电机轮换策略在水电厂辅助控制系统中的应用

易 珊

（四川华电杂谷脑水电开发有限责任公司，四川 成都 610041）

0 引言

水电厂的辅助系统主要包括机组辅助系统（如调速器油压装置系统、主变冷却器系统、顶盖排水系统等）、公用辅助系统（如机组检修、厂房渗漏排水系统）、厂外辅助系统（如电梯基坑、大坝渗漏排水系统、消力池渗漏排水系统、水厂系统、污水处理系统）等。主要由自动化测控元件（液位开关、液位变送器、压力开关、压力变送器、流量开关、流量变送器等）、软启动器或接触器、电机、其他执行元件（如电磁阀等）组成的以PLC 为核心的控制系统。

为保证系统运行可靠，在诸多实际应用案例中，单一辅助控制系统经常需要同一功能的多台电机工作，以满足既定（如排水、打压等）功能需求。为了让每台电机安全、有序地完成启停任务，避免电机工作次数、时间不均衡，影响电机的使用效率和寿命，一般采用多台电机轮换启动、互为备用的策略。电机的正常、合理轮换是系统安全可靠运行的基础，电机轮换策略包括按运行次数轮换、按次轮换、按累计运行时间轮换和故障轮换。对于连续运行时间较短的系统，多采用按次轮换的方式；对于连续运行时间较长的系统，可采用按次轮换或按累计运行时间轮换的方式。

多数辅助控制系统的主要控制对象为电机（如空压机、排水电机等），因此，多电机轮换策略的研究对于实际检修维护工作具有重要意义。

1 双电机轮换策略

1.1 CTU 计数器循环计数法

该轮换策略主要通过利用加计数器（CTU）和电机的运行信号，得到判断主用电机的标志位，以实现电机按次轮换，具体实现方法如图1 所示。

图1 CTU 计数器循环计数法

加计数器CTU 主要用于递增计数，当R 输入为1 时，表示信号复归，会将值0 赋值至CV 输出；另外，控制模块检测CU 输入值，每次从0 到1 的跳变，都会促成CV 值加1，当CV≥PV 时，Q 输出值设置为1；当PV 设置为2，CU 输入信号量电机1和电机2 运行信号取反时，Q 输出赋值给R。加计数器的输出值有0、1、2。当CV 输出为2 时，Q 输出为1，CV 立即置0。因此CV 的稳态输出为0、1。当PLC 首次运行时，CV 输出%MW101 为0，EQ_INT 的输出%M101 输出为0，标志1 号电机为主用电机。当1 号电机运行结束时，CU 收到1 个上升沿，CV 输出%MW101 置1，标志2 号电机主用。当2 号电机运行结束时，CU 再次收到1 个上升沿，CV 输出%MW101 置2，Q 输出%M100 置1，CV 输出%MW101 置0，标志1 号电机主用。如此循环往复，完成双电机轮换。

CTU 计数器实现的电机轮换策略特点是PLC断电重启之后主态电机标志位的值保持为上次断电的值。

1.2 点位式轮换法

该轮换策略主要通过使用bool 类型变量的值0和1 分别指示主用电机和备用电机，以实现电机按次轮换，具体实现方法如图2 所示。

图2 双电机点位式轮换策略

变量%M200 的状态0 和1 用于指示主用电机和备用电机，其通过置位线圈和复位线圈完成对其状态的轮换。PLC 首次上电时，%M200 的值为0，1 号电机主用。当1 号电机运行结束后出现的下降沿使负转换感应线圈置1，或者1 号电机故障时，%M200 通过置位线圈置1，标志主用电机轮换成2 号电机。当2 号电机运行结束后出现的下降沿使负转换感应线圈置1，或者2 号电机故障时，%M200 通过复位线圈置0，标志主用电机轮换成1 号电机。如此循环往复，完成双电机运行轮换。点位式电机轮换策略有如下3 个特点：

(1)在PLC 失电重启后，指示位变量状态能保持为失电前状态；

(2)仅用1 个bool 型指示变量就能完成双电机轮换；

(3)在主用指示变量轮换置位和复位时使用运行信号进行自锁，增强了程序的强健性。

2 多电机轮换策略

2.1 多电机轮换的一般性策略

多电机使用场景的一般性控制要求如下（此处以3 台电机运行为例）：PLC 程序根据在外部采集的模拟量信号或者开关量信号控制一定数量的电机启停，当需要1 台电机启动时，启动优先级最高的电机；当需要再启动1 台电机时，启动在备用状态中优先级最高的电机；当需要再启动1 台电机时，3 台电机均启动。而在备用电机中对电机优先级的排序，是电机合理、有序、安全、可靠运行的前提。

2.2 多电机轮换策略举例

（1）CTU 加法器循环计数法

该策略主要通过使用两个CTU 加计数器循环计数，分别对应单电机运行循环计数和双电机运行循环计数。对于单电机运行时，PV 设置为3，CU 输入信号1 号电机运行、2 号电机运行、3 号电机运行信号串联，Q 输出赋值给R。加计数器的输出值有0、1、2、3。当CV 输出为3 时，Q 输出为1，CV 立即置0。因此CV 的稳态输出为0、1、2，可分别指示单电机运行情况下主用电机分别为1 号电机、2 号电机、3 号电机。当单台电机运行结束时，主用电机自动切换至下一电机。实现方法如图3 所示。

图3 CTU 加法器单泵循环计数法

对于双电机运行时，PV 设置为3，Q 输出赋值给R。加计数器的输出值有0、1、2、3。当CV 输出为3 时，Q 输出为1，CV 立即置0。因此CV 的稳态输出为0、1、2，可分别用来指示双电机运行情况下主用电机分别为1 号、2 号电机，2 号、3 号电机和3号、1 号电机。实现方法如图4 所示。

图4 CTU 加法器双泵循环计数法

该策略在PLC 掉电后标志位状态不会改变，在实际使用过程中应该考虑到电机非正常状态时退出轮换序列。

（2）INT 类型数据循环移位法

该策略在实际工程中应用最为广泛，主要使用向左循环移位指令（ROL）或向右循环移位指令（ROR）对整型数据进行移“1”操作，根据“1”在整型数据的不同位置，使标志位移动，用以分别标志不同的主用电机。在主用电机运行结束之后或者故障时，进行移“1”操作，从而完成主用电机的轮换。下面以向左循环移位指令为例。

当系统初始化时，将标志主态位的INT 数据赋值为1，代表1 号电机为主态位，此时16 位二进制数值为，实现方法如图5 所示。

图5 系统初始化时标志位逻辑图

当1 号电机故障或运行后，将标志主态位的INT数据里面的二进制进行移位操作，使用ROL 向左移1 位指令，将INT 数据赋值为2，代表2 号电机为主态位，移位后的二进制数值为，实现方法如图6 所示。

图6 向左移1 位逻辑图

当2 号电机故障或运行后，将标志主态位的INT 数据里面的二进制进行移位操作，使用ROL 向左移1 位指令，将INT 数据赋值为4，代表3 号电机为主态位，移位后的二进制数值为。

当3 号电机故障或者运行后，将标志位主态位的INT 数据里面的二进制进行移位操作，使用ROL向左移1 位指令，将INT 数据赋值为8。多台电机轮换时，依次类推进行移位，从而确定电机主态位。

如果只有3 台电机，则增加判断条件当INT 数值大于4 时，将INT 重新赋值为1，即1 号电机为主态位，实现方法如图7 所示。

图7 主态位重新置1 逻辑图

当需要1 台电机启动时，判断主态位在几号电机，则启动对应的电机。

当需要两台电机启动时，先判断主态位在几号电机，再同时加1 台电机序号，两台同时启动。如果主态位在1 号电机，则启动1 号、2 号电机；如果主态位在2 号电机，则启动2 号、3 号电机；如果主态位在3 号电机，则启动3 号、1 号电机。

当需要3 台电机启动时，不再判断主态位，直接启动3 台电机。主态位移位3 次，又回到3 台电机启动前的主态位，实际主态位并未发生改变。

该策略具有以下特点：

（1）可扩展性强，理论上最多可以实现对16 台电机的轮换控制；

（2）轮换逻辑简单，3 台电机的轮换策略和16 台电机的轮换逻辑一致，对于多台电机同时运行轮换的情况编程较为简单、清晰；

（3）PLC 失电重启后标志位状态不会改变，重启后依然可以延续重启前的电机轮换次序。

3 运行次数和运行时间轮换策略

该轮换策略首先需要统计电机运行次数和运行时间，当运行次数或运行时间达到轮换设定值时进行轮换，既可以防止电机长时间空置，又可以方便地分析电机运行效率，为检修维护提供时间参考。

3.1 累计运行次数统计

累计运行次数采用累加法，电机每运行1 次，运行次数加1，实现方法如图8 所示,Number_Of_Times 代表电机运行次数。

图8 累计运行次数统计逻辑图

3.2 累计运行时间统计

累计运行时间采用累加求和进位策略。当电机运行时，每运行1 s 进行1 次加1 计数，实现方法如

图9 累计运行时间逻辑图

在实际应用中，比如年度检修后，需要将电机运行次数和运行时间重新计数时，可以通过Reset 按键延时将运行次数和运行时间清零，实现方法如图10 所示。程序中，按下Reset 持续10 s 后，则可以将运行次数和运行时间清零。

图10 运行次数和运行时间清零逻辑图

该策略具有以下特点：

（1）统计方法简单清晰，可将电机运行时间精确到秒；

（2）当某台电机运行次数或运行时间达到设定值后，将标志输出并接至故障信号，则可通过故障轮换逻辑实现自动轮换；

（3）PLC 失电重启后电机运行统计数据不会丢失，当统计值超过设定值后会出现计数超限情况，为避免此问题，可在年度检修工作后将其清零便于分析统计。

4 结语

合理、有序、安全、可靠地设计PLC 控制程序，可以防止系统在运行过程中频繁、长时间使用主用电机、长时间空置备用电机的情况。多电机轮换的控制策略要体现公平性，在正常运行情况下同一功能的多台电机应该有相同的机会参与运行，在电机故障后可以灵活地调整轮换策略。文中提出的几种多电机轮换策略，可供辅助控制系统设计人员及电气维护人员在处理此类应用问题时参考。