三峡左岸电站机组检修排水控制系统的设计

陈江天， 段智辉

(西安航天自动化股份有限公司，陕西 西安　710065)



三峡左岸电站机组检修排水控制系统的设计

陈江天， 段智辉

(西安航天自动化股份有限公司，陕西 西安710065)

三峡左岸电站机组检修排水控制系统选用西门子PLC为核心控制单元，遵循“运行次数最少优先启动，停泵时先启先停”的控制逻辑，控制6台大功率深井泵的轮换选择和可靠运行，从而满足左岸机组检修排水的要求。

深井泵；检修排水；PLC控制系统；西门子；三峡左岸电站

0　引　言

核心控制设备设可编程序控制器(PLC)、操作控制器件、开关电源装置及液晶触摸显示屏等，用于6台泵的联合控制和集水井的水位显示。可编程序控制器(PLC)及水位显示装置置于联合控制柜内。每台深井泵主回路均配置断路器、交流接触器、软启动器等，控制回路配置多功能智能继电器、测量保护装置、报警信号元件及其它必须的控制器件。机组检修排水系统所有的运行、故障等信号均引入PLC控制柜，并通过I/O方式将设备运行状态、故障信息上送至本泵房内的电站计算机监控系统远程LCU18柜，便于运行人员的实时监控和远方操作。

1　控制对象

三峡左岸电站机组检修排水系统的控制系统为6台立式深井泵。每台深井泵为260 kW，额定流量900 m3/h。主要将左岸集水井里的水排至尾水平台，实现左岸机组检修时的大量排水要求。

控制原理

三峡左岸电站机组检修排水系统采用分布式控制系统，通过PLC控制柜旁边的LCU18柜中的ABB通讯模块将深井泵相关状态信息上送远方监控系统，实现远程监控系统对6台深井泵的状态监视和控制功能。现地电气控制系统根据不同的水位，及预先设定的逻辑思想实现6台泵的轮换选择和运行。该控制系统的控制框图如图1所示。

图1　检修排水系统控制框图

2　控制功能

三峡左岸电站机组检修排水系统采用西门子PLC作为控制器，利用西门子最新推出的全集成化软件TIA Portal为软件开发平台，选用西门子TP1200系列触摸屏作为人机交互对象，直观、实时、全面的对6台深井泵的状态进行显示和记录。6台泵的状态(包括启停状态、故障信息、备用泵投入、检修排水方式投入、PLC运行、模拟量异常、控制方式、2路DC24 V电源消失等)通过LCU18柜内ABB远程通讯模块上传至远程监控中心，实现数据的通讯和监视。

三峡左岸电站机组检修排水系统共设置了三种控制方式：“现地手动”、“现地自动”和“远方自动”方式。三种方式之间相互闭锁，保证可靠性。

“现地+手动”的工作方式下：可以在对应深井泵的启动柜面板上通过自复式按钮启停深井泵。

“现地+自动”的工作方式下：根据预先要求的工作泵水位下依次启动2台工作泵，备用泵水位下依次启动4台备用泵，高水位下依次启动6台水泵。

“远方+自动”的工作方式下：将6台泵的控制权限交给远方监控系统，监控系统可以下发启停水泵指令以及“检修排水方式投入”指令。

依次启动的控制思想是：在6台深井泵均无故障，外部动力电源、控制电源均正常，实际水位满足启泵条件的前提下，采取“运行次数最少、优先启动”的控制逻辑，PLC控制程序(FC块)中具体对每台泵的运行次数进行统计和比较，次数最少的优先满足选择条件，逻辑回路中的开出继电器得电开出，并利用软启动器将启动回路切换至旁路运行，避免母线电压产生较大的波动。启动后程序中的选择块再次进行次数比较，启动满足次数比较条件的水泵。工作泵水位、备用泵水位和高水位下的启动逻辑和思想均保持一致。实际水位到停泵水位时，为了减少对母线电压造成过大的冲击，采取的控制思想是：启动时优先启动的水泵继续拥有自己的优先停泵权，其余水泵依次按照启动顺序停泵，实现了“先起先停”的控制要求。

同时，实际水位采用2种不同的方法进行采集。一路选用模拟量读取水位，通过量程为0 m～10 m的投入式的水位传感器数据采集、判断和处理。其中模拟量选用2路水位计，一路水位计进入PLC控制柜中的AI模块，AI模块对水位进行处理并参与逻辑判断和控制。同时，将读取出来的工程值以4 mA～20 mA电流信号的性质通过AO模块转至LCU18柜，并上送监控系统。另一路水位计通过硬接线的方式直接上送监控系统，监控系统设有对应的处理模块，利用自身拥有的算法进行转换显示。同时对2路水位计所读取出来的水位值进行比较，偏差较大时进行故障报警，增加左岸机组排水系统的安全性。

具体的设备要求如下：

(1) 控制方式设置：每台排水泵(动力柜)设一个独立的“手动、自动、断开”工作方式切换开关。同时，在联合控制柜上，设有“远方、现地”工作方式切换开关和一个“检修排水模式(投入)”操作切换开关。

(2) 远方工作方式：当各水泵置于自动方式下时，排水泵的启停由PLC依据程序流程自动控制，也可由远方启停水泵。

(3) 现地工作方式：当各水泵置于自动方式下时，排水泵的启停由PLC依据程序流程自动控制，也可通过触摸屏现地启停水泵。

(4) 现地自动方式：排水泵的启停由PLC依据程序流程的要求自动控制，根据启动轮换次数确定主用泵和备用泵的启动优先次序。

(5) 手动工作方式：独立于PLC，每一台泵(柜)设有一组“启、停”手动操作按钮，由操作人员以手动工作方式直接控制水泵的启停；任何情况下，手动方式优先，不受直流24 V失电影响，也可由停泵水位的若浮子开关泵；集水井检修时，可短接停泵浮子联翩排水。

(6) 断开工作方式：闭锁任何控制命令，只有当受控设备处于检修状态或排水泵故障状态下，采用此运行方式。

(7) 检修排水模式：机组检修需大量排水时，该操作模式控制6台水泵投入运行。当集水井水位达到“工作泵启动水位”时，6台水泵分时顺序启动，并有1分钟(可整定)时间间隔，以防止起动瞬间电源母线压降过大；当水位降至“停泵水位”时，各水泵间隔20秒依次停运。

(8) 渗漏排水模式：非机组检修排水期间，当集水井水位达到“工作泵启动水位”时，2台水泵分时顺序启动，相互间有1分钟(可整定)时间间隔；当水位继续升至“备用泵启动水位”时，自动启动2台备用泵，当水位升至“报警水位”时，发声光报警，并启动所有水泵；当水位降至“停泵水位”时，各水泵间隔20秒依次停运。

(9) 润滑水控制：所有深井泵启动前，应先向其轴承供给润滑水，润滑水时间设置为2分钟，润滑水的投入通过电磁阀和示流信号器自动控制。

(10) 软启停泵：所有深井泵的启停过程，均应软启动、软停机和旁路运行。

3　系统设计

3.1硬件设计

根据三峡左岸机组检修排水的招标文件、设计联络会纪要和控制要求，遵循相应的电气设计规范，共设计了一套控制系统，包括PLC控制柜和动力柜。电气设备选型上，主要选择施耐德的产品，包括按钮、指示灯、断路器、接触器、时间继电器。PLC选用西门子S7-300(CPU314)系列产品，HMI选用西门子12寸TP1200 Comfort系列。软起动器选用丹麦丹佛斯MCD500系列原装进口产品。水位传感器选用中美合资的麦克传感器。

2路水位计和浮子开关的双重使用极大的保证了水位信号的采集和水泵的启停控制。考虑到集水井的存储情况和大功率的水泵抽排量，保证水泵不至于在达到停泵水位时电机空转，停泵浮子安装在水位计的下方，从而可以保证在传感器失效的情况下，达到停泵水位时，立刻切断6台水泵的控制回路，开出继电器失电，自保持回路断开，运行中的水泵及时停止，保护电机。

PLC各模块的DC24V供电回路选用台湾明纬公司生产的NES 350-24系列开关电源，在开关电源的输入端设计了6路电源无扰切换保护装置，该装置分别从动力柜中取电，正常情况下6路输入只有一路输出，保证电源的供给。设计了2个开关电源互补切换回路，1个开关电源选择从6路电源切换装置取电，1个开关电源直接从左厂的DC220 V直流源取电，从而能够保证PLC的正常运行。

3.2软件设计

三峡左岸机组检修排水控制系统选用西门子最新开发平台-TIA Portal V12。TIA(Total Integrated Automation ，全集成自动化)是采用统一的工程组态和软件项目环境的自动化软件，并且集成了西门子不同版本的编程软件，利用智能化的组态方式、友好的人机交互界面、高效的智能拖拽、强大的工业数据库和算法库，丰富的人机开发素材，真正实现PLC逻辑编写以及HMI程序开发的同时开发，并方便两者之间数据的仿真调试，提高编程效率[3]。

图2　软件控制流程

HMI作为人机交互的直接工具，可以直接查看每台泵的启动状态(泵的选择情况、正在启动中、泵的运行)、累计流量、润滑水投入、运行时间、运行次数、故障报警和查询、历史事件记录、高水位报警提示、检修排水投入提示以及可以在HMI上对6台泵实现“单启单停”操作等。

另外，对工作泵水位，备用泵水位，高水位、停泵水位以及集水井基础高程值设计了水位读取界面和设置界面，对设置界面增加密码保护和用户等级分配，不同等级的用户拥有不同密码，对应的操作也有严格的区分。此种设计方法可以方便日后业主对水位控制要求需改变时，不用连接PLC进行程序修改，直接可以在HMI上可以向PLC中对应的水位设置寄存器中写入数值，简捷，可靠并且快速。

综上所述，整个控制系统的软件控制流程如图2所示。

3.3保护设计

对任何控制系统来说，故障保护都是至关重要的。三峡左岸机组检修排水控制系统综合考虑了6台泵的故障，对每一台水泵按照启动前，启动时，启动中，启动后，直至停泵水位时的停止时，停止中，停止的顺序合理全面的编写了故障保护程序，从而保证系统的可靠性，安全性。主要故障内容、判定方法如表1所示。

4　结束语

三峡左岸机组检修排水系统充分响应招标文件中的招标要求，遵循“性能可靠、安全高效、简单经济、维护方便、方便备件”的电气设计原则[4]，完全满足水电站“无人值班，少人值守”的现代化大型控制系统的要求[5-6]。从设计阶段、现场调试、后期培训、试运行、运行等阶段，均严格按照业主要求，彼此及时协商沟通，保证问题能够快速解决，从而能够在短时间里完成系统的投入和使用。从2014年5月至今，系统运行良好，从而保证了三峡左岸机组检修排水系统的正常运行。

表1　三峡左岸机组检修排水故障统计表

[1] 苏大,彭兵.三峡电站左岸厂房机组检修排水设备电气系统安装[J].水电站机电技术,2003,29(2),26,30.

[2] 李春立,吴洪飞.诊断分析技术在三峡左岸电站排水系统中的应用[J].水电厂自动化,2010,31(2)61-66.

[3] 卢进胜.基于西门子TIA架构的电弧炉能效控制系统[J].产业节能行业应用,2013,14(4)82-93.

[4] 王昌吉.浅谈电气控制系统自动化设计[J].科技与企业，2013，22(20),151.

[5] 齐向辉,张文剑.亭子口水利枢纽底孔弧形工作门控制系统设计[J].电气自动化，2015,37(2),87-89.

[6] 陈延奎.浅谈PLC控制系统的设计方法[J].中国科技信息，2009，21(20),116-118.

Design of the Draining and Controlling System for Sets Repair at the Three Gorges Left Bank Power Station

CHEN Jiang-tian, DUAN Zhi-hui

(Xi’an Aerospace Automation Co., Ltd., Xi’an Shaanxi 710065, China)

The draining and controlling system for sets repair at the Three Gorges Left Bank Power Station uses Siemens PLC as the core control unit, and follows the control logic of “preferential start of the set with the least number of runs, first start first stop for termination of pumping” to control the rotational selection and reliable operation of six high-power deep well pumps, thus satisfying the requirements for overhaul drainage of the sets installed on the left bank.

deep well pump;drainage for overhaul;PLC control system;Siemens;Three Gorges Left Bank Power Station

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.027

TP272/278

A

1000-3886(2016)01-0084-03

陈江天(1975-)，男，山西人，高级工程师，专业：控制工程。段智辉(1986-)，男，陕西人，工程师，专业：控制工程。

定稿日期: 2015-07-08