三峡左岸电站机组检修排水控制系统的设计.pdf

《 电气 自动化) 2 0 1 6年第 3 8卷 第 1期 —自动控制系统与装置 Au toma t ic Co n t r o l S y s t e ms＆ E q u ip me n 三峡左 岸 电站机组检修排水控 制系统 的设计 陈江天，段智辉 ( 西安航天 自动化股份有 限公 司 ， 陕西 西安7 1 0 0 6 5 ) 摘要 ：三峡左岸电站机组检修排水控制系统选用西门子 P L C为核心控制单元， 遵循“ 运行次数最少优先启动， 停泵时先启先停” 的控 制逻辑， 控制6台大功率深井泵的轮换选择和可靠运行， 从而满足左岸机组检修排水的要求。 关键词 ：深井泵 ； 检修排水； P L C控制系统 ； 西门子； 三峡左岸电站 DO I ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0— 3 8 8 6 ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 2 7 [ 中图分类号]T P 2 7 2 ／ 2 7 8 [ 文献标志码]A[ 文章编号]1 0 0 0— 3 8 8 6 ( 2 0 1 6 ) 0 1— 0 0 8 4— 0 3 De s ig n o f t h e Dr a i n i n g a n d Co n t r o l li n g Sy s t e m f o r S e t s Re p a i r a t t h e Th r e e Go r g e s L e f t B a n k P o we r St a t i o n C HE N J i a n g ． t i a n．DU AN Z h i h u i ( X i a n A e r o s p a c e A u t o m a t i o n C o ． ， L t d ． ， X i a n S h a a n x i 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e d r a i n i n g a n d c o n t r o l l i n g s y s t e m f o r s e t s r e p a i r a t t h e T h r e e Go r g e s L e f t B a n k P o we r S t a t i o n U S e S S i e me n s P L C a s t h e c o r e c o n t r o l u n i t ，a n d f o l l o w s t h e c o n t r o l l o g i c o f“ p r e f e r e n t i a l s t a r t o f t h e s e t wi t h t h e l e a s t n u mb e r o f r u n s ，fi r s t s t a r t fi rst s t o p for t e r mi n a t i o n o f p u mp i n g ”t o c o n t r o l t h e r o t a t i o n a l s e l e c t i o n a n d r e l i a b l e o p e r a t i o n o f s i x h i g h — p o we r d e e p w e l l p u mp s ，t h u s s a t i s f y i n g t h e r e q u i r e me n t s for o v e r h a u l d r a i n a g e o f t h e s e t s i n s t a l l e d o n t h e l e ft b a n k ． Ke y wo r d s ： d e e p w e l l p u mp； d r a i n age f o r o v e r h a u l ； P L C c o n t r o l s y s t e m ； S i e me n s ； Th r e e Go r g e s L e f t Ba n k P o w e r S t a t i o n O 引 言 三峡左岸电站机组检修排水系统布置在安 Ⅲ段V 6 7 ． 0 m高 程的水泵房内， 泵房内设有机组检修排水集水井， 用于左岸的机 组检修排水。集水井共安装 6台深井泵， 2套水位传感器 ， 4套浮 子开关进行排水工作。检修排水电气控制系统设 1套控制设备， 由P L C控制柜、 动力柜、 动力 、 控制电缆和低压电器配件组成 ， 整 体结合用于机组检修排水系统 。J 。 核心控制设备设可编程序控制器( P L C ) 、 操作控制器件、 开 关电源装置及液晶触摸显示屏等， 用于 6台泵的联合控制和集水 井的水位显示。可编程序控制器 ( P L C) 及水位显示装置置于联 合控制柜内。每台深井泵主回路均配置断路器、 交流接触器、 软 启动器等 ， 控制回路配置多功能智能继电器、 测量保护装置、 报警 信号元件及其它必须的控制器件。机组检修排水系统所有 的运 行、 故障等信号均引入 P L C控制柜， 并通过 I ／ 0方式将设备运行 状态 、 故障信息上送至本泵房 内的电站计 算机监控 系统远程 L C U1 8柜 ， 便于运行人员的实时监控和远方操作。 l 控 制对 象 三峡左岸电站机组检修排水系统的控制系统为 6台立式深 井泵 。每 台深井泵 为 2 6 0 k W， 额定 流量 9 0 0 m 。 ／ h 。主要将 左岸 集水井里的水排至尾水平台， 实现左岸机组检修时的大量排水 要求。 控制原理 三峡左岸电站机组检修排水系统采用分布式控制系统 ， 通过 P L C控制柜旁边的 L C U 1 8柜中的A B B通讯模块将深井泵相关状 定稿 日期 ：2 0 1 5— 0 7— 0 8 8 4 Ele c t r i c a I Au t o ma t i o n 态信息上送远方监控系统 ， 实现远程监控系统对 6台深井泵的状 态监视和控制功能。现地电气控制系统根据不同的水位， 及预先 设定的逻辑思想实现 6台泵的轮换选择和运行。该控制系统的 控制框图如图 1 所示。 ，一一一一一一一一一一一一一、 图 1 检修排水系统控制框图 2 控制功能 三峡左岸电站机组检修排水系统采用西门子 P L C作为控制 器， 利用西门子最新推出的全集成化软件 T I A P o r t a l 为软件开发 平台， 选用西门子 T P 1 2 0 0系列触摸屏作为人机交互对象， 直观、 实时、 全面的对 6台深井泵的状态进行显示和记录。6台泵的状 态( 包括启停状态、 故障信息 、 备用泵投入 、 检修排水方式投入、 P L C运行、 模拟量异常、 控制方式、 2路 D C 2 4 V电源消失等) 通过 L C U 1 8柜内 A B B远程通讯模块上传至远程监控中心， 实现数据 的通讯和监视。 动控制系统与装置 皇 皇 ! 竺 ! ! 兰 A u t o ma t i c Co n t r o I Sy s te ms＆ E qu i p me n t s 三峡左岸电站机组检修排水 系统共设置了三种控制方式 ： “ 现地 手动”、 “ 现地 自动” 和“ 远方 自动 ” 方 式。三种 方式 之 间相 互闭锁 ， 保证可靠性。 “ 现地 +手动 ” 的工 作方 式下 ： 可 以在对 应深 井 泵 的启 动 柜 面板上通过 自复式按钮启停深井泵。 “ 现地 +自动” 的工作方式下 ： 根据预先要求的工作泵水位 下依次启动 2台工作泵， 备用泵水位下依次启动 4台备用泵， 高 水位下依 次启动 6台水泵 。 “ 远方 +自动” 的工作方式下 ： 将 6台泵的控制权 限交给远 方监控系统 ， 监控系统可以下发启停水泵指令以及“ 检修排水方 式投入 ” 指令 。 依 次启 动的控制思想 是 ： 在 6台深井 泵均无 故 障 ， 外 部动 力 电源、 控制电源均正常， 实际水位满足启泵条件的前提下， 采取 “ 运行次数最少 、 优 先启 动” 的控 制逻 辑 ， P L C控制 程序 ( F C块 ) 中具体对每台泵的运行次数进行统计和比较， 次数最少的优先满 足选择条件 ， 逻辑回路中的开出继电器得电开出， 并利用软启动 器将启动回路切换至旁路运行 ， 避免母线电压产生较大的波动。 启动后程序中的选择块再次进行次数比较， 启动满足次数比较条 件的水泵。工作泵水位、 备用泵水位和高水位下的启动逻辑和思 想均保持一致。实际水位到停泵水位时， 为了减少对母线电压造 成过大的冲击， 采取的控制思想是 ： 启动时优先启动的水泵继续 拥有 自己的优先停泵权 ， 其余水泵依次按照启动顺序停泵 ， 实现 了“ 先起先停” 的控制要求。 同时 ， 实 际水位 采用 2种不同的方法进行采集 。一路选 用模 拟量 渎取 水位 ， 通过 量程为 0 m～1 0 m 的投 入式 的水位传感 器数 据采集 、 判断和处理。其中模拟量选用 2路水位计， 一路水位计 进入 P L C控制 巾的 A I 模块 ， A I 模块对水位进行处理并参与逻 辑判断和控制 同时， 将读取出来的工程值以4m A～ 2 0mA电流 信号的性质通过 A O模块转至 L C U1 8柜 ， 并上送监控系统。另一 路水位 计通过硬接线 的方式直接上送监控系统 ， 监控系统设 有对 应 的处 理模 块 ， 利 『 I 身拥有的算法进行转换 显示 。同时对 2路 水位计所读取出来的水位值进行比较， 偏差较大时进行故障报 警 ， 增加左岸机组排水系统的安全性。 具体的设备要求如下 ： ( 1 )控 制方 式设置 ： 每台排水泵 ( 动力柜 ) 设一个 独立 的“ 手 动 、 自动 、 断开”J ： 作方式切换开关 。同时 ， 在联合控制柜 上， 设有 “ 远方 、 现地 ” 工作方式 切换开 关和一个 “ 检修排 水模式 ( 投入 ) ” 操作切 换歼关 。 ( 2 )远方工作方式： 当各水泵置于 自动方式下时， 排水泵的 启停由 P L C依据程序流程 自动控制， 也可由远方启停水泵。 ( 3 )现地 工作方式 ： 当各水 泵置 于 自动 方式 下时 ， 排水 泵 的 启停 由 P L C依据程序 流程 自动 控制 ， 也 可 通过 触摸 屏现 地启 停 水泵 。 ( 4)现地 自动方式： 排水泵的启停由 P L C依据程序流程的 要求 自动控制， 根据启动轮换次数确定主用泵和备用泵的启动优 先 次序 。 ( 5 )手动工作方式 ： 独立于 P L C， 每一 台泵( 柜 ) 设有一组 “ 启、 停” 手动操作按钮， 由操作人员以手动工作方式直接控制水 泵的启停； 任何情况下， 手动方式优先 ， 不受直流 2 4 V失电影响， 也可由停泵水位的若浮子开关泵； 集水井检修时， 可短接停泵浮 子联翩排水 。 ( 6 )断开工作方式： 闭锁任何控制命令， 只有当受控设备处 于检修状态或排水泵故障状态下， 采用此运行方式。 ( 7 )检修排水模式： 机组检修需大量排水时， 该操作模式控 制 6台水泵投入运行。当集水井水位达到“ 工作泵启动水位” 时， 6台水泵分时顺序启动 ， 并有 1分钟( 可整定) 时间间隔， 以防 止起动瞬间电源母线压降过大； 当水位降至“ 停泵水位” 时， 各水 泵间隔2 0秒依次停运。 ( 8 )渗漏排水模式： 非机组检修排水期间， 当集水井水位达 到“ 工作泵启动水位” 时， 2台水泵分时顺序启动 ， 相互间有 1分 钟( 可整定) 时间问隔； 当水位继续升至“ 备用泵启动水位” 时， 自 动启动 2台备用泵 ， 当水位升至“ 报警水位” 时， 发声光报警， 并 启动所有水泵 ； 当水位降至“ 停泵水位 ” 时 ， 各水泵 间隔 2 0秒依次 停运 。 ( 9 )润滑水控制： 所有深井泵启动前， 应先向其轴承供给润 滑水， 润滑水时间设置为 2分钟， 润滑水的投人通过电磁阀和示 流信号器 自动控制。 ( 1 0 )软启停泵： 所有深井泵的启停过程， 均应软启动、 软停 机和旁路运行 。 3 系统 设计 3 ． 1 硬件设计 根据 三峡左岸 机组 检修 排水的招标文件 、 设计联络会 纪要和 控制要求， 遵循相应的电气设计规范， 共设计了一套控制系统 ， 包 括 P L C控制柜和动力柜。电气设备选型上， 主要选择施耐德 的 产品， 包括按钮、 指示灯 、 断路器、 接触器、 时间继电器。P L C选用 西门子 s 7—3 0 0( C P U 3 1 4 ) 系列产 品， HMI 选 用西门子 1 2寸 T P 1 2 0 0 C o m f o ~系列。软起动器选用丹麦丹佛斯 MC D 5 0 0系列原 装进 口产品。水位传感器选用中美合资的麦克传感器。 2路水位计和浮子开关 的双重使用极大的保证了水位信号 的采集和水泵的启停控制。考虑到集水井的存储情况和大功率 的水泵抽排量 ， 保证水泵不至于在达到停泵水位时电机空转， 停 泵浮子安装在水位计的下方， 从而可以保证在传感器失效的情况 下 ， 达到停泵水位时 ， 立 刻切断 6台水 泵的控制回路 ， 开出继 电器 失电， 自保持回路断开， 运行中的水泵及时停止， 保护电机。 P L C各模块的 D C 2 4 V供 电回路选用台湾明纬公 司生产 的 N E S 3 5 0— 2 4系列开关电源 ， 在开关电源的输入端设计了6路电 源无扰切换保护装置， 该装置分别从动力柜中取电， 正常情况下 6路输入只有一路输出， 保证电源的供给。设计了 2个开关电源 互补 切换 回路 ， 1个开关电源选择从 6路 电源切换装 置取电 ， 1 个 开关 电源直接从左厂的 D C 2 2 0 V直 流源取电 ， 从而能够保证 P L C 的正常运行。 3 ． 2软件设计 三峡左岸机组检修排水控制系统选用西门子最新开发平 台 一T I A P o r t a l V 1 2 。T I A( T o t a l I n t e g r a t e d A u t o ma t i o n ， 全集 成 自 动化) 是采用统一的工程组态和软件项 目环境的自动化软件， 并 且集成了西门子不同版本的编程软件， 利用智能化的组态方式、 E l e c t r ic a I Au t o ma t i o n 8 5 《电气 自动化) 2 0 1 6年第 3 8卷 第 1期 一 动控 制系统 与装置一 Au t o ma t i c Co n t r o I S y s t e ms＆ E qu i p me n t s 友好的 人机 交 互界 面 、 高 效 的 智能拖拽、 强大的工业数据库 和算法库， 丰富的人机开发素 材 ， 真正实现 P L C逻辑编写以 及 H MI 程序 开发 的 同时开发 ， 并方便两者之间数据的仿真调 试 ， 提高编程效率 。 H MI 作 为人机交互 的直接 工具 ， 可 以直 接查 看 每 台泵 的 启动状态( 泵的选择情况、 正在 启动中、 泵的运行) 、 累计流量、 润滑水投入 、 运行 时 间 、 运行次 数 、 故障报警和查询、 历史事件 记录、 高水位报警提示、 检修排 水 投入 提 示 以 及 可 以在 H MI 上对6台泵实现“ 启单停” 操 作等。 另外， 对工作泵水位， 备用 泵水位， 高水位 、 停泵水位以及 集水井基础高程值设计 了水位 读取界面和设置界面， 对设置 界面增加密码保护和用广 1 等级 分配 ， 不 同等 级 的用 户拥 有 不 同密码， 对应的操作也有严格 的区分 。此种设计 方法可 以方 便 日后业主对水位控制要求需 改变时 ， 不 用连 接 P L C进行 程 序修改， 直接可以在 HMI 上可 以向 P L C中对应 的水位设置寄 存器中写入数值， 简捷， 可靠并 且快速。 综上所述 ， 整个控制系统 的软件控制流程如罔 2 所示。 3 ． 3 保护设计 开始 H _- __ _- ～ ——皇一 初婚 化 数搀 采集 和 处理 < 《 芝 判断井 延时 瞄幼矮余 同ii ,j 问问鼢 缚全 部豫 对任何控制系统来说， 故障保护都是至关重要的。 峡左岸 机组检修排水控制系统综合考虑了6台泵的故障， 财每一台水泵 按照启动前， 启动时， 启动中， 启动后， 直至停泵水位时的停止时， 停止中， 停止的顺序合理全面的编写了故障保护程序， 从而保证 系统的可靠性 ， 安全性。主要故障内容、 判定方法如表 1 所示。 4 结束语 三峡左岸机组检修排水系统充分响应招标文件中的招标要 求， 遵循“ 性能可靠 、 安全高效 、 简单经济、 维护方便 、 方便备件” 的电气设 计原则 ， 完全满足水电站“ 无人值班， 少人值守” 的现 代化大型控制系统的要求 - 6 ] 。从设计阶段 、 现场调试 、 后期培 训、 试运行、 运行等阶段 ， 均严格按照业主要求， 彼此及时协商沟 通， 保证问题能够快速解决， 从 能够在短时间里完成系统的投 入和使用。从2 0 1 4年5 J l】 至今， 系统运行 良好， 从 保证 T 峡 左岸机组检修排水 系统的正常运行。 8 6 E l e c t r ic a l A u t o ma t i o n 水 泵强 自动乃式 作泵 近行 判 断 搏延 时 崩其余 1 作 采 达到貉 裂 船动水位 ＼ ， ／ l y 报 臀 并悖 裂 备糊 浆敞障 搬暂 并停聚 1 作聚般障 启器Ⅲ裂 二 = = 备用 故障 图 2 软件控制流程 表 1 三峡左岸机组检修排水故障统计表 ( 下转第 9 0页 ) 暴票 一 一 一