隔河岩电厂大坝廊道排水控制系统改造及优化设计

2019-03-01 09:59饶士立郑艳梅

水电与新能源 2019年2期

饶士立，郑艳梅，吴凡

(湖北清江水电开发有限责任公司，湖北宜昌 443000)

大坝廊道排水系统主要作用是将坝体和山体渗水集中排出，保证廊道内的观测设备和下游消力池观测廊道的安全。隔河岩电厂水利枢纽大坝廊道排水控制系统分布于4个泵站，分别在右护(潜水泵2台，各37 kW)、58廊道13坝段(潜水泵2台，各30 kW)、58廊道16坝段(潜水泵2台，各30 kW)和左护(潜水泵3台，各37 kW)。每个泵站中，各水泵电机互为备用，根据集水井水位自动启停，也可手动控制启停。

隔河岩电厂原大坝廊道排水控制系统为2003年投运，其所处的大坝廊道内环境潮湿且通风效果差，在长达14年的运行中，逐渐凸显出以下问题：①各泵站盘柜柜内元件出现不同程度的老化，曾出现接触器烧损、信号频繁误报、停泵按钮接点粘连导致不能正常停泵等缺陷；②该排水控制系统信号上送PLC布置在右护泵站，通过远程I/O采集左护、58廊道16坝段、58廊道13坝段三个泵站的信号，通信传输由左护→58廊道16坝段→58廊道13坝段→右护→监控系统主站，以此形成的链式结构在传输可靠性方面存在瓶颈；③接触器过于老旧，厂家不再生产，备品备件兼容性差，无法满足消缺要求。

为解决以上问题，隔河岩电厂大坝廊道排水控制系统于2017年进行了改造和升级。新系统的电气单元加装软启动器，在直接启动基础上增加软启动方式；由液位变送器和浮球开关组成测量部分，实现模拟量+开关量的双重测量通道；采用施耐德PLC进行控制及通信，并通过双环网方式优化通讯拓扑结构。

1 系统总体设计

1.1 系统功能

1.1.1 根据大坝廊道排水控制系统的设计要求，主要设置以下5种功能

1)自动排水。各泵站均采用液位变送器采集水位模拟量信号，分别设置有启主泵水位、启备用泵水位、停泵水位。在自动运行方式下，同一泵站内各水泵电机轮换启动，各泵站依据水位模拟量信号或浮球开关量信号自动启停水泵电机。

2)手动排水。在手动运行方式下，可通过对应的转换开关和按钮单独控制被控水泵电机的启停。

3)实时监控。各泵站水位模拟量信号及重要开关量信号均由工业以太网通信上传至监控系统主站，各泵站运行状态变化以报文及语音方式经监控系统语音工作站实时播报，实现对该排水控制系统4个泵站的实时监控。

4)故障诊断。由现地单元PLC可直接诊断出来的故障分为两类：一类故障和二类故障。一旦一类故障发生，故障指示灯会常亮示警，且出现该故障的水泵电机将无法启动，直至故障解除。二类故障不会影响系统运行，但故障指示灯会常亮示警，直至故障解除。

5)数据记录。监控系统主站历史服务器会有效记录各泵站数据信息，排水控制系统在后期运行中如若出现故障，将以此数据记录作为故障分析重要依据。

1.1.2 根据大坝廊道排水控制系统的设计要求，主要实现以下4种功能冗余

1)启动方式冗余。新系统采用水泵电机软启动方式及旁路接触器直接启动方式。优先选用软启动方式启动水泵电机，避免水泵电机启动电流过大而冲击厂用电。在软启动器故障且短期内无法修复时，可切至旁路接触器直接启动方式，以保证水泵电机顺利投运。

2)启停判据冗余。各泵站优先以水位传感器采集的水位模拟量信号为依据控制水泵电机自动启停，此时浮球采集的开关量信号作水位报警。在水位传感器故障时，系统将再以浮球采集的开关量信号为依据自动启停水泵电机。

3)通信链路冗余。系统双环网通信在功能冗余方面有两点体现。其一，4个泵站的环网通信组成闭合回路，环中数据可以双向传输，避免了因某一结点故障导致的通信中断。其二，环网设置为两套，A套环网由右护泵站的光电交换机A1通过多模光纤与监控系统主站的核心交换机A通信，B套环网由左护泵站的光电交换机B1通过多模光纤与监控系统主站的核心交换机B通信，任何一套网络掉电或故障均不会影响系统正常通信。系统通信链路如图1所示。

4)电源供应冗余。系统动力柜及控制柜均从两路电源取电，以避免单路电源失电导致系统掉电，且动力柜断电不影响控制柜电源，控制柜断电不影响光电交换机电源，从而保证系统可靠运行。

图1 系统通信链路图

1.2 系统构成

控制系统分3层结构，依次为主站监控层、PLC控制层、现地设备层。主站监控层以工业计算机为中心，采用双网模式，通过工业以太网与PLC控制层的各泵站进行通信，实现对整个系统的集中监控以及必要的数据记录和显示。PLC控制层作为各泵站运行监视和控制终端，能实时采集水泵电机控制方式、启动方式、水位数据、故障信息等运行状态，并针对不同运行工况，实现对水泵电机的自动控制。现地设备层即现场的各执行设备及检测报警装置等，包括水泵电机、接触器、软启动器、继电器、传感器等。

4个泵站各自设置一套施耐德Quantum 140系列PLC作为各泵站的控制核心。各泵站的PLC相互独立，配合数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、以太网接口模块共同完成系统要求的控制及通信功能。各泵站PLC控制系统结构图如图2所示。

图2 各泵站PLC控制系统结构图

2 控制系统硬件设计

2.1 PLC模块选型

大坝廊道排水控制系统中PLC主要作用是：①数据采集，如水泵电机运行工况、水位信息等；②数据处理，通过程序逻辑，对采集的数据进行处理，并输出控制信号；③数据交互，各泵站间及泵站与监控系统主站间通过工业以太网进行数据传输，以完成对该控制系统的运行状态监控。该控制系统现地单元位置离主厂房有较远距离，比较偏僻，稳定通信是对该控制系统进行有效监控的必要条件；且该控制系统工作在比较潮湿环境中，因而对PLC工作性能要求比较高。本项目所选用的控制器为施耐德Quantum系列PLC，工作性能较为稳定。各模块配置为：CPU65150，数字量输入为DDI35300(24VDC 32点输入)，数字量输出为DDO35300(24VDC 32点输出),模拟量输入为ACI04000(16通道电流)，以太网接口模块为NOE77101。PLC模块配置如图3所示。

图3 各泵站PLC模块配置

2.2 水泵电机控制原理

水泵电机控制原理由主回路和控制回路组成。

主回路主要由断路器、主接触器、旁路接触器、软启动器、热继电器、空气开关及水泵电机等组成，接线如图4所示。

图4 主回路接线图

控制回路由控制电源监视、软启动、直接启动、水泵电机运行指示、软启动器故障指示、热继电器动作指示、系统故障指示等组成。控制回路部分如图5所示，其中继电器1KA3线圈在软启动器1RQ正常时励磁，此时1KA3常开结点6-10闭合，当软启动器故障时，该常开结点断开。在软启动或直接启动方式下，均可手动或自动启停水泵电机。

以软启动方式自动控制为例：启动方式转换开关1SA1切至“软启动”，控制方式转换开关1SA2切至“自动”；当PLC开出启动水泵电机指令时，其相应开出继电器K1线圈励磁，K1常开结点5-9闭合，此时继电器1KM4线圈励磁；则1KM4常开结点1-2闭合，使得继电器1KM3线圈励磁，主回路中1KM3常开结点67-68延时闭合，为软启动器运行作准备，同时1KM4常开结点57-58闭合，使得主接触器1KM1线圈励磁，则主接触器闭合；主回路中1KM1常开结点153-154闭合，此时软启动器具备启动条件，水泵电机经主接触器、软启动器开始启动。水泵电机软启动完成后，软启动器R2A-R2C常开结点闭合，旁路接触器1KM2线圈励磁，则旁路接触器闭合，水泵电机经主接触器、旁路接触器运行。

当PLC开出停止水泵电机指令时，其相应开出继电器K1线圈失电，K1常开结点5-9断开，此时继电器1KM4线圈失电；则1KM4常开结点1-2断开，使得继电器1KM3线圈失电，同时1KM4常开结点57-58延时断开，使得主接触器1KM1线圈失电，则主接触器断开，水泵电机停止运行。

图5 控制回路部分接线图

3 控制系统软件设计

本项目采用编程软件Unity Pro XL V7.0组态项目程序，各泵站PLC控制程序由主程序、数字量输入输出映射处理、水位模拟量处理、电压模拟量处理、电流模拟量处理、水泵电机轮换启停控制、故障诊断、数据上送主站等程序组成。

主程序：主程序内的程序语句总是会被循环扫描并执行，并通过主程序调用各子程序，将所有子程序的运算结果均递交到主程序，以实现相应功能。

数字量输入输出映射处理程序：数字量输入输出为BOOL/EBOOL型变量。EBOOL类型为定位变量，是与I/O硬件模块输入输出通道相关联的。BOOL类型作为本项目中非定位变量，既不与I/O硬件模块输入输出通道相关联，也不与内存引用地址相关联。将EBOOL类型变量映射为无需设定地址的BOOL类型变量，经此处理后，首先可有效避免编写程序时有外部变量重复输出，其次在设备后续运行中，若I/O硬件模块某通道故障，则需对该通道进行变更，对通道接线更改后，在修改PLC程序时只需在映射处理程序中修改新的变量通道对应的EBOOL地址即可，简化了程序修改工作量。数字量映射部分程序段如图6，其中B1_RQW(%I1.4.2)、B2_QT(%Q1.5.2)为EBOOL型，DI1[1]、DO1[1]为BOOL型。

图6 数字量度输入输出映射部分程序

模拟量处理程序：本项目中模拟量输入模块采集的为4～20 mA电流信号，在该模块内经过A/D转换装置转换为0～16000的数字量。本项目中所选用的16通道模拟量输入模块，位于1号导轨上6号插槽，每个通道经A/D转换后所得的数字量占一个字内存(即16位)，数据类型为INT型。模拟量各通道地址如表1所示(其中3号水泵电压、3号水泵电流只存在于左护泵站)。