基于PLC的水电机组LCU控制程序设计

基于PLC的水电机组LCU控制程序设计

【摘要】随着计算机技术的不断发展，计算机监控系统已经广泛应用在水电厂的自动控制系统中。其中，可编程控制器PLC由于采用了计算机技术，具有通信、计时控制、数据采集、数据运算和逻辑控制等多种先进功能。对于水电厂来说，采用一套结构合理、功能完善、可靠性高、人机界面友好的计算机监控系统是非常必要的。本文作者结合工作单位，对其PLC的水电机组LCU控制程序设计相关问题进行了探讨。

【关键词】水电机组；PLC；LCU；程序设计

Abstract: With the continuous development of computer technology, computer monitoring system has been widely used in the automatic control system of the hydropower plant. Which, using computer technology, programmable controller PLC with communication, timing control, data acquisition, data computing and logic control, and other advanced features. For hydropower plants, using a reasonable structure, perfect function, high reliability, friendly interface and a computer monitoring system is very necessary. The authors combine work units, and discussed issues related to their PLC hydropower unit LCU control program design.Keywords: hydropower units; PLC; LCU; program design

引言

水电厂现场环境较差，有较大的电磁干扰、潮湿、振动，而PLC是专门为工业环境设计，可靠性高，一些大型的高端PLC具备直接上网功能、中断功能，为以PLC为基础的LCU在水电厂应用提供了基础，成为一种主流模式。LCU结构配置基本类似，但是在PLC程序编制方面，由于设备不同型号、不同电厂、不同的编程人员，PLC程序也不尽相同。

1 PLC程序功能及设计原则

1.1PLC程序功能

在以PLC为基础的LCU设计中，PLC主要有三方面的功能，PLC程序编制也主要围绕这些功能进行。首先是完成机组控制功能，包括开停机流程，事故停机流程，AGC的有功、无功闭环调节功能；其次是建立通信功能，包括与上位机通讯，传输机组实施数据，建立MB+局域网络与励磁、电调、测温、保护、百超表装置通讯，充分利用通讯功能，尽可能多的上传机组数据；第三是解决人机界面，用触摸屏配合显示机组开停机流程、故障和事故光子牌、电气接线图(包括相应电气量)、温度量、模拟量，用指示灯显示机组状态和开关位置同时设置故障复归按钮和事故停机按钮。

1.2设计原则

(1)明确程序设计思路，理清控制对象，主次分明，以安全可靠为第一，做到技术先进，维护方便，简洁、干净，闭锁条件明了，环环相扣。(2)在开停机程序中设置醒目标识，如：机组状态、开停机条件、发电条件，方便维护人员编程和识读，使控制程序井然有序。(3)软件功能模块化，能清晰表明LCU各个部分的功能，如开停机模块、报警模块、SOE(中断量)模块、MB+网通讯模块。

2控制程序编制及MB+局域网

2.1 控制程序编制

针对机组的不同工况，标识4种状态：停机态、空转态、空载态、发电态，其余为不定态，机组状态识别要求有效、准确，机组的开机、停机、并网解列操作就是为了完成4种工况的转换，操作可以分为上位机操作和机旁手动操作。

运行人员可按照预先设定的流程进行全自动开、停机操作，或者单步操作，如停机到空载，空载到发电等。在程序执行中到达某一步时，在流程退出前，运行人员也可以通过现场手动操作来干预相应步骤。不论在非停机态的何种工况优先执行事故停机流程，中断其他程序，保证机组安全。

在程序编制中，为了编程方便，设置开机条件，空载至发电条件，空载至停机条件，开机条件以不影响机组开机和开机后动作为原则，闭锁条件来自于机组方面；空载至发电条件以相关开关刀闸位置为闭锁条件，同时判断机组在空载态；空载至停机条件需要判断机组在运行，但是出口开关和高压侧开关已经有一侧解列。

在程序中还设置了一些中间量，如空载至发电控制完成，空载至发电控制流程退出，空载至发电控制完成，低压开关同期失败，高压开关同期失败等。用来迫使相应流程中断，复归开机、停机、并网等相应的操作指令，同时向上位机上报信息。介绍程序编制过程，为了顺利开机，保证开机过程和开机后设备可靠动作，在程序中设置了开机条件，动作步骤分为六大步。每一步操作均进行自检，当某一步操作失败，则上报信息，超时流程退出，不论停机到空载流程完成或者退出，中断开机程序，复归开机令。

2.2 MB+局域网

在局域网通讯中采用MB+网，该网络的一个显著特点是允许网上的任意节点可随时自由地进网或退网，在一个节点退网时，网络协议会自动地将其绕过。该程序在功能块图表FBD中进行相应程序编制，每一个功能模块代表一个网设通讯操作,编程和调试非常直观，如：电力智能仪表实时循环显示机组和线路的电流、电压、有功、无功等，并将数据通过MB+网送入PLC模块。在FBD图表中用MBP_MSTR功能块表示，温度巡检、励磁、电调由于采用RS485或RS232通讯，不能直接接人MB+网，通过BM85网桥将实时数据送人MB+网，通过read—REG功能块使能开关，每隔0.5s轮流访问BM85网桥相应连接的串行口自动化设备—次，由ADDR功能块进行读取相应数据。

3现地控制单元LCU的特点及在水电厂的应用

3.1 LCU的结构

机组LCU由高档工业控制微机及高档性能进口PLC及操作控制面板、准同期装置、转接端子及接口电路、电源、机柜等构成。

3.2 LCU的基本功能

(1)数据采集和处理。采集机组、主变和线路各种模拟量（非电气量、电气量）经标度变换，限值比较等处理后送主控级及现地显示。机组、线路、厂用变有功电度和无功电度的累计并上送主控级，实现高低峰分时计量。采集主、辅设备状态户继电保护动作和操作顺序记录，并将事件的顺序记录和开关量信息传送至主控级。事故顺序记录的分辨率为5ms。

（2）安全运行监视。与主控级配合，实现安全监视，主要包括实时状态监视、越限检查、开停机过程监视等。

（3）控制与调节。机组LCU接收全厂主控级或中控室集控台及现地草组面板发来的信息进行下列控制与调节：1）机组正常顺序开停机控制；2）机组同期装置控制；3）机组事故停机控制；4）机组工况转换：开机准备-发电，发电-停机准备；5）机组有功、无功调节；6）机组灭磁开关控制；7）机组压油装置控制；8）机组主备用水控制；9）机组励磁风机控制；10）机组电机制动控制；11）开关、刀闸控制。

（4）通信。与主控级的数据交换，定时向主控级传送机组及开关站等单元的有关信息，随时接收主控级控制、调节命令。

（5）自诊断。系统随时对LCU控制单元进行自诊断，且所有信息都有上位机报警、显示。

自诊断内容包括：24V电源，PLC系统运行状态，CPU硬件，系统内存，I/O模块，CPU模块电池状态及RTD自诊断。

3.3 LCU在水电厂的数据通信

（1） LCU数据通信结构图 1

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（2）数据通信方式。1）下行数据传输。上位机的下行命令或数据由LCU网络通信卡接收，经分析后，对于一些数据或命令由IPC本身处理、执行；另外一些命令将通过智能八串口分别发往PLC和备用PLC，主备PLC收到命令后经分析进行相应的处理和操作。2）上行数据传输。IPC通过智能八串口接收：①由主PLC或备用PLC采集到的有关中断开关量、一般开关量、模拟量、数字量、脉冲量、PLC综合信息、模拟量通道状态等信息；②由温度巡检设备送来的温度量信息。这些数据信息在IPC被分析、处理后启动网络发送程序，将信息发往上位机。经IPC检测所得到的诸如：与主PLC、备用PLC和温度巡检设备通信是否正常的综合信息也经网络通信卡发送到上位机。

（3）通信故障处理

在正常情况下（开机时认为与主、备PLC、温度巡检设备I、II通信正常）IPC定时扫查各设备，如果连续扫查某设备5次均无数据或数据无效，或不能按正常规约应答，则报该通信信道或设备故障。如果有任一通信道或设备故障，则启动定时扫查程序，定时（20秒）扫查该通道或设备是否已恢复正常，如果已恢复正常则向上位机报该通道或设备正常信息，并投入使用。对于发往各PLC的下行命令，如果命令不能正确地下达（即通信不成功）则报该通道或设备故障，并将命令不能下达到各设备的信息通知上位机，同时也启动定时扫查故障通道或故障设备程序，以便能在设备恢复后使通信程序自动投入使用。如果通道或设备已恢复正常，则报该设备或通道正常信息到上位机。

4 机组主要自动控制功能的设计

4. 1 开机流程

开机命令可用下述4个方式下达给PLC：操作员站通过操作画面发出，机组进入AGC自动发电控制时，上位机根据负荷状态自动下达：

现地LCU操作面板上的开机令按钮；中控室返回屏上的开机令选择开关。PLC接到开机令后；即判断开机条件：发电机保护回路正常、水轮机操作回路正

常、励磁操作回路正常，机组无事故、制动喷针复位和发电机出口断路器分闸，上述条件全部满足后，控制流程的模拟显示板上/开机准备0和开机0指示灯亮，表示开机命令已被接受，开机流程正在执行。开机流程依步进行：喷针在全关位置的条件下，通过继电器输出模块操作开球阀，同时合总冷却水电磁阀、合灭磁开关, 并在每个操作命令发出后PLC延时判断操作对象的响应，若响应正确，则控制流程继续进行，否则控制流程中止，并发出报警信号；当球阀开至全开位置、冷却水流通、灭磁开关处于合闸状态时，即操作调速器开机，将机械开限开至空载位置，待转速达到95%额定转速后，操作励磁装置启励建压，至机端电压达到95%额定电压时投入自动准同期装置，由自动准同期装置将机组并入电网，PLC采集到发电机出口断路器合闸0状态信号后，开机流程结束，转入发电状态/ 发电0指示灯亮。

4. 2 正常停机流程

正常停机为机组在无紧急停机令和事故停机令状态下的停机流程，正常停机令可以由操作员站通过操作画面发出；机组进入AGC自动发电控制时，上位机根据负荷状态自动发出；现地LCU操作面板上的停机令按钮发出；中控室返回上的停机令选择开关发出。PLC接到正常停机令后，LCU操作面板的/ 停机0指灯亮，PLC开始执行停机流程：将机组的有功负荷和无功负荷减为零，跳发电机出口断路器，给励磁装置发逆变灭磁令，待发电机正常灭磁后，向调速器发停机令，调速器自动关机，转速下降至70%额定转速，此时，PLC投入制动喷针，使转速降为零后，延时复位制动喷针和机组总冷却水电磁阀，在制动喷针和总冷却水电磁阀确已复位后，PLC退出停机流程，停机指示灯灭。

4.3 事故停机流程

在机组轴承温度和冷却空气温度过高的情况下，机组进入事故停机流程，PLC立即作用于调速器的紧急停机电磁阀实现紧急停机，同时判断机组有功和无功负荷降至30%以下时，跳开发电机出口断路器，该断路器正常跳开后，给励磁装置发逆变灭磁令，待机端电压下降至额定机端电压的15%时，向励磁装置发跳灭磁开关令，此后的调速器停机、机组制动和停机复位过程与正常停机流程相同。当机组发生电气事故时，发电机保护出口和PLC立即作用于发电机出口断路器跳闸，同时向励磁装置发逆变灭磁令和跳灭磁开关令，此后调速器停机、机组制动和复位过程同正常停机流程，在转速为零时操作关球阀，球阀正常关闭后，事故停机流程结束。

4.4紧急停机流程

当机组转速达到140%额定转速、油压装置事故低油压、稀油站事故低油位及紧急停机令中有任一条件成立时，机组进入紧急停机流程，PLC立即作用于关球阀和调速器的紧急停机电磁阀，同时跳发电机出口断路器，向励磁装置发逆变灭磁令和跳灭磁开关令,此后的调速器停机、机组制动和复位过程与正常停机流程相同，在转速为零时复位紧急停机电磁阀，紧急停机流程结束。

【参考文献】 1、方辉钦．现代水电厂计算机监控技术与试验．北京：中国电力出版社．2004．

2、马玉琴．青铜峡水电厂计算机监控系统的设计与开发．2005．2．

3、路永明．计算机监控系统在水电站的设计与应用．2005，9．