水電站泵組輪換程序設計與比較

張磊磊，段 鑫

(雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051)

0 前 言

水電站供水系統、排水系統、氣系統、液壓系統均安裝有電機泵組，為了保證輔助系統的運行可靠性和檢修需要，設備及回路采用冗余配置設計。

在實際運行過程中為了保證設備的運行壽命一致性，及時發現故障設備，降低長時間不運行導致設備受潮損壞的可能性，一般主備用設備輪換運行。定時切換需要對泵組單次運行時間或多次運行時間進行統計；次數輪換則是對設備運行次數進行統計。本文介紹了常見的故障切換、依次輪換和定時輪換程序，可以為類似工程應用中提供參考。

1 輔助設備運行輪換控制方法

水電站輔助設備一般包括水泵、油泵、空壓機等設備，每個系統設備數量從2～5臺不等。泵組輪換邏輯設計時可以采用定時輪換、計次輪換、故障輪換等。

定時輪換主要采集設備運行的時間，數據采集主要通過PLC內部的計時器和計數器完成。計次輪換則統計單臺泵組連續啟動、運行的次數，由PLC內部的計數器完成數據采集。故障輪換主要采集系統運行時的壓力、流量、電機電流等信號，當某些信號發生異常時，切換至無故障設備。

計時輪換主要用于長時間運行的泵組，如技術供水系統，機組運行時設備需要一直運行[1]。若按照計次輪換，主備用設備總運行時間可能存在較大的差異，主備用設備運行壽命不一致，備用設備可能長時間不運行受潮。

計次輪換主要運用在非長期運行的泵組設備上，如調速器、筒閥油壓裝置，泵組每次啟動的時間只有40 s左右，而且主備用泵每次運行時間相當。采用計次輪換只需要利用PLC的計數器，程序設計簡單。

故障輪換則是每個系統均必須設計的邏輯，一是保證設備發生故障后及時停泵，二是能保證備用設備正常投入，使機組正常運行不受影響。合理的故障切換邏輯才能保證控制程序的完整性和可靠性，也是對其他輪換程序的有效補充。

2 輔助設備運行輪換控制程序設計

2.1 故障輪換程序設計

故障切換程序主要采集設備運行的相關參數，如流量、壓力、差壓、泵運行等信號。當相關模擬量數值不滿足定值要求，或開關量出現報警時，就需要進行設備的故障切換。以某電站供水系統為例，系統主要包括兩臺水泵電機組、施耐德軟啟、PLC、流量、壓力變送器等，程序設計基于施耐德PLC，采用梯形圖語言進行程序設計。故障判斷主要程序如圖1所示。具體程序變量如下：

DI[3]1號水泵控制電源消失DI[5]1號水泵軟啟故障DI[6]1號水泵動力電源故障PUMP[1].FAULT_CODE:=1;泵故障號PUMP[1].FAULT1號泵故障STARTMAINPUMP.NO主泵號

圖1 故障判斷及主泵選擇程序

程序首先根據采集的開關量信號對泵的狀態進行判別，延時1 s判斷泵是否存在故障。然后，每兩分鐘對泵的故障進行自動復歸，若泵故障信號消失，報警復歸。無須人員手動操作，避免故障報警未及時復歸影響泵的啟動。最后，判斷1號泵為主泵的情況下同時泵故障，將2號泵置主泵。程序根據啟泵信號，將故障泵停止，啟動主泵，實現故障切換。

2.2 計次輪換程序設計

某電站油壓裝置主要包括壓力油罐、兩臺油泵電機組，施耐德軟啟，施耐德PLC以及模擬量和開關量測量儀表。模擬量主要采集了油罐壓力、油罐液位，開關量主要包括啟主泵壓力、啟備泵壓力、停泵壓力、壓力低報警。油壓裝置的油泵每次運行時間較短，大概40 s左右。程序設計基于施耐德PLC的ST語言，采用了計次輪換方式，輪換的主要程序設計如下：

(*主泵自動選擇*)

if DI_ZYXZ_PUMP then

if(DI_Zd_PUMP2 and(not DI_TJWJB_PUMP2)AND zt_bh_prior=1)OR((NOT DI_Zd_PUMP1 OR ZT_JAM1 OR DI_TJWJB_PUMP1)AND zt_bh_prior=2)then

zt_pump2_main_3:=true；

zt_pump1_au_3:=true；

zt_pump1_main_3:=false；

zt_pump2_au_3:=false；

end_if；

end_if；

程序變量如下：

DI_ZYXZ_PUMP主泵自動選擇DI_Zd_PUMP22號泵自動控制方式DI_TJWJB_PUMP22號泵啟動條件未具備zt_bh_prior上次的主泵號zt_pump2_main_32號泵為主泵zt_pump1_au_31號泵為備泵DI_Zd_PUMP11號泵自動控制方式ZT_JAM1狀態報警DI_TJWJB_PUMP11號泵啟動條件未具備zt_pump1_main_31號泵為主泵zt_pump2_au_32號泵為備泵

此段程序主泵為自動選擇方式，若2號泵具備啟動條件，且上一次的主泵為1號泵，則本次2號泵作為主泵，實現了兩臺泵依次輪換功能。

程序設計中，為判斷2號泵是否為主泵，將1號泵上次為主泵的信號作為了閉鎖條件。如果1號泵上次不是主泵，那2號泵上次必然為主泵，則此段邏輯不成立，2號泵不能連續作為主泵運行。若條件滿足，則程序輸出2號泵為主泵，1號泵為備泵，為下次1號泵作為主泵的邏輯判斷做準備。

3 利用系統字進行時間統計并定時輪換

某電站技術供水系統控制程基于施耐德PLC[2]，其控制程序利用系統字“%SW50”進行運行時間統計，設計程序如下：

if DI[1]and(S_TMP1[1]<>%SW50)then

PUMP_RUNNING_TIME[1]:=PUMP_RUNNING_TIME[1]+1；

S_TMP1[1]:=%SW50；

程序變量如下：

DI[1]1號泵運行S_TMP1[1]1號泵上次統計的秒數PUMP_RUNNING_TIME[1]1號泵運行的秒數%SW50系統時間(s)

此段程序表示，在1號泵運行時，若程序記錄的1號泵運行時間與系統時間(s)不相等，則1號泵運行時間(s)PUMP_RUNNING_TIME[1]在上次的基礎上增加1 s，并將系統現在的時間賦值給S_TMP1[1]。因為程序在不斷地循環，所以只要泵在運行，泵的運行時間(s)就會按秒增加，用于計算泵的總運行時間。當單臺泵運行總時間達到設定時間，進行切換操作。

4 利用計時器和計數器進行定時輪換設計

某電站通風設備采用施耐德PLC，系統主要包括風機、軟啟等部件，其時間輪換邏輯通過施耐德PLC的計時器和計數器實現，進行時間統計，梯形圖程序設計如圖2所示。

圖2 梯形圖程序設計示意

程序變量如下：

%M181號泵運行%M61計時器中間變量%M62計數器中間變量%M631號泵時間達到設定值

此程序第一段表示在泵運行時，延時10 s延時繼電器接通，%M61值為1。當%M61每接通一次，計數器FBI48加1，直到數值達到360，%M62值為1。當%M62值為1，系統經歷的時間為10 s×360=3 600 s，即1 h[3]。

當%M62每接通一次，計數器FBI50加1，直到數值達到168。系統經歷時間為1 h×168=168 h。

此段程序利用一個延時繼電器和兩個加計數器實現了運行時間統計，通風設備實現了168 h輪換一次的功能。

5 控制程序的對比

設備故障切換，其主要是對設備狀態進行判斷，并將結果加入到主泵號是否具備運行條件的判斷邏輯中[4]。設備故障切換是保證設備安全穩定運行，發揮設備冗余配置作用并避免事故進一步擴大的必要控制邏輯，所有程序中都需設計相應功能。

計次輪換主要針對啟動相對平凡，單次運行時間不長的設備。設備既可以選擇依次輪換，又可以選擇多次輪換。在程序設計時，一般通過設備啟動信號進行計次，程序設計較為容易。若選擇計時輪換，則程序的方法也是多種多樣的，既可以通過系統字進行計時，也可以通過計數器和計時器進行計時，最終目的是保證主備用設備能夠進行輪換，并且設備運行時間基本相同。綜合比較，依次輪換能夠滿足設備輪換要求，亦可以減輕程序設計工作量，具有一定優勢。

定時輪換主要針對設備單次運行時間長的設備，避免備用設備長時間停運。定時輪換程序設計也有不同的方法。利用計時器和計數器配合進行時間統計的做法較多，此種設計方法比較容易理解。也可利用系統字“%SW50”進行時間統計，但其編寫程序亦不復雜。兩種方式各有特點，程序設計人員可以根據自身的喜好進行選擇。

6 結 語

本文針對輔助設備輪換程序進行了設計和對比，對不同系統的輪換程序選擇了不同的方式和程序編寫方法。

設備輪換程序中，故障切換程序是必不可少的。正常運行狀態下，設備如何切換則需要根據設備單次運行時間、啟動頻繁程度、設備停運時間要求進行選擇。單次運行時間較短的設備宜選擇計次輪換，單次運行時間長的設備則選擇計時輪換更具優勢。

不同的控制系統，其變成方法也是不盡相同的。在設備硬件配置時，對于單個電廠而言，應盡量選擇同一廠家同一型號產品，這樣對于前期開發和后期維護工作都有幫助。

程序前期開發過程中，編程人員因長期工作基本會形成自己的習慣。但有些習慣對于不同系統，其所達到的效果是不一樣的。編程人員應該在工作過程中不斷積累經驗，將程序簡單化、模塊化，便于程序移植，減輕工作量。

程序編寫完成后，應在設備調試過程中將所有可能的運行工況、故障進行模擬。只有不斷地調試、模擬和優化，控制系統的程序才能最終達到使用要求。