800kV奉贤换流站阀水冷系统PLC改造方案的评估

余祖奎，盛戈皞

（上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240）

0 引言

1954年世界上第一个工业性直流输电工程（果特兰岛直流工程）在瑞典投入运行［1］，到21世纪中国直流输电技术的广泛发展和应用，直流输电由于其自身的优势扮演着越来越重要的角色。电压等级越来越高，输电容量越来越大。特高压复龙—奉贤（向家坝—上海）输电容量达到640 MW，±800kV，其安全稳定运行对电网的影响无疑是巨大的［2］。

超高压和特高压直流换流站中，水冷系统都是必不可少的重要组成部分，水冷系统分为内冷水和外冷水。内冷水在封闭的管道中循环运行，带走换流阀换流中产生的巨大热量；外冷水对内冷水管道进行喷淋降温，以保证内冷水的温升在需求的范围内，从而保证换流阀能够安全运行［3］。

外冷水源于市政自来水，含有矿物质、微生物和各种微粒。如果直接进入循环管道，长期运行会对管道和冷却塔产生腐蚀、结垢或堵塞细小管道，降低冷却效果，对设备的安全运行构成威胁，严重时还会导致阀冷却系统瘫痪，致使直流系统降功率或停运，威胁电网安全。

为此，需要对外冷水进行软化处理，而可编程逻辑控制器（PLC）是系统的“中枢神经”。随着设备的长期运行，从2012年以来，PLC死机现象时有发生，对外冷水循环系统和空调系统（也归PLC控制）的安全运行构成了严重威胁。进口PLC产品价格昂贵，订货周期长，综合各种因素，对换流站内PLC的国产化改造提上议事日程。

1 水冷控制系统的工作概况

外冷水的进水由工业水池通过工业泵进入处理单元，经软化单元的预处理和反渗透单元的再处理后，注入外冷水平衡水池，经过喷淋泵和喷淋管道进入冷却塔，在喷淋塔内冷却内冷水管道。外冷水部分循环使用，部分排出，所有这些处理过程都在自动控制模式下进行，而这些功能的实现都是基于PLC控制。图1为外冷水系统简图。

图1 外冷水系统简图

1.1 软化单元

软化单元运行时，将补水泵打入的生水中含有钙、镁等离子，通过离子交换器置换成钠离子，防止反渗透膜表面形成污垢，使得反渗透能力下降。软化单元工作流程示意图，如图2所示。

在离子交换器的出口电磁阀K42与K41、K52与K51之间装有2个流量传感器BF41、BF51，它们将流量转换成4～20mA的电信号传给PLC，用来监视通过离子交换器的水流量。当通过一定体积的生水后，离子交换器内的离子浓度降低，在PLC的控制下，该离子交换器进入再生模式，而备用交换器投入使用。

图2 软化单元工作流程

再生运行主要是清洗掉离子交换器内质量较小的悬浮颗粒。例如：主入水经过阀门V41、K41进入离子交换器Z41，流出Z41后，再经过电磁阀K42、V51进入反渗透单元。当Z41需要再生时，PLC控制K41、K42立即关闭，自动切换至Z51运行。同时，K43、K44打开，主入水通过K43进入Z41底部，然后经罐体从K44流出。

反冲洗结束后，K41、K42、K43、K44全部关闭，K45、K46打开，盐水池侧的K62也相应打开，主入水经过K62至喷射泵P61，增压将盐水井中盐水虹吸至Z41内，盐水中的钠离子置换掉其中的钙、镁离子，废水经K46排除。

补盐过程中，离子交换器中会留下一些杂质颗粒，所以在正式投运备用前，还要进行冲洗，这时，只有K41、K46打开，主入水经K41从容器的顶部注入，经K46从容器底部流出。冲洗干净后，上述阀门中只留下K41打开，离子交换器Z41进入备用状态。

在离子交换器的再生过程中，所有阀门的状态都是受PLC实时监控的，相应阀门的启停都是由预先设定在PLC中的时间整定决定的。

1.2 反渗透单元

反渗透单元的作用是在软化单元除去原水中所含的钙质离子后，进一步除去所含的杂质颗粒以及矿物质分子。为了防止颗粒状物质进入反渗透膜时堵塞膜管，反渗透单元的水处理需要一定的压力。所以，在过滤器与反渗透管之前安装了循泵P1和循泵P2，用于提供反渗透膜工作时所需的压力。

在反渗透单元中，循泵P1和循泵P2的频率，以及主渗透流量出口的模拟流量计BF1的测量值，电导率BQ1测量值，主循环回路的温度BT1以及泵前BP3和泵后BP4压力表的测量值，经传感器转换成4～20mA电流信号，输入PLC的AD转换模块A1S68AD，而对应阀的工作状态都是受PLC监视和控制的。

正常情况下，循泵P1运行，循泵P2备用，当循泵P1发生故障时，PLC自动将备用泵P2切入运行。每个泵都装有1个变频器，PLC根据模拟流量计BF1的测量值，通过变频器来改变泵的频率。为了防止微小颗粒进入反渗透单元，并排安装了3个袋式过滤器，正常情况下，2个运行1个备用。它们是孔径为5μm的网状聚丙烯化合物。当BP3上显示的压力低于0.1MPa时，PLC将发出告警信号。反渗透单元被安装在5个特制的反渗透管里面，分为两级渗透层，其中3个为第一级，2个为第二级，每级有1个冗余单元。一般情况下，5个反渗透管都处在运行状态。通过反渗透管内膜后的水为渗透水，一部分水经处理后进入缓冲水池，另一小部分水被排出。

1.3 平衡水池

平衡水池用于盛装处理后的冷却水，其水位BL3通过传感器传至PLC的AD输入模块，当水位低时，PLC便启动补水程序；当水位超低时，PLC便停止喷淋泵，以防喷淋泵空转，导致外冷水系统不可用，进而影响直流系统运行。

2 PLC控制系统运行状况

2.1 现有PLC模块的结构

考虑到水冷系统中处理的对象主要是开关量信号，根据工艺要求采用PLC对整个系统实施控制，采用组态软件对系统进行显示和监控。奉贤站现用的PLC模块主要为三菱A1S系列，包括：1个24V直流电源模块（A1S63P）；5个数字输入模块（A1SX80），2个带A／D转换的模拟输入模块（A1S68AD）；1个中央处理单元（A1SHCPU）。采用电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）；4个继电器输出型数字输出模块（A1SY14EU）。

2.2 A1S型PLC控制过程

A1S63P将直流24V电源转换成供整个PLC控制系统工作所需的直流电源，是能源供给中心。现场测得流量、温度、压力等信号通过传感器转换成电信号，经A1SX80、A1S68AD等模块，将非标准的模拟信号转换成TTL标准信号，然后读入PLC的控制中枢A1SHCPU中。A1SHCPU根据事先设定的工作逻辑，对用户程序进行运算和操作，把运算结果通过A1SY14EU下发给各个执行机构（如继电器）。A1SHCPU按照PLC系统程序赋予的功能，接收和存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I／O以及警戒定时器的状态，随机诊断用户程序中的语法错误。

PLC投入运行时，首先以扫描的方式接收现场各输入装置的状态、数据，分别存入I／O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I／O映象区或数据寄存器内。在所有的用户程序执行完毕之后，最后将I／O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到被停止运行。

3 PLC的国产化改造

3.1 改造时需要考虑的问题

改造时需要考虑9个问题［4］：①PLC的功能与控制，要满足不同的类型和速度；②PLC的结构要合理，便于购买备品、维修和管理；③要根据负载的要求，选择与之匹配的输入输出模块；④输入输出的点数；⑤存储器的容量；⑥响应速度；⑦通信功能；⑧扩展单元；⑨编程器及编程方式。

3.2 计算PLC性能参数

参照ABB公司提供的水冷系统的PLC控制图，按输入模块5块，每块模块需要16点，算得PLC的I／O总点数N1为128；按输入模块2块，每块模块需要16点，算得PLC的模拟量输入点数N2为32；理论计算CPU所需的内存容量为6.08KB，再增加25%的冗余容量，至少需要7.5KB，实际选用时要大于7.5KB。PLC实际所需总I／O点数为N1＋N2，考虑到输入的同时接通点数不得超过输入总点数的60%，因此选择的总点数N大于180即可。

3.3 选择PLC控制模式3.3.1 集中控制

集中控制模式是由1台PLC控制多台被控设备，每个被控系统与PLC之间有指定的I／O点连接。因而，被控对象之间的数据、状态交换不需要另设专门的通信线路。集中控制模式大多用于控制对象地理位置比较接近而且相互之间的动作有一定联系的场合。集中控制模式的特点是经济适用，缺点是当某一控制对象的控制程序需要修改或PLC出现故障时，必须停止整个系统的工作，而且所需PLC单个的I／O点数和存储器容量较大。系统示意图如图3所示。

图3 集中控制模式

为了防止水冷控制系统可能发生死机现象，对集中控制模式稍加调整，进行冗余配置，构成双机控制系统，当1台CPU出现故障时，自动切换到另一控制系统。根据奉贤站的实际情况，在集中控制模式下，可以选择小型PLC模式和中型PLC模式两种方案。由于外冷水控制柜柜内体积较小，现场空间布置都采用叠装式接线。

叠装式结构的PLC控制系统，把工作单元的外形尺寸都做成一致的，像CPU、I／O接口及电源部分，部件之间的连线不使用模块式PLC中的总线板而是采用电缆连接。这种连接方式不仅可以扩展PLC的控制能力，同时在生产、安装和使用上更为灵活方便。

3.3.2 小型PLC控制

目前，国内厂商生产的PLC以中小型为主，集成了CPU、输入输出接口及电源等多种功能，如国产KDN－K系列产品。当本体I／O数量满足要求时，系统控制任务可交由单个CPU本体完成；当本体I／O数量不能满足要求时，便通过扩充I／O扩展模块，扩展到相应的I／O点数，其结构如图4所示。

图4 小型PLC控制模式

小型PLC模式的CPU可选用国产KDNK308－40AR型：AC220V 供电，自带40点I／O，开关量输入点数为24点，输出点数为16点，最大可扩展为280点，记忆体为16KB，测算速度0.5μs。开关量输入扩展模块可选用KDN－K321－16DX型，输入点数为16点，输入电压为24V，输入电流4.1 mA，响应时间为5ms，耗电量为84mA；模拟量输入模块可选用KDN－K331－04Ⅳ型，输入点数为8点，输入通道数为4通道，耗电量为44.2mA；继电器输出模块可选用KDN－K322－16XR型，输出点数为16点，AC250／DC30，负载电流为3A，耗电量为100 mA。

根据理论计算出的PLC所需总I／O数大于180的要求，可以计算出所需配置的KDN—K系列各模块数量。该方案在设计要求上基本满足了ABB公司起初的设计要求，在总体性能上可以完成外冷水控制系统的控制任务。在编程语言方面，可采用符合IEC 61131－3标准的编程语言，支持IL（指令表）和LD（梯形）语言，奉贤站目前PLC采用的是梯形图编程语言，这在控制系统的编程设计上，可以方便地保持了原有程序的连贯性和通用性。

3.3.3 中型PLC控制

中型PLC控制模式与小型模式类似，只是CPU本体自身不带I／O点，与输入输出等扩展模块相互独立，构成相应的模块，分别安装在CPU基板或I／O扩展基板上。中型PLC控制模式的CPU运算能力更加强大，可扩展的I／O点数也更多，其结构如图5所示。

图5 中型PLC控制模式

由于小型PLC模式的CPU扩展方式存在不足，例如：CPU本体体积较大，不便于柜内安装；CPU运算能力和扩展能力有限，妨碍了控制系统的升级和性能延伸。问题是目前奉贤站实际使用的PLC的CPU，并非是ABB起初设计的A1SHCPU型，而是A2SHCPU型。A2SHCPU可带的I／O点数为512点，内存为14KB，高于设计要求。也就是说，目前采用小型PLC的控制模式，在技术上还无法达到ABB初始设计的要求，从这个角度来说，中型PLC的控制模式采用国产PPC11系列是可行的，具有明显的优势。

采用国产PPC11系列控制模式，电源可选用PWS10型，直接将交流电压转换为各个模块工作所需的＋5V直流电压；CPU可选用CPU11型，可控I／O点数为512点，最多可扩展到1 024点，测算速度为0.2μs，满足了目前及将来控制升级的要求，梯形图程序容量为48KB，功能强于现在使用的CPU，可以实现更多的控制功能；开关量模块可选用IDD50型，具有32个输入点数，输入电压为12V，输入电流为3mA；输入电压为24V，输入电流为7mA；响应时间为2ms，耗电量为180mA。模拟量输入模块可选用IAD30型，具有16个输入点数，输入电压为－10V至＋10V，输入电流为－20mA至＋20mA，具有8个12位差动输入通道，响应时间为450ms，耗电量为400mA。继电器输出模块可选用ODA40型，具有16个输入点数，输入电压为交流240V或者直流24V，响应时间为10ms，允许负载电流为2A，耗电量为100mA。

同样，根据理论计算出的PLC所需总I／O点数大于180的要求，可以计算出所需配置的该系列各模块数量。

采用此种方案可以完全实现目前奉贤站水冷控制的要求，而且在整体性能上要比奉贤站内现在使用的三菱系列更为出色。在编程语言方面，可利 用 Windows操 作 界 面 下 的 Hi－View（Programming Package）程序规划软件编辑梯形图程序，并将此程序加载到PPC11系列可编程控制器的内存中，对程序的编辑、修改、测试变得更为简洁方便，满足了将来外冷水系统升级改造的需求。

3.3.4 分布式控制模式

分布式控制模式适用于被控对象较多，分布在一个较大的区域内而且相距较远同时被控系统之间要经常进行数据和信息交换，控制系统由若干个相互具有通信联网功能的PLC构成，上位机可以是PLC或者是计算机。

在分布式控制系统中，每一个PLC可以控制一个对象，各PLC之间可以通过信号传递模式进行内部联锁、响应和发令等，由上位机通过数据总线进行通信。这样，当1台PLC停止运转时不会影响其他PLC对其被控对象的控制，从系统的维护、增设被控对象方面来看，灵活性更高，但也相应地增加了成本。

以上两种模式都能满足奉贤站目前水冷设备的控制需求，目前奉贤站采用的是集中控制模式，由于外冷水设备分布相对集中，设备之间的信息交换相对较少，使用集中控制模式即可满足所有需求，同时也更加经济。第二种模式相对更加可靠，且便于升级扩展，人性化程度更高，可操作性强，也可以考虑作为将来的一种发展模式，本文不作详细讨论。

4 结语

随着国产PLC技术的日趋成熟，且处理能力日益强大，其性能已经可以达到进口PLC控制水平，且国内PLC厂商售后服务、备品备件容易解决，产品价格便宜。因而，PLC国产化已经可以实现。但是，与此相比，我们更应该加强生产运行中PLC控制系统的维护和生产环境建设。例如，注重改善设备潮湿的运行环境，避免电机等设备的强大噪声、震动及电磁干扰；经常检查连接线是否有损坏老化的现象；加强PLC内部除尘工作，提高运行人员的责任意识等，更加稳妥合理的做好设备的运行维护工作，延长设备的运行周期，这才是确保设备安全稳定经济运行的关键所在。针对同样的问题，空调系统PLC系统改造也将成为可能。

［1］Roberto Rudervall.High Voltage Direct Current（HVDC）Transmission Sytems Technology Review Paper，Energy Week.Washington，D.C，March，7－8，2000.

［2］刘振亚.特高压电网［M］.北京：中国经济出版社.2005.

［3］赵畹君.高压直流输电技术［M］.北京：中国电力出版社.2005.

［4］郁汉琪，郭健.可编程序控制器原理及应用［M］.北京：中国电力出版社.2004.