天生桥电站集水井PLC自动控制系统的设计与应用

摘要：天生桥水电站集水井水泵在启动过程中，大电流容易造成交流接触器的触点粘连，致使水泵因缺项运行损坏水泵，加之传统的液位信号器容易造成误动作，其严重影响了天生桥水电站的安全运行。为了保证厂房不致受淹或受潮，需要对排水实现自动控制，采用PLC便可成功解决上述问题，保证了集水井水泵正常可靠运行。

关键词：可编程控制器；自动控制；天生桥水电站

引言

天生桥水电站位于陕西宁强县境内，是二郎坝水力发电公司梯级水电开发工程中的第一级电站。设计水头80米，设计流量14.5m3/S，装机3×2500KW。从2000年6月三台机组投产发电以来，天生桥水电站集水井水泵在启动过程中，大电流容易造成交流接触器的触点粘连，致使水泵因缺项运行损坏水泵，加之传统的液位信号器容易造成误动作，其严重影响了天生桥水电站的安全运行，为了保证厂房不致受淹或受潮，需要对排水实现自动控制，采用PLC便可成功解决上述问题，保证了集水井水泵正常可靠运行，本要求包括：

1）排水泵能自动启停，保证集水井水位在规定范围内；

2）当集水井水位在规定的最低水位时，排水泵能自动停转；

3）当工作排水泵故障，或来水量增大、集水井水位升至备用排水泵启动水位时，备用排水泵能自动投入；

4）排水泵之间能互为备用运转，当备用排水泵投入时，能发出警报信号。

本文结合电站实践，设计了一套泵站集水井自动控制系统，具有结构简单，运行高效，维护方便、造价低廉等特点，适应电站“无人值班、少人值守”的发展要求。

一、系统硬件配置

该系统结构如图1所示。设备部分主要由排水泵（一用一备，单机流量100m3/h、扬程30m）、电机（2×30kW，软启方式）、压力表（2台）、闸阀（10台）、蝶阀（2台）、逆止阀（2台）、仪表阀（2台）等构成。控制部分主要由PLC、水位传感器、上下限开关、报警装置、断路器、接触器、热继电器、温湿加热器、选择开关等构成，其中，PLC采用micro系列，通过RS-485接口与上位机通讯，AI≥5，DI≥16，DO≥8；水位传感器采用投入式静压液位变送器，量程0～5m，测量精度1‰，输入信号4-20mA，工作温度5～55℃；上下限位开关采用Omron机械式液位浮子开关，当水位越限时动作（给出报警信号）；报警装置由电源指示灯、声光报警器、消警按钮等组成；断路器和接触器控制排水泵启停的执行；热继电器和温湿加热器起到保护机组作用；选择开关决定系统的运行方式（自动或手动）。

二、系统工作原理

系统控制设计采用自动/手动方式，方式选择通过集水井控制箱中的二次回路、接触器、中间继电器、选择开关等的切换实现。正常情况下，选择开关置于自动位置，当自动控制系统出现问题时，需到现场切换为手动方式。

2.1 手动方式

当选择开关打至手动1#时，即1#泵处于工作状态、2#泵处于备用状态，按下启动按钮，接触器1吸合，1#泵工作；当选择开关打至手动2#时，即2#泵处于工作状态、1#泵处于备用状态，按下启动按钮，接触器2吸合，2#泵工作。

2.2自动方式

当选择开关打至自动位置时，集水井排水实现自动控制。当集水井水位上升到工作泵启动水位时，接触器1吸合，中间继电器1动作，工作泵运行，常开接点1自保持，直至集水井水位恢复至正常水位，接触器1断开，常开接点1失电，工作泵停运；若集水井水位不降反升至报警高水位时，接触器2吸合，中间继电器2动作，备用泵运行，常开接点2自保持，直至集水井水位恢复至正常水位，接触器1、2断开，常开接点1、2失电，两台排水泵停运。

备用泵运行期间，信号回路会发出警报信号送至上位机；当工作泵故障时，备用泵自动转入工作状态，信号回路也会发出警报信号送至上位机。

为达到启动均衡的工作效果，可以在PLC中设定累计工作次数，当工作次数到设定值时，工作泵自动转入备用状态，而备用泵则自动转入工作状态。

三、系统软件编程

系统编程软件采用施耐德concept，为提高抗干扰能力，设计中采用了数字滤波、故障自检、控制口令等措施，保证控制操作的正确性和可靠性。系统控制流程如图2所示。主要实现功能包括：

数据采集和处理。采集所有I/O点的模拟量（主要有集水井水位、电动机工作电流、水泵轴温、电机温度、排水量等）、开关量（主要有手动/自动控制信号、远方/就地控制信号、水泵运行/停止状态、水泵故障信号等），记录所有事件信息；对采集量进行统计表或趋势图生成，对事件信息进行顺序记录处理。

监视和报警。进行状态、越限、过程和故障等监视；对越限和故障进行判断和动作（报警）并及时记录（由上位机完成）以便查询、打印和分析。

控制和调节。排水泵正常启停操作、排水泵事故或紧急停止操作等方面的控制；参数整定与限值修改，远方/本地、手动/自动等工作方式切换等方面的调节。

人机对话和扩展接口。友好显示（由上位机完成）状态表、示意图、操作流程、运行指导、报警提示等画面；PLC上预留扩展槽，便于监控量的增设。

数据统计和运行管理。工作泵运行次数等方面的统计和分析；生产报表的生成和数据查询的打印（由上位机完成），使用和管理权限的登陆。系统编程语言采用梯形图。

根据以上功能要求编写的梯形图如图3所示。编程过程中考虑了系统扩展性，采用模块化、功能化结构进行设计。

四、结束语 集水井排水实现自动控制，确保了排水任务的及时执行，减轻了运行人员的现场监控量，提高了电站自动化水平。