能性，不利于現(xiàn)場設(shè)備的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行；亦不利于“無人值班，少人值守”及“夜間關(guān)門”管控模式的實(shí)現(xiàn)。

1.2 智能化改造設(shè)計(jì)與升級分析

（1）電源系統(tǒng)改造為不間斷電源，增加防雷設(shè)計(jì)，確保控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸工作的不間斷性，提升穩(wěn)定性、可靠性。

（2）與監(jiān)控系統(tǒng)核心交換機(jī)連接的單網(wǎng)升級為雙網(wǎng)，且針對現(xiàn)場環(huán)境惡劣的實(shí)際情況及支持設(shè)備國產(chǎn)化愿景的需要，將單網(wǎng)升級為雙網(wǎng)并采用穩(wěn)定可靠的國產(chǎn)工業(yè)級光電轉(zhuǎn)換器。使其與上位機(jī)及機(jī)組LCU網(wǎng)絡(luò)連接冗余、可靠，提升重要的水淹廠房保護(hù)的可靠性。

（3）對控制系統(tǒng)內(nèi)啟/停泵控制信號故障進(jìn)行自動判斷，故障后閉鎖水泵所有的自動控制信號功能，以防水泵頻繁啟/停損壞設(shè)備，并上送監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)報警以提醒其立即應(yīng)急處置與安排處理；新增3套啟/停控制信號的上位機(jī)投/退閉鎖邏輯，當(dāng)其中任1套或2套控制信號故障情況下，均可由電廠或五凌集控中心上位機(jī)退出故障的控制信號參與自動控制；故障閉鎖水泵所有的自動控制信號功能后，需人為正確判斷并退出故障控制信號組后才能恢復(fù)水泵的自動啟/停控制。實(shí)現(xiàn)上述功能后，使應(yīng)急處置隔離更加迅速、高效，維護(hù)更加方便、快捷。

2 智能化設(shè)計(jì)與改進(jìn)

2.1 供電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)

由于電源干擾可能會造成現(xiàn)地控制設(shè)備復(fù)位不正確，進(jìn)而造成程序失控；故新滲漏排水系統(tǒng)采用在線式UPS，在UPS功率足夠的前題下，輸出電源電壓不受市電不穩(wěn)定的影響。其進(jìn)線電源一路采用DC220V，取自廠內(nèi)直流電源系統(tǒng)；另一路進(jìn)線電源采用AC220V，取自滲漏排水泵動力電源。經(jīng)UPS內(nèi)部穩(wěn)壓、濾波、整流后，輸出穩(wěn)定的DC24V控制電源供給滲漏排水控制系統(tǒng)（PLC工作、光電轉(zhuǎn)換器、水位測控儀、I/O電源）。兩路電源同時供電，以交流輸入電源為主用，直流輸入電源為熱備用，能在倒閘操作或主用電源回路故障情況下，實(shí)現(xiàn)不間斷供電，操作方便，徹底解決了原單一控制電源不穩(wěn)定、不可靠的隱患。不間斷電源進(jìn)線端均安裝有電源監(jiān)視繼電器，任一路進(jìn)線電源消失，相應(yīng)監(jiān)視繼電器常閉觸點(diǎn)閉合將報警信號送至PLC輸入模塊進(jìn)行報警；不間斷電源交直流供電模塊均自帶有DC24V輸出告警，任一路輸出故障或消失，常閉接點(diǎn)閉合將報警信號送至PLC輸入模塊進(jìn)行報警；可及時有效地發(fā)現(xiàn)電源故障，并針對性迅速處理正常，保障系統(tǒng)的長期穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。另在UPS交/直流電源進(jìn)線端均安裝防雷器，可有效防止外部過電壓對UPS的損害。在線式不間斷電源參數(shù)詳見表1。

表1 在線式不間斷電源參數(shù)

2.2 網(wǎng)絡(luò)部分優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)

新滲漏排水系統(tǒng)采用如下PLC配置（表2）。

表2 新滲漏排水系統(tǒng)PLC配置

新滲漏排水系統(tǒng)PLC配置有兩個網(wǎng)口（網(wǎng)卡模塊1個、CPU模塊上集成有1個），將其配置為單CPU雙網(wǎng)分別鏈路至監(jiān)控系統(tǒng)0號、1號網(wǎng)核心交換機(jī)，即可雙網(wǎng)運(yùn)行無擾切換：主用網(wǎng)絡(luò)（與上位機(jī)主采集服務(wù)器連接的任一網(wǎng)絡(luò)，0號或1號網(wǎng)）故障斷開后，滲漏排水PLC模組能自動切至備用網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)系統(tǒng)連接正常；0號或1號網(wǎng)任一網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)連接故障，上、下位機(jī)系統(tǒng)中均有相應(yīng)報警，故障消除后亦能復(fù)歸正常。較原控制系統(tǒng)通過MB+總線連接至公用LCU，穩(wěn)定性、可靠性均大幅提升。

原福克斯多模光電轉(zhuǎn)換器，因現(xiàn)場溫濕度難以滿足設(shè)備運(yùn)行要求，致使上送上位機(jī)數(shù)據(jù)存在偶發(fā)性丟包現(xiàn)象，且故障、損壞率較高；且其工作電源為AC220V，因條件受限，本系統(tǒng)中此電源取自水泵工作電源，電源的穩(wěn)定性、不間斷性難以保證。經(jīng)多方調(diào)研，將其更換為萬唐工業(yè)級光電轉(zhuǎn)換器，工作電源直接取自滲漏排水系統(tǒng)UPS電源輸出的DC24V電源，且新光電轉(zhuǎn)換器能長期運(yùn)行于現(xiàn)場惡劣環(huán)境中，確保與新監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)及其他LCU的通信（機(jī)組水淹廠房保護(hù)）可靠。新光電轉(zhuǎn)換器詳細(xì)參數(shù)見表3。

表3 新光電轉(zhuǎn)換器參數(shù)

2.3 控制信號組故障閉鎖及遠(yuǎn)切控制邏輯功能設(shè)計(jì)及應(yīng)用

因本次碗米坡電廠改造中選用的是施耐德PLC模組，本文中亦使用施耐德的“Unity Pro XL V10.0”PLC編程軟件進(jìn)行程序編輯，且本文中選用FBD語言進(jìn)行PLC程序邏輯編輯。依據(jù)設(shè)計(jì)需求與改進(jìn)分析的需要，可將控制信號組故障閉鎖及遠(yuǎn)切控制邏輯功能邏輯分為3塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3.1 下位機(jī)接收上位機(jī)投/退“滲漏排水水位計(jì)控制功能”設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)思路：上位機(jī)令（五凌集控中心遠(yuǎn)方及碗米坡水電廠監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)均可下令操作）將相應(yīng)下位機(jī)虛點(diǎn)投入動作（即將下位機(jī)此虛點(diǎn)置1），且一直保持直至上位機(jī)令將此虛點(diǎn)退出（即將下位機(jī)此虛點(diǎn)置0）；上位機(jī)令將相應(yīng)下位機(jī)虛點(diǎn)退出動作（即將下位機(jī)此虛點(diǎn)置0），且一直保持直至上位機(jī)令將此虛點(diǎn)投入（即將下位機(jī)此虛點(diǎn)置1）；此虛點(diǎn)需上送上位機(jī)進(jìn)行報警以使運(yùn)行人員掌握滲漏排水控制系統(tǒng)相應(yīng)控制功能的投/退情況。

（2）實(shí)際設(shè)計(jì)：依據(jù)上述所需實(shí)現(xiàn)的功能，可選用雙穩(wěn)功能塊SR（設(shè)置優(yōu)先），設(shè)計(jì)如圖1框內(nèi)所示。

SR雙穩(wěn)功能塊釋義：該功能塊用作具有“設(shè)置優(yōu)先”屬性的SR存儲器。在S1輸入變?yōu)?時，輸出Q1將變?yōu)?。即使輸入S1恢復(fù)為0，此狀態(tài)也保持不變。當(dāng)輸入R變?yōu)?時，輸出Q1恢復(fù)為0。如果輸入S1和R同時為1，則優(yōu)先輸入S1會將輸出Q1設(shè)置為1。2.3.2 下位機(jī)“滲漏排水水位計(jì)控制功能”投/退狀

態(tài)閉鎖滲漏排水水位計(jì)控制組（共4個控制信號）設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)思路：水位計(jì)控制組均為下位機(jī)實(shí)點(diǎn)輸入信號，需要閉鎖其信號不參與控制，可采用于下位機(jī)內(nèi)新建相應(yīng)虛點(diǎn)的方式，非直接使相應(yīng)下位機(jī)實(shí)點(diǎn)直接參與水泵的啟/停控制等，而使用受其閉鎖輸出的相應(yīng)下位機(jī)虛點(diǎn)參與水泵的啟/停控制等。當(dāng)閉鎖條件不滿足（即相應(yīng)的下位機(jī)實(shí)點(diǎn)輸入信號參與控制無效），不論相應(yīng)的下位機(jī)實(shí)點(diǎn)信號動作與否，一直閉鎖相應(yīng)虛點(diǎn)輸出為0，從而達(dá)到閉鎖的目的。當(dāng)閉鎖條件滿足（即相應(yīng)的下位機(jī)實(shí)點(diǎn)輸入信號參與控制有效），相應(yīng)的下位機(jī)實(shí)點(diǎn)信號動作為1，則此虛點(diǎn)輸出為1；相應(yīng)的下位機(jī)實(shí)點(diǎn)信號動作為0，則此虛點(diǎn)輸出為0。

（2）實(shí)際設(shè)計(jì)：依據(jù)上述所需實(shí)現(xiàn)的功能，可選用與門功能塊AND，設(shè)計(jì)如圖1非框內(nèi)所示。

AND與門功能塊釋義：該功能對輸入處的位序列執(zhí)行按位與運(yùn)算，并將結(jié)果分配給輸出。所有輸入值和輸出值的數(shù)據(jù)類型必須是相同的。輸入最多可以增至32個。可以將EN和ENO配置為附加參數(shù)。

TON接通延時功能塊釋義：該功能塊用作接通延遲。

（3）下位機(jī)接收上位機(jī)投/退“滲漏排水水位計(jì)控制功能”模擬動作情況：將滲漏排水水位計(jì)控制功能退出，上位機(jī)相應(yīng)畫面內(nèi)下令，即將stop_water_kz_romate置為1（PLC內(nèi)設(shè)定上位機(jī)下令將會在PLC內(nèi)保持1s動作時間），SR功能塊的置位端動作，使其輸出端（stop_water_kz_bl）變?yōu)?，AND功能塊中的IN2處為stop_water_kz_bl狀態(tài)點(diǎn)取反，則此點(diǎn)變?yōu)?，從而使?jié)B漏排水水位計(jì)啟主用泵、備用泵、停泵、水位過高報警中間虛擬變量（start1_water_kz、Start2_water_kz、stop_water_kz、water_high_kz）均無法動作為 1，從而達(dá)到退出滲漏排水水位計(jì)控制功能的目的。

將滲漏排水水位計(jì)控制功能投入，上位機(jī)相應(yīng)畫面內(nèi)下令，即將start_water_kz_romate置為1（PLC內(nèi)設(shè)定上位機(jī)下令將會在PLC內(nèi)保持1s動作時間），SR功能塊的復(fù)位端動作，使其輸出端（stop_water_kz_bl）變?yōu)?0，AND 功能塊中的 IN2處為stop_water_kz_bl狀態(tài)點(diǎn)取反，則此點(diǎn)變?yōu)?，達(dá)到解除閉鎖的目的（此圖1中的kzzgbs閉鎖條件待2.3.3部分詳述）；當(dāng)此條件下，如滲漏排水水位計(jì)啟主用泵、備用泵、停泵、水位過高報警水位信號持續(xù)動作30s（因滲漏排水水源較多，井內(nèi)水位波動較大；為防止水位波動造成水泵的頻繁動作，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況特設(shè)置30s延時動作開出），將使其相應(yīng)中間變量動作為1，從而達(dá)到滲漏排水水位計(jì)控制功能正常投入?yún)⑴c邏輯控制功能的目的。

圖1 滲漏排水水位計(jì)控制功能投退邏輯

圖1中：

stop_water_kz_romate下位機(jī)虛點(diǎn)，變量屬性選擇“EBOOL”，變量地址為 %M2875（對應(yīng)上位機(jī)滲漏排水LCU一般設(shè)備控制地址452的退出令）；釋義為上位機(jī)“滲漏排水水位計(jì)控制退出”令。

start_water_kz_romate下位機(jī)虛點(diǎn)，變量屬性選擇“EBOOL”，變量地址為 %M2876（對應(yīng)上位機(jī)滲漏排水LCU一般設(shè)備控制地址452的投入令）；釋義為上位機(jī)“滲漏排水水位計(jì)控制投入”令。

stop_water_kz_bl下位機(jī)虛點(diǎn)，變量屬性選擇“EBOOL”，變量地址為 %M8001（對應(yīng)上位機(jī)滲漏排水LCU掃查量第32點(diǎn)，上送上位機(jī)報警）；報警名稱為滲漏排水水位計(jì)控制功能退出。

start1_water下位機(jī)實(shí)點(diǎn)，滲漏排水水位計(jì)水位升高啟主用泵輸入信號。

start1_water_kz下位機(jī)虛點(diǎn)，變量屬性選擇“EBOOL”，不上送上位機(jī)報警；滲漏排水水位計(jì)水位升高啟主用泵中間變量。

start2_water下位機(jī)實(shí)點(diǎn)，滲漏排水水位計(jì)水位較高啟備用泵輸入信號。

Start2_water_kz下位機(jī)虛點(diǎn)，變量屬性選擇“EBOOL”，不上送上位機(jī)報警；滲漏排水水位計(jì)水位較高啟備用泵中間變量。

stop_water下位機(jī)實(shí)點(diǎn)，滲漏排水水位計(jì)水位低停泵輸入信號。

stop_water_kz下位機(jī)虛點(diǎn)，變量屬性選擇“EBOOL”，不上送上位機(jī)報警；滲漏排水水位計(jì)水位低停泵中間變量。

water_high下位機(jī)實(shí)點(diǎn)，滲漏排水水位計(jì)水位過高輸入信號。

water_high_kz下位機(jī)虛點(diǎn)，變量屬性選擇“EBOOL”，不上送上位機(jī)報警；滲漏排水水位計(jì)水位過高報警中間變量。

t#30s 延時30s

（4）滲漏排水浮子控制功能投/退同理，如圖2PLC邏輯所示。

（5）滲漏排水模擬量控制功能投/退同理，如圖3PLC邏輯所示。

圖2 滲漏排水浮子控制功能投退邏輯

圖3 滲漏排水模擬量控制功能投退邏輯

2.3.3 控制信號組故障閉鎖設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)思路：滲漏排水系統(tǒng)共配置有3套控制信號，分別為水位儀模擬量（由水位儀輸出模擬量至PLC，由PLC根據(jù)預(yù)設(shè)水位開出相應(yīng)開關(guān)量進(jìn)行相應(yīng)控制）、水位儀開關(guān)量（由水位儀根據(jù)預(yù)設(shè)水位組開出相應(yīng)開關(guān)量進(jìn)行相應(yīng)控制）、浮子信號控制組，每組控制信號均分為4個子控制信號，作用分別為水位低停泵（196m）、水位升高啟主用泵（197m）、水位較高啟備用泵（197.3m）、水位過高報警（197.5m）。因水位波動及來水過大等原因，啟主用、備用泵及過高報警水位是可能會同時動作的，但是水位過低停泵與控制組內(nèi)其他信號水位差至少為1m及以上，不存在同時動作的可能，如動作即測控系統(tǒng)肯定存在故障，需進(jìn)行相應(yīng)處理；且為避免測控部分故障而頻繁啟停水泵造成設(shè)備損壞，PLC控制系統(tǒng)內(nèi)如檢測到水位低停泵與其他信號同時動作產(chǎn)生報警的同時亦應(yīng)同步閉鎖所有控制輸出；直至人為正確判斷故障控制組并正確退出其控制功能后才能恢復(fù)正常控制組的正常啟停功能。

（2）實(shí)際設(shè)計(jì)：依據(jù)上述所需實(shí)現(xiàn)的功能，可選用或門功能塊OR與雙穩(wěn)功能塊SR（設(shè)置優(yōu)先）的組合設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)如圖4所示。

OR或門功能塊釋義：該功能對輸入處的位序列執(zhí)行按位或運(yùn)算，并在輸出處返回結(jié)果。 所有輸入值和輸出值的數(shù)據(jù)類型必須相同。輸入最多可以增至32個。可以將EN和ENO配置為附加參數(shù)。

（3）控制信號組故障閉鎖功能模擬動作情況：當(dāng)下位機(jī)檢測到水位低中間變量任一信號（stop_water_float_kz、stop_water_kz、stop_ai_water_kz）動作將使圖4中的第1個（從左往右數(shù)）OR功能塊輸出為1，使圖4中的第2個OR功能塊使能端為1，此時如果水位儀模擬量、水位儀開關(guān)量、浮子信號控制組中任何一個或多個非水位低停泵中間變量信號（water_high_kz、start1_water_kz、start2_water_kz、water_high_float_kz、start1_water_float_kz、start2_water_float_kz、ai_water_high_kz、start1_ai_water_kz、start2_ai_water_kz）動作將使圖4中的第2個OR功能塊輸出為1，從而使SR功能塊的置位端動作，其輸出端（kzzgbs）將持續(xù)輸出為1，使圖1、圖2、圖3內(nèi)AND功能塊中的IN3處kzzgbs狀態(tài)點(diǎn)取反，則此點(diǎn)變?yōu)?，從而使?jié)B漏排水啟主用泵、備用泵、停泵、水位過高報警中間虛擬變量均無法動作為1，達(dá)到閉鎖滲漏排水所有自動控制功能的目的；直至上位機(jī)正確下令退出相應(yīng)控制組后將輸出重置為0使水泵其他正常控制組自動控制功能恢復(fù)正常。

如滲漏排水水位計(jì)控制組存在故障，如上所述閉鎖滲漏排水所有自動控制功能后，當(dāng)運(yùn)行人員正確判斷故障控制組別，于上位機(jī)下令退出滲漏排水水位計(jì)控制功能，即將圖4中的stop_water_kz_romate置為1，圖4中的SR功能塊的復(fù)位端動作，使其輸出端（kzzgbs）變?yōu)?0，且因 stop_water_kz_romate置為1的同時將使圖1中的AND功能塊中的IN2處為stop_water_kz_bl狀態(tài)點(diǎn)取反，則此點(diǎn)變?yōu)?，從而使?jié)B漏排水水位計(jì)啟主用泵、備用泵、停泵、水位過高報警中間虛擬變量（start1_water_kz、Start2_water_kz、stop_water_kz、water_high_kz）均 無法動作為1，從而達(dá)到退出滲漏排水水位計(jì)控制功能的目的；而正常控制組則恢復(fù)正常控制功能。如果上位機(jī)退錯了控制組別，雖置位端瞬時將SR復(fù)位為1（瞬時復(fù)位，在本PLC模組中為一個掃查周期75ms，而圖5：滲漏排水啟/停泵條件開出中設(shè)有延時5s動作時間，從而不會造成水泵的頻繁啟停），但因故障仍舊存在，故障控制組將依舊重走上述故障閉鎖功能從而閉鎖控制輸出。

圖4 滲漏排水水位計(jì)水位過高報警中間變量閉鎖邏輯

圖4中：

water_high_kz滲漏排水水位計(jì)水位過高報警中間變量。

start1_water_kz滲漏排水水位計(jì)水位升高啟主用泵中間變量。

start2_water_kz滲漏排水水位計(jì)水位較高啟備用泵中間變量。

stop_water_kz滲漏排水水位計(jì)水位低停泵中間變量。

water_high_float_kz滲漏排水水位過高浮子報警中間變量。

start1_water_float_kz滲漏排水水位升高浮子啟主用泵中間變量。

start2_water_float_kz滲漏排水水位較高浮子啟備用泵中間變量。

stop_water_float_kz滲漏排水水位低浮子停泵中間變量。

ai_water_high_kz滲漏排水模擬量水位過高報警中間變量。

start1_ai_water_kz滲漏排水模擬量水位升高啟主用泵中間變量。

start2_ai_water_kz滲漏排水模擬量水位較高啟備用泵中間變量。

stop_ai_water_kz滲漏排水模擬量水位低停泵中間變量。

kzzgbs滲漏排水啟/停泵控制信號故障閉鎖中間變量，并上送上位機(jī)報警。

圖5 滲漏排水啟/停泵條件開出

圖5中：

start1_commands滲漏排水啟主用泵開出。

start2_commands滲漏排水啟備用泵開出。

stop_commands滲漏排水停泵開出（停所有處于自動運(yùn)行狀態(tài)的滲漏排水泵）。

3 結(jié)語

碗米坡水電廠根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)際，對滲漏排水控制系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)與改進(jìn)。不僅有效的減輕了維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，提高了運(yùn)行人員應(yīng)急處置隔離（操作）的迅速性與便利性、防汛設(shè)備的可靠性與穩(wěn)定性，而且為電廠“夜間關(guān)門、無人值班、少人值守”模式轉(zhuǎn)變和“智能化”建設(shè)提供了重要的技術(shù)保障。本項(xiàng)目實(shí)施運(yùn)行3年來穩(wěn)定、可靠，現(xiàn)已在碗米坡水電廠檢修、廠區(qū)、大壩排水及消防供水系統(tǒng)推廣應(yīng)用。