西門子S7-200 PLC控制水電廠油壓裝置

[摘 要] 本文設(shè)計(jì)了水電廠油壓裝置PLC控制系統(tǒng)并編制了控制程序。 [關(guān)鍵詞] 油壓裝置自動(dòng)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．油壓裝置自動(dòng)化的必要性與控制要求 　　油壓裝置在水電廠是重要的水力機(jī)械輔助設(shè)備，其作用是產(chǎn)生并貯存高壓油，是機(jī)組啟動(dòng)、停止、調(diào)節(jié)出力之能源；若水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口之前設(shè)有蝴蝶閥，也是其操作能源；壓力油槽油壓事故降低時(shí)水輪發(fā)電機(jī)組將危險(xiǎn)地失控，應(yīng)有防護(hù)措施。油壓裝置的特別重要性與現(xiàn)代化滾滾洪流決定了油壓裝置用高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的必要性。 油壓裝置自動(dòng)化，應(yīng)滿足下列要求； 　　①水輪機(jī)組在正常運(yùn)行或在事故情況下，均應(yīng)保證有足夠的壓力油量供機(jī)組及蝴蝶閥操作之用，應(yīng)考慮在廠用電消失時(shí)有一定能源儲(chǔ)備。此要求可通過(guò)選擇足夠的壓油槽容積與適當(dāng)?shù)目刂瞥绦騺?lái)解決。 　　②不論水力機(jī)組處于運(yùn)行還是停機(jī)狀態(tài)，油壓裝置均應(yīng)處于準(zhǔn)備工作狀態(tài)，亦即油壓裝置的自動(dòng)控制是獨(dú)立進(jìn)行的，是由本身?xiàng)l件――壓油槽中油壓信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的。 　　③在水力機(jī)組操作過(guò)程中，油壓裝置的投入是自動(dòng)進(jìn)行的，不需值班人員的參與。具體地說(shuō)，當(dāng)壓油槽油壓下限(例如3.75MPa)時(shí)，啟動(dòng)工作鏍桿油泵補(bǔ)油，壓力提升至油壓額定值(例如4.00MPa)時(shí)停止工作油泵。 　　④油壓裝置應(yīng)設(shè)有用的油泵電動(dòng)機(jī)組，當(dāng)工作鏍桿油泵發(fā)生故障或者操作用油量急劇增長(zhǎng)而造成壓油槽油壓過(guò)低(例如3.60MPa)時(shí)，啟動(dòng)備用鏍桿油泵補(bǔ)油，壓力提升至油壓額定值(例如4.00MPa)時(shí)停止備用油泵，壓油槽油壓過(guò)低要備用油泵投入時(shí)應(yīng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 　　⑤當(dāng)油壓裝置發(fā)生各種罕見(jiàn)故障而造成壓油槽油壓下降至事故低油壓(例如2.70MPa)時(shí)，應(yīng)迫使水輪發(fā)電機(jī)組事故停機(jī)，事故停機(jī)時(shí)應(yīng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)（在主機(jī)控制程序中也應(yīng)考慮）。注意這里啟動(dòng)主機(jī)事故停機(jī)之壓油槽事故低油壓值的整定應(yīng)比可操作水輪機(jī)組的最小油壓值大出一定量值，確保水輪機(jī)導(dǎo)葉在油壓“崩潰”前能夠全關(guān)，另外負(fù)曲率導(dǎo)葉的采用有利于這一問(wèn)題的改善。 　　⑥油壓裝置壓油槽應(yīng)選擇合適的油氣體積比Ｋ，經(jīng)驗(yàn)證明一般取１∶２，這是因?yàn)椋酥荡髸r(shí)，由于操作放出等體積的油量后會(huì)造成壓油槽油壓更大的下降：今設(shè)壓油槽容積為Ｖ，其中油占ＫＶ/（１＋Ｋ）；氣體占Ｖ/（１＋Ｋ），又設(shè)P、（P-ΔP）是放出ΔV體積油量前后的壓油槽油壓，代入玻意耳定律得：PＶ/（１＋Ｋ）＝（P-ΔP）[Ｖ/（１＋Ｋ）+ΔV]，從而ΔP=PΔV／［Ｖ/（１＋Ｋ）+ΔV]，顯然K越大，ΔP將越大。另一方面，K太小，將沒(méi)有足夠的壓力油量，此處可結(jié)合第①點(diǎn)考慮。在油壓裝置運(yùn)行中，由于微量氣體不斷地“溶”于油中，較長(zhǎng)時(shí)間后會(huì)造成K值增大，為此我們應(yīng)引用高壓空氣自動(dòng)實(shí)行缺失補(bǔ)氣(為相對(duì)“干燥”故，可考慮多級(jí)壓力供氣)。具體地說(shuō)，當(dāng)壓力油槽油位上升至34%刻度并且油壓下降至3.95 MPa時(shí)，打開(kāi)可控氣閥向壓油槽補(bǔ)氣；當(dāng)油壓上升至4.05 MPa、或者壓力油槽油位降至31%刻度時(shí)關(guān)閉可控氣閥停止補(bǔ)氣。 　　⑦“補(bǔ)油”與“補(bǔ)氣”兩個(gè)進(jìn)程互相聯(lián)鎖，即“補(bǔ)油”時(shí)不“補(bǔ)氣”；“補(bǔ)氣”時(shí)不“補(bǔ)油”。 　　⑧為使得“工作油泵”、“備用油泵”的總運(yùn)行時(shí)間不致相差懸殊，引入“輪崗”思想，考慮工作油泵運(yùn)行次數(shù)多于備用油泵運(yùn)行次數(shù)達(dá)88次后輪換“工作油泵”與“備用油泵”的角色，此可巧妙利用西門子SWAP指令實(shí)現(xiàn)。 ２．可編程控制器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 　　可編程控制器簡(jiǎn)稱PLC（Programmable Logic Controller）經(jīng)過(guò)世界各國(guó)近40年的發(fā)展與完善，已成為最重要、最可靠、應(yīng)用場(chǎng)合最廣泛的工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)。它是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)；它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)操作等面向用戶的指令；并通過(guò)數(shù)字式或模擬式輸入／輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。PLC具有諸多優(yōu)點(diǎn)：（1）可靠性高；（2）編程方便、易于使用；（3）控制功能極強(qiáng)，除基本的邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算等功能外，配合特殊功能模塊還可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制、PID運(yùn)算、過(guò)程控制、數(shù)字控制等功能，為方便工廠管理又可以與上位機(jī)通信，通過(guò)遠(yuǎn)程模塊可以控制遠(yuǎn)方設(shè)備。（4）的擴(kuò)展及與外部聯(lián)接極為方便。基于此，我們用PLC控制水電廠油壓裝置，西門子（中國(guó)）有限公司參與了三峽工程一些重要的子項(xiàng)目：如左岸發(fā)電站6臺(tái)發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)組勵(lì)磁調(diào)速裝置和50萬(wàn)伏主變壓器，其中西門子（中國(guó)）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)部與國(guó)內(nèi)系統(tǒng)集成商和設(shè)備制造商合作，參與了臨時(shí)船閘、永久船閘、大壩和電站廠房二期工程中的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)現(xiàn)地控制站和部分門橋機(jī)以及左岸電站廠房、泄洪壩段和永久船閘低壓配電系統(tǒng)等項(xiàng)目，西門子（中國(guó)）有限公司提供了先進(jìn)、安全、可靠的技術(shù)和控制設(shè)備，包括復(fù)雜的雙線永久船閘控制系統(tǒng)自2003年6月投入以來(lái)，一直運(yùn)行正常，從未發(fā)生過(guò)任何系統(tǒng)控制上的問(wèn)題，充分體現(xiàn)了西門子高級(jí)控制系統(tǒng)的高質(zhì)量、高可靠性和高穩(wěn)定性[1]，在此我們選用西門子PLC。 　　系統(tǒng)控制兩臺(tái)補(bǔ)油鏍桿油泵電動(dòng)機(jī)組（一臺(tái)工作一臺(tái)備用）、一只補(bǔ)氣電磁閥(其ZT電磁鐵有開(kāi)啟和關(guān)閉兩個(gè)線圈，可不帶電工作)、一只油壓過(guò)低報(bào)警指示燈、一只油壓事故低報(bào)警指示燈。系統(tǒng)有1個(gè)壓油槽油壓測(cè)量輸入點(diǎn)（模擬量輸入）、1個(gè)壓油槽油位測(cè)量輸入點(diǎn)（模擬量輸入）、1個(gè)啟動(dòng)按鈕SB1的輸入（開(kāi)關(guān)量）、1個(gè)停止按鈕SB2的輸入（開(kāi)關(guān)量）；2個(gè)補(bǔ)油油泵電動(dòng)機(jī)組的輸出（開(kāi)關(guān)量）、１個(gè)補(bǔ)氣電磁閥開(kāi)啟線圈的輸出（開(kāi)關(guān)量）、１個(gè)補(bǔ)氣電磁閥關(guān)閉線圈的輸出（開(kāi)關(guān)量）、１個(gè)油壓過(guò)低報(bào)警指示燈的輸出（開(kāi)關(guān)量）、１個(gè)油壓事故低報(bào)警指示燈的輸出（開(kāi)關(guān)量）。合計(jì)整個(gè)系統(tǒng)需要開(kāi)關(guān)量輸入2點(diǎn)，開(kāi)關(guān)量輸出6點(diǎn)，模擬量輸入２點(diǎn)。 　　從下表1[2]中可找出滿足我們要求的型號(hào)，即選擇CPU222主機(jī)（８點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入/６點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出，能向擴(kuò)展模塊提供的DC5V輸出電流是340mA，DC24V電源所提供的最大電流為400 mA）；參考表2[2]另選擇EM231模擬量輸入模塊（4路模擬量輸入，消耗DC5V電流為10 mA）一塊；再選擇國(guó)產(chǎn)AK-4型量程5Mpa、輸出信號(hào)4～20mA、輸出接口為RS485的壓力變送傳感器[3]２只（1只投入運(yùn)行1只作物理備用）及承壓油位傳感器1只(例如MSL-A隔離式液位變送器[3]采用進(jìn)口高品質(zhì)的隔離膜片的敏感組件加放大電路，輸出4～20mA二線制標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，封裝于不銹鋼外殼中)，共同組成硬件系統(tǒng)，傳感器的電源應(yīng)以不超載為原則作考慮，此處略敘。 表格 1 S7-200PLC中央處理單元參數(shù) 表格 2 S7-200PLC模擬量擴(kuò)展模塊參數(shù) 選擇好硬件以后我們可以來(lái)分配輸入輸出點(diǎn)地址(見(jiàn)表3)。 表格 3 S7-200PLC輸入輸出點(diǎn)地址分配 3．可編程控制器控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì) 　　3.1 當(dāng)測(cè)得壓力油罐壓力達(dá)到量程頂值5MPa時(shí)，AK-4型壓力變送器的電流為20mA，AIW0的數(shù)值約為32767。每毫安對(duì)應(yīng)的A/D值約為32767／20，測(cè)得壓力為0.1MPa時(shí)，AK-4型壓力變送器的電流應(yīng)為4mA，A/D值約為（32767／20）×4＝6553.4。被測(cè)壓力為0.1～5 MPa時(shí)，AIW0的對(duì)應(yīng)數(shù)值約為6553.4～32767，由此得出1KPa對(duì)應(yīng)的A/D值大約為（32767－6553.4）／（5000－100）＝5.35，由此得出AIW0的數(shù)值轉(zhuǎn)換為實(shí)際壓力值（單位為KPa）的計(jì)算公式為： VW0的值＝[（AIW0的值－6553）／535]*100＋100 （單位：KPa） 3.2 控制程序流程示意圖見(jiàn)圖1，此圖也可不繪。 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(xiàn) 100，VW0 MOVW AIW2，VW2 LDW＜＝ VW0，VW10 ＝ M30.0 //要求“工作油泵”投入的標(biāo)志 LDW＜＝ VW0，VW12 ＝ M30.1 //要求“備用油泵”投入的標(biāo)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“備用油泵”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“備用油泵”投入 LD M30.0 A V2000.0 LD M30.1 A V2000.0 LD V2001.0 CTUD C254，88 LD C254 SWAP VW2000 //VB200