基于PLC自控式清污機改造與實踐的思考

黃 程

（五強溪水電廠，湖南 懷化419636）

清污機在水力發電行業中用于清除進水中沉結于進水口攔污柵上的水渣，以減輕攔污柵壓差及進水壓力，從而增大機組發電效率。五強溪水電站因進水口攔污柵壓差常年維持在14kPa的較高水平，造成發電機組始終無法處于最優發電狀態，在耗水相同的情況下，機組負荷較理想負荷減少30MW左右。為此，五強溪電廠進行進水口清污機改造，其核心控制系統選用西門子S7-200系列可編程控制器，輔以接近開關和油壓差計裝置進行信號采集。清污機安裝后，經過近1年的實踐證明，PLC控制較為安全可靠，滿足了清污機自動化的要求，攔污柵壓差降至7kPa左右，機組發電效率大幅提高，累計增發電量超6000萬kW·h。

1 設備簡介及工藝過程

清污機主要由驅動裝置、差動機構、卸渣機構、清污抓斗、導軌、柵體框架、維修平臺及電控裝置組成。這種機型每臺有2根鋼絲繩索，纏繞在同一根卷筒上，其中兩側鋼絲繩牽引抓斗沿導軌上下滑動，由2臺5.5kW升降電機驅動。抓斗的上下限位、鋼絲繩松繩和斷繩、開閉耙到位均設有成對的接近開關，與PI C控制器一起實現自動除渣的動作，即抓斗下行一開耙一閉耙一上行一卸渣一運行計時一停機計時一下行。

2 清污機的主要技術參數與結構

2.1 主要技術參數（見表1）

表1 清污機主要技術參數

2.2 主要結構（見圖 1）

圖1 清污機結構

3 清污機的主要工作程序

3.1 清污機工作全過程的工作程序

（1）壩頂門機的大車運行到需要清污的孔口。

（2）在清污工位上進行清污。

（3）運行到新的清污孔口重復上述的動作。

注：以上工作程序的轉換由手動操作進行。

3.2 在需要清污的攔污柵上清污的工作程序

在需要清污的孔口上清污的工作程序為：

（1）耙斗（打開狀態）下降至需要清污的深度。

（2）轉耙向下滑移至極限。

（3）耙斗關閉。

（4）轉耙向上滑移至初始狀態（耙斗閉合狀態）。

（5）耙斗起升至上極限位。

（6）耙斗隨小車運行至副小車的下游極限。

（7）耙斗打開卸污。

（8）重復上述動作進行下一個工作循環或移動到下一個需要清污的孔口。

注：上述工作的操作可手動完成也可以半自動完成。

4 PLC控制過程

4.1 電氣控制

清污機用交流380V三相四線制電源，從門機供電點用電纜將電能引至控制柜，再經過總交流接觸器KM0分配給各機構。總交流接觸器KM0可用按鈕操作其通斷，以投入或切斷饋至各機構的電源。交流傳動控制系統，起升用2臺YZP型變頻電動機驅動。

清污機在門機行走梁上設司機室，司機室內設有聯動操作臺（以下簡稱聯動臺），聯動臺裝有門機大車運行、副小車運行、清污機起升、清污開閉斗運行、翻板運行的操作機構，并裝有清污機荷載儀、開度儀，用于起升荷載和清污起升行程的監視和控制。

對于清污起升機構，其荷載保護分別設有欠載以及 110%荷載聲、光報警并自動停止運行。

4.2 起升控制原理

起升機構采用了目前流行的變頻技術，由變頻器驅動變頻電動機工作，變頻器本身就具有欠壓、過流、缺相、誤操作等各項保護功能，使起重機的故障率大為降低。同時，具有1：10的調速功能。控制回路采用可編程控制器PLC進行控制，并設有過流保護，超載和欠載保護，限位保護和位置控制及聯鎖保護。載荷和起升高度均在儀表上顯示。高度儀接點和載荷控制接點接在PLC控制回路中。變頻器的啟動、運行信號、故障報警信號均通過其控制端子連接至PLC響應輸入輸出模塊上，由PLC系統接受和控制。起升變頻器通過脈沖編碼器BM1實現速度閉環以控制電機的轉速。脈沖編碼器BM1將電機轉速轉化為兩列互差90°的HTL脈沖，送入變頻器以完成速度閉環信號反饋，同時2臺電機進行主從控制，從而保證電機同步，避免了2臺電機變頻控制后出現干涉現象的發生。

4.3 開閉斗及滑移機構

清污機設有開閉斗及滑移機構，其操作可通過聯動臺上的手柄進行。

4.4 翻板機構

清污機設有翻板機構，其操作通過聯動臺上的旋鈕進行。

4.5 門機大車行走機構

門機的大車行走可通過清污機司機室聯動臺進行操作，同時與門機原聯動臺進行互鎖。

4.6 門機小車行走機構

門機的小車行走可通過清污機司機室聯動臺進行操作，同時與門機原聯動臺進行互鎖。

5 聯鎖及保護

5.1 聯鎖

各機構之間均設有互鎖，在同一時刻，二者中只能有一個機構運行。每臺電動機的正、反轉間設有電氣聯鎖。各機構均有零位連鎖，當閉合電源時，各機構的操作手柄應處于零位，控制方能進行。

5.2 保護

清污機按GB3811《起重機設計規范》、SL41《水利水電工程啟閉機設計規范》的要求，設有短路保護和過流保護，失壓保護和零位保護，限位及行程保護，通道口和機房安全開關，以及能切斷總電源的緊急開關等。

6 PLC控制特點與功能

6.1 根據工藝運行條件，實現了一系列準確的清撈動作

由于清污機是間斷運行的，因此可通過PLC內部計時器，嚴格控制清污機的運行時間、停機時間和卸渣時間，所有輸出信號均可送至中央控制室實現遠程控制，方便值班人員夜間操作。

6.2 松繩保護

在抓斗上行、下行過程中，當遇到障礙物時，出現松繩但耙沒下放到位的現象，這是一種非正常狀態（耙未到達池底）。為此在清污機PLC內部設置了一計數器CO記下松繩次數，即記錄指定時間內出現這種狀態的次數，如達到設定值，則常開點CO閉合，M104工作，輸出報警信號并控制相應輸出繼電器，提請操作人員查看現場，采取措施排除障礙物。

6.3 開、閉耙保護

當抓斗開耙、閉耙過程中出現障礙時，開耙、閉耙到位開關不能按時接通，此時PI C設置了T1、T2，限時7s若不能完成開耙、閉耙動作，則輸出故障信號，并控制相應繼電器輸出，保證了清污機的安全運行。

6.4 根據液位差靈活控制運行

當攔截殘渣數量較多時，清污機前、后液位出現較大的高度差，此時即使在停機狀態也必須開機，因此在自動工作狀態，清污機運行還受液位差控制器及定時時間的控制。

7 電氣控制元器件

按設計要求，電氣控制元器件選用國際著名公司生產的產品，和國家定點廠商的可靠產品。主要電氣件選用施耐德公司產品，變頻器采用日本安川G7系列，PLC采用西門子S7-200系列，一般電氣輔助元件選用我國起重行業的定點廠可靠產品。

8 問題及難點

8.1 攔污柵及其孔口和清污機的配合問題

由于五強溪水電站共計有40孔攔污柵，并且攔污柵原來沒有考慮用抓斗清污的問題，所以對攔污柵的實際現狀應當摸清，建議清污抓斗使用前派潛水員對攔污柵進行全面的排查，對可能存在問題的攔污柵進行檢測，對影響清污抓斗運行的地方應進行處理后再進行清污的工作。

同時，對電站攔污柵進水口的現狀，也需要事先進行檢查和測量，例如，攔污柵孔口的實際寬度，孔口表面的平整狀況，有無伸出的鋼筋頭等，否則可能會影響清污抓斗的正常運行，甚至會造成事故的發生。

8.2 清污機適用的范圍和其清污的能力是有限的

受條件所限，清污機對有些工況可能清污效果并不理想。例如，攔污柵孔口處的橫向流速較大時，由于清污抓斗定位的方式不像帶清污抓斗導槽的清污抓斗，將清污抓斗牢牢的限制在清污抓斗的導槽中，所以如有較大的橫向流速，會引起清污抓斗的轉動，降低其清污效果，甚至無法清污，此時應減小發電機組的開度，限制攔污柵的過柵流速，才可以進行清污的工作。

8.3 特殊的污物還需要特殊的處理

清污機可較好的解決電站的清污問題，但該清污機對一些特殊的污物和特殊的工況依然可能無法處理，例如對插入攔污柵中的樹干，這種清污機就無法清除，還需要采取其他的清污措施。

9 解決方法

（1）五強溪電站電控中心位于門機頂部，夏季溫度較高，而PLC要求環境溫度在0～55℃，安裝時不能將其放在發熱量大的元器件下面， 四周通風散熱的空間應足夠大。如果周圍環境超過55℃，則應安裝電風扇強迫通風。

（2）為了抑制加在電源及輸入端、輸出端的干擾，應給PLC接上專用地線，接地點應與動力設備（如電機）的接地點分開，若達不到這種要求，則必須做到與其他設備公共接地，禁止與其他設備串聯接地。

（3）對電源的要求。PLC供電電源為50Hz、220（1±10%）V交流電。對于電源線來的干擾，應安裝1臺帶屏蔽層的變比為1：1的隔離變壓器，然后再接入PLC。若現場電源質量滿足不了上述要求，則需設置一個精度較高的穩壓電源。

4PLC在使用中會因外界干擾、后備電池電量耗盡和硬件等因素丟失其內部程序。一旦發生此類情況，若不能及時將原程序重新裝入，則將造成設備的全面癱瘓，這就需要做好程序的備份。

10 結束語

PLC應用于水電站清污機的自動控制，實現了清污抓斗下行、開耙、閉耙、提升、卸渣5個機械動作，按照預先設定的時間運行，直至限制各個動作的接近開關接到信號為止。運行實踐證明，與傳統繼電器控制相比，PLC控制節省了大量時間繼電器、計數器、步進控制開關等設備，提高了自動控制的準確性和可靠性，同時保障了被控設備的運行安全，具有良好的經濟效益和社會效益。