烏金峽電站左岸供水控制系統設計與實現

豆文杰 馮廷琳

（國投甘肅小三峽發電有限公司，甘肅 蘭州 730000）

一、引言

烏金峽水電站位于白銀市靖遠縣平堡鄉境內，是黃河龍羊峽至青銅峽河段15 級梯級規劃中的第12 級電站，電站安裝4 臺35MW 燈泡貫流式水輪發電機組，總裝機容量14 萬千瓦。

烏金峽電站左岸供水系統是全廠技術供水的重要組成部分，擔負著向4臺機組主軸密封等重要設備供水、循環水池補水、辦公樓供水等作用。原控制系統在運行過程中故障頻發，日益影響機組安全穩定運行。對左岸供水控制系統進行技術改造，使電站公用及機組輔助設備具有更高的可靠性和自動化程度的工業自動化控制系統勢在必行[1]。

二、系統組成及控制方案

（一）系統組成

烏金峽電站左岸供水系統主要由大口井、蓄水池、水泵房滲漏水池、深井泵、離心泵、潛污泵、管路、測量儀表、控制柜等組成。系統示意圖如圖1：

圖1 烏金峽電站左岸供水系統示意圖

（二）控制方案

烏金峽電站左岸供水系統設備分布范圍廣、數量多、控制功能各異。綜合考慮現場實際，

采用方案如下：①各被控設備組自成系統，獨立組盤，分別設置控制單元，實現被控設備的自動控制、故障保護及報警。②各控制單元實現與電站計算機監控系統的通信，將被控設備的故障、運行狀態等信號通過以太網送至電站計算機監控系統，重要信號以繼電器無源接點形式傳遞給公用LCU。③在電站計算機監控系統中增加一幅左岸供水控制系統的畫面，直觀顯示泵的啟停狀態，通過畫面中泵的動態鏈接啟動流程來遠方啟停水泵。④控制柜上設有“現地/遠方/切除”控制方式開關，可靈活地選擇系統的工作方式為電站計算機監控系統參與控制或完全由現地PLC 自動控制。⑤模擬量信號為從現場的非電量傳感器或變送器引入的兩線制模擬量信號，為了適用于可編程控制器的模擬量采集處理，通過雙路配電器給每個變送器配獨立的隔離電源，選用配電器輸出為4～20mA 的模擬量信號，并聯輸入給PLC 模擬量模塊和數顯儀表。⑥ 2 臺深井泵互為主備，各自設置“手動/切除/工作/備用/工備自轉”5 位的工作方式開關,以蓄水池水位為被控量，并帶有大口井水位過低閉鎖啟深井泵保護功能。⑦2 臺離心水泵互為主備，各自設置了“手動/切除/工作/備用/工備自轉”5 位的工作方式開關，以供水管路壓力為被控量，通過變頻器實現系統恒壓變頻供水。⑧一臺潛污泵采用手動控制方式，通過操作開關可將水泵電機的運行分別設置為啟動、0位、停止。

三、設備選型

在綜合考慮系統性能、可靠性、擴展性和網絡性能、CPU 運算速度及存儲容量、CPU 時鐘頻率、CPU 控制功能、主要模塊的性能指標等因素，選用法國施耐德公司生產的TSX Premium 系列PLC。包含CPU 模塊、電源模塊、開關量I/O 模塊、模擬量I/O 模塊、通訊模塊[2]。

綜合考慮啟動裝置的性能、電磁特性及性價比，并且變頻器需要具備PID 宏功能。方案選擇ATV630 系列變頻器作為實現恒壓供水的主設備。因現場被控離心泵額定功率為5.5kW，參考廠家提供的變頻器和自動斷路器配合表，選擇ATV630U55N4 型變頻器及配套接觸器、斷路器為離心泵主回路設備。

該控制系統需要測量的主要非電量有水位和壓力。選擇麥克傳感器公司生產的MPM4700 系列的投入式液位變送器和MPM484 系列壓力變送器為。為保證設備可靠性，同時選用歐姆龍K8AK-LS 導電式液位開關作為200m3水池水位開關量控制。

四、硬件回路設計

（一）PLC 部分

根據控制方案，PLC 需要采集現地模擬量、各臺泵的控制方式、泵的啟停信號以及各類故障信號，并對采集到的信息進行判斷處理后，以控制設備正確動作。部分開關量輸入接線原理圖如圖2。

圖2 部分開關量輸入接線原理圖

（二）變頻器回路設計

變依據控制方案，用一臺ATV630 變頻器帶一臺離心泵冗余配置來保證系統的可靠性。離心泵控制電氣原理圖如圖3 所示：

圖3 離心泵控制電氣原理圖

變頻器STOA 和STOB 端子為安全扭矩中斷；AI1 輸入接口接壓力變送器反饋值；R1A 和R1C 接變頻器故障信號；R2A 和R2C 接變頻器運行信號；DI1邏輯輸入端子和+24V 接KB1 常開觸點。

五、軟件設計

軟件部分設計主要包括人機界面組態、全廠監控系統畫面組態以及PLC控制程序編寫。根據選用的CPU 模塊，使用施耐德PLC 編程軟件UnityPro XI 5.0 編寫控制程序。

離心泵控制邏輯為：通過各臺離心泵運行方式選擇開關可將各離心泵電機的運行分別設置為手動、切除、工作、備用、工備自轉等5 種方式。在后3 種工作方式下均實現自動啟、停，并可實現遠方控制。在自動運行方式下，能在控制盤上將某臺離心泵設置為工作水泵、備用水泵，實現2 臺水泵的互為備用；離心泵變頻器根據出口管路壓力反饋值調整電機運行，使得管路壓力恒定，主備離心泵每隔15 天輪換一次。

深井泵控制邏輯為：通過各深井泵運行方式選擇開關可將各水泵電機的運行分別設置為手動、切除、工作、備用、工備自轉等5 種方式。在后3 種工作方式下均實現自動啟、停，并可實現遠方控制。在自動運行方式下，能在控制盤上將某水泵設置為工作深井泵、備用水泵，實現2 臺水泵的互為備用；當200 立方水池水位到啟工作泵水位時，啟動工作水泵；到備用泵啟動水位啟備用泵；當水位正常時，停所用的泵；當大口井水位過低時閉鎖深井泵啟動。

六、調試

按照定值單在人機界面對水位、壓力等控制參數進行設置。然后根據離心泵電機參數設置好變頻器參數。進入[完整設置]-[電機參數]-[電機數據]對電機參數進行設定。進入[完整設置]-[泵功能]-[PID 控制器]對PID 控制參數設定。進入[完整設置]-[輸入/輸出]，分別對R1、R2、DI1 功能進行分配。

在各水泵試運轉前，必須核對各水泵電機主電相序正確，且無缺相。對各水泵先現地點動試運轉，無堵轉、無反轉現象后手動啟動運行，各泵的啟停信號反饋信號正確。然后切至自動，逐條驗證自動控制邏輯正確。在試運轉過程中送核對以MB+網上送全廠監控系統LCU 的搖信量、遙測量、遙控量正確。

七、結語

通過生產現場實際調試與試運行，所設計的烏金峽左岸供水控制系統運行穩定可靠，完全達到了“無人值班、少人值守”的運行要求，使烏金峽電站公用及機組輔助設備可靠性進一步提升。對主設備保護完善，日常操作方便，維護簡單，值得推廣應用。