S7-200 PLC控制水力机组润滑和冷却系统

【Abstract】 This paper design The S7--PLC control lubricating and cooling system of waterpower unit and writed the control program. 【Key Words】 lubricating water allowable time of break off lubricating water 【摘 要】 本文设计了水力机组润滑和冷却的PLC控制系统并编制了控制程序。 【关键词】 润滑水 润滑水中断允许时间 １．水力机组润滑和冷却系统的简介与控制要求 　　水轮发电机组一般设有推力轴承、上导轴承、下导轴承和水导轴承，推力轴承和上、下导轴承采用透平油润滑的巴氏合金轴瓦（又称钨金瓦，现在又些机组已改为弹性金属塑料瓦）。水轮机导轴承有的采用透平油润滑的巴氏合金轴瓦，有的则采用水润滑的橡胶轴瓦。机组运转时，巴氏合金轴瓦因摩擦产生的热量靠轴承内油冷却器的循环冷却水带走。采用橡胶轴瓦时，水不仅起润滑作用，同时也起冷却作用，由于结构上的不同，两种轴承对自动化亦提出了不同的要求。 　　采用透平油润滑的巴氏合金轴瓦的轴承时，要求轴承内的油位保持一定高度，且轴瓦的温度不应超过规定的允许值，如不正常则应发出相应的故障信号或事故停机信号。冷却水中断时不要求立即停机，只需发故障信号，以通知运行人员进行处理。为了节约用水，冷却水在开机运转时才投入，其投入和切除由机组总冷却水电磁配压阀（带ZT电磁铁）控制，轴承冷却水不单独设操作阀。这部分的自动化比较简单。 　　采用水润滑的橡胶轴承时，即使润滑水短时间中断，也会引起轴瓦温度急剧升高，导致轴承的损坏，因此需要立即投入备用润滑水，并发出相应的信号。如果备用润滑水电磁配压阀（带ZT电磁铁）起动后仍无水流，则经过一定时间（例如3S）后应作用于事故停机。 对于低水头电厂(站)来说，若节约用水不那么重要，为简化操作控制和提高可靠性，可以采用经常性供给润滑水的方式，即不切除电磁阀。 　　除了轴承需要冷却水以外，发电机也需要带走运行时内部铜铁损所产生热量的冷却系统。发电机冷却方式一般有两种，其一是空气冷却方式：例如丹江口，采用密闭式自循环通风，借助循环于空气冷却器的冷风带出发电机内部所生热量，而空气冷却器则靠内管冷却水进行冷却，其二是水内冷方式：例如三峡（ABB公司为三峡设计的水电机组冷却方式为半水冷系统，主要计算软件为flowmaster，可对可压和不可压二种流体进行稳态和瞬态的分析及流体动力计算），经过处理的循环冷却水（电导率一般2西门子，2.5西门子时报警，5西门子时事故停机）直接通入定子绕组的空心导线内部和铁芯中的冷却水管，将运行时内部铜铁损所产生热量带走。发电机冷却系统对自动化的要求是保证冷却水的供应和水质合格。 　　采用空气冷却方式时,冷却水由机组总冷却水电磁阀供应，开机时打开总冷却水电磁阀，停机时关闭总冷却水电磁阀。用示流传感器进行监视，中断时发出故障信号，但不作用于事机。这部分比较简单。 　　采用水内冷却方式时，由于冷却水的水质、水压、流量有严格要求，故需单独设置供水系统。短时间的冷却水中断可能导致发电机温度急剧上升，因而对供水可靠性的要求严格得多。一般有主、备水源，可互相切换，冷却水中断超过一定时限后要作用于事故停机。 ２．机组上导推力共槽、水导水润滑、发电机用空气冷却时的自动化元件配置、控制点数统计及可编程控制器选型 ２．１信号元件（信号传感器） 　　冷却水总管监视器具（示流传感器）1只，如BAR-系列抗震型靶式流量计公称口径15～3000mm、公称压力0.6Mpa～42Mpa、内置锂电池或外供24VDC 、输出4～20mA、脉冲0～10V、RS232/RS485、GPRS无线远传，又如银亿通水流开关式传感器；水导润滑冷却水监视用示流传感器1只；监视上导推力、下导上限和下限油位用开关式传感器共4只；监式上导推力、下导温度过热（如55℃）和过高（如70℃）用开关式传感器共4只。另外水轮发电机组“开机”、“停机”、“停机完成”等信号由通讯传送,共需PLC之input开关量点10个。 ２．２执行元件(执行器) 　　总冷却水管控制用电磁配压阀1只，其ZT电磁铁吸引线圈、脱扣线圈分别控制阀的开启与关闭，线圈仅在动铁芯动作时短时通电，吸引线圈与脱扣线圈分别用PLC的2个输出点控制；上导推力槽油位上限信号器1只；上导推力槽油位下限信号器1只；下导槽油位上限信号器1只；下导槽油位下限信号器1只；上导推力轴承温度过热（如55℃）指示器1只；上导推力轴承温度过高（如70℃）指示器1只；下导轴承温度过热（如55℃）指示器1只；下导轴承温度过高（如70℃）指示器1只；主、备润滑水投入与切除用的电磁配压阀各1只（3阀共6点）；总冷却水管内冷却水中断报警输出1点；润滑水中断事故警输出1点；水轮机组润滑和冷却系统各事故停机信号汇总输出1点。共需PLC之output开关量点16个。 　　注意这里油位与温度信号的采集及输出控制没有使用模拟量，虽然需要点数有增长，但无需扩展模块，故可减少成本。 ２．３可编程控制器选型 　　上面统计知需要12个I点/13个O点，从表1中选择一台CPU226型(24入/16出)的S7－PLC。也可以选择CPU224模块（14入/10出）与EM222（有8个数字量输出点）组合，这里不进行经济性对比，各应用者可根据情况自行掌握。 表1：S7-200PLC中央处理单元参数 ２．４输入输出点地址分配见表2 表2：S7-224PLC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 根据以上分析并结合操作流程不难编出： LD M31.0 LPS = Q0.0 //开机时打开总冷却水管 = Q0.1 //开机时打开主润滑水管 LRD A I0.3 = Q0.3 //上导推力轴承油槽油位上限发出信号 LRD A I0.4 = Q0.4 //上导推力轴承油槽油位下限发出信号 LRD A I0.5 = Q0.5 //下导槽油位上限发出信号 LRD A I0.6 = Q0.6 //下导槽油位下限发出信号 LRD A I0.7 = Q0.7 //上导推力瓦温度55℃发出信号 LRD A I1.0 = Q1.0 //下导瓦温度55℃发出信号 LRD A I1.1 = Q1.1 //上导推力发烧70℃发出信号并发送上位机进行水轮机组事故停机 LRD A I1.2 = Q1.2 //下导轴承发烧70℃发出信号并发送上位机进行水轮机组事故停机 LRD A I0.0 = Q1.3 //总冷却水中断故障提示 LPP A I0.1 = Q0.2 //打开备用润滑水阀门 TON T97，300 //润滑水中断允许时间3S LD T97 = Q1.4 //润滑水中断事故报警并发送上位机进行水轮机组事故停机 LD M31.1 = Q1.5 //停机时关闭总冷却水阀门 LD M31.2 = Q1.6 //停机后关闭主润滑水阀门 = Q1.7 //停机后关闭备用润滑水阀门 ４．程序说明与总结 　　润滑与冷却是水轮发电机组运行时才需要的，其标示是M31.0置1，加载到逻辑堆栈（九级深度）栈顶后，LPS压栈复制存入第二级，处理下一个事件或最后一个时事件时，用LRD读栈或LPP弹出，比再次加载M31.0要节省操作时间，因为LD M31.0要通过各总线到存储器指定位置取数，而LRD（或LPP）在堆栈内部取数更为便捷。 　　通过分析水力机组润滑和冷却系统得出控制要求，就可以合理选择PLC控制系统硬件，运用好指令就可编制程序。 参考文献 [1]《水电站自动化》王定一主编．电力工业出版社．1982年 [2]《水电站自动化》刘忠源、徐睦书合编．水利电力出版社．1985年 [3]《水电站自动化》楼永仁、黄声先、李植鑫合编．水利水电出版社．1995年 [4]《可编程序控制器原理及应用》吴中俊、黄永红主编．机械工业出版社．2003年 [5]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 作者简介： 朱文杰(1965－)，男，1985年华中科技大学电力工程系毕业，中国管理科学研究院终身研究员、水力发电学会会员、长沙理工大学老师，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 。