西门子S7-200PLC控制水电厂油压装置

　[摘  要]
本文设计了水电厂油压装置PLC控制系统并编制了控制程序。

[关键词]
油压装置自动化    PLC     SWAP指令

Abstract

This paper introduces that design’s course of  PLC  cortrol  system  about the automaticized  device  of  compressive oilcan  of  waterpower plant  and  writed  the control  program.

Key Words:  
the automaticized  device  of  compressive oilcan PLC     the  SWAP  instruction

１．油压装置自动化的必要性与控制要求

　　油压装置在水电厂是重要的水力机械辅助设备，其作用是产生并贮存高压油，是机组启动、停止、调节出力之能源；若水轮机蜗壳进口之前设有蝴蝶阀，也是其操作能源；压力油槽油压事故降低时水轮发电机组将危险地失控，应有防护措施。油压装置的特别重要性与现代化滚滚洪流决定了油压装置用高新技术实现自动化的必要性。

油压装置自动化，应满足下列要求；

　　①水轮机组在正常运行或在事故情况下，均应保证有足够的压力油量供机组及蝴蝶阀操作之用，应考虑在厂用电消失时有一定能源储备。此要求可通过选择足够的压油槽容积与适当的控制程序来解决。

　　②不论水力机组处于运行还是停机状态，油压装置均应处于准备工作状态，亦即油压装置的自动控制是独立进行的，是由本身条件――压油槽中油压信号来实现自动化的。

　　③在水力机组操作过程中，油压装置的投入是自动进行的，不需值班人员的参与。具体地说，当压油槽油压下限(例如3.75MPa)时，启动工作镙杆油泵补油，压力提升至油压额定值(例如4.00MPa)时停止工作油泵。

　　④油压装置应设有用的油泵电动机组，当工作镙杆油泵发生故障或者操作用油量急剧增长而造成压油槽油压过低(例如3.60MPa)时，启动备用镙杆油泵补油，压力提升至油压额定值(例如4.00MPa)时停止备用油泵，压油槽油压过低要备用油泵投入时应发出报警信号。

　　⑤当油压装置发生各种罕见故障而造成压油槽油压下降至事故低油压(例如2.70MPa)时，应迫使水轮发电机组事故停机，事故停机时应发出报警信号（在主机控制程序中也应考虑）。注意这里启动主机事故停机之压油槽事故低油压值的整定应比可操作水轮机组的最小油压值大出一定量值，确保水轮机导叶在油压“崩溃”前能够全关，另外负曲率导叶的采用有利于这一问题的改善。

　　⑥油压装置压油槽应选择合适的油气体积比Ｋ，经验证明一般取１∶２，这是因为Ｋ值大时，由于操作放出等体积的油量后会造成压油槽油压更大的下降：今设压油槽容积为Ｖ，其中油占ＫＶ/（１＋Ｋ）；气体占Ｖ/（１＋Ｋ），又设P、（P-ΔP）是放出ΔV体积油量前后的压油槽油压，代入玻意耳定律得：PＶ/（１＋Ｋ）＝（P-ΔP）[Ｖ/（１＋Ｋ）+ΔV]，从而ΔP=PΔV／［Ｖ/（１＋Ｋ）+ΔV]，显然K越大，ΔP将越大。另一方面，K太小，将没有足够的压力油量，此处可结合第①点考虑。在油压装置运行中，由于微量气体不断地“溶”于油中，较长时间后会造成K值增大，为此我们应引用高压空气自动实行缺失补气(为相对“干燥”故，可考虑多级压力供气)。具体地说，当压力油槽油位上升至34%刻度并且油压下降至3.95 MPa时，打开可控气阀向压油槽补气；当油压上升至4.05 MPa、或者压力油槽油位降至31%刻度时关闭可控气阀停止补气。

　　⑦“补油”与“补气”两个进程互相联锁，即“补油”时不“补气”；“补气”时不“补油”。

　　⑧为使得“工作油泵”、“备用油泵”的总运行时间不致相差悬殊，引入“轮岗”思想，考虑工作油泵运行次数多于备用油泵运行次数达88次后轮换“工作油泵”与“备用油泵”的角色，此可巧妙利用西门子SWAP指令实现。

２．可编程控制器控制系统的硬件设计

　　可编程控制器简称PLC（Programmable  Logic  Controller）经过世界各国近40年的发展与完善，已成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计；它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术操作等面向用户的指令；并通过数字式或模拟式输入／输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。PLC具有诸多优点：（1）可靠性高；（2）编程方便、易于使用；（3）控制功能极强，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远方设备。（4）的扩展及与外部联接极为方便。基于此，我们用PLC控制水电厂油压装置，西门子（中国）有限公司参与了三峡工程一些重要的子项目：如左岸发电站6台发电机和水轮机组励磁调速装置和50万伏主变压器，其中西门子（中国）有限公司自动化与驱动部与国内系统集成商和设备制造商合作，参与了临时船闸、永久船闸、大坝和电站厂房二期工程中的液压启闭机现地控制站和部分门桥机以及左岸电站厂房、泄洪坝段和永久船闸低压配电系统等项目，西门子（中国）有限公司提供了先进、安全、可靠的技术和控制设备，包括复杂的双线永久船闸控制系统自2003年6月投入以来，一直运行正常，从未发生过任何系统控制上的问题，充分体现了西门子高级控制系统的高质量、高可靠性和高稳定性[1]，在此我们选用西门子PLC。

　　系统控制两台补油镙杆油泵电动机组（一台工作一台备用）、一只补气电磁阀(其ZT电磁铁有开启和关闭两个线圈，可不带电工作)、一只油压过低报警指示灯、一只油压事故低报警指示灯。系统有1个压油槽油压测量输入点（模拟量输入）、1个压油槽油位测量输入点（模拟量输入）、1个启动按钮SB1的输入（开关量）、1个停止按钮SB2的输入（开关量）；2个补油油泵电动机组的输出（开关量）、１个补气电磁阀开启线圈的输出（开关量）、１个补气电磁阀关闭线圈的输出（开关量）、１个油压过低报警指示灯的输出（开关量）、１个油压事故低报警指示灯的输出（开关量）。合计整个系统需要开关量输入2点，开关量输出6点，模拟量输入２点。

　　从下表1[2]中可找出满足我们要求的型号，即选择CPU222主机（８点开关量输入/６点开关量输出，能向扩展模块提供的DC5V输出电流是340mA，DC24V电源所提供的最大电流为400 mA）；参考表2[2]另选择EM231模拟量输入模块（4路模拟量输入，消耗DC5V电流为10 mA）一块；再选择国产AK-4型量程5Mpa、输出信号4～20mA、输出接口为RS485的压力变送传感器[3]２只（1只投入运行1只作物理备用）及承压油位传感器1只(例如MSL-A隔离式液位变送器[3]采用进口高品质的隔离膜片的敏感组件加放大电路，输出4～20mA二线制标准信号，封装于不锈钢外壳中)，共同组成硬件系统，传感器的电源应以不超载为原则作考虑，此处略叙。

表格 1  S7-200PLC中央处理单元参数


表格 2  S7-200PLC模拟量扩展模块参数


选择好硬件以后我们可以来分配输入输出点地址(见表3)。
表格 3  S7-200PLC输入输出点地址分配



3．可编程控制器控制系统的程序设计

　　3.1 当测得压力油罐压力达到量程顶值5MPa时，AK-4型压力变送器的电流为20mA，AIW0的数值约为32767。每毫安对应的A/D值约为32767／20，测得压力为0.1MPa时，AK-4型压力变送器的电流应为4mA，A/D值约为（32767／20）×4＝6553.4。被测压力为0.1～5 MPa时，AIW0的对应数值约为6553.4～32767，由此得出1KPa对应的A/D值大约为（32767－6553.4）／（5000－100）＝5.35，由此得出AIW0的数值转换为实际压力值（单位为KPa）的计算公式为：

VW0的值＝[（AIW0的值－6553）／535]*100＋100  （单位：KPa）



3.2 控制程序流程示意图见图1，此图也可不绘。

3.3 由以上分析得出控制程序如下:
LD   Ｉ0.0
A     SM0.1
MOVB   1，VB2000
MOVB   0，VB2001
LD   Ｉ0.1
R    Q0.0，2
＝    Q0.3
LD   SM0.1
MOVW   4050，VW4
MOVW   4000，VW6
MOVW   3950，VW8
MOVW   3750，VW10
MOVW   3600，VW12
MOVW   2700，VW14
MOVW   31%油位刻度值，VW18
MOVW   34%油位刻度值，VW20

LD   SM0.0
MOVW  AIW0，VW0
－I   6553，VW0
／I   535，VW0
＊I   100，VW0
＋I   100，VW0
MOVW   AIW2，VW2

LDW＜＝   VW0，VW10
＝   M30.0    //要求“工作油泵”投入的标志
LDW＜＝   VW0，VW12
＝   M30.1    //要求“备用油泵”投入的标志

LD   M30.0
A    V2000.0
AN    Q0.2
＝   Q0.0    //1#油泵作“工作油泵”投入
LD   M30.1
A    V2000.0
AN    Q0.2
＝   Q0.1    //2#油泵作“备用油泵”投入

LD   M30.0
A    V2001.0
AN    Q0.2
＝   Q0.1    //2#油泵作“工作油泵”投入
LD   M30.1
A    V2001.0
AN    Q0.2
＝   Q0.0    //1#油泵作“备用油泵”投入

LD   M30.0
A    V2000.0
LD   M30.1
A    V2000.0
LD   V2001.0
CTUD   C254，88
LD   C254
SWAP   VW2000    //VB2000与VB2001互相交换内容

LD   M30.0
A    V2001.0
LD   M30.1
A    V2001.0
LD   V2000.0
CTUD   C255，88
LD   C255
SWAP   VW2000    //VB2000与VB2001互相交换内容

LDW＞＝   VW0，VW6
R    Q0.0，2

LD   M30.1
＝   Q0.4    //油压过低报警指示灯D1亮

LDW＜＝   VW0，VW14
＝    V500.0    //油压事故引出至水力发电机组事故停机
＝    Q0.5    //油压事故低报警指示灯D2亮

LDW＞＝   VW2，VW20
AW＜＝    VW0，VW8
AN    Q0.0
AN    Q0.1
R     Q0.3
S     Q0.2    //补气电磁阀开启线圈QK励磁
LDW＜＝   VW2，VW18
OW＞＝    VW0，VW4
R     Q0.2
S     Q0.3    //补气电磁阀关闭线圈QG励磁

4．总结

　　油压装置自动化是十分必要的，分析油压装置得出控制要求后，我们可确定PLC系统的I/O点数与硬件，进而绘出程序流程图（系统简单也可不示出）并编制程序。


参考文献
[1]http://www.ad.siemens.com.cn/news_events/news/as/2005/0225.asp

[2] 产品目录,SIMATIC S7-200可编程控制器.西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团,2004.3

[3] 中国传感器专业网http://www.hisensors.com/

作者简介：
　　
　　朱文杰(1965－)，男，1985年华中科技大学电力系毕业，中国管理科学研究院终身研究员、水力发电学会会员兼长沙理工大学教授，2003年7月载入《共和国专家成就博览（世纪珍藏版）》（ISBN 7-80024-605-1），E-mail：zwj@csust.edu.cn 。

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