800kV換流站水冷系統(tǒng)PLC的國產(chǎn)化改造

       隨著直流輸電技術(shù)的廣泛發(fā)展和應(yīng)用，直流輸電由于其自身的優(yōu)勢扮演著越來越重要的角色。電壓等級越來越高，輸電容量越來越大。特高壓復(fù)龍—奉賢（向家壩—上海）輸電容量達(dá)到640MW，士800kV，其安全穩(wěn)定運行對電網(wǎng)的影響無疑是巨大的。
       超高壓和特高壓直流換流站中，水冷系統(tǒng)都是必不可少的重要組成部分，水冷系統(tǒng)分為內(nèi)冷水和外冷水。內(nèi)冷水在封閉的管道中循環(huán)運行，帶走換流閥換流中產(chǎn)生的巨大熱量；外冷水對內(nèi)冷水管道進(jìn)行噴淋降溫，以保證內(nèi)冷水的溫升在需求的范圍內(nèi)，從而保證換流閥能夠安全運行。
       直流系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行離不開閥水冷系統(tǒng)，外冷水系統(tǒng)的日常運行對直流換流設(shè)備的安全起著舉足輕重的作用，而其運行的控制核心可編程邏輯控制器（PLC），無疑對整個直流系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用。自2012年以來，奉賢換流站水冷、空調(diào)系統(tǒng)屢次發(fā)生PLC死機現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅了800kV特高壓復(fù)奉直流系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。而進(jìn)口的PLC產(chǎn)品價格昂貴，訂貨周期長，綜合各種因素，決定對換流站內(nèi)的PLC進(jìn)行國產(chǎn)化改造。
       一、水冷控制系統(tǒng)的工作概況
       外冷水的進(jìn)水由工業(yè)水池通過工業(yè)泵進(jìn)入處理單元，經(jīng)軟化單元的預(yù)處理和反滲透單元的再處理后，注入外冷水平衡水池，經(jīng)過噴淋泵和噴淋管道進(jìn)入冷卻塔，在噴淋塔內(nèi)冷卻內(nèi)冷水管道。外冷水部分循環(huán)使用，部分排出，所有這些處理過程都在自動控制模式下進(jìn)行，而這些功能的實現(xiàn)都是基于PLC控制。
       1、軟化單元
       軟化單元運行時，將補水泵打入的生水中含有鈣、鎂等離子，通過離子交換器置換成鈉離子，防止反滲透膜表而形成污垢，使得反滲透能力下降。
       在離子交換器的再生過程中，所有閥門的狀態(tài)都是受PLC實時監(jiān)控的，相應(yīng)閥門的啟停都是由預(yù)先設(shè)定在PLC中的時間整定決定的。
       2、反滲透單元
       反滲透單元的作用是在軟化單元除去原水中所含的鈣質(zhì)離子后，進(jìn)一步除去所含的雜質(zhì)顆粒以及礦物質(zhì)分子。為了防止顆粒狀物質(zhì)進(jìn)入反滲透膜時堵塞膜管，反滲透單元的水處理需要一定的壓力。所以，在過濾器與反滲透管之前安裝了2個循環(huán)泵，用于提供反滲透膜工作時所需的壓力。
       3、平衡水池
       平衡水池用于盛裝處理后的冷卻水，其水位通過傳感器傳至PLC的AD輸入模塊，當(dāng)水位低時，PLC便啟動補水程序；當(dāng)水位超低時，PLC便停止噴淋泵，以防噴淋泵空轉(zhuǎn)，導(dǎo)致外冷水系統(tǒng)不可用，進(jìn)而影響直流系統(tǒng)運行。
       二、PLC控制系統(tǒng)運行狀況
       1、現(xiàn)有PLC模塊的結(jié)構(gòu)
       考慮到水冷系統(tǒng)中處理的對象主要是開關(guān)量信號，根據(jù)工藝要求采用PLC對整個系統(tǒng)實施控制，采用組態(tài)軟件對系統(tǒng)進(jìn)行顯示和監(jiān)控。奉賢站現(xiàn)用的PLC模塊主要為三菱A1S系列，包括：1個24 V直流電源模塊（A1S63P）；5個數(shù)字輸入模塊（A1SX80），2個帶A/D轉(zhuǎn)換的模擬輸入模塊（A1S68AD）； 1個中央處理單元（A1SHCPU）。采用電可擦除可編程只讀存儲器（EEPROM） ； 4個繼電器輸出型數(shù)字輸出模塊（A1SY14EU）。
       2、A1S型PLC控制過程
       A1S63P將直流24 V電源轉(zhuǎn)換成供整個PLC控制系統(tǒng)工作所需的直流電源，是能源供給中心�，F(xiàn)場測得流量、溫度、壓力等信號通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)A1SX80、 A1 S68AD等模塊，將非標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號轉(zhuǎn)換成TTL標(biāo)準(zhǔn)信號，然后讀入PLC的控制中樞A1SHCPU中。A1SHCPU根據(jù)事先設(shè)定的工作邏輯，對用戶程序進(jìn)行運算和操作，把運算結(jié)果通過A1SY14EU下發(fā)給各個執(zhí)行機構(gòu)（如繼電器）。A1SHCPU按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能，接收和存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲器，I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，隨機診斷用戶程序中的語法錯誤。
       PLC投入運行時，首先以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)、數(shù)據(jù)，分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。在所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到被停止運行。
       三、PLC的國產(chǎn)化改造
       1、改造時需要考慮的問題
       改造時需要考慮以下9個問題：
       ① PLC的功能與控制，要滿足不同的類型和速度；
       ② PLC的結(jié)構(gòu)要合理，便于購買備品、維修和管理；
       ③ 要根據(jù)負(fù)載的要求，選擇與之匹配的輸入輸出模塊；
       ④ 輸入輸出的點數(shù)；
       ⑤ 存儲器的容量；
       ⑥ 響應(yīng)速度；
       ⑦ 通信功能；
       ⑧ 擴展單元；
       ⑨ 編程器及編程方式。
       2、計算PLC性能參數(shù)
       參照ABB公司提供的水冷系統(tǒng)的PLC控制圖，按輸入模塊5塊，每塊模塊需要16點，算得PLC的I/O總點數(shù)N1為128；按輸入模塊2塊，每塊模塊需要16點，算得PLC的模擬量輸入點數(shù)N2為32；理論計算CPU所需的內(nèi)存容量為6.08 KB，再增加25%的冗余容量，至少需要7.5 KB，實際選用時要大于7.5 KB。PLC實際所需總I/O點數(shù)為N1 ＋N2，考慮到輸入的同時接通點數(shù)不得超過輸入總點數(shù)的60%，因此選擇的總點數(shù)N大于180即可。
       3、選擇PLC控制模式
       （1）集中控制
       集中控制模式是由1臺PLC控制多臺被控設(shè)備，每個被控系統(tǒng)與PLC之間有指定的I/O點連接。因而，被控對象之間的數(shù)據(jù)、狀態(tài)交換不需要另設(shè)專門的通信線路。集中控制模式大多用于控制對象地理位置比較接近而且相互之間的動作有一定聯(lián)系的場合。集中控制模式的特點是經(jīng)濟適用，缺點是當(dāng)某一控制對象的控制程序需要修改或PLC出現(xiàn)故障時，必須停止整個系統(tǒng)的工作，而且所需PLC單個的I/O點數(shù)和存儲器容量較大。
       為了防止水冷控制系統(tǒng)可能發(fā)生死機現(xiàn)象，對集中控制模式稍加調(diào)整，進(jìn)行冗余配置，構(gòu)成雙機控制系統(tǒng)，當(dāng)1臺CPU出現(xiàn)故障時，自動切換到另一控制系統(tǒng)。根據(jù)奉賢站的實際情況，在集中控制模式下，可以選擇小型PLC模式和中型PLC模式兩種方案。由于外冷水控制柜柜內(nèi)體積較小，現(xiàn)場空間布置都采用疊裝式接線。
       疊裝式結(jié)構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)，把工作單元的外形尺寸都做成一致的，像CPU、I/O接口及電源部分，部件之間的連線不使用模塊式PLC中的總線板而是采用電纜連接。這種連接方式不僅可以擴展PLC的控制能力，同時在生產(chǎn)、安裝和使用上更為靈活方便。
       （2）小型PLC控制
       目前，國內(nèi)廠商生產(chǎn)的PLC以中小型為主，集成了CPU、輸入輸出接口及電源等多種功能，如國產(chǎn)KDN-K系列產(chǎn)品。當(dāng)本體I/O數(shù)量滿足要求時，系統(tǒng)控制任務(wù)可交由單個CPU本體完成；當(dāng)本體I/O數(shù)量不能滿足要求時，便通過擴充I/O擴展模塊，擴展到相應(yīng)的I/O點數(shù)。
       小型PLC模式的CPU可選用國產(chǎn)KDN-K308-40AR型：AC220V供電，自帶40點I/O，開關(guān)量輸入點數(shù)為24點，輸出點數(shù)為16點，最大可擴展為280點，記憶體為16 KB，測算速度0.5µs開關(guān)量輸入擴展模塊可選用KDN-K321-16 DX型，輸入點數(shù)為16點，輸入電壓為24V，輸入電流4.1mA，響應(yīng)時間為5ms，耗電量為84mA；模擬量輸入模塊可選用KDN-K331-04Ⅳ型，輸入點數(shù)為8點，輸入通道數(shù)為4通道，耗電量為44.2 mA；繼電器輸出模塊可選用KDN-K322-16XR型，輸出點數(shù)為16點，AC250/DC30，負(fù)載電流為3 A，耗電量為100mA。
       根據(jù)理論計算出的PLC所需總I/O數(shù)大于180的要求，可以計算出所需配置的KDN-K系列各模塊數(shù)量。該方案在設(shè)計要求上基本滿足了ABB公司起初的設(shè)計要求，在總體性能上可以完成外冷水控制系統(tǒng)的控制任務(wù)。在編程語言方面，可采用符合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程語言，支持IL（指令表）和LD（梯形）語言，奉賢站目前PLC采用的是梯形圖編程語言，這在控制系統(tǒng)的編程設(shè)計上，可以方便地保持了原有程序的連貫性和通用性。
       （3）中型PLC控制
       中型PLC控制模式與小型模式類似，只是CPU本體自身不帶I/O點，與輸入輸出等擴展模塊相互獨立，構(gòu)成相應(yīng)的模塊，分別安裝在CPU基板或I/O擴展基板上。中型PLC控制模式的CPU運算能力更加強大，可擴展的I/O點數(shù)也更多。
       由于小型PLC模式的CPU擴展方式存在不足，例如：CPU本體體積較大，不便于柜內(nèi)安裝；CPU運算能力和擴展能力有限，妨礙了控制系統(tǒng)的升級和性能延伸。問題是目前奉賢站實際使用的PLC的CPU，并非是ABB起初設(shè)計的A1SHCPU型，而是A2SHCPU型。A2SHCPU可帶的I/O點數(shù)為512點，內(nèi)存為14 KB，高于設(shè)計要求。也就是說，目前采用小型PLC的控制模式，在技術(shù)上還無法達(dá)到ABB初始設(shè)計的要求，從這個角度來說，中型PLC的控制模式采用國產(chǎn)PPC11系列是可行的，具有明顯的優(yōu)勢。
       采用國產(chǎn)PPC11系列控制模式，電源可選用PWS10型，直接將交流電壓轉(zhuǎn)換為各個模塊工作所需的+5V直流電壓；CPU可選用CPU11型，可控I/O點數(shù)為512點，最多可擴展到1024點，測算速度為0.2µs，滿足了目前及將來控制升級的要求，梯形圖程序容量為48 KB，功能強于現(xiàn)在使用的CPU，可以實現(xiàn)更多的控制功能；開關(guān)量模塊可選用IDD50型，具有32個輸入點數(shù)，輸入電壓為12 V，輸入電流為3mA；輸入電壓為24 V，輸入電流為7 mA；響應(yīng)時間為2ms，耗電量為180mA。模擬量輸入模塊可選用IAD30型，具有16個輸入點數(shù)，輸入電壓為-10 V至+10 V，輸入電流為-20 mA至+20 mA，具有8個12位差動輸入通道，響應(yīng)時間為450ms，耗電量為400mA。繼電器輸出模塊可選用ODA40型，具有16個輸入點數(shù)，輸入電壓為交流240 V或者直流24 V，響應(yīng)時間為10ms，允許負(fù)載電流為2A，耗電量為100mA。
       同樣，根據(jù)理論計算出的PLC所需總I/O點數(shù)大于180的要求，可以計算出所需配置的該系列各模塊數(shù)量。
       采用此種方案可以完全實現(xiàn)目前奉賢站水冷控制的要求，而且在整體性能上要比奉賢站內(nèi)現(xiàn)在使用的三菱系列更為出色。在編程語言方而，可利用Windows操作界面下的Hi-View（Programming Package）程序規(guī)劃軟件編輯梯形圖程序，并將此程序加載到PPC11系列可編程控制器的內(nèi)存中，對程序的編輯、修改、測試變得更為簡潔方便，滿足了將來外冷水系統(tǒng)升級改造的需求。
       （4）分布式控制模式
       分布式控制模式適用于被控對象較多，分布在一個較大的區(qū)域內(nèi)而且相距較遠(yuǎn)，同時被控系統(tǒng)之間要經(jīng)常進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換的場合，控制系統(tǒng)由若干個相互具有通信聯(lián)網(wǎng)功能的PLC構(gòu)成，上位機可以是PLC或者是計算機。
       在分布式控制系統(tǒng)中，每一個PLC可以控制一個對象，各PLC之間可以通過信號傳遞模式進(jìn)行內(nèi)部聯(lián)鎖、響應(yīng)和發(fā)令等，由上位機通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信。這樣，當(dāng)1臺PLC停止運轉(zhuǎn)時不會影響其他PLC對其被控對象的控制，從系統(tǒng)的維護(hù)、增設(shè)被控對象方面來看，靈活性更高，但也相應(yīng)地增加了成本。
       以上兩種模式都能滿足奉賢站目前水冷設(shè)備的控制需求，目前奉賢站采用的是集中控制模式，由于外冷水設(shè)備分布相對集中，設(shè)備之間的信息交換相對較少，使用集中控制模式即可滿足所有需求，同時也更加經(jīng)濟。第二種模式相對更加可靠，且便于升級擴展，人性化程度更高，可操作性強，也可以考慮作為將來的一種發(fā)展模式，本文不作詳細(xì)討論。
       四、結(jié)語
       隨著國產(chǎn)PLC技術(shù)的日趨成熟，且處理能力日益強大，其性能已經(jīng)可以達(dá)到進(jìn)口PLC控制水平，且國內(nèi)PLC廠商售后服務(wù)、備品備件容易解決，產(chǎn)品價格便宜。因而，PLC國產(chǎn)化已經(jīng)可以實現(xiàn)。但是，與此相比，我們更應(yīng)該加強生產(chǎn)運行中PLC控制系統(tǒng)的維護(hù)和生產(chǎn)環(huán)境建設(shè)。例如，注重改善設(shè)備潮濕的運行環(huán)境，避免電機等設(shè)備的強大噪聲、震動及電磁干擾；經(jīng)常檢查連接線是否有損壞老化的現(xiàn)象；加強PLC內(nèi)部除塵工作，提高運行人員的責(zé)任意識等，更加穩(wěn)妥合理地做好設(shè)備的運行維護(hù)工作，延長設(shè)備的運行周期，這才是確保設(shè)備安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行的關(guān)鍵所在。針對同樣的問題，空調(diào)系統(tǒng)PLC系統(tǒng)改造也將成為可能。