使用S7-200 PLC控制水电站进水口快速事故闸门的初

    一、进水口快速闸门的液压系统与自动控制要求    1．进水口快速闸门的重要性    萨彦·舒申斯克水电站位于萨彦岭下的叶尼塞河上，是前苏联国家建设的骄傲，2009年8月17日是其灾难日。其2号机组在6:45从250MW急速加负荷至640MW，7:15负荷直线降至170MW，之后半个小时内又渐进加负荷至250MW，7:45又急速加负荷至640MW，8:13由于加急降低出力导致内径7.5m、长450m的引水管发生直接水击，强大的引水管水击正波与尾水管水击正波在转轮室叠加，冲开水轮机顶盖并将机组转子、转轮、顶盖及上机架向上弹射十多米，屋顶坍塌、水淹厂房、机毁人亡，全厂负荷从4100MW猝降至零，成为世界水力发电史上最为严重的抬机事故。8:35～9:30进水口快速闸门才在幸存工作人员手动操作下关闭，如果进水口快速闸门具有完善、可靠（比如直流控制电源保留铅酸蓄电池）的控制系统，才实现在8:15截断水流。    2．进水口快速闸门液压系统简介    油压式起闭机是常见的进水口快速闸门，一般由液压系统和液压缸组成。在液压系统的控制下，液压缸内的活塞沿内壁做轴向往复运动，从而带动连接在活塞上的连杆和闸门做直线运动，以达到开起、关闭孔口的作用。闸门运行条件为动水起闭，有局部开启要求；起闭过程中要求液压缸运行平稳，无爬行、抖动等不良现象，并应能使闸门可靠地停止在任何位置。油压式启闭机液压系统如图4-3所示。
    图4-3    油压式启闭机液压系统    (1)液压阀件。液压阀型式为插装阀，通过先导控制阀和插装件在集成阀块上组合，得到方向、流量和压力等各种控制功能；采用锥面密封、阀心与阀座线接触密封，解决阀组泄漏问题；通过小通径、常规阀作先导阀来控制高压大流量的液压系统，实现启闭机运行平稳、工作可靠的要求；插装件直接安装在集成块的阀孔内，为无管连接，避免与配管间的泄漏。    方向控制由先导三位四通换向阀(A)实现，失电时保持在中位，其Y型机能使各阀件的液控回路处于卸荷状态，避免停机后各阀件长期带压而降低其灵敏性，并保证液压缸安全锁定。先导换向阀电磁铁DT2带电时闸门提升，即锥阀2与锥阀4液控油路卸荷，压力油通过锥阀2进入液压缸有杆腔，同时液压缸无杆腔油液经锥阀4排回油箱。锥阀l与锥阀3液控油路带压，其主油路关闭。同理，电磁铁DT3带电时闸门下降，锥阀1与锥阀3液控油路卸荷，两锥阀主油路接通，压力油通过锥阀3进入油缸无杆腔，同时液压缸有杆腔中的油液经锥阀1排回油箱，同时锥阀2与锥阀4的主油路关闭。    考虑水利工程启闭机使用次数少，且运行时间较短，其电磁换向阀采用常开式，即在非工作状态和油泵空载启动时均不带电，简化了电气回路，并保证即使误操作启动油泵运转，油液也可直接排回到油箱，不对闸门产生任何影响。电磁换向阀仅在提门或闭门状态带电，带电时间短，安全可靠。    压力控制由电磁溢流阀(B)实现，其作用为保证油泵空载启动，并控制泵出口的最高压力，当油压超过预定值时，溢流阀卸荷，保证在提门过程中油缸不超载运行。    (2)泵站情况。泵站是驱动油缸运行的动力站，主要由电动机一油泵组、控制阀组、液压附件（油箱、过滤器、管道等）组成。电动机一油泵组将机械能转化成液压能，是液压启闭机的“心脏”，因此油泵性能直接关系到启闭机的整机质量。启闭机液压系统污染控制采用较先进的保护措施。清除颗粒物时，设计采用高精度回油滤油器，油箱为全封闭型结构；油箱及管道均采用不锈钢材料。由于启闭机运行时油箱油位上下波动，油箱内的空气需要排出或补进，为防止补气时空气中的水分进入油箱，泵站采用具有防潮功能的空气滤清器，基本原理为阀件与干燥剂结合，使油箱既可方便空气的进出，又使进入油箱的水分降低，防潮性能可靠，干燥剂可重复使用。    (3)闸门开度测量。闸门开度测量是否准确，直接影响闸门的控制精度。液压起闭机由传感器采集闸门开度信号，为保证闸门安全可靠得运行，该装置安装有数个主令开关，分别对应测量范围的控制点，行程开关的发信位置可方便地通过位置丝杆调整。主令开关作为备用的行程控制装置，在传感器失灵时，用以控制闸门的上、下极限位置，起保护作用。    高度传感器由编码器和连轴器等组成。增量型编码器在旋转时输出与转角对应的电脉冲，停电时则无信号输出，故无记忆功能；绝对值型编码器在旋转时除输出电脉冲信号外，还输出与位置对应的数值信号，具有断电记忆功能。设计采用绝对值型编码器，保证在任何情况下均可准确纪录闸门位置，提高了闸门的安全可靠性。    (4)当过滤器堵塞时，DJ1、DJ2、DJ3发出声光信号，表示所对应的过滤器堵塞，以提醒管理人员对相应滤油器进行更换或清洗。    3．进水口快速闸门的控制要求    进水口快速闸门的操作必须满足以下要求：①快速闸门的正常提升和关闭，提升时应满足冲水开度的要求；②机组事故时，应在2min内自动紧急关闭闸门（萨彦惨案告诉人们在厂用电消失的情况下也应能够动作）；③闸门全开后，若由于某种原因使闸门下降到一定位置，则应能自动将闸门重新提升到全开位置；④针对上下腔过压、油泵启动、电动机过载、油箱液位异常，过滤器堵塞等情况，应有完善的故障自动保护和控制功能。PLC外部接线示意如图4-4所示。    (1)闸门正常提升。油压式启闭机用油泵供给压力油，电磁配压阀则用于将压力油注入闸门操作机构，以使闸门提升。提升闸门时，可操作多挡开关SK到“提升”或按钮SB1，使磁力起动器Q1励磁并自保持，1号油泵电动机起动，同时使电磁铁DT1带电开起溢流阀排油，油泵电动机空载运转，延时50s后电磁铁DT1失电而关闭溢流阀排油，此时电磁铁DT2带电使压力油进入液压缸下腔而开起闸门。闸门开到充水开度时，DT1带电、DT2失电，闸门停止上升而保持在充水开度。引水管充满水后，监视引水管水压的压力传感器YSY动合触点闭合，DT1失电、DT2带电，继续提升闸门至全开位置。闸门全开后，位置触点使Q1失磁、M1停转。与此同时DT2失电、油缸自锁，闸门开起信号灯(HD)亮。
    图4-4    PLC外部接线示意    (2)闸门正常关闭。快速闸门的关闭，可通过油缸下腔排油来实现。为此可操作SK到“下降”或按钮SB2，使电磁铁DT3带电，压力油通过锥阀3进入油缸无杆腔，而有杆腔排油，闸门失去油压后靠自重下降至全关位置。闸门全关后DT3失电，油缸不承压，此时闸门关闭信号灯(LD)亮。    快速闸门的开起、关闭，既可在坝顶闸门室进行，也可在机旁进行，两处均有闸门全开及全关信号灯。    (3)闸门紧急关闭。如果水轮机导叶或调速系统发生事故，则要求在2min内快速关闭闸门。此时由机组事故信号触点使电磁铁DT3带电而关闭闸门，全关后DT3失电且关闭信号灯(LD)亮。    (4)闸门自降提升。闸门全开后，若由于某种原因下滑至200mm以下，则闸门位置触点闭合，Q1励磁并自保持、M1启动，DT1带电并延时50s后失电，继之DT2带电将闸门重新提起至全开位置；如果闸门下滑超过300mm，则Q2励磁、M2启动。    油压过高、备用投入、油箱油位异常时均发出信号。    二、进水口快速闸门S7-200 PLC控制系统的程序设计    1．S7-200 PLC输入／输出点地址分配    S7-200 PLC输入／输出点地址分配见表4-2。    表4-2    S7-200 PLC输入/输出点地址分配
    2．控制程序的初步拟定    根据以上分析和要求，初步拟定进水口快速闸门S7-200 PLC控制系统程序如图4-5所示。
    图4-5    进水口快速闸门S7-200 PLC控制系统程序    进水口快速闸门控制程序语句表如下所示。

    3．程序说明    当操作闸门提升开关(I0.0)或闸门提升按钮(I0.2)或者闸门位置下滑200mm(M1.0)时，若闸门位置没有达到全开(M0.2)，则1号电动机磁力启动器Q1 (Q0.0)置位并自保持、M1启动，同时启动50s延时的T37。若闸门下滑300mm (M1.1)且没有恢复到全开时，则2号电动机磁力启动器Q2 (Q0.1)置位并自保持，M2启动，同时启动50s延时的T38。    不论M1 (Q0.0)还是M2 (Q0.1)启动，只要50s延时未到或未启动（T37、T38都闭合），Q0.2都置位使溢流卸荷阀DT1工作。50s延时到（T37或T38断开）则DT1失电关闭，从而油压上升。    M1或M2启动50s后T37或T38闭合，闸门位置未到充水开度前M0.1闭合，M0.2自然也闭合，Q0.3置位使DT2动作而提升闸门。达到充水开度后M0.1断开，DT2 (Q0.3)失电，闸门停止上升。当引水管充满水后，其压力监视M2.0闭合，不论是M1 (Q0.0)工作还是M2(Q0.1)工作，均通过Q0.3使DT2带电工作而提升闸门，闸门全开后M0.2断开，DT2失电，闸门停止上升。    若操作闸门下降开关(I0.1)或闸门下降按钮(I0.3)或者机组紧急事故停机(M31.7)闭合，都能使Q0.4置位，DT3工作而使闸门下降。闸门达到全关位置M0.0后断开，DT3失电，闸们停止下降。    另外，闸门位置全开后M0.2闭合，Q0.5置位点亮红灯。闸门位置全关后M0.0闭合，Q0.6置位点亮绿灯。PJ1 (M1.2)、PJ2 (M1.3)、PJ3 (M1.4)、HJ1 (M1.5)、HJ2 (M1.6)、备用油泵(Q0.1)动作后均予以报警。