【正文】 水電站計算機控制應(yīng)用的過程發(fā)展中形成的, 在當時采用多臺專用功能裝置將全廠控制、調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集等各類要求通過負載分散、危險分散、功能分散、地域分散等而得以實現(xiàn)。 ：這種結(jié)構(gòu)模式是在克服分散式系統(tǒng)的缺點而發(fā)展起來的, 其特點是按控制對象進行分散, 由于控制對象如水輪發(fā)電機組開關(guān)站閘門船閘等分布在不同地理位置, 所以一般稱為分布式監(jiān)控系統(tǒng)。采用計算機網(wǎng)絡(luò)有如下優(yōu)點: 計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有很高的通信速度, 而且具有很強的差錯檢查能力, 可靠性很高, 能很好地實現(xiàn)分布處理, 系統(tǒng)的擴充和功能的擴充很容易實現(xiàn), 為系統(tǒng)中實現(xiàn)雙機控制提供極大的方便 星形、環(huán)形、總線三種局部網(wǎng)相比之下, 又以總線網(wǎng)的優(yōu)點最為突出星形網(wǎng)雖然是目前我們通常使用的結(jié)構(gòu)模式, 但隨著同一用戶的計算機數(shù)量越來越多, 接線越來越復(fù)雜, 主機負擔更為加重。 3全開放、全分布式監(jiān)控系統(tǒng): 這是近年來, 在分布式監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上, 整個系統(tǒng)各設(shè)備都遵循IEEE 、150 、IEC 等有關(guān)規(guī)約接入一個全開放式總線網(wǎng)絡(luò), 采用U N I X 操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的操作系統(tǒng), 可以應(yīng)用許多工業(yè)標準軟件及關(guān)系數(shù)據(jù)庫等資源, 硬件的增減、更換也很方便, 只要符合規(guī)約的設(shè)備均可接入。 因此, , 其通信方式我們推薦總線網(wǎng)為最佳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 新建的大型水電站, 在條件許可時可以采用全開放、全分布模式別中型水電站機組臺數(shù)少, 主結(jié)線簡單也可采用集中式監(jiān)控系統(tǒng), 至于分散式監(jiān)控模式, 我們認為今后不宜采用。 水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng),是一個高速的在線實時監(jiān)控系統(tǒng), 運行人員通過各種人一機聯(lián)系設(shè)備, 實時監(jiān)視和控制運行設(shè)備的狀態(tài)和工況, 當某個控制指令發(fā)出后, 希望在2~5 秒鐘內(nèi)得到響應(yīng), 當設(shè)備發(fā)生事故時, 要求計算機能以最快的速度顯示和記錄各種事故的性質(zhì)和先后順序。另外,由于計算機系統(tǒng)為了完成自動控制和經(jīng)濟運行, 需要對大量過程數(shù)據(jù)進行計算,為此需要計算機監(jiān)控系統(tǒng)有足夠快的響應(yīng)速率。與可靠性緊密相關(guān)的是可利用率, 這是表征計算機監(jiān)控系統(tǒng)在任何時間均能正常工作的重要指標, 不同類型的水電站其控制系統(tǒng)的可靠性要求應(yīng)該不同, 一般有常規(guī)控制系統(tǒng)的單計算機監(jiān)控系統(tǒng)的可利用率為9 8 % , 對于重要水電站而無常規(guī)控制的監(jiān)控系統(tǒng)的可利用率應(yīng)8 % 以上, 而且即使在使用階段, 也應(yīng)該有保證電廠運行的最低功能前以使用. 3可適應(yīng)性強. 適應(yīng)性又稱靈活性或可擴充性, 二個系統(tǒng)的設(shè)計不可能一開始就考慮得十分完善, 由于主客觀因素,系統(tǒng)的規(guī)模、功能的配置,不可避免地發(fā)生變化, 起初一般要實現(xiàn)的功能不一定很多,以后隨著系統(tǒng)的擴大而逐漸增加, 要適應(yīng)這種不斷增加的擴展要求。 4可維修性好。 第二章S7200/300 PLC在水電站監(jiān)控系統(tǒng)LCU的應(yīng)用 電力生產(chǎn)的產(chǎn)品(電能)難以儲存，發(fā)、輸、變、配、用電須隨時保持平衡，水力發(fā)電具有調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、平衡發(fā)電等重要功能，是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要調(diào)節(jié)手段，水電自動化是如今電力系統(tǒng)安全可靠運行的基礎(chǔ)設(shè)施和裝備，同時也是電力系統(tǒng)經(jīng)濟遠行的手段，市場極其廣大，其計算機監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地控制單元(LCU)，市場前景巨大。選用高檔PLC或DCS產(chǎn)品，可靠性高、抗十擾能力強、功能強大、配置靈活、易于學(xué)習、便于維護。 計算機輔機控制系統(tǒng)，相對于水力發(fā)電站的總的監(jiān)控系統(tǒng)是獨立的，可以單獨引入水力發(fā)電站，同時計算機輔機控制系統(tǒng)內(nèi)部的油控制系統(tǒng)、氣控制系統(tǒng)、水控制系統(tǒng)之間也是相互獨立的，因此水力發(fā)電站可以全部引入計算機輔機控制系統(tǒng)，也可以單獨引入輔機控制系統(tǒng)中的油控制系統(tǒng)、氣控制系統(tǒng)或水控制系統(tǒng)。如果水力發(fā)電站目前已經(jīng)有了一些單獨的控制系統(tǒng)，可以根據(jù)具體的實際情況對計算機輔機控制系統(tǒng)作出一些修改，使之與水力發(fā)電站原有的控制系統(tǒng)組成一個完整的監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)地控制單元的控制對象主要包括以下幾個部分：?發(fā)電設(shè)備，主要有水輪機、發(fā)電機、輔機、變壓器等；②開關(guān)站，主要有母線、斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘等；③公用設(shè)備，主要有廠用電系統(tǒng)、油系統(tǒng)、水系統(tǒng)、氣系統(tǒng)、直流系統(tǒng)等；④閘門，主要有進水口閘門、泄洪閘門等。原始數(shù)據(jù)在此進行采集和預(yù)處理，各種控制調(diào)節(jié)命令都通過它發(fā)出和完成控制閉環(huán)，它是整個監(jiān)控系統(tǒng)中很重要、對可靠性要求很高的控制設(shè)備。而按照LCU本身的結(jié)構(gòu)和配置來分，則可以分為單板機一線型結(jié)構(gòu)的則、以可編程序控制器(PLC)為基礎(chǔ)的LCU、智能現(xiàn)地控制器等三種。另外尚有極少數(shù)的小型水電站采用基于工業(yè)PC(又稱工控機)的控制系統(tǒng)，下面僅討論處于主流地位的PLC現(xiàn)地控制器和智能現(xiàn)地控制器。但PLC作為一種運用的自動化裝置、并非是為水電廠自動化而專門設(shè)計的，在水電自動化這一有著特殊要求的行業(yè)應(yīng)用中不可避免地也會有一些不適合的地方，現(xiàn)列出以下幾點： 1)PLC以“掃描”的方式工作，不能滿足事件分辨率和系統(tǒng)時鐘同步的要求。而以PLC為基礎(chǔ)的現(xiàn)地控制裝置，如果不采取特殊措施，就無法保證水力發(fā)電站安全運行對事件分辨率和系統(tǒng)時鐘同步的要求?，F(xiàn)在的PLC雖然具有較強的自診斷功能，但對于輸入、輸出部分，它只自診斷到模件級。 3)通用型PLC一般都具有一定的浪涌抑制能力，基本亡可以適合大部分行業(yè)應(yīng)用。 (2)智能現(xiàn)地控制器 在我國水電站自動化系統(tǒng)中應(yīng)用較多的另一類現(xiàn)地控制單元應(yīng)該就是智能現(xiàn)地控制器，如硼公司AC450，南瑞集團的SJ—600系列，K1in公司的sATl703等。 S7—600已在全國數(shù)十個大中型水電廠可靠地運行，具有以下主要特點： 1)主控模件采用符合IEEZ—1996．1的嵌入式模塊標準PCI04，具有可靠性高、現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性強等特點，使用低功耗嵌入式LPU，可選用的CPU型號從486至Pentium系列。所有模件采用32位嵌入式CPU，該CPU專門為嵌入式控制而設(shè)計，軟件上采用板級實時操作系統(tǒng)和統(tǒng)一的程序代碼，只是按模件的不同而遠行相應(yīng)的任務(wù)。智能化的I/O模件除了可獨立完成數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，還具備很強的自診斷功能，提供了可靠的控制安全性和方便的故障定位能力。所有I/O模件均配備兩個現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)接口，這些模件都可以分散布置，形成高可靠性的分布式冗余系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)已成為計算機監(jiān)控系統(tǒng)中的重要部分，它涉及電站控制策賂和運行方式。如AC450采用MB300網(wǎng)絡(luò)與上位機系統(tǒng)連接，而與采用TCP/U協(xié)議的系統(tǒng)連接只能通過專用模件以VIP的方式進行受限制的數(shù)據(jù)傳輸。GPS對時可直達模件級，滿足了對時鐘有特殊要求的場合，如SOE等。支持控制流程的在線調(diào)試和回放，非常適合復(fù)雜的控制流程的生成和維護。水力發(fā)電站計算機輔機控制系統(tǒng)包括水力發(fā)電站油系統(tǒng)控制系統(tǒng)、水系統(tǒng)控制系統(tǒng)和供水系統(tǒng)控制系統(tǒng)，如圖下圖所示。 軟起動器帶有完整的電動機保護裝置，并有多種起動方式可供選擇，是目前較為理想的智能元件。 LCU分為五個系統(tǒng)：油系統(tǒng)控制系統(tǒng)、公用LCU控制系統(tǒng)。 (1)控制功能 當壓力油槽油壓降至1DJ的下限時，主用油泵向壓力油槽罐供油；當壓力油槽油壓高于1DJ的上限時，主用油泵停止；當油槽油壓降至2DJ的下限時，備用油泵向壓力油罐供油；當壓力油槽的油壓高于2DJ的上限時，備用油泵停止；當油槽的油壓降至3U的下限時，發(fā)報警信號；當油壓下降至工作油壓下限，同時油槽泊面高于油面上限，開啟電磁補氣閥補氣。 (2)通信功能 PLC將電源狀況、油泵運行狀態(tài)、設(shè)備LCU將這些信號傳送給控制中心，2． 水力發(fā)電站氣系統(tǒng)控制系統(tǒng)氣系統(tǒng)控制系統(tǒng)示例如圖下圖所示 1)控制功能 補氣閥狀態(tài)、油位狀況傳送給公用設(shè)備LCU從而使控制中心完成對油系統(tǒng)的監(jiān)控。4DJ是用來監(jiān)視制動儲氣罐中氣壓的，氣壓過高過低都會發(fā)信號，為了防止空氣壓縮機的溫度過高，專門在每個空氣壓縮機的出口處分別設(shè)置了溫度信號器，如果空氣壓縮機過熱，溫度信號器就會發(fā)出信號，即空氣壓縮機停機，氣系統(tǒng)控制系統(tǒng)電動機起動電路也采用軟起動電路。 注意：采用這種系統(tǒng)不能連續(xù)監(jiān)測儲氣罐的壓力，如果要提高控制性能，連續(xù)監(jiān)測貯氣罐的壓力，可以將電觸點壓力表更換成壓力變送器和壓差變送器。排水系統(tǒng)控制系統(tǒng)的電動機起動電路也采用軟起動電路。 4．水力發(fā)電站供水系統(tǒng)控制系統(tǒng) 供水系統(tǒng)控制系統(tǒng)示例如圖所示。機組開機前發(fā)命令給自流供水電磁閥，如果白供水無水，就發(fā)命令給主供水泵；如果清水池水位過低，發(fā)報警信號；如果示流信號器中斷就投入備用泵，向機組發(fā)故障信號；機組中的熱交換流器差壓計和濾水器差壓計的壓差過高就發(fā)報管信號。 (2)通信功能 PLC比將電源狀況、水泵運行狀態(tài)、態(tài)、示流器狀態(tài)傳送給機組設(shè)備比LCU，控制中心完成對供水系統(tǒng)的監(jiān)控。公用LCU系統(tǒng)采用觸摸屏對各個現(xiàn)地單元進行控制，用S7—300 PLC與各個現(xiàn)地控制單元內(nèi)的S7—200PLC進行通信。S7—300PLC還可通過串口通信模塊和工業(yè)以太網(wǎng)模塊與水力發(fā)電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)通信。技術(shù)供水的主要任務(wù)足為了運行設(shè)備的冷卻和潤滑，供水對象如發(fā)電機冷卻器或發(fā)電機內(nèi)冷卻用水、推力軸承冷卻器、上或下導(dǎo)軸承冷卻器、水導(dǎo)軸承冷卻和潤滑用水、水冷變壓器等，有時也均作如高水頭水電站主閥的操作能源。技術(shù)供水系統(tǒng)是保證水力發(fā)電站安全、經(jīng)濟運行不可缺少的組成部分?？紤]到：①水電廠(站)環(huán)境及未運行水力發(fā)電機組溫度較低；②水輪發(fā)電機組起動過程中無定于繞組損耗、無鐵損耗、太高次諧波附加損耗；③水輪發(fā)電機末投勵前無勵磁損耗；④技術(shù)供水系統(tǒng)水泵用異步電動機起動電流很大，不宜多臺同時起動；⑤水輪發(fā)電機組起動時間與產(chǎn)生熱量遞增關(guān)系，及供水水泵用異步電動機起動時間等問題。下面首先給出S7—200 PLC I/O信號地址分配如表3—l所示，然后利用S7—200PLC移位寄存器指令來編寫順序控制程序。在PLC第一個掃描周期內(nèi)進行初始化，VB20清零，之后調(diào)用子程序SBR—0，起動90s定時器，移位寄存器每90s移位一次，第一次移位后，＝1，副．1＝1，第一臺水泵電動機組起動；第二次移位后，＝1，＝1，第二臺水泵電動機組起動；第三次移位后，＝1，＝l，第三臺水泵電動機組起動；第四次移位后，＝1，返回主程序，把技術(shù)供水總管水流量實際值從AIW0傳送至存儲單元VWO，＝1，第四臺備用水泵電動機組起動(注意要定期輪換擔負備用任務(wù)，保證一年中各泵總工時大致相等)。 第四章S7200 PLC在水電站油壓裝置中的應(yīng)用 油壓裝置自動化的必要性與控制要求 油壓裝置在水電廠是重要的水力機械輔助設(shè)備，其作用是產(chǎn)生并貯存高壓油，是機組起動、停止、調(diào)節(jié)出力之能源。壓力油槽油壓事故降低時，水輪發(fā)電機組將危險地失控，應(yīng)有防護措施。 油壓裝置自動化，應(yīng)滿足下列要求； 1)水輪機組在正常運行或在事故情況下，均應(yīng)保證有足夠的壓力油量供機組及蝴蝶閥操作之用，應(yīng)考慮在廠用電消失時有一定的能源儲備*此要求可通過選擇足夠的壓力油槽容積與適當?shù)目刂瞥绦騺斫鉀Q。 3)在水力機組操作過程中，泊壓裝置的投入是自動進行的，不需值班人員的參與。 4)油壓裝置應(yīng)設(shè)有備用的油泵電動機組，當丁作螺桿油泵發(fā)生故障或者操作用油量想劇增長而造成樂力泊槽洲壓過低()時，啟動備用螺桿油泵補油，壓力提升至油壓額定值()時，停止備用油泵，壓力油槽油壓過低要備用油泵投入時，府發(fā)出報警信號。注意，這里起動主機事故停機之壓油槽事故低油壓值的整定，應(yīng)比可操作水輪機組的最小池壓值大出一定量值，確保水輪機導(dǎo)葉在油壓“崩潰”前能夠全關(guān)，另外負曲率導(dǎo)葉的采用有利于這一問題的改善。今設(shè)壓力油槽容積為V，其中油占KV/(1+K)，氣體占V/(1+K)，又設(shè)P,(P?P)是放出體積油量前后的壓力油槽油壓，代入玻意耳定律得：PV/(1+K)=(P?P)[V/(1+K)+?V]，從而?P=P?V/[V/(1+K)+?V],顯然K越大，?P將越大,另一方面，K的大小，將沒有足夠的壓力油量，此處可結(jié)合第1點考慮。具體地說，當壓力油槽油位上升至34％刻度，打開可控氣閥向壓力油槽補氣。 7)“補油”與“補氣”兩個進程互相聯(lián)鎖，即“補油”時不“補氣”，“補氣”時不“補油”。 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng)控制兩臺補油螺桿油泵電動機組(1臺工作l臺備用)、1只補氣電磁閥(其盯電磁鐵有開啟和關(guān)閉2個線圈，可不帶電工作)、1只油壓過低報警指示燈、1只油壓事故低報警指示燈。合計整個系統(tǒng)需要好關(guān)量輸入2點，數(shù)字量輸出6點，模擬量輸入2點。 表41 S7200 PLC中央處理單元參數(shù)S7200 PLCCPU 221CPU 222CPU 224CPU 226集成數(shù)字量輸入/輸出6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出可連接的擴展模塊數(shù)量（最大）不可擴展2個7個7個最大可擴展的數(shù)字量（輸入/輸出范圍）不可擴展78點78點248點最大可擴展的模擬量不可擴展10點10點35點每條二進制語句執(zhí)行時間 表42 S7200 PLC模擬量擴展模塊參數(shù)S7200PLCEM231EM232EM235尺寸(WHD/mm)80624680628062重量/g183148186功耗/W222點數(shù)4路模擬量輸入2路模擬量輸出4路模擬量輸入，2路模擬量輸出 表43 S7200 PLC 輸入輸出點分配模塊號輸入端子號輸出端子號地址