PLC和软启动器在水电厂中的应用探讨

PLC和软启动器在水电厂中的应用探讨
唐卫勇乌鲁提瓦建管局
摘要：本文针对常规继电器和磁力启动器构成的油压装置系统在运行多年老发电企业中存在的主要问题，结合水电厂实施减人增效、改革运行管理模式和即将作为梯级流域电站集控中心的重要作
用，介绍了利用可编程逻辑控制器(PLC)和软启动器对乌鲁提瓦水电厂油压装置控制系统改造
的必要性和实施过程,分析了油压装置调试中遇到的问题和软启动器主要参数的设定原则。

关键词：plc；软启动器；水电厂
油压装置是水电厂不可缺少的重要辅助设备，是向水轮机控制系统提供安全、可靠和稳定的工作油压的液压能源装置，是整个调速系统的有机组成部分，其安全性、可靠性与调速器同等重要，无论水力机组处于运行或停机状态，都必须保证油压系统的油压波动保持在正常范围内，其正常与否直接影响着机组的安全运行。

本文以乌鲁提瓦水电厂的实际情况为例，介绍PLC和软启动器在我厂油压装置控制系统中的应用。

一、改造的必要性
乌鲁提瓦水电厂控制系统由常规继电器和磁力启动器构成，目前此系统设计的缺陷在于自动化水平较低、接线复杂、继电器触点经常烧毁、设备误拒动机率大、电机起动电流大、报警信息少、无法自动轮换等问题。

为了适应电站“无人值班”（少人值守）运行管理模式的需要，提高发电效率，降低运行成本，减少设备损耗，提高安全可靠的运行水平，减轻值班人员劳动强度，减少值班人员的新形式，必须提高电站设备自动化程度，来满足集控中心的可靠性要求，所以决定采用PLC 自动控制系统和电机软启动器对原设备进行改造。

二、控制方式及改造实施
本次改造采用高性能、高可靠性的可编程控制器（PLC）及其外围器件作为调速器油压装置的控制核心，将传统的继电器逻辑控制改为智能化程序控制，能
可靠地自动完成调速器油压装置各种工况的控制和信息处理、传递。

采用进口
交流软启动控制器控制油泵电机，可随工况设置油泵电机的启停力矩及时间，
实现了强/弱电一体化的控制及无触点、无噪声和全保护的电机启停操作，从根本上解决了传统的电机控制器的种种缺陷。

系统供电电源非常灵活，选用交直
流双供电，经过转换后供装置内元件及传感器电源使用。

两路电源互为热备用，可自动切换，大大提高了系统的可靠性。

系统结构如图1所示：
图1 系统组成框图
（一）油泵电机的控制方式
针对油压装置电机启动时电流大、油泵阀组的损耗严重等问题，采用软启动器是一种较好的解决方法，现通过对软启动器工作原理的分析，来说明选择软启动器控制电机的原因，软启动器的基本原理如图2所示：
图2 软启动器原理图
软启动器是集电机软起动、软停车和多种保护功能于一体的电机控制装置。

软启动器启动电机时，主要是通过控制可控硅的导通角，使可控硅的输出电压逐渐增加，在频率不变的情况下，使电机端电压从预先设定的值平稳上升到额定电压。

此时电机转速也将随电压的升高逐渐加快，当可控硅全导通，电机达到额定转数时，软启动器将自动启动旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，启动过程结束。

因此，软启动器在本质上是一种能够自动控制的降压启动器，由于能够任意调节输出电压，作电流闭环控制，因而比传统的降压启动方式（如串电阻启动，自耦变压器启动等）有更多优点。

例如软启动器在控制水泵时，它的软停车功能，即平滑减速，逐渐停机，可以克服瞬间断电停机的水锤效应对水泵机械的冲击，这样就可以延长电机及相关设备的使用寿命。

由此看出选择软启动器控制方式相对于串电阻启动、自耦变压器启动有很大的优势，从根本上解决了传统的电机控制器的种种缺陷，这也是选择软启动器作为电机控制的原因。

综合对比多种品牌的软启器后决定选用瑞典ABB PST系列软启动器，主要是该产品具有以下几个优点：
（1）ABB有专用的旁路接线端子，旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命,在旁路时还有电流监控，能作过载、堵转、缺相等保护；
（2）ABB软启动器可以根据泵类负载特性检测电动机起动相关参数并自动调节输出转矩，最大限度地减小机械冲击；
（3）ABB软启动器内置的软停止功能；其性能曲线更加适合电机的机械特性；
（3）ABB软启动器是真正的恒电流闭环控制，根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流，并能以设定的启动电流值作最快速的启动，启动完成的逻辑判断也更合理。

（二）油压装置系统的控制方式
油压装置系统由2台油泵、1个集油槽、1个压力油罐和压力变送器及压力开关等组成，如果采用常规继电器控制，将会使控制系统接线变得非常复杂，而且在机组调整负荷时，压力油泵启动频繁，常规继电器触点经常烧坏。

由于本次改造使用了PLC，使得大量的控制任务可以通过PLC内部程序实现，这样系统的外围接线大为简化，克服了常规继电器控制存在接线
复杂、误动、拒动等缺点。

PLC是控制系统的关键部件之一，选型的时候除了要满足可靠性要求之外，还要考虑到今后的维护和扩展以及与机组监控系统保持统一的通讯接口，为今后连接上位机监控做好准备等。

综合考虑之后，决定采用欧姆龙的CP1H XA40DR-A型小型高功能PLC。

程序设计采用欧姆龙公司的CX-Programmer3.0编程软件，程序框图如图3：
图3 系统控制流程图
三、油压装置控制系统的调试
本次油压装置改造工程是利用我厂1号机组大修时进行。

调试时，先按照ABB软启动器调试手册与油泵电机参数对软启动器进行调试；再选择被控制的油泵，需要注意的是机组大修期间压力油罐通常还未注油，调试时油泵持续运行时间最好不要超过1分钟；等这些调试工作都顺利通过及压力油罐注油之后，再作满载软启动、软停止试验，是因为在满载时电机起动时间会比空载时的长，电流也比空载时大，因此软启动器的参数设置要有一定的余量；首先在调试时应重点优化限流倍数，在电机空载运行时将设为3Ie，电机运行正常；但满载后，其限流倍数如果仍然设为3Ie，试验结果显示电机虽然可以启动，但压力油罐的油压却打不上去，因为启动电流必须有足够大才能使电机达到额定转速，所允许的最小启动电流由电机和负载的特性决定，如图4 所示：
图4 升压时间与限流倍数设定曲线
把限流倍数设为4Ie后，油泵电机启动正常且打压情况也正常。

其次就是设置升压时间与降压时间，因为在达到油泵启动压力后油泵电机电压在预设的升压时间内才能到达额定，如果机组的调整负荷过大或机组故障时，油压下降过快，升压时间设置不合理，经常在主泵油泵启动时，压力会降至备用油泵启动压力，甚至造成事故低油压而导致的停机。

降压时间设置不合理，往往停泵压力会高于设定值,一个长的升压时间会增加过载保护脱扣的可能性，总之要通过反复试验，分析数据，得出最佳的控制方式和控制参数，最后就可以投入正常运行了。

根据现场实际情况，软启动器的主要参数见表1：
表 1
另外，由于水电厂油压装置涉及面较多，因此多数调试要尽量在模拟条件下完成，以减少正式调试时的故障机会以及对其它系统的影响。

四、运行效果及意义
此套控制系统目前已经在1号机组的油压装置上投入运行，当两台油泵都放在自动方式上运行时，两台泵将进行自动轮换运行，通常情况下运行人员不再进行其他操作，实现了无人值守（少人值班）。

改造前油泵启动或停止的瞬间因阀组受到冲击，都会发出很强烈的声响，而现在这种现象已消失，经测试软启动器启动电流约为4Ie，启动时间约为5秒；软停止时电流最大不超过2Ie，软停止时间约4秒，这说明油泵阀组在油泵起动与停止时受到的冲击极小。

系统从投入使用后，至今运行正常。

此系统的成功应用，将对今后机组主辅设备中的油、水等控制系统的设计改造带来非常深远的意义：
(1) 此控制系统的测控核心是PLC，它负责所有信息的处理。

所有监测开关量输入PLC输入口，传感器将测得的油压信号送入PLC专用模入（A/D）模块进行数据处理。

PLC按照预置程序完成对油压系统的自动控制，实现油泵电机的自动启停及工作、备用运行状态的自动切换，以维持压力油罐中的工作压力，监控系统具有很强的容错功能，对系统监控核心及外围元件的故障状态具有较强的自检功能，工作人员很容易根据相应信号做出准确判定，证了系统的可靠
运行。

数据通讯由PLC的预留的专用串行通讯接口负责，符合RS232/422/RS485标准，今后可轻松的实现与机组现地控制单元数据交换或处理。

(2) 由于使用软启动器可以实现油泵或水泵电机的平滑启动和软停止，并且软启动器本身具有电压及电流保护功能，并有内在的零电流开关特性，使得电动机的保护得到了加强，同时大大减少了接触器的损耗。

五、结语
由于采用了先进的PLC和电机软启动器，油压装置控制系统结构变得简洁，油泵起动变得非常平滑，减少了对油泵阀组的冲击，降低了油压装置故障率，完全能够实现无维护、无操作的自动控制功能，为本电站辅助设备自动化的监视控制和实现无人值班（少人值守）打下坚实的基础。

参考文献
[1] ABB软启动器安装调试手册.
[2]武汉长江控制设备研究所. 水轮机调速器与油压装置标准汇编.北京：中国标准出版社，2001
[3] 魏守平.水轮机控制工程.华中科技大学出版社，2005（7）；189～207。