謝源強

（五凌電力有限公司，湖南 長沙410004）

碗米坡水電廠位于湖南沅水支流酉水的中游，湘西土家族苗族自治州保靖縣境內(nèi)。電站安裝3臺80MW機組，總裝機容量240MW，1號～3號機組分別于2004年2月、5月和8月投產(chǎn)，設(shè)計年利用小時數(shù)3300h，多年設(shè)計平均發(fā)電量7.92億kW·h，是湖南省湘西地區(qū)最大水力發(fā)電站，在系統(tǒng)中承擔調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用的任務。

1 原滲漏排水控制系統(tǒng)概況及改進分析

1.1 原滲漏排控制系統(tǒng)概況

因廠房滲漏集水井來水較多，為保證其排水工作正常、可靠，共配置有3套控制信號，分別為模擬量、水位儀、浮子信號控制組；控制電源僅由滲漏排水泵動力電源供給；且機組水淹廠房保護為滲漏排水系統(tǒng)浮子信號（為滲漏集水井內(nèi)水位過高浮子與水淹廠房浮子同時動作延時作為此保護的啟動動作條件）單網(wǎng)通信至機組PLC實現(xiàn)。當其中任一個信號控制故障，均需將滲漏排水系統(tǒng)水泵切停，然后由專業(yè)人員檢查及處理；處理期間需人為監(jiān)測水位并手動抽水，增加了現(xiàn)場工作人員的工作量，增大了水淹廠房的可能性，不利于現(xiàn)場設(shè)備的安全、穩(wěn)定、可靠運行；亦不利于“無人值班，少人值守”及“夜間關(guān)門”管控模式的實現(xiàn)。

1.2 智能化改造設(shè)計與升級分析

（1）電源系統(tǒng)改造為不間斷電源，增加防雷設(shè)計，確保控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸工作的不間斷性，提升穩(wěn)定性、可靠性。

（2）與監(jiān)控系統(tǒng)核心交換機連接的單網(wǎng)升級為雙網(wǎng)，且針對現(xiàn)場環(huán)境惡劣的實際情況及支持設(shè)備國產(chǎn)化愿景的需要，將單網(wǎng)升級為雙網(wǎng)并采用穩(wěn)定可靠的國產(chǎn)工業(yè)級光電轉(zhuǎn)換器。使其與上位機及機組LCU網(wǎng)絡(luò)連接冗余、可靠，提升重要的水淹廠房保護的可靠性。

（3）對控制系統(tǒng)內(nèi)啟/停泵控制信號故障進行自動判斷，故障后閉鎖水泵所有的自動控制信號功能，以防水泵頻繁啟/停損壞設(shè)備，并上送監(jiān)控系統(tǒng)上位機報警以提醒其立即應急處置與安排處理；新增3套啟/?？刂菩盘柕纳衔粰C投/退閉鎖邏輯，當其中任1套或2套控制信號故障情況下，均可由電廠或五凌集控中心上位機退出故障的控制信號參與自動控制；故障閉鎖水泵所有的自動控制信號功能后，需人為正確判斷并退出故障控制信號組后才能恢復水泵的自動啟/?？刂?。實現(xiàn)上述功能后，使應急處置隔離更加迅速、高效，維護更加方便、快捷。

2 智能化設(shè)計與改進

2.1 供電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與改進

由于電源干擾可能會造成現(xiàn)地控制設(shè)備復位不正確，進而造成程序失控；故新滲漏排水系統(tǒng)采用在線式UPS，在UPS功率足夠的前題下，輸出電源電壓不受市電不穩(wěn)定的影響。其進線電源一路采用DC220V，取自廠內(nèi)直流電源系統(tǒng)；另一路進線電源采用AC220V，取自滲漏排水泵動力電源。經(jīng)UPS內(nèi)部穩(wěn)壓、濾波、整流后，輸出穩(wěn)定的DC24V控制電源供給滲漏排水控制系統(tǒng)（PLC工作、光電轉(zhuǎn)換器、水位測控儀、I/O電源）。兩路電源同時供電，以交流輸入電源為主用，直流輸入電源為熱備用，能在倒閘操作或主用電源回路故障情況下，實現(xiàn)不間斷供電，操作方便，徹底解決了原單一控制電源不穩(wěn)定、不可靠的隱患。不間斷電源進線端均安裝有電源監(jiān)視繼電器，任一路進線電源消失，相應監(jiān)視繼電器常閉觸點閉合將報警信號送至PLC輸入模塊進行報警；不間斷電源交直流供電模塊均自帶有DC24V輸出告警，任一路輸出故障或消失，常閉接點閉合將報警信號送至PLC輸入模塊進行報警；可及時有效地發(fā)現(xiàn)電源故障，并針對性迅速處理正常，保障系統(tǒng)的長期穩(wěn)定、可靠運行。另在UPS交/直流電源進線端均安裝防雷器，可有效防止外部過電壓對UPS的損害。在線式不間斷電源參數(shù)詳見表1。

表1 在線式不間斷電源參數(shù)

2.2 網(wǎng)絡(luò)部分優(yōu)化設(shè)計與改進

新滲漏排水系統(tǒng)采用如下PLC配置（表2）。

表2 新滲漏排水系統(tǒng)PLC配置

新滲漏排水系統(tǒng)PLC配置有兩個網(wǎng)口（網(wǎng)卡模塊1個、CPU模塊上集成有1個），將其配置為單CPU雙網(wǎng)分別鏈路至監(jiān)控系統(tǒng)0號、1號網(wǎng)核心交換機，即可雙網(wǎng)運行無擾切換：主用網(wǎng)絡(luò)（與上位機主采集服務器連接的任一網(wǎng)絡(luò)，0號或1號網(wǎng)）故障斷開后，滲漏排水PLC模組能自動切至備用網(wǎng)絡(luò)與上位機系統(tǒng)連接正常；0號或1號網(wǎng)任一網(wǎng)絡(luò)與上位機連接故障，上、下位機系統(tǒng)中均有相應報警，故障消除后亦能復歸正常。較原控制系統(tǒng)通過MB+總線連接至公用LCU，穩(wěn)定性、可靠性均大幅提升。

原?？怂苟嗄９怆娹D(zhuǎn)換器，因現(xiàn)場溫濕度難以滿足設(shè)備運行要求，致使上送上位機數(shù)據(jù)存在偶發(fā)性丟包現(xiàn)象，且故障、損壞率較高；且其工作電源為AC220V，因條件受限，本系統(tǒng)中此電源取自水泵工作電源，電源的穩(wěn)定性、不間斷性難以保證。經(jīng)多方調(diào)研，將其更換為萬唐工業(yè)級光電轉(zhuǎn)換器，工作電源直接取自滲漏排水系統(tǒng)UPS電源輸出的DC24V電源，且新光電轉(zhuǎn)換器能長期運行于現(xiàn)場惡劣環(huán)境中，確保與新監(jiān)控系統(tǒng)上位機及其他LCU的通信（機組水淹廠房保護）可靠。新光電轉(zhuǎn)換器詳細參數(shù)見表3。

表3 新光電轉(zhuǎn)換器參數(shù)

2.3 控制信號組故障閉鎖及遠切控制邏輯功能設(shè)計及應用

因本次碗米坡電廠改造中選用的是施耐德PLC模組，本文中亦使用施耐德的“Unity Pro XL V10.0”PLC編程軟件進行程序編輯，且本文中選用FBD語言進行PLC程序邏輯編輯。依據(jù)設(shè)計需求與改進分析的需要，可將控制信號組故障閉鎖及遠切控制邏輯功能邏輯分為3塊進行設(shè)計。

2.3.1 下位機接收上位機投/退“滲漏排水水位計控制功能”設(shè)計

（1）設(shè)計思路：上位機令（五凌集控中心遠方及碗米坡水電廠監(jiān)控系統(tǒng)上位機均可下令操作）將相應下位機虛點投入動作（即將下位機此虛點置1），且一直保持直至上位機令將此虛點退出（即將下位機此虛點置0）；上位機令將相應下位機虛點退出動作（即將下位機此虛點置0），且一直保持直至上位機令將此虛點投入（即將下位機此虛點置1）；此虛點需上送上位機進行報警以使運行人員掌握滲漏排水控制系統(tǒng)相應控制功能的投/退情況。

（2）實際設(shè)計：依據(jù)上述所需實現(xiàn)的功能，可選用雙穩(wěn)功能塊SR（設(shè)置優(yōu)先），設(shè)計如圖1框內(nèi)所示。

SR雙穩(wěn)功能塊釋義：該功能塊用作具有“設(shè)置優(yōu)先”屬性的SR存儲器。在S1輸入變?yōu)?時，輸出Q1將變?yōu)?。即使輸入S1恢復為0，此狀態(tài)也保持不變。當輸入R變?yōu)?時，輸出Q1恢復為0。如果輸入S1和R同時為1，則優(yōu)先輸入S1會將輸出Q1設(shè)置為1。2.3.2 下位機“滲漏排水水位計控制功能”投/退狀

態(tài)閉鎖滲漏排水水位計控制組（共4個控制信號）設(shè)計

（1）設(shè)計思路：水位計控制組均為下位機實點輸入信號，需要閉鎖其信號不參與控制，可采用于下位機內(nèi)新建相應虛點的方式，非直接使相應下位機實點直接參與水泵的啟/?？刂频?，而使用受其閉鎖輸出的相應下位機虛點參與水泵的啟/?？刂频?。當閉鎖條件不滿足（即相應的下位機實點輸入信號參與控制無效），不論相應的下位機實點信號動作與否，一直閉鎖相應虛點輸出為0，從而達到閉鎖的目的。當閉鎖條件滿足（即相應的下位機實點輸入信號參與控制有效），相應的下位機實點信號動作為1，則此虛點輸出為1；相應的下位機實點信號動作為0，則此虛點輸出為0。

（2）實際設(shè)計：依據(jù)上述所需實現(xiàn)的功能，可選用與門功能塊AND，設(shè)計如圖1非框內(nèi)所示。

AND與門功能塊釋義：該功能對輸入處的位序列執(zhí)行按位與運算，并將結(jié)果分配給輸出。所有輸入值和輸出值的數(shù)據(jù)類型必須是相同的。輸入最多可以增至32個。可以將EN和ENO配置為附加參數(shù)。

TON接通延時功能塊釋義：該功能塊用作接通延遲。

（3）下位機接收上位機投/退“滲漏排水水位計控制功能”模擬動作情況：將滲漏排水水位計控制功能退出，上位機相應畫面內(nèi)下令，即將stop_water_kz_romate置為1（PLC內(nèi)設(shè)定上位機下令將會在PLC內(nèi)保持1s動作時間），SR功能塊的置位端動作，使其輸出端（stop_water_kz_bl）變?yōu)?，AND功能塊中的IN2處為stop_water_kz_bl狀態(tài)點取反，則此點變?yōu)?，從而使?jié)B漏排水水位計啟主用泵、備用泵、停泵、水位過高報警中間虛擬變量（start1_water_kz、Start2_water_kz、stop_water_kz、water_high_kz）均無法動作為 1，從而達到退出滲漏排水水位計控制功能的目的。

將滲漏排水水位計控制功能投入，上位機相應畫面內(nèi)下令，即將start_water_kz_romate置為1（PLC內(nèi)設(shè)定上位機下令將會在PLC內(nèi)保持1s動作時間），SR功能塊的復位端動作，使其輸出端（stop_water_kz_bl）變?yōu)?0，AND 功能塊中的 IN2處為stop_water_kz_bl狀態(tài)點取反，則此點變?yōu)?，達到解除閉鎖的目的（此圖1中的kzzgbs閉鎖條件待2.3.3部分詳述）；當此條件下，如滲漏排水水位計啟主用泵、備用泵、停泵、水位過高報警水位信號持續(xù)動作30s（因滲漏排水水源較多，井內(nèi)水位波動較大；為防止水位波動造成水泵的頻繁動作，根據(jù)現(xiàn)場實際情況特設(shè)置30s延時動作開出），將使其相應中間變量動作為1，從而達到滲漏排水水位計控制功能正常投入?yún)⑴c邏輯控制功能的目的。

圖1 滲漏排水水位計控制功能投退邏輯

圖1中：

stop_water_kz_romate下位機虛點，變量屬性選擇“EBOOL”，變量地址為 %M2875（對應上位機滲漏排水LCU一般設(shè)備控制地址452的退出令）；釋義為上位機“滲漏排水水位計控制退出”令。

start_water_kz_romate下位機虛點，變量屬性選擇“EBOOL”，變量地址為 %M2876（對應上位機滲漏排水LCU一般設(shè)備控制地址452的投入令）；釋義為上位機“滲漏排水水位計控制投入”令。

stop_water_kz_bl下位機虛點，變量屬性選擇“EBOOL”，變量地址為 %M8001（對應上位機滲漏排水LCU掃查量第32點，上送上位機報警）；報警名稱為滲漏排水水位計控制功能退出。

start1_water下位機實點，滲漏排水水位計水位升高啟主用泵輸入信號。

start1_water_kz下位機虛點，變量屬性選擇“EBOOL”，不上送上位機報警；滲漏排水水位計水位升高啟主用泵中間變量。

start2_water下位機實點，滲漏排水水位計水位較高啟備用泵輸入信號。

Start2_water_kz下位機虛點，變量屬性選擇“EBOOL”，不上送上位機報警；滲漏排水水位計水位較高啟備用泵中間變量。

stop_water下位機實點，滲漏排水水位計水位低停泵輸入信號。

stop_water_kz下位機虛點，變量屬性選擇“EBOOL”，不上送上位機報警；滲漏排水水位計水位低停泵中間變量。

water_high下位機實點，滲漏排水水位計水位過高輸入信號。

water_high_kz下位機虛點，變量屬性選擇“EBOOL”，不上送上位機報警；滲漏排水水位計水位過高報警中間變量。

t#30s 延時30s

（4）滲漏排水浮子控制功能投/退同理，如圖2PLC邏輯所示。

（5）滲漏排水模擬量控制功能投/退同理，如圖3PLC邏輯所示。

圖2 滲漏排水浮子控制功能投退邏輯

圖3 滲漏排水模擬量控制功能投退邏輯

2.3.3 控制信號組故障閉鎖設(shè)計

（1）設(shè)計思路：滲漏排水系統(tǒng)共配置有3套控制信號，分別為水位儀模擬量（由水位儀輸出模擬量至PLC，由PLC根據(jù)預設(shè)水位開出相應開關(guān)量進行相應控制）、水位儀開關(guān)量（由水位儀根據(jù)預設(shè)水位組開出相應開關(guān)量進行相應控制）、浮子信號控制組，每組控制信號均分為4個子控制信號，作用分別為水位低停泵（196m）、水位升高啟主用泵（197m）、水位較高啟備用泵（197.3m）、水位過高報警（197.5m）。因水位波動及來水過大等原因，啟主用、備用泵及過高報警水位是可能會同時動作的，但是水位過低停泵與控制組內(nèi)其他信號水位差至少為1m及以上，不存在同時動作的可能，如動作即測控系統(tǒng)肯定存在故障，需進行相應處理；且為避免測控部分故障而頻繁啟停水泵造成設(shè)備損壞，PLC控制系統(tǒng)內(nèi)如檢測到水位低停泵與其他信號同時動作產(chǎn)生報警的同時亦應同步閉鎖所有控制輸出；直至人為正確判斷故障控制組并正確退出其控制功能后才能恢復正?？刂平M的正常啟停功能。

（2）實際設(shè)計：依據(jù)上述所需實現(xiàn)的功能，可選用或門功能塊OR與雙穩(wěn)功能塊SR（設(shè)置優(yōu)先）的組合設(shè)計，設(shè)計如圖4所示。

OR或門功能塊釋義：該功能對輸入處的位序列執(zhí)行按位或運算，并在輸出處返回結(jié)果。 所有輸入值和輸出值的數(shù)據(jù)類型必須相同。輸入最多可以增至32個?？梢詫N和ENO配置為附加參數(shù)。

（3）控制信號組故障閉鎖功能模擬動作情況：當下位機檢測到水位低中間變量任一信號（stop_water_float_kz、stop_water_kz、stop_ai_water_kz）動作將使圖4中的第1個（從左往右數(shù)）OR功能塊輸出為1，使圖4中的第2個OR功能塊使能端為1，此時如果水位儀模擬量、水位儀開關(guān)量、浮子信號控制組中任何一個或多個非水位低停泵中間變量信號（water_high_kz、start1_water_kz、start2_water_kz、water_high_float_kz、start1_water_float_kz、start2_water_float_kz、ai_water_high_kz、start1_ai_water_kz、start2_ai_water_kz）動作將使圖4中的第2個OR功能塊輸出為1，從而使SR功能塊的置位端動作，其輸出端（kzzgbs）將持續(xù)輸出為1，使圖1、圖2、圖3內(nèi)AND功能塊中的IN3處kzzgbs狀態(tài)點取反，則此點變?yōu)?，從而使?jié)B漏排水啟主用泵、備用泵、停泵、水位過高報警中間虛擬變量均無法動作為1，達到閉鎖滲漏排水所有自動控制功能的目的；直至上位機正確下令退出相應控制組后將輸出重置為0使水泵其他正?？刂平M自動控制功能恢復正常。

如滲漏排水水位計控制組存在故障，如上所述閉鎖滲漏排水所有自動控制功能后，當運行人員正確判斷故障控制組別，于上位機下令退出滲漏排水水位計控制功能，即將圖4中的stop_water_kz_romate置為1，圖4中的SR功能塊的復位端動作，使其輸出端（kzzgbs）變?yōu)?0，且因 stop_water_kz_romate置為1的同時將使圖1中的AND功能塊中的IN2處為stop_water_kz_bl狀態(tài)點取反，則此點變?yōu)?，從而使?jié)B漏排水水位計啟主用泵、備用泵、停泵、水位過高報警中間虛擬變量（start1_water_kz、Start2_water_kz、stop_water_kz、water_high_kz）均 無法動作為1，從而達到退出滲漏排水水位計控制功能的目的；而正?？刂平M則恢復正?？刂乒δ?。如果上位機退錯了控制組別，雖置位端瞬時將SR復位為1（瞬時復位，在本PLC模組中為一個掃查周期75ms，而圖5：滲漏排水啟/停泵條件開出中設(shè)有延時5s動作時間，從而不會造成水泵的頻繁啟停），但因故障仍舊存在，故障控制組將依舊重走上述故障閉鎖功能從而閉鎖控制輸出。

圖4 滲漏排水水位計水位過高報警中間變量閉鎖邏輯

圖4中：

water_high_kz滲漏排水水位計水位過高報警中間變量。

start1_water_kz滲漏排水水位計水位升高啟主用泵中間變量。

start2_water_kz滲漏排水水位計水位較高啟備用泵中間變量。

stop_water_kz滲漏排水水位計水位低停泵中間變量。

water_high_float_kz滲漏排水水位過高浮子報警中間變量。

start1_water_float_kz滲漏排水水位升高浮子啟主用泵中間變量。

start2_water_float_kz滲漏排水水位較高浮子啟備用泵中間變量。

stop_water_float_kz滲漏排水水位低浮子停泵中間變量。

ai_water_high_kz滲漏排水模擬量水位過高報警中間變量。

start1_ai_water_kz滲漏排水模擬量水位升高啟主用泵中間變量。

start2_ai_water_kz滲漏排水模擬量水位較高啟備用泵中間變量。

stop_ai_water_kz滲漏排水模擬量水位低停泵中間變量。

kzzgbs滲漏排水啟/停泵控制信號故障閉鎖中間變量，并上送上位機報警。

圖5 滲漏排水啟/停泵條件開出

圖5中：

start1_commands滲漏排水啟主用泵開出。

start2_commands滲漏排水啟備用泵開出。

stop_commands滲漏排水停泵開出（停所有處于自動運行狀態(tài)的滲漏排水泵）。

3 結(jié)語

碗米坡水電廠根據(jù)現(xiàn)場運行實際，對滲漏排水控制系統(tǒng)智能化設(shè)計與改進。不僅有效的減輕了維護人員的工作強度，提高了運行人員應急處置隔離（操作）的迅速性與便利性、防汛設(shè)備的可靠性與穩(wěn)定性，而且為電廠“夜間關(guān)門、無人值班、少人值守”模式轉(zhuǎn)變和“智能化”建設(shè)提供了重要的技術(shù)保障。本項目實施運行3年來穩(wěn)定、可靠，現(xiàn)已在碗米坡水電廠檢修、廠區(qū)、大壩排水及消防供水系統(tǒng)推廣應用。