隨著直流輸電技術的廣泛發(fā)展和應用，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。特高壓復龍—奉賢（向家壩—上海）輸電容量達到640MW，士800kV，其安全穩(wěn)定運行對電網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)分為內冷水和外冷水。內冷水在封閉的管道中循環(huán)運行，帶走換流閥換流中產生的巨大熱量；外冷水對內冷水管道進行噴淋降溫，以保證內冷水的溫升在需求的范圍內，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)定運行起著至關重要的作用。自2012年以來，奉賢換流站水冷、空調系統(tǒng)屢次發(fā)生PLC死機現象，嚴重威脅了800kV特高壓復奉直流系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。而進口的PLC產品價格昂貴，訂貨周期長，綜合各種因素，決定對換流站內的PLC進行國產化改造。
一、水冷控制系統(tǒng)的工作概況
外冷水的進水由工業(yè)水池通過工業(yè)泵進入處理單元，經軟化單元的預處理和反滲透單元的再處理后，注入外冷水平衡水池，經過噴淋泵和噴淋管道進入冷卻塔，在噴淋塔內冷卻內冷水管道。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行，而這些功能的實現都是基于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，相應閥門的啟停都是由預先設定在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離子后，進一步除去所含的雜質顆粒以及礦物質分子。為了防止顆粒狀物質進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，當水位低時，PLC便啟動補水程序；當水位超低時，PLC便停止噴淋泵，以防噴淋泵空轉，導致外冷水系統(tǒng)不可用，進而影響直流系統(tǒng)運行。
二、PLC控制系統(tǒng)運行狀況
1、現有PLC模塊的結構
考慮到水冷系統(tǒng)中處理的對象主要是開關量信號，根據工藝要求采用PLC對整個系統(tǒng)實施控制，采用組態(tài)軟件對系統(tǒng)進行顯示和監(jiān)控。奉賢站現用的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個數字輸入模塊（A1SX80），2個帶A/D轉換的模擬輸入模塊（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個繼電器輸出型數字輸出模塊（A1SY14EU）。
2、A1S型PLC控制過程
A1S63P將直流24 V電源轉換成供整個PLC控制系統(tǒng)工作所需的直流電源，是能源供給中心�，F場測得流量、溫度、壓力等信號通過傳感器轉換成電信號，經A1SX80、 A1 S68AD等模塊，將非標準的模擬信號轉換成TTL標準信號，然后讀入PLC的控制中樞A1SHCPU中。A1SHCPU根據事先設定的工作邏輯，對用戶程序進行運算和操作，把運算結果通過A1SY14EU下發(fā)給各個執(zhí)行機構（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據，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場各輸入裝置的狀態(tài)、數據，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，經過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數運算的結果送入I/O映象區(qū)或數據寄存器內。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)或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到被停止運行。
三、PLC的國產化改造
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的結構要合理，便于購買備品、維修和管理；
③ 要根據負載的要求，選擇與之匹配的輸入輸出模塊；
④ 輸入輸出的點數；
⑤ 存儲器的容量；
⑥ 響應速度；
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
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N2為32；理論計算CPU所需的內存容量為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點數為N1 ＋N2，考慮到輸入的同時接通點數不得超過輸入總點數的60%，因此選擇的總點數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，被控對象之間的數據、狀態(tài)交換不需要另設專門的通信線路。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系的場合。集中控制模式的特點是經濟適用，缺點是當某一控制對象的控制程序需要修改或PLC出現故障時，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)生死機現象，對集中控制模式稍加調整，進行冗余配置，構成雙機控制系統(tǒng)，當1臺CPU出現故障時，自動切換到另一控制系統(tǒng)。根據奉賢站的實際情況，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體積較小，現場空間布置都采用疊裝式接線。
疊裝式結構的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、安裝和使用上更為靈活方便。
（2）小型PLC控制
目前，國內廠商生產的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KDN-K系列產品。當本體I/O數量滿足要求時，系統(tǒng)控制任務可交由單個CPU本體完成；當本體I/O數量不能滿足要求時，便通過擴充I/O擴展模塊，擴展到相應的I/O點數。
小型PLC模式的CPU可選用國產KDN-K308-40AR型：AC220V供電，自帶40點I/O，開關量輸入點數為24點，輸出點數為16點，最大可擴展為280點，記憶體為16 KB，測算速度0.5µs開關量輸入擴展模塊可選用KDN-K321-16 DX型，輸入點數為16點，輸入電壓為24V，輸入電流4.1mA，響應時間為5ms，耗電量為84mA；模擬量輸入模塊可選用KDN-K331-04Ⅳ型，輸入點數為8點，輸入通道數為4通道，耗電量為44.2 mA；繼電器輸出模塊可選用KDN-K322-16XR型，輸出點數為16點，AC250/DC30，負載電流為3 A，耗電量為100mA。
根據理論計算出的PLC所需總I/O數大于180的要求，可以計算出所需配置的KDN-K系列各模塊數量。該方案在設計要求上基本滿足了ABB公司起初的設計要求，在總體性能上可以完成外冷水控制系統(tǒng)的控制任務。在編程語言方面，可采用符合IEC 61131-3標準的編程語言，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，構成相應的模塊，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起初設計的A1SHCPU型，而是A2SHCPU型。A2SHCPU可帶的I/O點數為512點，內存為14 KB，高于設計要求。也就是說，目前采用小型PLC的控制模式，在技術上還無法達到ABB初始設計的要求，從這個角度來說，中型PLC的控制模式采用國產PPC11系列是可行的，具有明顯的優(yōu)勢。
采用國產PPC11系列控制模式，電源可選用PWS10型，直接將交流電壓轉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，功能強于現在使用的CPU，可以實現更多的控制功能；開關量模塊可選用IDD50型，具有32個輸入點數，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，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，輸入電壓為交流240 V或者直流24 V，響應時間為10ms，允許負載電流為2A，耗電量為100mA。
同樣，根據理論計算出的PLC所需總I/O點數大于180的要求，可以計算出所需配置的該系列各模塊數量。
采用此種方案可以完全實現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現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)域內而且相距較遠，同時被控系統(tǒng)之間要經常進行數據和信息交換的場合，控制系統(tǒng)由若干個相互具有通信聯網功能的PLC構成，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行內部聯鎖、響應和發(fā)令等，由上位機通過數據總線進行通信。這樣，當1臺PLC停止運轉時不會影響其他PLC對其被控對象的控制，從系統(tǒng)的維護、增設被控對象方面來看，靈活性更高，但也相應地增加了成本。
以上兩種模式都能滿足奉賢站目前水冷設備的控制需求，目前奉賢站采用的是集中控制模式，由于外冷水設備分布相對集中，設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，本文不作詳細討論。
四、結語
隨著國產PLC技術的日趨成熟，且處理能力日益強大，其性能已經可以達到進口PLC控制水平，且國內PLC廠商售后服務、備品備件容易解決，產品價格便宜。因而，PLC國產化已經可以實現。但是，與此相比，我們更應該加強生產運行中PLC控制系統(tǒng)的維護和生產環(huán)境建設。例如，注重改善設備潮濕的運行環(huán)境，避免電機等設備的強大噪聲、震動及電磁干擾；經常檢查連接線是否有損壞老化的現象；加強PLC內部除塵工作，提高運行人員的責任意識等，更加穩(wěn)妥合理地做好設備的運行維護工作，延長設備的運行周期，這才是確保設備安全穩(wěn)定經濟運行的關鍵所在。針對同樣的問題，空調系統(tǒng)PLC系統(tǒng)改造也將成為可能。
