PLC在安格庄水电站水机自动中的应用（魏明熙,段占红）

摘要：通过安格庄水电站水机自动的改造, 介绍了PLC的应用过程, 包括PLC的选型、硬件和软件系统的优化设计、安装调试中出现的问题及处理措施。

关键词：可编程控制器 水机自动 编程 梯形图

1 概述

安格庄水电站是安格庄水库上的一座坝后式水电站,装机3×3200KW, 水轮机为立轴混流式, 水机自动系统为原四机部自动化研究所生产的Z80单板机, 当时属试制产品, 所用配件不是通用件, 近年由于长年运行系统老化,给维护工作带来很大困难。经对比研究, 计划用经济、可靠、维护方便的PLC系统加以改造。

2 系统设计改造要点

2.1 设备选型

根据电站水机自动控制的要求, 系统共计33点直流信号输入和19点输出, 共计52点, 按余量10%计算,PLC应有58点I/O容量。经比较各知名厂家的PLC产品, 决定选用OMRON CPM1A-40CDR-D型CPU, 再加一扩展I/O模块CPM1A-20EDR。它们具有以下特点, 可以满足电站水机自动系统的改造要求。

（1）CPM1A-40CDR-D具有24点DC输入, 16点继电器输出, 并可加3个I/O扩展模块, 最大可达100点I/O容量。DPM1A-20EDR具有12点输入, 8点继电器输出。这符合系统I/O容量要求, 且有很大的容量扩充余地, 且继电器输出具有电路设计简单、带负载能力大、抗干扰能力强的优点。

（2）超小型可编程控制器, 体积小巧, 可轻而易举地在各种机器或控制柜上进行单机配套, 使电站不必增加新的控制柜。

（3）充足内存容量, 有2K的用户程序存储器和1K的数据存储器, 满足系统控制程序的容量要求。

（4）通过适配器可实现与主计算机的1：1或1：N通信,还可与另一个PLC建立链接, 这为以后电站升级为计算机监控, 实现无人或少人值班预留了控制接口。

（5）具有实现平稳输入输出动作的输入滤波器功能, 配备了可选择输入时间常数, 防止输入信号抖动及外部干扰,保证系统控制动作可靠。

（6）具有快速响应输入、间隔定时中断、计时/定时器和各种内部辅助继电器, 可很好地满足水机系统对控制的要求。

（7）采用快闪内存, 可实现无电池内存支持, 使系统维护简单。

2.2 硬件组成

水机自动系统以PLC基本单元和扩展I/O模块组成系统控制核心, 外围包括开关电源模块供给PLC用DC24V电源, 它设有监视单元, 在电源故障时发出声光报警, 同时自动投入备用电源转速信号装置利用永磁发电机产生正比于发电机转速的电压, 提供给PLC机组频率信号；PLC的输出执行机构等。

PLC的输入信号都是开关量, 包括手动控制操作开关信号、断路器合闸、剪断销剪断、制动风闸投人、盘根水压力、蝴蝶阀和导水叶位置以及反映机组事故故障的温度、水压、油压、液位、转速信号等共计33点, 这些信号与PLC的输入继电器连接, 输人地址为00003-00011,00100-00111,00200-00211, 其中地址00000-00002共3点留作备用, 输人信号由PLC的COM（+）端和外部DC24V电源构成回路。

PLC输出信号包括开停机和紧急停机指令、跳断路器、启动盘根备用水、机组制动、开度限制控制信号、开关冷却水、关蝴蝶阀和冷却水以及事故和故障显示信号等共计19点, 输出地址为01003-01007,01100-01107,01200-01205, 其中地址01000-01002,01206-01207共计5点留作备用。输出回路中都串联中间继电器, 以其常开触点进行控制。

2.3 程序编制措施

PLC的程序是依据机组水机自动的逻辑控制原理, 采用梯形图进行编制, 程序通过配套的编程器进行输入和修改。在编程时采用了以下一些措施对程序加以优化。

（1）CPM1A-40CDR-D内部有许多虚拟继电器,如内部辅助继电器640点、保持继电器320点、计时器/计数器128点, 编程时利用这些内部功能软元件, 充分调用中间状态, 如利用计时器实现停机复归, 利用保持继电器实现事故信号的自保持, 这使程序具有完整连贯性, 易于开发, 同时也减小硬件投入和降低成本。

（2）在设计时尽量把PLC的输入接线设计成常开状态,这样可避免编程时把PLC内部的逻辑1和0与其外部由按钮、继电器、阀门位置所形成的常开和常闭硬触点混淆, 引起编程错误, 并且这样使配线和调试容易。

（3）为了防止手动操作按钮时, 手指颤动造成误动作,在手动紧急停机和手动紧急关蝴蝶阀的输人点, 加人一微分指令DIFU（13）检索按钮送人电信号的上升沿, 由于在一个扫描周期内, PLC只执行一次, 因此避免了此类误操作的发生。

2.4 抗干扰措施

（1）CPM1A-40CDR-D中有2个接地端：接地GR是保护接地, 防止电气冲出；屏蔽接地LG是功能接地, 起防止干扰作用。把它们都接地以保证PLC正常运行, 增加抗干扰能力。

（2）为避免干扰, 在安装时把输人单元接线接在盘内一侧, 输出单元接到盘内另一侧端子排, 并远离电源线和动力线。同时对输入信号线采用屏蔽线, 对过长的输人信号线加以绞合, 这将显著减少PLC输入端的共模电压。输入电缆中间不应有接头。

（3）把PLC的供电电源与大功率用电设备分开, 并加装隔离变压器, 防止外部电源干扰进入PLC内部。基本PLC单元和扩展模块的电源共用一个开关, 以保证基本单元和扩展模块通电和断电同时进行。

3 安装调试中的问题及处理

程序编好后, 先通过PLC单元面板上的输日端子和输出端子信号指示灯的亮灭, 来验证PLC接收的输入信号和输出的控制信号是否与实际控制要求相符, 实际配线是否准确, 然后在机组不充水的情况下, 按真机运行的要求通上所有电源, 真实地模拟机组的各种运行工况, 最后进行实际运行调试。在模拟试验与运行调试中, 针对出现问题进行了分析解决。

（1）由于每种品牌PLC的编程语言不同, 设计人员对其不可能都有深入了解, 因此决定与厂家技术人员协调配合、互相沟通、现场调试。以设计原理图为主, 重点理顺开机和停机回路, 仔细研读产品的编程手册。向厂家技术人员详细解释各个回路原理和设计要求, 听取他们对程序编制的建议, 咨询特殊指令用法、使用一些指令的注意事项和编程技巧, 在深入了解各指令后编写程序。这样可编制出高质量的程序, 同时尽量减少程序中只有长时间运行才能暴露的隐含错误。

（2）在机组运行近3个月时, 曾发生机组在电制动投入过程中, 转速低于50%额定转速时接点误断开, 导致未能闭锁住保护, 使差动保护动作, 电制动失败。经检查PLC控制程序、转速信号装置、导叶开度信号、相关出回中间继电器等装置后没有发现故障, 回忆事故时电站曾有一大型设备启动, 因此分析是电源干扰引起, 为此对变送器和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源换用分布电容小、采用多次隔离和屏蔽及漏感技术的大抑制带的配电器。采用交直流同时供电, 以开关电源模块供给PLC用DC24V电源, 并设有监视单元, 在电源故障时发出声光报警。经过改造后系统至今没有出现过故障, 实践证明,PLC本身是相当可靠的, 引起故障的原因主要是各种干扰, 因此一定要对的供电电源、信号传输线等采取有效的屏蔽和隔离措施。

在此特别应注意的是选用进口产品时, 由于我国采用220V高内阻电网制式, 而欧美地区是110V低内阻电网。因此我国电网内阻大, 零点电位漂移大, 地电位变化大, 现场电磁干扰大, 对PLC的抗干扰性能要求更高, 在国外能正常工作的PLC产品在国内就不一定能可靠运行, 因此要按我国GB/T13926标准选用国外的PLC产品。

（3）机组在启动运行时, 曾出现励磁回路不能正常启励建压, 经检查励磁调节器没有故障, 考虑到转速继电器的整定值与实际有一定误差, 或长期运行有变化, 而电站的励磁调节器本身具有测频功能, 当启励转速信号到来时励磁调节器所测频率未到, 引起励磁调节器V/F动作逆变, 从而不能正常启励建压。为此在程序中加人一延时, 使启励转速信号经1-2s延时后送出。

安格庄水电站水机自动经PLC改造后, 至今已安全运行2年多。实践证明, PLC具有可靠性好、抗干扰能力强、硬件接线简单、易于维护、可与计算机通讯、方便在线或离线修改控制而不用改动硬件等诸多优点, 可以很好地满足电站自动控制的要求, 这使可编程控制器在小型水电站的设计或自动化改造中有很大的应用前景。

作者简介：魏明熙（1972一）, 男, 工程师。

来源：《北京水利》2005.1