康志遠(yuǎn)，趙 彪，劉 宇，張 濤

（五凌電力有限公司近尾洲水電廠，湖南 衡陽 410004）

近尾洲水電廠機(jī)組為燈泡貫流式機(jī)組，設(shè)計(jì)水頭6.8 m，最大水頭10 m，最小水頭3 m，設(shè)計(jì)流量361 m3/s，單機(jī)最大出力21.06 MW，額定轉(zhuǎn)速75 r/min，最大飛逸轉(zhuǎn)速225 r/min，機(jī)組安裝高程48.8 m。電廠共裝機(jī)3臺(tái)，總?cè)萘?3.18 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量2.589億kW·h，是一座具有發(fā)電、航運(yùn)、灌溉等綜合效益的水電廠。本文基于近尾洲水電廠設(shè)備的實(shí)際生產(chǎn)安全，探索獨(dú)立于機(jī)組LCU控制系統(tǒng)之外一種后備保護(hù)方案，建立獨(dú)立的水機(jī)后備保護(hù)控制系統(tǒng)[1]，已應(yīng)用于3臺(tái)機(jī)組，并取得較好的效果，從而實(shí)現(xiàn)了對機(jī)組主器件的保護(hù)，消除了重大設(shè)備隱患，保障了機(jī)組安全運(yùn)行。

1 概述

近尾洲水電廠原機(jī)組設(shè)計(jì)未在LCU程序外設(shè)置獨(dú)立水機(jī)保護(hù)裝置，且機(jī)組控制系統(tǒng)采用單套CPU，存在嚴(yán)重的安全隱患[2]。因此電廠針對此重大設(shè)備隱患進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，增加獨(dú)立的水機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)基于西門子S7-200系列PLC獨(dú)立設(shè)計(jì)，保護(hù)點(diǎn)包括機(jī)組主設(shè)備和輔助設(shè)備壓力、溫度、油流等變量，并與機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，為保護(hù)動(dòng)作提供精準(zhǔn)判斷。后備保護(hù)設(shè)計(jì)上完全獨(dú)立于監(jiān)控系統(tǒng)LCU，當(dāng)停機(jī)跳閘信號(hào)觸發(fā)后，能獨(dú)立響應(yīng)并啟動(dòng)緊急停機(jī)流程，進(jìn)一步提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性和安全性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文硬件設(shè)計(jì)由5大模塊構(gòu)成：電源模塊、主控制器CPU模塊、信號(hào)輸入模塊、信號(hào)輸出模塊、報(bào)警模塊，其中核心模塊為主控制器CPU，采用西門S7-200 PLC。該系列PLC功能強(qiáng)、速度快、擴(kuò)展靈活，結(jié)構(gòu)簡單、內(nèi)置豐富的集成功能，具有較高的數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算能力。系統(tǒng)硬件模塊示意圖如圖1所示[3]。

圖1 系統(tǒng)硬件模塊示意圖

2.1 電源模塊

由于CPU226需要穩(wěn)定的直流供電，因此電源取自廠站直流系統(tǒng)，220 V直流電經(jīng)過電源模塊整流后輸出24 V，然后用獨(dú)立的空氣開關(guān)進(jìn)行控制。電源模塊采用菲尼克斯電源系列，型號(hào)為QUINTPS/24 V DC，該電源電壓輸入范圍85 V～300 V，內(nèi)部配置熔斷器和壓敏電阻，能防止電涌電流沖擊，保護(hù)電源組件；額定輸出為24 V±1%額定值，輸出端具有過電壓保護(hù)，保護(hù)電壓小于35 V DC，能耐抗交流4 kV絕緣測試，因此絕緣性能高、抗干擾性好、輸出穩(wěn)定。除此之外，電源模塊自身具有斷電報(bào)警功能，只要將自帶接點(diǎn)開關(guān)接入監(jiān)控系統(tǒng)，一旦電源失電，上位機(jī)會(huì)立刻報(bào)水機(jī)保護(hù)電源裝置故障，運(yùn)行人員第一時(shí)間會(huì)收到報(bào)警信息并進(jìn)行故障處理。電源模塊示意如圖2所示。

圖2 電源模塊示意圖

2.2 主控制器模塊

主控制器模塊型號(hào)為CPU226，屬于西門子小型可編程控制器，可以單機(jī)運(yùn)行，具有齊全的編程和組態(tài)軟件，可靠性高、功耗小、運(yùn)行速度快。模塊包括中央處理單元和24點(diǎn)輸入接口、16點(diǎn)輸出接口，可用點(diǎn)數(shù)較多，滿足設(shè)計(jì)要求。CPU主要負(fù)責(zé)對外部輸入信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測，若某個(gè)信號(hào)點(diǎn)動(dòng)作，CPU在掃描周期內(nèi)進(jìn)行檢測處理，并作用于輸出模塊，開出緊急停機(jī)信號(hào)，并將動(dòng)作信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)，通過上位機(jī)進(jìn)行報(bào)警顯示。

2.3 信號(hào)輸入模塊

信號(hào)輸入模塊由停機(jī)跳閘點(diǎn)和轉(zhuǎn)速>1%Ne蠕動(dòng)信號(hào)組成，它負(fù)責(zé)采集動(dòng)作信號(hào)，讀取傳感器中開關(guān)量變化，將信號(hào)發(fā)送至控制器中，通過控制器CPU進(jìn)行判斷處理。本系統(tǒng)停機(jī)跳閘點(diǎn)包括軸承高位油箱油位低跳閘點(diǎn)，壓油槽壓力低跳閘點(diǎn)，油流低跳閘點(diǎn)，溫控屏發(fā)導(dǎo)、推力、冷風(fēng)、熱風(fēng)溫度高等。將跳閘點(diǎn)與轉(zhuǎn)速>1%Ne串聯(lián)，當(dāng)機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，跳閘點(diǎn)動(dòng)作則開出跳閘信號(hào)，作用于機(jī)組解列停機(jī)；當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)速為零，邏輯條件不符合，保護(hù)裝置處于熱備用狀態(tài)。信號(hào)輸入I/O地址分配如表1所示。

表1 信號(hào)輸入地址分配

2.4 信號(hào)輸出模塊

信號(hào)輸出模塊由跳閘信號(hào)組成，包括調(diào)速器停機(jī)令、勵(lì)磁開關(guān)跳閘、快速關(guān)閉閥動(dòng)作、出口開關(guān)分閘。同時(shí)給監(jiān)控系統(tǒng)開出停機(jī)信號(hào)。跳閘點(diǎn)動(dòng)作后對應(yīng)指示燈保持常亮狀態(tài)，通過指示燈可以對開出信號(hào)進(jìn)行故障判斷。系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)復(fù)位開關(guān)，用于模塊重啟和調(diào)試需求。信號(hào)輸出I/O地址分配如表2所示。

表2 輸出信號(hào)地址分配

2.5 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊包括裝置失電告警和信號(hào)開出告警。水機(jī)保護(hù)電源中自帶失電保護(hù)開關(guān)，開關(guān)接點(diǎn)接入監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)電源失電后，電源裝置會(huì)觸發(fā)故障。若跳閘信號(hào)開出，可通過PLC指示燈進(jìn)行顯示，并通過觸摸屏和上位機(jī)對報(bào)警信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取，專業(yè)人員能第一時(shí)間對報(bào)警進(jìn)行處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由CPU226信號(hào)檢測、信號(hào)處理和信號(hào)開出組成。CPU226具有24個(gè)輸入端口，16個(gè)輸出端口，256個(gè)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，2個(gè)RS-485通信接口。編程軟件采用STEP 7 MicroWIN SP9 V4.0，具有在線調(diào)試功能[4，5]。本文跳閘點(diǎn)檢測主要包括機(jī)組油位、油流異常信號(hào)和溫度異常信號(hào)，針對不同信號(hào)輸入，PLC在程序邏輯做出相應(yīng)的判斷。當(dāng)油位、油流跳閘信號(hào)輸入時(shí)，程序加入了0.5 ms的防抖設(shè)計(jì)，防止現(xiàn)地硬接點(diǎn)松動(dòng)導(dǎo)致機(jī)組非停；當(dāng)溫度信號(hào)異常時(shí)，若溫度值大于跳閘值且小于150 ℃，信號(hào)保持5 s后才能作用于停機(jī)信號(hào)，若溫度值大于跳閘值且快速上升并超過150 ℃，則無法開出停機(jī)信號(hào)，這樣有利于避免現(xiàn)地接點(diǎn)斷線造成的機(jī)組非停，從而對機(jī)組解列停機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，有效地增強(qiáng)了設(shè)備穩(wěn)定性。主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

利用機(jī)組檢修機(jī)會(huì)安裝水機(jī)保護(hù)裝置，試驗(yàn)中模擬LCU控制系統(tǒng)死機(jī)或者斷電情況，對現(xiàn)地跳閘信號(hào)進(jìn)行模擬動(dòng)作，水機(jī)后備保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行正常，所有跳閘點(diǎn)均能響應(yīng)，并開出對應(yīng)的停機(jī)信號(hào)，達(dá)到了設(shè)備改造預(yù)期效果。以正推軸承測溫點(diǎn)為例，試驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 軸承油溫保護(hù)點(diǎn)動(dòng)作示意圖

圖5 水機(jī)保護(hù)裝置動(dòng)作指示

5 結(jié)論

本文針對設(shè)備重大隱患需求，研制了一款基于S7-200 PLC的水機(jī)后備保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)組的保護(hù)控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置在機(jī)組LCU死機(jī)后，能獨(dú)立開出于機(jī)組停機(jī)信號(hào)，保護(hù)機(jī)組發(fā)電主設(shè)備及輔助設(shè)備，防止事態(tài)擴(kuò)大，保障了電力安全生產(chǎn)。本文設(shè)計(jì)的水機(jī)保護(hù)裝置功能完整、動(dòng)作可靠、適用性強(qiáng)，對機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。