水力发电机组操作自动化分解与PLC控制设计（朱文杰）

摘要：本文给出了历史经验沉淀的机组自动化信号元件（传感器）配置，详尽分解了水力发电机组自动化过程，包括6种流程操作的自动化，以及事故保护和故障信号的自动化。还紧扣水力发电机组自动操作建立PLC控制系统对PLC系统设计和程序设计进行了一般方法的阐述，提供了具体的思路框架。

关键词：输入/输出配置自动化过程分解PLC程序设计

水力发电机组控制系统的自动化，包括发电、调相、停机三态互换共6种流程操作的自动化，以及事故保护和故障信号的自动化。其任务是借助自动化元件（或传感器）和装置（或可编程控制器）组成一个不间断进行的操作程序，以取代水电生产过程中的各种手工（或传统自动化）操作，从而实现生产流程的新型自动化，是实现水力发电综合自动化的铺路石。三态互换的控制装置最初是由电磁型继电器构成，以后又出现了由无触点晶体管元件构成的顺控装置（例如1983年在丹江口水电站出现的弱电控制系统），这两种控制均属常规（传统）控制。随着水电事业的迅速发展，为保证水力发电厂安全监控，对机组自动化提出了更高的要求，常规的监控已越来越不能满足电力系统安全和经济调度的需要，监控设备更新换代势在必行。随着计算机及应用技术的发展，可将微机或以微机为基础的可编程控制器（PLC）或工控机用于水力发电厂监控系统[1]，以实现机组的顺序操作，近年的实践证明这一举措技术先进、性能可靠、功能强大、实时性高。

一、水力发电机组自动操作输入/输出配置

采用微机或PLC实现机组的顺序操作，是通过微机的外围设备中的开关量输入、模拟量输入和温度RTD输入模块采集所有与机组顺序操作相关的各种信息，由微机或PLC的CPU进行计算、分析和逻辑判断，将处理结果转换成继电器通断一样的开关量输出信号，再去控制机组及其辅助系统[2][3][4][5]、调速系统[1][6]、励磁系统[1][7]、同期装置[1][8]和保护系统等设备。

下面从历史经验沉淀出的机组自动化信号元件（传感器）配置给出较典型的立式混流式机组（如东江、双牌、酒埠江等水电站）单台顺序操作的接点表[1]，其发电机采用空气冷却方式，推力、上下导、水导采用稀油润滑，停机制动方式采用电气制动和机械制动互相配合，设事故配压阀作为调速器的失灵保护，考虑发电、调相和停机等三种运行状态。（见表1-表4<略>）

可见对于大中小型机组的开关量输入（46、43、43）、开关量输出（28、28、28）、模拟量输入（8、8、5）等点数分别是非常接近的，这是因为小机组“麻雀虽小，肝胆俱全”，其控制系统与大机组非常类似，只是执行环节对容量的要求不一样罢了；
至于温度输入RTD信号点数（116、45、36）差异较大，是因为尺寸大的机组要求有更多的温度测点。

二、水力机组顺序操作程序设计的初步考虑（自上而下）

水力机组自动控制系统的设计与机组及调速器的型式，机组润滑、冷却和制动系统，机组同期并列方式和运行方式（是否作调相运行），以及水力机械保护系统的要求等有关，设计前应了解它们对机组控制系统的要求[1][9][10][11]。为保证水力发电机组操作的安全性和可用性，在机组顺序操作程序设计中作如下考虑：

1．在操作人员或微机发出机组操作命令后，可以自动、讯速、可靠地按预定流程完成三态互换等6项操作任务，也可以在操作人员干预下进行单步操作。

2．停机命令优先于发电和调相命令，并在开机过程中、发电状态和调相状态中均可执行停机命令，就是说一旦选中停机命令，其他一切控制均被禁止。

3．操作过程中的每一步操作，均设置启动条件或以上一步成功为条件，仅当启动条件具备后，才解除对下一步操作的闭锁，允许下一步操作；
若操作条件未具备，根据操作要求中断操作过程使程序退出或发出故障信号后继续执行。

4．对每一操作命令，均检查其执行情况；
当某一步操作失败使设备处于不允许的运行状态，程序设置相应的控制，使设备进入某一稳定的运行状态。

5．当机组或辅助设备（如调速器、油气水小系统、自动化传感器等）发生事故、故障或运行状态变化，应能许讯速、准确诊断，不允许操作继续进行时，应自动中断操作过程使程序退出；
同时将事故机组从电力系统解列停机，或用信号系统向运行人员指明故障的性质与部位，指导运行人员作正确处理。

6．检测到电力系统功率缺额时，根据系统频率降低程度，依次自动将运行机组带满全部负荷、将调相机组转为发电运行、将事故备用机组投入系统。

7．应能根据自动发电控制AGC[12]的指令，改变并列运行机组间的负荷分配与经济运行[13][14]；
对于ZZ型机还应根据上游水位变化改变其协连关系，使机组高效率运行。

8．在实现上述基本原则的前提下，机组自动控制系统应力求简单、可靠，采用信号采集点尽可能少；
一个操作结束后应能自动复归，为下次操作作准备；
同时还应便于运行人员修正操作中的错误。

三、水力机组操作流程

一个复杂的生产工序过程，通常可以分解为若干个工序，而每个工序又可分解为若干个具体步骤，将一个自动化过程分解为一些分过程是十分必要的，将上述典型混流式机组的过程操作分解后用程序框图表示（见图一<略>）。

1 停机转发电操作

停机转发电操作分解为八步（无高压油泵减载装置者少一步），此过程一般用时控制在2min内。①开机准备，自动检查进水口闸门打开、机组无事故、导叶锁定拔除、断路器分闸状态、制动闸撤除等5个开机条件，符合（与逻辑）则进行下一步。②开辅机：a．开启高压减载油泵，若高压减载工作油泵出现故障则启动备用油泵，若备用油泵也故障则转入停机程序；
b．打开冷却水电磁阀，若延时后仍无冷却水，则发出故障信号；
c．打开密封水电磁阀，若延时后仍无密封水，则发出故障信号。此3个条件符合（与逻辑）则进行下一步。③启动调速器，将开度限制开至空载稍上、导水叶放开至起动开度，进入下一步。④导水叶打开后，机组转速上升，至80%ne时投入励磁装置建立UF。⑤转速n＞95%ne时切除高压减载油泵。⑥自动投入并检查准同期合闸条件。⑦同期条件满足后断路器合闸并网。⑧调速器自动打开开度限制机构至全开或指定位置，为机组带负荷创造条件，至此，停机转发电过程完成，机组为发电状态。

（图一—图四<略>说明：基于协调与简化，框图中应使用决策框的地方改用过程框，请读者自己辨别。）

2 发电转停机操作

发电转停机操作有正常停机和事故停机之分，正常停机分解为①ZT机构与ZLT动作卸有功与无功负荷至最小；
②出口断路器跳闸与电力系统解列；
③开限机构全关驱使导水叶全关；
④转速下降至90%ne时投入高压油泵减载装置（无者少一步）；
⑤转速下降至60%ne时投入电气制动（无者少一步）；
⑥转速下降至15%ne（无电气制动者35%ne）时投入机械制动；
⑦制动投入一定时间后停止辅机，包括关制动电磁阀、关冷却水电磁阀、关密封水电磁阀、开围带电磁阀、投导叶锁定、切除高压油泵减载装置进入停机状态等七步，此过程用时一般在2min以内。(见图二<略>)

3 发电转调相操作

发电转调相操作分解为①卸负荷：自动减机组有功率与无功功率为最小；
②全关KX机构驱使导水叶全关进入调相状态；
③操作调相压水给气阀与补气阀[15]：若转轮室水位超过设定的上限水位时，开启调相压水给气电磁阀，转轮室水位被压下至低于设定的下限水位时关闭调相压水给气电磁阀，调相压水过程中为弥补压缩空气的逸失一直开启补气阀等，此三步过程用时一般控制在25s内。(见图三<略>)

4 调相转发电操作

调相转发电操作分解为①KX机构开至空载稍上同时导水叶开至起动开度，是为“充水”过程，之后实质已进入发电状态；
②切除调相压水水位信号装置的电源关闭其控制的给气阀和补气阀；
③调速器KX机构开至全开或指定开度，带上AGC分配的负荷。此三步过程用时应控制在15s内，事故备用机组闲时作调相运行补充电力系统无功，电力系统事故时考虑“低频起动”相比“冷起动”（借用火力发电术语，这里指水力机组由停机转发电）能更快进入发电状态，对确保电力系统安全增加了保证，因为这里省掉了同期并网检测时间和断路器合闸时间。(见图四<略>)

5 停机转调相操作

停机转调相操作是停机转发电和发电转调相的连续过程，即有

TJTX=TJFD+FDTX

存在，这是一个过程逻辑，执行情况是首先打开导叶至空载、同期并网进入零负荷发电状态运行，旋即全关KX机构及导水叶进入压水调相状态，此过程用时一般在2min左右。

6 调相转停机操作

调相转停机操作是调相转发电和发电转停机的连续过程，即有TXTJ=TXFD+FDTJ

存在，这又是一个过程逻辑，执行情况是首先打开导叶至空载进入零负荷发电状态运行，旋即断路器分闸解列、KX机构驱使导叶至全关，按发电转停机方式实现停机，即所谓“先充水、后停机”，目的是加速调相机正常停机与事故停机过程，缩短低速惰转时间，减少推力瓦磨损。此过程用时一般在2min左右。

四、水力机组保护与信号

1 水力机械事故保护

机组遇下列情况之一（或逻辑），即需进行事故停机，事故消除前不得进行开机。

1．1．上导、推力、下导四大轴承过热，事故停机温度通常整定为70℃；

1．2．调相解列防护：为防止调相运行时意外解列而失电源后机组长时间低速旋转，造成推力油膜变薄、推力瓦被烧坏，通常要求调相运行时若机组转速n≤80%ne则进行事故停机；

1．3．油压装置油压事故低，该事故油压值应整定为可以操作接力器油压最小值的约1.8倍，以保证抢在油压消失前可完全关闭导水叶[4]。

1．4．机组转速n＞110%ne，过速限制器动作。

1．5．发电机差动保护动作：纵联差动保护为定子绕组及其引出线的相间短路保护；
横联差动保护为定子绕组一相匝间短路保护，它们的动作反应了发电机内部短路的严重事故。

2 紧急事故保护

机组遇下列情况之一（或逻辑），即需进行紧急事故停机，这时直接作用于紧急事故停机电磁阀操作接力器快速关闭导叶，停机后不得撤除制动，事故消除前不得进行开机。

2．1．机组过速达140%ne（出现于甩全负荷飞车），这一数据是遵照过去苏联专家影响下的《水电站机电设计规程（草案）》关于机组甩全负荷时最大转速上升率不超过40%（即最大转速不超过140%ne）的要求，但国内已有阳辛和石门2座水电站的β值高达60%（最大转速可达160%ne），可见突破规程中40%（140%ne）的要求也不乏先例[16]，所以这一参数的整定可依据实际设计过程中的调节保证计算。

2．2．机组事故停机过程中发生剪断销被剪。

3 水力机械故障

机组遇下列情况之一（或逻辑），只发出故障信号通知运行人员处理，不进行自动停机。

3．1．上导、推力、下导四大轴承及发电机热风温度过高，该温度一般整定为60℃；

3．2．上导推力油槽、下导油槽、水导油槽、漏油箱、回油箱等油位不正常；

3．3．上导推力油槽、下导油槽、水导油槽中设置的冷却器中断冷却水；

3．4．仅仅是连板与拐臂间的剪断销被剪断，由销中嵌入式剪断信号元件发出信号；

3．5．开、停机用时超出设定值（一般2min）。

4 防护机组甩负荷抬机

轴流式水轮发电机组在运行过中曾普遍出现过破坏作用大的甩负荷时抬机的现象，是因为其转动部分相对重量值KG[17]太小，如葛洲坝大江14#机装有四只紧急真空破坏阀并加上采用两段关闭而KG值仅为1.280kg/cm2于1987年抬起25mm[18]；
万安装有四只?椎500紧急真空破坏阀并加上采用两段关闭而KG=1.387kg/cm2发生微抬（笔者1990年代平信调研）；
东江KG=3.848kg/cm2甩负荷不抬机。治理机组甩负荷抬机应重点看到粗短的尾水管中发生每秒千米速[19]的水击、应把控制策略调整为立即不延时向转轮室补充适量压缩空气[17]、应充分利用高新技术的优势[20]、应逐步走向综合兼顾[15]。

五、机组自动操作的PLC系统设计

1 选择PLC机型

目前PLC产品种类繁多，同一公司的PLC也分多系列，如SIEMENS单S7系列分S7-200、S7-300、S7-S7-400等，其中仅S7-300又有标准型CPU（312；
314；
315-2DP；
315-2PN/DP；
317-2DP；
317-2PN/DP；
318-2DP）、故障安全型CPU（315F-2DP；
317F-2DP）、紧凑型CPU（312C；
313C；
313C-2PtP；
313C-2DP；
314C-2PtP；
314C-2DP）、技术功能型CPU317T-2DP等之分[21]，又如OMRON有C60P、CQM1；
C200HS、C200H；
C2000H、CV2000DENG[22]，这就需要用户去选择既满足系统要求又适合系统特点的产品。正确选择产品，首要的是选定机型[23]。

1．1．选定机型应考虑控制系统的类型，如本例属亚快速中型系统；

1．2．选定机型应考虑工艺功能、维护方便、备件通用；

1．3．选定机型应考虑控制对象的特殊控制功能要求，如本例要求高速计数器和高速脉冲输出，它们分别检测机组转速和控制调速器的伺服或步进电机；

1．4．选定机型应考虑着重考虑控制对象要求的I/O点数之多少，如本例大型水力发电机组开关量I/O点数初步统计为46+28=74，模拟量通道数为8，考虑I/O端的分组及隔离与接地要求以增加15%的裕量，使估算值达85（开关量）、10（模拟量），选定的PLC机型之I/O能力极限值必须大于上述I/O点数估算值，并应尽量避免PLC的能力接近饱和，一般应留有30%左右的裕量[24]，即本例要求PLC能力点数85/（1-30%）=122（开关量）、10/（1-30%）=14（模拟量）；

1．5．选定机型应考虑存储器容量，用户程序所需存储器容量不仅和PLC系统的功能有关，还和实现功能的方法、编写程序的水平有关，PLC的I/O点数估算值大小在很大程度上反映了PLC系统的功能要求，因此可依据I/O点数估算值进行估算，所需存储器容量=1.25×（DIO×10＋AIO×100）／1024＝2312（B）；

1．6．选定机型还应考虑I/O响应延迟与电磁兼容性问题。

1．7．CPU的选型是合理配置系统资源的关键，选择时必须依据控制系统对CPU的要求，包括系统集成功能、程序块数量限制、各种位资源、MPI接口能力、是否PROFIBUS-DP主从接口、RAM容量、温度范围等。

1．8．以上几点尤其I/O能力、存储器容量、响应速度等是确定PLC具体型号时的技术必要条件，除此之外，一些非技术条件也很重要，如价格、质量、应用经验等，通常能满足控制任务要求的PLC型号远不止一种，很难肯定某种型号为最佳，需请各地、各类、各级水电厂（站）从实际出发、因地制宜、科学运筹、又快又好地推进基于PLC的分层分布式计算机监控系统的建设。

2 选择接口设备

包含两类：一是PLC自身的I/O模块、功能模块；
二是和接口模块相连的外部设备。

2．1．应注意模块的型号、规格要配套、一致。

2．2．应考虑模块与外部设备的匹配，包括性能、速度、电平等方面的匹配，不仅要注意它们的稳态特性，还要注意它们的动态特性。

3 确定PLC配置

确定PLC型号及接口设备后，依据水力发电机组要求的6项生产控制功能、监测与人员干预功能、信息处理功能、管理功能在自动化过程分解基础上创建的功能说明书，创建PLC配置图，包括以下内容：

3．1．各应用PLC及其I/O操作员站与过程或设备的相关位置一览图；

3．2．CPU和I/O模块（及其机架）的机械布置图；

3．3．各CPU和I/O模块（含信号模块编号、通讯地址和I/O地址）的电气连接图。

六、机组自动操作的PLC程序设计

程序结构设计和数据结构设计是程序设计的重要内容，合理的程序结构与PLC内存资源的合理分配使用，不仅决定着应用程序的编程质量，而且对编程周期以及程序调试都有很大影响，在系统设计时，对自动化过程或设备的分解以及创建的各项功能说明书，是程序结构设计和数据结构设计的主要技术依据。

1 程序结构设计

1．1．对于一些控制规模较小、运行过程比较简单的控制程序往往设计成线性程序结构，即把工程中需要控制的任务按照工序要求书写在主程序（OB1）中，它的特征是程序连续（所有的指令）放在一个块内，块内程序按顺序执行，编程时不必考虑功能块如何编程及如何调用，也不必考虑如何定义局部变量及如何使用背景数据块，例如文献[2][3][4][5]所做的。

1．2．对于一些控制规模较大、运行过程比较复杂的控制程序往往设计成分块程序结构，即把一个复杂的控制工程分成多个比较简单、规模较小的控制任务，再把这些控制任务分给一个个子程序块，在子程序编制具体任务的控制程序，最后由主程序（又称组织块）调用的方式把整个控制程序统管起来，例如文献所做的[15]，如果用一个线性程序编制具体任务的控制程序还有困难，可再一次使用分块结构编程，即所谓子程序嵌套（深度决定于堆栈深度），例如本例停机转发电是机组自动操作的一级子程序，执行过程中必须调用一个叫runleng(润滑与冷却)的二级子程序，这个二级子程序作者在文献[5]中编制过，还需调用lici（发电机励磁投入）、tongqi（同期并列装置投入）等二级子程序；
又如本例一级子程序发电转调相中必须调用一个叫tiaoxiang(调相压水)的二级子程序，这个二级子程序作者在文献[15]中编制过；
再如本例一级子程序发电转停机中必须调用一个叫zhidong(制动)的二级子程序，这个二级子程序作者在文献[25]中编制过。

1．3．完全结构化（模块化）的程序结构，是PLC程序设计和编程的最有效结构形式。结构化程序有目前最高的编程和程序调试效率，应用的程序代码量也最小，结构化程序支持多个程序员协同编程，但这种程序结构建立在对PLC系统功能的合理分析、分解及综合基础之上的，例如本例机组操作自动化的分析、分解、综合就是作者20多年消化、归纳、融合有着渊博理论知识、丰富实践经验的王定一教授及其他专家学者的思路、成果并现场感受的情景下进行的，现深入浅出地呈现给大家，期待这一工作对我国机组自动操作由继电器组织方式全面改造成为可编程控制器组织方式起到积极作用。

2 数据结构设计

西门子公司的STEP7供了较多的基本数据类型，提供了许多复合数据类型，这些丰富实用的数据类型还可以灵活地组合构成自定义的、新的、各不同特性的数据块。共享数据块使各功能块间能够方便交换信息；
专用数据块（背景数据块）使某功能块能单独占用数据块而不必担心被其它块修改。数据块划分了数据的存储空间，并让这些存储空间存储不同类型的信息，在数据结构的设计中，应明确规定各数据块的特性、作用、编号、数据的存放格式等内容，数据结构设计与程序结构设计相关，应协同考虑。

3 编程与调试

3．1．在程序进行程序结构设计和数据结构设计过程中从上至下建立程序结构的基础上，然后从下向上逐步丰富用户程序块的内容，即被调用的程序块或数据块首先在编程时建立，这就是作者先写作了文稿[2][3][4][5][25]的原因，然后依次在更高层次上建立逻辑块，直至所有块全部建立。限于篇幅，本文不可能将全部程序罗列出来，这里只提供一般方法给大家参考，旨在吸引编程爱好者和青年学子来参加编程，以提高PLC程序的可靠性、简洁性、可读性、可测试性和可维护性；
以实现“对水电站自动化升标，各类新老水电厂(站)建设基于PLC的新型综合自动化系统”[26]。

2．PLC程序的调试一般要经过功能单元测试、功能总体测试等前期模拟调试和现场冷热态调试等后期步骤。

（由长沙理工大学供稿）

参考文献

[1]王定一等编著．水电厂计算机监视与控制[M]．北京：中国电力出版社ISBN7-5083-0584-1，2001.08

[2]朱文杰．S7-200PLC移位寄存器指令用于水力机组技术供水系统．中国水利水电市场[J]2005No.2/3P20～21．北京：中国水利水电出版社ISSN684-4696，2005.03

[3]朱文杰．S7-200PLC控制水电厂压缩空气系统．中国水利水电市场[J]2005No.06P26～27．北京：中国水利水电出版社ISSN1684-4696，2005.06

[4]朱文杰．S7-200PLC控制水电厂油压装置．中国水利水电市场[J]2005No.08P30～33．北京：中国水利水电出版社ISSN1684-4696，2005.08

[5]朱文杰．S7-200PLC控制水力机组润滑和冷却系统．中国水利水电市场[J]2006No.05P62～65．北京：中国水利水电出版社ISSN1684-4696，2006.05

[6]吴应文，毕东红，刘立祥，王丽娟．交流伺服控制式PLC水轮机调速器的研究与实践．水力发电[J]2001No.04．北京：中国电力出版社ISSN0559-9342，2001.04

[7]毛曼玲．天生桥一级水电站发电机励磁系统．水力发电[J]1999No.03．北京：中国电力出版社ISSN0559-9342，1999.03

[8]张海霞，魏守平，常　黎，龚　飚．基于PLC的水电站同期选线控制研究与设计．继电器[J]2004Vol.32No.13P48～50,54．许昌：许昌继电器研究所出版ISSN1003-4897，2004.07

[9]王定一主编．水电站自动化[M]．北京：电力工业出版社，1982.07

[10]刘忠源，徐睦书合编．水电站自动化[M]．北京：水利电力出版社15143?6184，1986.11

[11]楼永仁，黄声先，李植鑫合编．水电站自动化[M]．北京：中国水利水电出版社ISBN7-80124-490-X/TV·369，1998.10

[12]朱文杰．基于动态规划法的水力发电厂AGC．中国水利水电市场[J]2007No.09P65～67．北京：中国水利水电出版社ISSN1684-4696，2007.09

[13]朱文杰．水力发电厂运行于电力系统日最优条件泛函分析．中国水利水电市场[J]2007No.06P50～52．北京：中国水利水电出版社ISSN1684-4696，2007.06

[14]华中工学院主编．水电站经济运行[M]．北京：水利电力出版社15143?5640，1984.6

[15]朱文杰．S7-PLC控制调相压水系统并与治理甩负荷抬机合成一个神经元．第一届水力发电技术国际会议论文集，第二卷[M]P255～258．北京：中国电力出版社ISBN7-5083-4874-5，2006.10

[16]青长庚．西洱河梯级水电站实现调节保证计算的技术措施．水利水电技术[J]1994No.09P17～21．北京：水利电力出版社ISSN1000-0860，1994.09

[17]朱文杰．水轮机防抬措施探讨．水利水电技术[J]1994No.09P22～24．北京：水利电力出版社ISSN1000-0860，1994.09

[18]刘庚辛．水轮发电机组抬机事故的原因．水电站机电技术[J]1989No.01P34～37、08．天津：全国水利水电机电技术情报网出版，1989.02

[19]武汉水利电力学院，华东水利学院编．水力学[M]P168．北京：人民教育出版社15012·0219，1980.06

[20]朱文杰．用PLC根治水力机组甩负荷抬机．中国水利水电市场[J]2005No.10P27～30．北京：中国水利水电出版社ISSN1684-4696，2005.10

[21]西门子（中国）有限公司自动化与驱动部编．西门子工厂自动化产品系列[M]P14～38．北京：西门子（中国）有限公司出版，2005.03

[22]王卫兵编著．PLC系统通信、扩展与网络互连技术[M]P34～35．北京：机械工业出版社ISBN7-111-14849-5，2004.09

[23]殷洪义主编．可编程序控制器选择设计与维护[M]．北京：机械工业出版社ISBN7-111-11084-6，2003.06

[24]郑晟，巩建平，张学编著．现代可编程序控制器原理与应用[M]．北京：科学出版社ISBN7-03-006850-5，1999.02/2004.07

[25]朱文杰．S7-200PLC在水力发电厂应用与编程．中国水利水电市场[J]2004No.07P39～41．北京：中国水利水电出版社ISSN1684-4696，2004.07

[26]朱文杰．浅说我国水力发电事业的前进方向．中国水利水电市场[J]2005No.09P74～78．北京：中国水利水电出版社ISSN1684-4696，2005.09

作者简介

朱文杰(1965～），男，长沙人。1985年华中理工大学电力工程系毕业，高级职称，中国管理科学研究院研究员、中国水力发电学会会员兼长沙理工大学教授。