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西门子PLC在水电厂自动化系统LCU中的应用

[ 摘    要 ]水电厂(泵站)计算机辅机控制系统是水电站(泵站)计算机自动化系统的一部分,它的控制对象为水电厂(泵站)的公用设备(油、气、水)。这些设备所处的环境都比较恶劣:空气的湿度较大,灰尘比较多,这就对控制系统的可靠性提出了更高的要求。传统的辅机控制系统采用继电器、接触器回路,这种回路有许多缺点,如:接线复杂,改造困难,维护工作量大,继电器、接触器接点容易烧坏,寿命低,继电器灵敏度低,可靠性差,不能满足远动和通信的要求。本计算机辅机控制系统采用可靠性非常高的可编程控制器(PLC)为核心组件,配以一系列专用模块,并可以固态控制器、软起动器或变频器取代接触器控制电机,很好地克服了这些缺点。
[ 关 键 词 ] LCU(Local Control Unit)现地控制单元  PLC可编程控制器 软起动器油系统   气系统   排水系统   供水系统  公用LCU

 一、项目简介
山东泰开自动化有限公司位于五岳之首的泰山脚下------泰安市南部高新开发区,公司前身是山东鲁能泰山自动化研究所,成立于1995年6月,专业从事电力系统自动化的开发及其配套设备的研制生产,是一家顺应国家电力发展,特别是城乡电网改造的需要而崛起的高新技术企业。依托泰开集团,公司拥有雄厚的经济技术实力,现有员工150多人,占地150亩,拥有2000平方米的科研楼和5000平方米的生产场地。
公司拥有卓越的管理队伍和优秀的研发人才,其中本科以上专业技术人员占70%以上,博士、硕士十余人,是一支充满朝气和富有协作精神的团队。公司与山东大学、北京航空航天大学、清华大学、西安交通大学、华北电力大学等高校长期开展技术合作和人才交流。聘请国内著名电力保护专家参与重大项目研发。技术和人才的优势为开发优质的产品提供了有力的保障。公司十多年专注于电力电网自动化保护产品的研发,先后开发出了FBZ3000厂站自动化系统、FBZ2300配电自动化系统、GZG49系列智能高频直流电源系统、EPS应急电源系统、GIS智能在线监测系统等五大系列几十个品种的产品,形成了门类齐全的产品系列。公司拥有多种国际领先的检测系统和设备,如美国DOBLE公司的电力系统数字仿真仪、奥地利OMICRON电子仪器有限公司的OMICRON测试系统,和满足电力系统综合保护产品各项技术参数和模拟试验的高精度测试仪器,具备了良好的试验检测环境。2000年公司顺利通过了国际ISO9001质量保证体系认证,2001年获得山东省双软企业认定,所有产品均通过了国家电力公司权威检验机构严格测试,取得了电力部门、国家经贸委入网许可。目前,公司产品广泛应用于城乡电网工程及冶金、石油、煤矿、化工等厂矿企业,用户遍布国内二十多个省区八十多个地市。                                                                                      
电力系统是一个包括发电、输电、变电、配电、用电在内的完整体系,电力生产的特点是电能难以储存,发输变配用电要随时保持平衡,而用电是随时变化的,发电出力也必须随时变化,否则电网的频率将保持不住额定值,从而对用电造成危害。水电是电力系统稳定运行的重要调节手段,具有调峰、调频、平衡发电等重要功能。目前,在电力系统愈来愈大,电压等级愈来愈高的情况下,要保持电力系统正常供电,就必须依靠大量自动装置,快速隔离故障,调整运行方式。水电自动化是如今电力系统安全可靠运行的基础设施和装备,同时也是电力系统经济运行的手段。水轮机组及水电厂自动化更应反应灵敏安全可靠。水电自动化的市场极其广大,作为水电站或抽水泵站计算机监控系统的现地控制单元,市场前景巨大。
作为计算机监控系统的现地控制单元,直接与现场设备接口,采集生产过程的各种信号并对现场设备进行自动控制,可与多种专用功能装置配套使用。选用高档PLC或DCS产品,可靠性高,抗干扰能力强,功能强大,配置灵活,易于学习,便于维护。作为水电站或抽水泵站计算机监控系统的现地控制单元,对水轮发电机组、水泵、开关站、公用设备、闸门等进行自动控制,实现“无人值班”(少人值守)的目标。
计算机辅机控制系统,相对于水电厂泵站的总的监控系统是独立的。它可以单独引入水电厂泵站,同时计算机辅机控制系统内部的油控制系统、气控制系统、水控制系统之间也是相互独立的,因此水电厂泵站可以全部引入计算机辅机控制系统,也可以单独引入辅机控制系统中的油控制系统、气控制系统或水控制系统。在每个单独的子系统都留有接口,水电厂泵站可以根据自己的实际情况,先只引入单独的控制系统,待条件成熟再引入其它控制系统。如果水电厂泵站目前已经有了一些单独的控制系统,我们可以根据具体的实际情况对计算机辅机控制系统作出一些修改,使之与水电厂泵站原有的控制系统组成一个完整的监控系统。
  二、控制系统构成
水电厂计算机辅机控制系统:水电厂(泵站)油系统控制系统、气系统控制系统、水电厂(泵站)排水系统控制系统和供水系统控制系统。


系统配置表:

系统名称

元件名称

数量

备注

油系统

CPU226

1只

数据处理(西门子)

EM231

1只

模拟采集(西门子)

EM223

1只

信号采集(西门子)

EM277

1只

PROFIBUS通讯(西门子)

传感器

1套

模拟量变送

触摸屏

1只

人机对话

软启动器

2只

电机软启动(西门子)

气系统

CPU226

1只

数据处理(西门子)

EM231

1只

模拟采集(西门子)

EM223

1只

信号采集(西门子)

EM277

1只

PROFIBUS通讯(西门子)

传感器

1套

模拟量变送

触摸屏

1只

人机对话

软启动器

2只

电机软启动(西门子)

排水系统

CPU226

1只

数据处理(西门子)

EM231

1只

模拟采集(西门子)

EM223

1只

信号采集(西门子)

EM277

1只

PROFIBUS通讯(西门子)

传感器

1套

模拟量变送

触摸屏

1只

人机对话

软启动器

2只

电机软启动(西门子)

供水系统

CPU226

1只

数据处理(西门子)

EM231

1只

模拟采集(西门子)

EM223

1只

信号采集(西门子)

EM277

1只

PROFIBUS通讯(西门子)

传感器

1套

模拟量变送

触摸屏

1只

人机对话

软启动器

2只

电机软启动(西门子)

公用LCU

CPU 313C-2DP

1只

数据处理(西门子)

PS307 10A

1只

电源(西门子)

CP343-1

1只

工业以太网通讯(西门子)

附件

1套

西门子

触摸屏

1只

人机对话

水电厂(泵站)计算机辅机控制系统是水电站(泵站)计算机自动化系统的一部分,它的控制对象为水电厂(泵站)的公用设备(油、气、水)。这些设备所处的环境都比较恶劣:空气的湿度较大,灰尘比较多,这就对控制系统的可靠性提出了更高的要求。传统的辅机控制系统采用继电器、接触器回路,这种回路有许多缺点,如:接线复杂,改造困难,维护工作量大,继电器、接触器接点容易烧坏,寿命低,继电器灵敏度低,可靠性差,不能满足远动和通信的要求。本计算机辅机控制系统采用可靠性非常高的可编程控制器(PLC)为核心组件,配以一系列专用模块,并可以固态控制器、软起动器或变频器取代接触器控制电机,很好地克服了这些缺点。
  系统采用固态控制器和软启动器具备以下特点:
ü         以无触点方式控制电流通断
ü         对负载的工作状态提供完善的检测保护
ü         控制电动机平滑启动,减少启动电流,避免冲击电网,减小配电容量。
ü         起始电压可调,保证电机启动最小启动转距,避免电机过热。
ü         起始电流可根据负载情况调整,以最小的电流产生最佳的转距。
ü         启动时间可调,在该时间范围内,电动机转速不断上升,避免转速冲击。
ü         系统的接线更为简单。
软启动器带有完整的电动机保护装置,并有多种启动方式可供选择,是目前较为理想的智能元件。
由于系统采用了西门子PLC程控器控制,技术成熟,抗干扰能力很强,适用于工业环境运行,从而使产品的可靠信有了明显的提高。设备投入运行后,维护、维修的工作量甚微。同时系统技术先进,采用PLC可编程控制器,使产品的控制达到了数字化的要求,能够与后台机通讯,达到远方控制功能。而且本系统极易扩展,可满足各类客户所求。



三、系统功能
本LCU共分为五个系统:油系统控制系统、气系统控制系统、排水系统控制系统、供水系统控制系统、公用LCU控制系统。
1、水电厂(泵站)油系统控制系统


(a) 控制功能:
当油箱的油压降至电接点压力表1DJ的下限时,主用油泵向压力油罐供  油;当压油箱的油压高于电接点压力表1DJ的上限时,主用油泵停止;当油箱的油压降至电接点压力表2DJ的下限时,备用油泵向压力油罐供油;当压油箱的油压高于电接点压力表2DJ的上限时备用油泵停止;当油箱的油压降至电接点压力表3DJ的下限时,发报警信号;当油压下降至工作油压下限,并且油箱油面高于油面上限,电磁补气阀开启补气. 油系统控制系统电机启动回路采用软启动回路。
 (b) 通信功能:PLC将电源状况 、油泵运行状态、补气阀状态 、油位状况传给公用设备LCU;公用设备LCU将这些信号传送给控制中心,从而使控制中心完成对油系统的监控。



2.水电厂(泵站)气系统控制系统
(a) 控制功能:当主干管的压力降至电接点压力表1DJ的下限时,主用空压机冷却系统启动,主用空压机的电磁阀打开,示流信号器接通,主用空压机启动;当主干管的压力降至电接点压力表2DJ的下限时,备用空压机冷却系统启动,备用空压机的电磁阀打开,示流信号器接通,备用空压机启动;当主干管的压力升至电接点压力表2DJ的上限时,备用空压机停止;当主干管的压力升至电接点压力表1DJ的上限时,主用空压机停止;当主干管的压力降至电接点压力表3DJ的下限时,发出压力过低信号,当主干管的压力升至电接点压力表的3DJ的上限时,发出压力过高信号,停空压机并报警。4DJ是用来监视制动贮气罐中气压的,此中的气压过高过低都会发信号,为了防止空压机的温度过高,专门在每个空压机的出口处分别设置了温度信号器,如果空压机过热,温度信号器就会发出信号,即停空压机,气系统控制系统电机启动回路也采用软启动回路。  
(b) 通信功能:PLC将电源状况、空压机运行状态、气压状况、空压机启动状态传送给公用LCU;公用设备LCU将这些信号传送给控制中心,从而使控制中心完成对气系统的监控。



  附注:采用这种系统不能连续监测储气罐的压力,如果要提高控制性能,连续监测储气罐的压力,可以将电接点压力表更换成压力变送器和压差变送器更换成压力变送器和压差变送器。


3.水电厂(泵站)排水系统控制系统
(a) 控制功能:当水位上升至FX3调定值时,工作泵启动,启动水泵前先打开相应的电磁阀,示流信号器动作,启动水泵;当水位上升至FX2调定值时,备用泵启动,启动水泵前先打开相应的电磁阀,示流信号器动作,启动水泵;当水位上升至FX1调定值时,发报警信号;当水位下降至FX2调定值时,备用泵停止,水泵停止后延时关闭电磁阀;当水位下降至FX3调定值时,主用泵停止,泵停后延时关闭电磁阀,水泵运行后,如果出水管无水,示流器不动,延时关闭水泵。排水系统控制系统的电机起动回路也采用软启动回路。



(b) 通信功能:PLC将电源状况、水泵运行状态、水位状况、水泵启动状态传送给公用设备LCU;公用LCU将这些信号传送给控制中心,从而使控制中心完成对排水系统的监控。


4.水电厂(泵站)供水系统控制系统
(a) 控制功能:给供水泵,示流信号器动作,发信号给机组LCU,如果示流信号器中断就投入备用泵,向机组发故障信号;机组停机后发讯给电磁阀使其关闭。在采用水泵供水后,控制功能;机组开机前发命令给自流供水电磁阀,如果自供水无水,就发命令如果清水池水位过低,发报警信号;机组中的热交换流器差压计和滤水器差压计的压差过高就发报警信号。供水系统控制系统的电机起动回路也采用软启动回路。


(b) 通信功能:PLC将电源状况、水泵运行状态、水位状况、水泵启动状态、电磁阀状态、差压计状态、示流器状态传送给机组设备LCU;机组设备LCU将这些信号传送给控制中心,从而使控制中心完成对供水系统的监控。



5.水电厂(泵站)公用LCU控制系统


本水电厂控制系统采用分布式结构,分为上位管理层和现地控制层,现地控制单元(油系统、气系统、排水系统、供水系统)即可脱离上位管理层独立运行,具有现地操作和监控功能。也可由上位管理层(公用LCU系统)统一控制。公用LCU系统采用触摸屏对各个现地单元进行控制,用S7-300与各个现地控制单元内的S7-200进行通讯。该通讯方式用PROFIBUS-DP现场总线的形式。S7-300另可通过串口通讯模块和工业以太网模块与水电厂自动化监控系统通讯。
 公用设备LCU系统


四、项目运行
本系统今年7月在河北青银高速排水泵站投运,运行良好,深受用户好评。
  五、应用体会
      西门子公司自动化产品功能强大,尤其通讯功能强大,在组网通讯方面比较容易,如组建PROFIBUS网、工业以太网、无线通讯网等,便于设计产品与第三方或调度接口,稳定性也不错。
  [作者简介]郝朝阳,1975年出生,2000年毕业于太原理工大学电气与动力工程学院电气技术专业,至今一直在泰开电气集团山东泰开自动化有限公司(原鲁能泰山自动化研究所)工作,2005年被聘为产品研发工程师,副主任工程师;先后任命为技术开发部副主任、工控部主任职务。2005年优秀共产党员、2005年西门子自动化专家。