张 堃，周立成，朱 斌，黄真懿，陈 锐

(1. 三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443000； 2. 傲拓科技股份有限公司，江苏 南京 210012)

随着自动化技术的高速发展，PLC技术已广泛应用于水电站自动控制系统，产品多数采用进口知名品牌[1]，当下国际形势错综复杂，技术要实现自主可控，只有加大科技创新才能将关键核心技术掌握在自己手里。随着PLC技术逐步趋于成熟，从内部核心芯片的设计，到外部驱动回路的制造[2]，均可以实现自主可控，本次研究将自主可控PLC设备应用于水电站渗漏排水系统中，确保排水系统的稳定、可靠运行，实现控制系统设备由进口设备向自主可控设备转型。此次研究选用傲拓科技NJ300系列可编程控制器，NJ300 PLC核心CPU采用中科院龙芯处理器，操作系统采用开源LINUX操作系统，满足PLC产品自主可控的要求，渗漏排水控制系统外部回路设计全部采用自主可控元器件，最终实现自主可控PLC渗漏排水控制系统[3-4]。

1 PLC介绍

傲拓科技NJ300系列可编程控制器，除具有一般PLC的优点外，在系统体系结构、功能、可靠性等方面具有如下的特点：

1.1 硬件特点

1)自主可控。NJ300 PLC核心CPU采用嵌入式低功耗高性能32位处理器，主频266 MHz，内存不小于8M的超大内存中科院龙芯处理器，操作系统采用开源LINUX操作系统，支持多任务分配，满足国家对PLC产品自主可控的要求。

2)环境适应能力强。NJ300系列PLC是一款宽温型产品，低温可达零下40℃，高温70℃，产品经过三防处理，满足潮湿、盐雾等极其恶劣环境的使用，体现了NJ300 PLC极强的环境适应能力。

3)性能稳定。供电电源采用冗余结构设计；用户应用程序、系统参数等数据能永久保存到PLC中，并且存储不依靠电池；所有模块(包括CPU和电源)都支持带电热插拔方便维护，并且所有模块在总线背板上可以任意安装；CPU模件集成双以太网接口(节省了网络模件)，可实现网络冗余。

1.2 软件特点

NJ300所使用的编程软件NAPro是南大傲拓自主开发的PLC编程软件，符合IEC61131-3国际标准的编程语言及独创的顺序控制图语言，支持在线调试、在线下载、离线仿真功能程序开发更快捷，与其它品牌编程软件相比具有以下特点：

1)NAPro逻辑编程软件自带实时曲线录波功能和离线仿真功能，具有独创的顺序控制图(SCC)编程语言，具备多项目管理功能和独立数据存储空间；

2)冗余CPU的主从切换可以通过软件中的系统切换专用指令(SWITCH)进行CPU切换，大大降低了主从切换的局限性；

3)软件自带PLC变量测点表: PLC变量测点表可以统计每个测点的使用次数，能有效避免测点使用重复后带来的逻辑错误。

1.3 国内外产品对比

国内南大傲拓NJ300系列产品与国外进口同档次的产品进行对比，如表1所示。

表1 国内外产品参数对比

2 控制系统应用设计

渗漏排水系统是水电站的重要设备，负责将水电站集水井中的渗漏水排出，确保水电站机组可靠、稳定运行，防止水淹厂房的特大事故发生。在进行水电站排水系统应用设计时建立在以下原则上进行设计：

1)系统设计必须稳定、可靠，具备冗余功能；

2)水位到达启泵水位时启泵，到达停泵水位时停泵；

3)系统故障或者水位达到超高水位时，具备报警功能；

4)集水井检修时，可以将集水井水全部排水；

5)水位值必须实时监控。

2.1 硬件设计

渗漏排水控制系统PLC硬件配置如表2所示，控制回路外部元器件、导线及模件均采用国产品牌。

表2 硬件配置

2.2 控制回路设计

2.2.1 电源设计

电源控制回路电气原理设计如图1所示，该控制系统采用双电源冗余结构，两路AC220 V电源分别取至不同的母线，每一个电源回路均设置了保护装置，电源装置PS1、PS2将进线电源转化为24 V电源，经切换装置VD1后，供控制回路使用，电源采用冗余结构设计，确保控制回路供电的可靠性[5]。

图1 控制电源原理图

2.2.2 控制回路设计

1)水位值显示设计。水位值采用三种显示功能设计：第一种现地传感器直接送远方监控系统，供远方监控系统水位显示；第二种现地传感器经过带显示功能的隔离变送器显示；第三种经PLC控制系统计算后触摸屏显示，三种显示冗余功能确保了水位值实时监视，确保水位值正常[6]。

2)控制原理设计。控制信号源液位计(模拟量)和液位开关形成多冗余，PLC控制、常规回路控制形成多层级冗余，分三级控制，控制系统原理如图2所示，电气设计控制如图3，图4所示。

图2 控制系统原理图

一级控制回路设计：液位计模拟量信号输送至隔离变送器，由隔离变送器设定输出一路模拟量信号和三路开关量信号；隔离变送器输出的模拟量信号转送至PLC，经PLC处理后判定启停泵定值，驱动开出回路，启停排水泵。

二级控制回路设计：水位模拟量信号经隔离变送器设定输出的三路开关量接点信号，定义为水位高、水位低、水位过高，定值与PLC内水位高启泵、水位低停泵、水位过高报警的定值相同，当PLC故障时可自动启、停水泵、水位过高报警。

三级控制回路设计：三路液位浮子开关量信号分别定义为水位高、水位低、水位过高。其中的水位高开关量的定值比PLC和隔离变送器启泵定值稍高，用于当液位模拟量传感器故障时，PLC和隔离变送器均无法启泵时，后备启泵；水位低开关量的定值比PLC和隔离变送器停泵定值稍低，用于当液位模拟量传感器故障时，PLC和隔离变送器均无法停泵时，后备停泵；水位过高开关量的定值比PLC和隔离变送器水位过高报警定值稍高，用于当液位模拟量传感器故障时，PLC和隔离变送器均无法对水位过高报警时，后备水位过高报警。

3)控制回路设计。根据控制原理图，电气控制回路设计如图3、图4所示。

图4 电气设计控制(2)

渗漏排水系统电气控制回路K4继电器采用双线圈继电器，确保控制系统的稳定，一级控制回路设计时PLC正常运行，KA9继电器得电，到达启泵水位时启泵继电器KA5、KA7动作，停泵时KA6、KA8停泵继电器动作；二级回路设计时PLC故障，KA9继电器失电，切换至隔离变送器SHX1、SHX2开关量节点控制；三级控制回路设计时前两路均故障，直接通过图3中的开关量K1、K2、K3进行排水泵的启停控制和报警，实现三种冗余控制方式。

图3 电气设计控制(1)

3)启停泵控制顺序。排水系统启停泵时，分为模拟量和开关量启停泵，自动控制方式时，到达PLC启停泵水位时启停泵，PLC出现故障时，到达隔离变送器启停泵水位时启停泵，前两者均出现故障时，达到开关量启停泵液位整定值时启停泵。开关量启停泵是模拟量出现故障时的后备保护，形成冗余结构布置，启停泵原理如图5所示，定值设定如下：

图5 启停泵控制原理图

启泵：考虑启泵延时作用，PLC启泵定值低于隔离变送器启泵定值5 cm，隔离变送器启泵定值低于开关量启泵液位整定定值5 cm。

停泵：PLC停泵定值高于隔离变送器设置停泵定值5 cm，隔离变送器启泵定值高于开关量启泵液位整定定值5 cm。

4)报警功能。故障报警能够提醒维护人员对现场故障及时处理，确保控制系统稳定运行。水电站排水控制系统报警设计时，同样采用冗余设计，触摸屏故障闪烁显示故障报警信息、故障报警闪烁指示灯、蜂鸣器故障发生器，三种故障输出方式确保故障信息能够及时送达维护人员。

2.3 小 结

渗漏排水系统控制回路在设计时，控制电源、水位值显示功能、启停泵控制回路、报警功能均采用冗余结构设计，确保了控制系统的稳定可靠。

3 结 语

通过对自主可控PLC的研究以及排水系统的冗余控制设计后，并将研究结果应用于水电站渗漏排水控制系统中，设备应用后控制功能运行稳定、可靠，顺利实现水电站渗漏排水控制系统设备由进口向自主可控转型，为自主可控PLC在水电站相关设备应用提供了理论数据与应用先例，核心技术自主可控，才能将大国重器牢牢掌握在自己手里。