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1、第四章 水轮发电机组PLC控制系统4-1 水轮发电机组PLC控制系统原理水轮发电机组计算机监控系统可以由可编程序控制器PLC、工控机IPC或单片计算机来构成。较多的是使用可编程序控制器来构成水轮发电机组自动控制单元，因可编程序控制器PLC适用于顺序控制，也可对有关模拟量进行采集，水轮发电机组的自动控制也主要是顺序控制，通过对可编程序控制器硬件选型及加上输入输出接口继电器等就可组成所需的硬件系统，利用梯形图编程软件并根据控制过程编制控制软件及模拟量采集软件，从而组成完整的水轮发电机组监控系统。本节主要从硬件的角度讲述以可编程序控制器PLC为主组成的水轮发电机组计算机监控系统。以PLC为主构成的水
2、轮发电机组计算机监控系统不仅仅是完成水轮发电机组的控制，而且还完成水轮发电机组的运行状态、运行参数的采集，可按设定值对水轮发电机组进行调节。4-1.1水轮发电机组PLC控制(一) 接线原理 常规水轮发电机组控制接线原理是由继电器构成的逻辑控制回路，由继电器的线圈和触点组成一定的逻辑关系，来完成机组的开停机顺序控制及其他控制功能。 由可编程序控制器PLC构成的水轮发电机组监控系统控制接线有其自身的特点，与常规水轮发电机组控制系统不同，其接线原理图简单，水轮发电机组的各种状态由状态触点接入PLC的开关量输入模块，控制信号则由PLC的输出模块输出。在接线上条理清晰，输入的信号统统接在PLC的开关量输
3、入模块，输出信号统统接在PLC的开关量输出模块，水轮发电机组控制的逻辑关系则由PLC的软件来完成，而不象常规自动控制系统一样由继电器来完成。在PLC组成的控制系统中，继电器的作用一般是作为中间继电器，而不是用来完成逻辑功能，如开关量输出模块一般均接中间继电器。 常规机组自动控制系统采用继电器的线圈和各种触点的组合来完成一定的逻辑关系，在特定的接线原理图中，常规自动控制系统要求采用特定的动合或动断触点，即在回路中只能使用动合触点或动断触点，这对于动合或动断触点数量较少的场合，需要进行扩展才能满足使用要求。而采用PLC构成的水电站计算机监控系统，则对触点是动合的或动断的没有特别的要求，动合触点或动
4、断触点均可接入PLC的开关量输入模块，且只要有一个状态输入PLC就可以，这个状态送入PLC后，由PLC的软件来构成一定的控制逻辑关系。PLC对输入触点的要求就是这个触点必须是无电压触点，即这个触点必须由PLC专用。 采用可编程序控制器PLC组成的典型的水轮发电机组控制系统控制接线原理如图4-1图4-5所示。若选用的PLC型号不同，其接线方式有一些小差异，但无非是选用的模块的点数不同，模块的数量不同，每块开关量输入输出模块的公共线用1根或2根等，在本质上是没有区别的。 该控制系统的PLC有2块32点的开关量输入模块，1块16点开关量输入模块，1块32点和1块16点开关量输出模块，在图4-1和图4
5、-2的开关量用动合触点的断开位置表示正常或没有动作。 发电机电气事故情况已由事故出口继电器KOUl（图4-2端子X2:15）的动合触点给出，不必再向水轮发电机组的PLC输入发电机电气事故的种类，PLC就可对水轮发电机组作出相应的控制。但是在图中还是把发电机差动继电器KGD的动合触点（图4-2端子X2:17）、复合电压过电流继电器KCV的动合触点（图4-2端子X2:18）、过电压继电器KOV的动合触点（图4-2端子X2:19）、发电机失磁继电器KFF的动合触点（图4-2端子X2:20）、发电机过负荷继电器KOL的动合触点（图4-2端子X2:21）、转子一点接地继电器KRE的动合触点（图4-2端子
6、X2：22）、发电机电压互感器TV断线监视继电器KM01的动合触点（图4-2端子X2：23）、发电机电流互感器TA断线监视继电器KM02的动合触点（图4-2端子X2：24）等接入PLC的输入模块，主要是考虑有部分的机组若采用常规保护，通过这种接法，保护动作的种类就可以由PLC来采集，机组计算机监控系统就可以区分是什么保护动作了，并把动作的保护信号送上位机。 水轮发电机组PLC控制系统开关量输入点数一般为6496点，开关量输出点数一般为64点，参见图4-1至图4-5。水轮发电机组控制相对较复杂，输入、输出点数较多，对机组的控制软件有不同的要求，在选用PLC时应考虑留有一定的余地，通常选用中型或大
7、型可编程序控制器PLC，中型或大型可编程序控制器PLC一般为模块式结构，组成的系统灵活，便于扩展。前面已介绍过，开关量输入、输出模块每块模块的点数有8、16、32等几种规格，模拟量输入模块每块模块的点数有4、8、16等几种规格，可编程序控制器PLC基板最多可以装10块模块，如果选用点数少的开关量输入输出模块和模拟量输入模块，则水轮发电机组PLC控制系统的模块数量就较多，再加上PLC的电源模块和CPU模块，所有的模块数量就有可能超过10块，一块PLC基板安装所有模块就不够了，需要使用PLC的扩展基板，增加了PLC在控制柜中所占的空间，因此在一般情况下应尽可能选用点数多的模块，如32点的输入输出模
8、块和16点模拟量输入模块，以减少PLC的模块数量，减少PLC在控制柜中所占的空间。 图4-1 水轮发电机计算机监控接线原理图（一）导叶开度小于空载导叶开度大于空载图4-2 水轮发电机组PLC控制接线原理图（二）图4-3 水轮发电机组PLC控制接线原理图（三）L1+ L1-3 X5：112345678COM图4-5 水轮发电机组PLC控制接线原理图（五）X5：2X5：3X5：4至拨码盘- X5L2- L2+拨码盘控制备用拨码盘控制PLC2#开关量输出模块L2- L2+图4-4 水轮发电机组PLC接线原理图（四）在实际使用中，水轮发电机组开关量输入、输出点数不一定刚好与开关量输入、输出模块的点数相
9、同，所选用的开关量输入、输出模块的点数应大于机组开关量输入、输出点数，这样才能满足使用的要求。通常还要求开关量输入、输出模块留有5的空余点作为备用，这在一般情况下是不需要为备用专门增加模块；因为模块的点数一定大于实际使用的点数。PLC的开关量输入输出模块的电压通常是DC24V或AC220V，在水轮发电机组控制中，AC220V较少作为操作电源的电压，因此由PLC构成的水轮发电机组控制系统较常用的操作电源电压是DC24V。但是，由于被控制的水轮发电机组的操作电源电压经常为DCll0V或DC220V，PLC DC24V的输出模块不能对此直接进行控制，加之PLC输出模块每路的功率有限，因此，在一般情况
10、下，PLC的输出模块是通过输出中间继电器来完成对水轮发电机组的控制，如图4-4所示。 (二) 机组开机 不论采用常规自动控制设备或采用PLC控制设备来控制水轮发电机组，水轮发电机组的控制过程基本是不变的。1开机条件(1) 发电机断路器在跳闸位置，断路器合闸位置继电器KCP的动合触点在断开位置（图4-1 端子Xl:17）。(2) 发电机制动闸内无风压，制动闸在落下位置，制动闸位置开关SRV在断开位置（图4-1 端子Xl:16）。(3) 水轮发电机组无事故。紧急停机按钮SBES没有按下（图4-1端子Xl：9）；发电机灭磁开关QFB在跳闸位置（图4-1端子Xl：18），灭磁开关动合辅助触头在断开位置
11、；水轮机导水机构剪断销正常，剪断销信号器SS的动合触点在断开位置（图4-1端子Xl：19）；机组轴承、绕组温度正常，温度信号器ST的动合触点在断开位置（图4-2端子X2：2和3）；上导轴承、推力轴承、水导轴承的油位正常，液位信号器SL的动合触点在断开位置（图4-2端子X2：4至9）；调速器油压正常，油压偏低、事故低油压压力信号器SP的动合触点在断开位置（图4-2端子X2：10和11）；发电机无电气事故，发电机电气事故出口继电器KOUl的动合触点在断开位置（图4-2端子X2：15），也就是说发电机差动继电器KGD（图4-2端子X2：7）、复合电压过电流继电器KCV（图4-2端子X2：8）、过压继
12、电器KOV（图4-2端子X2：19）、发电机失磁继电器KFF（图4-2端子X2：20）、发电机过负荷继电器KOL（图4-2端子X2：21）、转子一点接地继电器KRE（图4-2端子X2：X22）。2开机操作 当上述开机条件满足后，开机准备信号灯PLl点亮（图4-4端子X4：27），见图4-4水轮发电机组PLC控制接线原理图。开机操作过程如下。(1) 蝶阀开启 1）开机联动开启蝶阀操作开停机控制开关SACl（图4-1端子Xl：1），将控制开关SACl拧向开机方向，其触点l、2接通，可编程序控制器PLC首先检测蝶阀启闭位置，若蝶阀全关限位开关SBV2的动合触点闭合（图4-1端子Xl：15），则表明蝶
13、阀在关闭位置，PLC先联动开启蝶阀，蝶阀开启中间继电器K3动作（图4-4端子X4：5），向蝶阀开启回路发出开启命令，满足开启条件的蝶阀控制回路，先开启旁通阀，使阀前后平压，平压后开启主阀。蝶阀开启中间继电器K3由PLC给出指令保持至蝶阀全开。在蝶阀开启过程中，蝶阀开启位置信号灯PL2闪烁（图4-2端子X4：28）；当蝶阀开启后，蝶阀全关限位开关SBV2的动合触点断开（图4-1端子Xl：15），蝶阀关闭位置信号灯PL3熄灭（图4-4端子X4：29）；当蝶阀到达全开位置时，蝶阀全开限位开关SBVl的动合触点闭合（图4-1端子Xl：14），蝶阀开启位置信号灯PL2为平光点亮（图4-4端子X4：28）
14、。 2) 直接操作开启蝶阀开启蝶阀的另一种方法，就是不采用开机联动开启蝶阀，在把开停机控制开关SACl拧向开机方向前，在蝶阀就地控制柜或机旁屏操作蝶阀启闭控制开关，先把蝶阀开启。如在机旁屏上操作蝶阀启闭控制开关SAC2（图4-1端子Xl：30，把控制开关SAC2拧向蝶阀开启方向，其触点1、2接通，PLC控制蝶阀开启中间继电器田动作（图4-4端子X4：5），向蝶阀开启回路发出开启命令，蝶阀开启中间继电器K3由PLC经一定延时后动作复归；在蝶阀开启过程中，蝶阀开启位置信号灯PL2闪烁（图4-4端子X4：28）；当蝶阀开启后，蝶阀全关限位开关SBV2的动合触点断开（图4-1端子Xl：15），蝶阀关闭
15、位置信号灯PL3熄灭（图4-4端子X4：29）；当蝶阀到达全开位置时，蝶阀全开限位开关SBVl的动合触点闭合（图4-1端子Xl：14），蝶阀开启位置信号灯PL2为平光点亮（图4-4端子X4：28）(2) 投技术供水当机组开停机控制开关SACl拧向开机方向，蝶阀已开启，PLC检测蝶阀全开限位开关SBVl的动合触点闭合（图4-1端子Xl：14），蝶阀开启位置信号灯PL2点亮（图4-4端子X4：28）。则PLC继续检测上导轴承冷却水、推力轴承冷却水、主轴密封水等的示流信号器SFl、SF2、SF3的动合触点（图4-1端子Xl：31和32，图4-2端子X2：1），若这些动合触点没有闭合，则表明技术供水未投入，PLC开机联动
