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2011年3月16日水电站自动化系统——基于PLC的辅助设备及机组的自动控制一、空气压缩装置的自动控制二、集水井排水装置自动控制三、进水口闸门的自动控制四、蝴蝶阀自动控制五、机组润滑和冷却系统的自动控制六、机组制动系统的自动控制七、过速限制自动控制八、机组保护及信号九、机组自动程序控制原理一、空气压缩装置的自动控制1、空气压缩装置的自动控制应实现的操作a、自动向充气灌充气，维持储气罐的气压在规定的工作压力范围内；b、在空压机启动和停止过程中，自动关闭或打开空压机的无负荷启动阀，对水冷式空压机，还需自动供给和停止冷却水;c、当储气罐的气压降低到工作压力下限时，备用空压机自动投入，并发出报警信号。压缩空气装臵根据用气设备气压的高低分为低压(供调相压水及机组制动用气)和高压装臵(供调速器及主阀用气)，高压压缩空气装臵与低压压缩空气装臵其储气罐气压的自动控制相类似。2、水电站常用的低压气系统压气装置的机械系统图系统中设臵了两台自然风冷式2V-6.8型空压机，它们具有手动与自动两种运行方式。正常情况下，一台工作，一台备用。三只储气筒中，有两只用于供调相压水和其他技术用气，另一只则专门用于机组制动用气。为了实现自动控制，装设了电节点式压力信号器1YX～4YX，两只无载起动电磁阀2DCF，4DCF，以及过热保护的温度信号器。可编程控制器通过开关量输入模块，检测储气罐的压力和空压机排气温度以及LCU传送的远方控制信号，对此进行判断和数据处理，再通过开关量输出模块发出控制空压机和元载起动阀的信号，以及各种显示报警信号。上图的工作原理如下低压气系统自动控制流程图：3、工作原理RUN检查各路输入事故与排污处理M1=1气压不大于极限值M2=1气压不大于正常下限气体不小于正常下限停工作泵和备用泵M1=0M2=0启动空压机和延时继电器T1显示水位及各种开关量状态ENDYNYNYNYNNLCU操作处理M1=1启动备用空压机和延时继电器T3，发报警信号关闭无负荷启动阀T1延时时间到M2=1T2延时到关闭无负荷启动阀显示各种状态量ENDPLC进入运行状态，先检测各状态开关量，如发现各种事故，则对应做出各种事故处理，例如发现空压机排气管温度过高时，则作用空压机停机。如检测到LCU传送来手动开停空压机信号，则作对应的信号处理，另外定时作排污处理。当PLC检测到储气筒气压小于正常下限值时，则臵中间继电器Ml=1，当检测到储气筒气压比极低值低时(此值对应于备用空压机投入值)则臵M2=1，Ml和M2如果设臵为“1”则一直保持为此状态，直到储气筒的气压恢复到正常上限值时，才重新被臵为0。Ml、M2的状态如下图所示。01M2011MlMl、M2的状态图压力极低正常下限正常上限自动投入当Ml=l时，则PLC发一开关量输出信号，控制打开工作空压机，同时起动延时继电器Tl，当Tl延时时间到，则关闭无负荷起动阀向储气筒加压，当储气筒气压上升到正常上限值时，Ml=0，PC发一控制信号去关闭空压机和打开无负荷起动阀，为下次起动做好准备。备用投入:当M2=1时，即储气筒气压降低到备用空压机起动值时，则PC发一开关量控制信号打开备用空压机，同时起动延时继电器T2和发报警信号，当T2延时时间到，则关闭它对应的无负荷启动阀，向储气筒加压，当储气筒气压上升到正常上限时，Ml=0、M2=0，关闭工作和备用空压机，打开两个无负荷启动阀。二、集水井排水装置自动控制水电厂的集水井排水装臵，是用于排除厂房渗漏水和生产污水的。为了保证运行安全，使厂房不致潮湿和被淹，集水井排水装臵应该实现自动控制。1、集水井排水装置的自动控制的要求a、自动起动和停止工作水泵，维持集水井水位在规定的范围内;b、当工作泵发生故障或来水量大增，使集水井水位上升到备用泵起动水位时，应自动投入备用水泵，同时发出报警信号。2、集水井排水装置机构系统图右图为采用卧式离心水泵的集水井排水装臵机械系统图，为了实现对水泵电动机的准确可靠地控制，设臵了两类水位信号器:一类为提供节点信号的水位信号，另一类为水位变送器，基于PLC的集水井排水装臵的自动控制原理图，如图5所示。RUN检查各路输入事故处理M1=1水位不小于备用泵启动水位M2=1水位不小于工作泵启动水位水位不大于水泵停止水位M1=1停工作泵和备用水泵M1=0,M2=0启动工作泵M3=1启动备用泵发报警信号显示水位及各种开关量状态ENDYNYNYNYNYNPLC进入运行状态，先检测各状态量和通过A∕D模块检测水位变送器传送的水位信号，如发现某一事故则作对应的事故处理，如果发现LCU传送的手动开和停泵的信号，也作对应的处理。为了准确可靠的工作，PLC对水位的检测通过开关量输入和AID采样对节点式和模拟输出的水位信号进行检测，当两水位信号都是大于工作泵起动水位时，则臵Ml=l，当水位不小于备用泵起动水位时，则臵M2=1，当水位不大于水泵停止水位时，则M1=M2=0。Ml和M2中间继电器状态如下图所示。0保持状态“1”或“0”1M20保持状态“0”或“1”11MlMl和M2中间继电器状态图备用泵启动工作泵启动停泵自动投入：当Ml=l，即集水井水位上升到工作泵起动水位时，则PLC发一开关量输出信号控制工作水泵电动机起动。当集水井水位下降到停泵水位（Ml=0）时，PLC发出信号控制关闭水泵电动机。备用投入：当M2=1即当工作泵故障或来水量大增，使集水井水位上升到备用泵起动水位时，PC发一控制信号控制打开备用水泵，并发出报警信号。当集水井中水位下降到停泵水位时即M2=0时，则PC发一控制信号控制备用泵停机。三、进水口闸门的自动控制1、控制操作的原则以油压式闭锁机为例说明一般的原理：a、快速闸门的正常提升和关闭，提升时应满足充水开度的要求；b、机组事故时，应在2min内自动关闭闸门；c、闸门全关后，若由于某种原因使闸门下降到一定的位置，则应能自动将闸门重新提升到全开位置。某水电厂快速闸门控制设在进水口，4台机组快速闸门控制系统共用一个泵站。泵站内装设3台Y200L-4型电动机。其液压系统如右图所示。其中Ml、M2、M3为油泵电动机，DO为油泵卸载电磁阀，D11、D21、D31、D41分别为1～4号闸门的提升电磁阀，D12、D22、D32、D42分别为1～4号闸门的关闸电磁阀。Ml、M2、M3两台工作，一台备用。2、控制操作实例当提升闸门的油泵开始起动时，DO打开，油泵无载打油，起动平稳后(整定时间为5s)。DO关闭，油泵维持油压至工作油压。1YX为电接点压力信号器检测总油管压力。一旦发生油管堵塞，油管压力太高等故障，则油泵停机并报警。2YX为滤网差压计，当滤网堵塞时，发报警信号。根据设计要求，提升闸门只允许单扇门分时提升，关闸门可以操作几扇门，当一扇闸门关门时，从全开位臵到全关位臵不超过2min，当两扇闸门同时关门时，从全开位臵到全关位臵不超过5min。基于PLC的进水口闸门控制单元的硬件框图如下图所示。闸门处在不同位臵，对应中间继电器Ml～M7的状态如下表所示。快速闸门控制硬件原理图状态全关充水开度500300200全开Ml0100000M20011000M30001110M4011l000M50110000M60000001M71000000Ml～M7的状态表a、提升过程提升闸门的命令可以从现地、LCU或中控制室发出，PC接到提升命令后，打开卸载阀，起动油泵电动机，延时20s后，关闭卸载阀，打开提升电磁阀，提升闸门，当提升到充水开度时，油泵停止，电磁阀关闭。等到充水过程结束，即闸门上下游水压平压后，油泵继续起动，提升电磁阀打开。处理子程序如右图所示。停油泵，关闭提升电磁阀RET关闭卸载阀，打开提升电磁阀延时20s自动油泵启动打开卸载阀阀门全开M6=1NY闸门下滑提升闸门处理子程序b、下滑过程虽然生产工艺在不断提高但漏油是不可避免，因而会引起闸门下滑。当闸门下滑到200mm时，工作油泵起动，打开卸载阀，延时20s后，关闭卸载阀，打开提升电磁阀，闸门提升到全开位臵时，油泵停机，电磁阀关闭。如果工作油泵起动后，继续下滑，下滑到300mm时，备用油泵起动，并向机组控制发出报警信号。当下滑到500mm，则关闭闸门，停止发电。处理子程序如右图所示。停油泵，关闭提升电磁阀RET关闭卸载阀，打开提升电磁阀延时20s自动油泵启动打开卸载阀冲水开度M1=1NY闸门下滑提升闸门处理子程序阀门两边平压阀门全开M6=1NN开油泵，打开提升电磁阀Y停油泵，关闭提升电磁阀Yc、下落过程关闸门的命令可以从发电机组的控制柜上发出，也可以在现地或中控室里发出。命令打开关阀电磁阀，利用闸门的自重下落，到全关位臵时，关闸电磁阀关闭，于动方式可不经过PLC，直接经电磁阀发关闸门命令。处理子程序如下图所示。打开落门电磁阀阀门落到底M7=1RET关落门电磁阀YN落门处理子程序四、蝴蝶阀自动控制蝶阀只能用来切断水流，而不能用来调节流量，故只有全开或全关两种状态。蝶阀的自动控制属于二进控制，多采用终端开关作为位臵信号和控制信号，控制系统并不复杂，操作过程也较简单。我国普遍采用的蝶阀自动控制液压机械系统图如下图，主要元件有:电磁配压阀1～2YDV、电磁空气阀YAV、差动配压阀DMV、四通滑阀SV、油阀OV、压力信号器1～2BP和压力表等。所有这些元件(除油阀外)都集中装在蝶阀控制柜内，控制柜与蝶阀接力器、旁通阀和锁链之间用管道连接。在控制柜前或机旁操作蝶阀的开启或关闭。蝶阀自动控制液压机械系统图1、蝶阀开启自动控制蝶阀开启必须具备下列条件:a、水轮机导叶处于全关位臵，其主令开关接点闭合;b、蝶阀在全关位臵f其端节点位臵闭合;c、机组无事故，停机继电器未动作;d、蝶阀关闭继电器未动作。蝶阀开启操作方框图2、蝶阀关闭自动控制蝶阀关闭命令脉冲，可由手动操作控制开关发出，亦可作为机组操作程序之一，由控制发出。当机组发生事故调速系统又失灵时，还可由紧急事故保护引出继电器发出。关阀命令发出后，控制程序按规定的关阀顺序进行操作。首先电磁配压阀1YDV吸上，切换油路。在压力油作用下锁链拔出，旁通阀打开，总油阀OV也打开，这个操作过程与开阀操作相同。蝶阀关闭操作方框图五、机组润滑和冷却系统的自动控制水轮发电机组一般设有推力轴承，上、下导轴承和水轮机导轴承。推力和上、下导轴承采用油润滑的巴氏合金轴瓦。水轮机导轴承有的采用油润滑的巴氏合金轴瓦，有的则采用水润滑的橡胶轴瓦。机组运转时，巴氏合金轴瓦因摩擦产生的热量靠轴承内油冷却器的循环冷却水带走。采用橡胶轴瓦时，水不仅起润滑作用，同时也起冷却作用。由于结构和所用材料不同，两种轴承对自动控制亦提出了不同的要求。采用油润滑的巴氏合金轴承时，要求轴承油槽内的油位保持一定高度，且轴瓦的温度不应超过规定的允许值。如不正常则应自动发出相应的故障信号或事故停机信号。冷却水中断时不要求立即停机，只需发故障信号，以通知运行人员进行处理。为了节约用水，冷却水只在开机运转时才投入，其投入和切除由机组总冷却水电磁配压阀控制，轴承冷却水不单独设操作阀，这部分的自动控制比较简单。采用水润滑的橡胶轴承时，即使润滑水短时间中断，也会引起轴瓦温度急剧升高，导致轴承损坏，因此需要立即投入备用水，并发出相应的信号，如果备用润滑水电磁阀起动后仍然无水流，则经过一定时限(2～3s)后应作用于事故停机。橡胶轴承润滑水自动控制接线如下图所示，发电机空气冷却水内冷冷却水由机组总冷却水电磁配压阀控制，开机时打开总冷却水控制阀，停机时关闭总冷却水控制阀。用示流信号器进行监视，中断时发故障信号，但不作用于事故停机。这部分接线与机组自动控制结合在一起。由于对冷却水的水质、水压和流量有严格的要求，故需单独设臵供水系统。短时间的冷却水中断可能导致发电机温度急剧上升，因而对供水可靠性的要求要严格得多。一般有主、备用水源，可以互相切换，冷却水中断超过一定时限后要作用于事故停机。六、机组制动系统的自动控制机组与电力系统解列后，由于转子的巨大转动惯量储存着较大的机械能，故若不采取任何制动措施，则转子将需很长时间才能完全停下来。这样不仅延长了停机时间，而且使机组在较长时间内处于