气系统自动控制.docx
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气系统自动控制
2013年度本科生毕业论文（设计）
气系统自动控制
院－系：
工学院-自动化系
专业：
电气工程及其自动化
年级：
学生姓名：
学号：
导师及职称：
2013年4月
2013AnnualGraduationThesis（Project）oftheCollegeUndergraduate
Gassystemautomaticcontrol
Department:
EngineeringInstitute-Departmentofautomation
Major:
InstituteofTechnologyDepartmentofautomation
Grade:
Student’sName:
StudentNo.:
Tutor:
April,2013
毕业论文（设计）原创性声明
本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。
对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。
作者签名：
日期：
毕业论文（设计）授权使用说明
本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。
有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。
学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。
保密的论文（设计）在解密后适用本规定。
作者签名：
指导教师签名：
日期：
日期：
毕业论文（设计）答辩委员会（答辩小组）成员名单
姓名
职称
单位
备注
主席（组长）
摘要
水电站自动化是电力系统自动化的重要组成部分，其目的是提高发电和供电
的可靠性，保证电能质量及电力系统经济、安全的运行，同时也有效地改善了运
行人员的工作条件，最终提高水电企业的市场竞争力。
一个水电站要实现安全稳定的自动化运行，离不开其中的水、油、气三大系
统，而本篇毕业设计正是在此背景下对水电站自动化控制中气系统部分提出的，
设计主要是基于屏边岔河水电站气系统部分。
岔河水电站气系统目前使用的是传
统的继电器控制，还未实现自动控制，传统的继电器控制与人工操作控制的方法，
在很大程度上限制了一个水电站的发展，且在安全稳定运行方面存在缺陷。
因此，
针对水电站实际运行中的不足，通过将自动控制原理与实际控制相结合，提出了
水电站气系统的自动控制。
本设计通过系统地对水电站的气系统工作原理，自动
控制装置及设计方法的选择，绘制相关的气系统自动控制设计图，从而通过PLC
自动控制来代替岔河电站气系统传统的继电器控制形式，目标是实现局部的水电
站无人看守值班，并在一定程度上减小因人为误操作而带来的安全隐患。
关键词：
自动控制；PLC；气系统；气系统自动控制设计图
ABSTRACT
Hydropowerstationautomationisanimportantpartofpowersystemautomation,itspurposeistoimprovethereliabilityofpowergenerationandpowersupply,ensurethepowerqualityandpowersystemeconomicandsafeoperation,butalsoeffectivelyimprovetheworkingconditionsoftheoperators,eventuallyimprovethewaterandelectricityenterprise'smarketcompetitiveness.
Torealizeautomaticoperationofthesecurityandstabilityofahydropowerstation,cannotleavethewater,oilandgassystem,andthisgraduationdesignisunderthebackgroundoftheautomationofhydropowerstationareproposedthatpartofthegassystemdesignismainlybasedonthepaneledgeChaHehydropowerstationgassystem.ChaHehydropowerstationgassystemcurrentlyusedisoneofthetraditionalrelaycontrol,hasyettoachieveautomaticcontrol,thetraditionalrelaycontrolandmanualcontrolmethods,toagreatextent,whichlimitsthedevelopmentofahydropowerstation,anddefectsinthesafeandstableoperation.Therefore,inviewofthelackofhydropowerstationsintheactualoperation,bycombiningtheprincipleofautomaticcontrolandactualcontrol,hydropowerstation,gassystemofautomaticcontrolisproposed.Thisdesignthroughsystematicallyofthehydropowerstationofthegassystemworkingprincipleofautomaticcontroldevicedesignmethodchoice,drawingrelatedautomaticcontrolsystemdesign,whichtoreplacetheChaHepowerplantgaswithPLCautomaticcontrolsystemofthetraditionalrelaycontrolform,thegoalistoachievelocalhydropowerstation,thereisnooneguardsonduty,anddecreasedtosomeextentbecauseofman-madewrongoperationandbringsecurityhiddendanger.
Keywords:
Theautomaticcontrol；PLC；airsystem；airsystemofautomaticcontroldesign
第一章前言
1.1水电站背景
（1）综合说明
岔河电站是无调节经流式水电站，总装机2×7500kw为混流卧轴式机组。
岔河电站位于红河州屏边县新华乡境内，厂址为于南溪河一级支流四岔河干流的下游河段上附近，首部枢纽布置在大平潭电站尾下游100米处，取水口布置在右岸，工程主要建筑物有挡水大坝、沉沙地、无压行水隧洞、压力前池及泄水道、压力钢管、主控厂房及升压变电站、生活管理楼。
（2）自然环境
南溪河流域地理位置在东经103度29分至104度14分北纬22度22分至23度27分之间。
属高山河流类型。
南溪河发源于蒙自鸣鹫小田坝，是中国境内元江水系较大的一级支流，流域面积3751.9㎡，越南境内448.2㎡，干流全长144.4km，
总落差2045m，河道平均比降1.416％，河流落差主要集中在中上游段，在冲庄电站挡水大坝上游190m处，有南溪河一级支流四岔河汇入。
（3）水文气象
岔河电站位于云南低纬度地区，地理错综复杂，山峦起伏，河谷深切，立体气候明显。
处于云南气候峰的摆动区。
冬春季常受冷空气影响，夏季炎热、潮湿。
降水量在时空上分布不平衡。
每年11月至次年4月为旱季，5月至10月为雨季，降雨量在全年的80％~85％。
暴雨的发生在7~8月份，河水在雨季中常是暴涨暴落。
厂址海拔高在730m之间，而坝址处高达930m。
实测常年温度在25度~30度之间。
岔河电站的水文特征值:
设计年径统计：
Q10％=13.97立方米/秒,Q50％=10.77,Q90%=8.05立方米/秒。
设计标准洪峰流量：
Qm2%=373立方米/秒。
校核标准洪峰流量：
Qm0.5%=569立方米/秒。
多年平均输沙总量：
32.96×10T。
（4）水利水能
岔河电站在补充初布设计时曾对装机容量3×5000kw和2×7500kw的两个方案进行比较，经反复进行综合比较后，决定选用2×7500kw方案。
水轮发电机保证出力4607kw。
电站最大水头196.484米，最小水头188.4米，设计引用流量9.87立方米/秒，多年平均发电量8190.3万kw.h，年利用小时数：
5460小时，多年平均流量：
10.88立方米/秒，实测最小流量：
4.09立方米/秒，多年平均年径流量：
3.41亿立方米。
1.2气系统简述
中国是世界上水资源储藏量最多的国家，水能资源蕴藏量达6.8亿千瓦，居世界第一。
丰富的水资源为水电站的建立提供了良好的基础，而清洁无污、利于开发和利用的优点，使得水电站在大范围内得到投产使用。
在我国各大、中、小型水电站主要分布在长江流域、珠江流域和黄河流域。
随着水电的不断开发利用，使得水电站的安全稳定运行成为了人们面临的第一大难题。
于是针对如何对水电站机组各部分的稳定性、快速性、准确性的安全操作与控制，产生了气系统、水系统、油系统。
三大系统的安全稳定运行，使以上问题得到了的解决，而其中气系统是为供水电站机电设备所需的压缩空气而专门设置的设备及管路系统。
气系统分为高压气系统和低压气系统，其中高压空压机系统负责为球阀油压装置提供蓄能气体，低压空压机系统则负责供给采用机械制动的刹车装置及吹扫等所需的低压气体。
高压气系统工作气压一般为0.5—0.7Mpa，低压气系统工作气压一般为0.8Mpa。
1.3国内、外水电站自动控制应用现状
1.3.1国外现状
随着科技的飞速发展，自动化控制技术正在不断改变着人们的生活，将人类文明带向另一种新的高度。
其中电力系统自动控制尤为重要，而气系统则在电力系统自动控制中占据了重要位置。
在美国、日本、瑞典、法国等国家，小水电站的自动化率达到了95%以上，
国外从1970年末到1980年初就开始对综合性自动化控制系统进行研究，并积累了较为成熟的经验与技术，基本实现了无人看守值班。
1.3.2国内现状
中国虽在水资源勘测与开发方面取得了较大的成果，但在水电站自动化方面
起步较晚，还处于探索实验阶段。
近年来在对国外经验技术的借鉴学习下，葛
洲坝、江垭等水电站也基本实现了自动化，但绝大部分水电站基本还处于人工操作控制的状态。
1.4本文的设计目标
通过对岔河水电站气系统结构布局与现有不足进行改进，采用三菱FX2N系列的PLC对电站的气系统部分进行自动控制设计，将原有的人工控制改为PLC自动控制。
第二章岔河电站结构原理及改进方案
2.1岔河电站气系统及改进方案
2.1.1气系统的组成
气系统一般由空气压缩装置、管道系统、测量和控制原件和用气设备等四大部分组成，具体如下：
（1）空气压缩装置，它包括空气压缩机、电动机、贮气罐和油水分离器等。
（2）管道系统。
它由主干管道、分支管道和管件组成。
管网将气源和用气设备联系起来，进而向各用气设备输送和分配压缩空气。
（3）测量和控制元件，它包括各种类型的自动化元件，如压力继电器、温度信号器等测量元件主要作用是监测，液压阀，电磁阀，电磁空气阀等执行元件主要作用是控制，目的是保证压缩空气系统的正常运行。
（4）用气设备。
用气设备主要有油压装置压力油罐、制动闸、风动工具等。
2.1.2气系统主要的工作任务
压缩空气系统是一个电站中十分重要的公用系统，它的主要作用是为机组自动控制系统中的众多气动执行机构提供所需的操作气源，与此同时它还提供其他杂用空气。
因此，空气压缩系统工作的安全性，直接影响到了电厂机组的安全运行，对安全生产极为重要。
另外，保证压缩空气系统的安全从某种程度上来看，也就是在保障全厂生产的安全。
所以，空气压缩系统又被比喻为一个电厂的“神经系统”。
其中又将空气压缩系统分为高压气系统与低压气系统。
高压气系统主要是给不设自动补气的调速器油压装置和主阀操作的油压装置提供压缩空气，低压气系统主要是提供吹扫及刹车制动用气。
2.1.3各用气设备分布及工作气压
水电站中使用压缩空气的设备一般有以下七个部分：
①球阀油压装置压力油槽充气，水机调节系统和主阀操作系统的能源，工作压力为2.5-6Mpa;
②机组停机时制动装置用气，工作压力为0.7Mpa；
③维护维修时风动工具及吹污清扫，工作压力为0.7Mpa；
④机组做调相运行时转轮室内压水，工作压力为0.7Mpa;
⑤水轮机导轴承检修密封围带用气，工作压力为0.7Mpa;
⑥配电装置中空气断路器及气动隔离开关的操作和灭弧用气，工作压力为
2-2.5Mpa，为了干燥，要求压缩空气气压为工作压力的2-4倍；
⑦寒冷地区水工建筑物闸门、拦污栅、调压井等防冻吹冰用气，工作压力为
0.3-0.4Mpa，为了干燥，要求压缩空气气压为工作压力的2倍。
2.2岔河电站气系统电气原理图
岔河水电站气系统采用了两台高压空压机和一台低压空压机，高压空压机主要为球阀油压装置补气，低压空压机主要为吹扫及刹车装置提供所需用气。
整个系统由1#高压空压机和2#高压空压机、2#低压空压机、储气罐、压力表、机组刹车控制柜、阀门和管道组成。
系统采用三个储气罐来对各个部分的用气进行严格的划分：
①吹扫储气罐主要提供岔河电站设备吹污及检修所需气体；
②制动储气罐主要提供1#机及2#机刹车装置制动时所需的制动气压，其中刹车装置又包含了两个极为重要的部分，分别是复位腔和制动腔；
③高压储气罐主要提供球阀油压装置所需用气。
整个气系统电气原理图如图2-1所示：
图2-1岔河电站气系统图
（备注：
虚线框内2#机同1#机）
设备主要参数如表2-1：
名称
主要参数
高压系统
低压系统
空气压缩机
型号
C2-20/30
W-0.9/10
数量、电功功率
两台5KW
一台7.5KW
冷却方式
油冷
油冷
排气量
1立方米/分钟
10立方米/分钟
排气压力
10Mpa
1.0Mpa
储气罐
容积
2立方米
2立方米
数量
1只
2只
额定气压
0.5-0.8Mpa
0.5-0.8Mpa
安全阀动作压力
>0.8Mpa
0.62Mpa
压力过高信号
0.8Mpa
0.54Mpa
表2-1气系统设备参数表
设备图例如图2-2：
图2-2气系统设备图例
电气原理图中各部分阀门如表2-3：
0301
低压空压机出气阀
0302
吹扫用气低压储气罐补气阀
0303
吹扫用气供气阀
0304
刹车用气低压储气罐补气阀
0305
刹车供气阀
0306
1#高压空压机出气阀
0307
2#高压空压机出气阀
0308
高压空压机对低压储气罐补气阀
0309
高压储气罐补气阀
0310
高压供气阀
0311
1#，2#机总补气阀
1301
1#机刹车制动总供气阀
1302
1#机自动复位电磁阀进气阀
1303
1#机自动刹车电磁阀进气阀
1304
1#机手动刹车排气阀
1305
1#机手动复位排气阀
1306
1#机自动复位电磁阀出气阀
1307
1#机自动刹车电磁阀出气阀
1308
1#机手动刹车排气阀
1309
1#机手动刹车进气阀
1310
1#机球阀油压装置补气阀
2310
2#机球阀油压装置补气阀
表2-3气系统阀门编号及名称
2.3现有气系统在实际运行中存在的不足
岔河水电站气系统在实际运行中，只在刹车装置处采用了部分自动控制，其自动控制包括：
①1#机自动复位电磁阀进气阀部分；
②1#机自动刹车电磁阀进气阀部分；
③1#机自动复位电磁阀出气阀部分；
④1#机自动刹车电磁阀出气阀部分；
⑤2#机自动复位电磁阀进气阀部分；
⑥2#机自动刹车电磁阀进气阀部分；
⑦2#机自动复位电磁阀出气阀部分；
⑧2#机自动刹车电磁阀出气阀部分；
以上这些刹车部分的自动控制都采用交流接触器与热继电器实现，这致使岔河水电站在实际运行中存在了许多的不足，主要表现在以下方面:
第一，水电站气系统基本无自动控制功能，即仅在低压气系统部分存在自动控制；
第二，必须经验丰富的工作人员人工操作控制，操作不到位或过操作都会致使系统不能正常工作，并会带来因人为的误操作而引起的安全问题；
第三，实际运行中无法快速达到稳、准、快的工作要求。
整个气系统在实现自动控制过程中采用了大量的热继电器与交流接触器，这样的系统在实际运行中往往会显得可靠性极低，造成继电器烧毁、压力接点粘连、电机烧毁等问题，分析原因如下：
①采用220V强电控制是造成系统粘连的主要原因。
虽然电路中回路电流小于压力接点的标称容量，但由于国产压力接点普遍存在的质量问题，致使系统在实际工作中的通流能力达不到标称容量，造成接点粘连；
②继电器线圈长时间带电，致继电器烧毁。
因为在单台空压机工作过程中，向补气罐的补气时间一般不低于30分钟，而继电器线圈因启动后一直都在接通电流，一旦压力接点粘连，继电器线圈就会因过电流烧毁；
③空气压缩机本身具有“浪涌”特性，这使压力接点普遍存在抖动现象，因抖动接点出现的拉弧，又会加剧接点粘连的过程，长时间的抖动和粘连致使电动机处于连续的启停状态，从而加大了电机烧毁的可能。
以上这些都是岔河水电站在实际运行中存在的主要问题，它在很大程度上限制了岔河水电站的发展。
2.4改进方案
岔河水电站低压气系统自动控制控制如图2-3所示：
图2-3低压气系统工作电气图
从岔河水电站低压气系统图可知，其主要控制功能是通过继电器对低压空压机进行自动控制，实现机组刹车制动。
工作过程：
①合上总闸QS，系统通电，按下SB1，低压气系统电机启动，并在自保持作用下使K1继电器触合，低压空压机投入工作；
②低压空压机投入后，在SAC处有自切除手，提供自动与手动控制选择，其中1、3点为手动，2、4点为自动。
选择自动，则制动与复位都自动工作;如选手动，则需按下SB2制动按钮，制动才能进行，制动完后再按下SB3才能完成复位过程；
③按下SB4，整个低压气系统停止工作。
针对岔河水电站气系统电气原理图与在实际运行中存在的不足，本设计提出岔河电站气系统自动控制的改进方案，方框流程图如图2-4所示：
图2-4气系统改进流程图
第三章岔河水电站气系统自动控制设计
3.1空气压缩机实现自动控制的基本要求
在岔河水电站水电站的自动化设计中，根据电站的规模配置了两台高压空气压缩机和一台低压空气压缩机和吹扫、制动、高压三个贮气罐，并且要使系统实现自动控制功能，还需配置相应的PLC控制柜。
其自动控制系统应满足以下基本要求：
（1）通过对储气罐内气压变化情况，自动实现压缩机的启停，并自动向储气罐进行补气，保证储气罐内气压在规定范围内；
（2）根据压力下降限值或电机故障等不同情况对应该启动的工作机和备用机进行定义。
（3）根据压缩机的运行要求实现自动打开冷却油阀门；
（4）根据压缩机的运行要求实现启动时的卸载和定时排污，以保证压缩机电机不带负载启动和保证气体质量；
（5）空气压缩机主备用机自动轮换工作；
（6）具有气压过高、过低报警和温度过高报警；
3.2PLC型号及辅助设备的选择
3.2.1PLC型号的选择
三菱公司是日本生产PLC的主要厂家之一。
先后推出的小型、超小型PLC有F、F1、F2、FX2、FX1、FX0s、FX1s、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列。
其中F系列已经停产。
由FX2机型所替代，属于高性能叠装式机种，也是三菱公司的主流产品。
另外，三菱公司还生产A系列PLC的中大型模块式机种，主要系列型号有AnS、AnA和Q4AR等。
它们的点数较多，最多的可达到4096点，最大用户程序储存达12K步，一般用在控制规模较大的场合。
A系列产品具有数百条功能指令，类型众多的功能单元，可以方便地完成位置控制、模拟量控制及几十个回路的PID控制，可以方便的和上位机及各种外部设备进行通信，在许多领域的自动化场合获得应用。
20世纪90年代，三菱公司在FX系列的基础上又推出了FX2N系列产品，该型号的机型在运算速度以及指令数量、通讯能力等方面都有了较大的改善，是一种小型化、高速度、高性能、在各方面都相当于FX系列中最高档次的超小型的PLC。
FX2N系列的PLC有基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能单元构成。
其顶视图如3-1所示：
图3-1FX2N可编程控制器顶视图
FX系列的PLC的硬件包括基本单元、扩展单元、扩展模块、模拟量输入输出模块、各种特殊功能模块及外部设备等。
基本单元是构成PLC系统的核心部件，内有CPU、存储器、I/O模块、通信接口和扩展接口等。
FX系列的PLC有众多的子系列，其中FX0s系列PLC功能简单，价格便宜，适用于小型开关量控制系统，它只有基本单元，没有扩展单元。
其基本单元如表3-1和图3-2所示：
表3-1FX2N系列的基本单元
型号
输入点数
输出点数
AC电源100-240V
DC电源24V
继电器输出
晶体管输出
继电器输出
晶体管输出
FX0s-10MR-001
FX0s-10MT
FX0s-10MR-D
FX0s-10MT-D
6
4
FX0s-14MR-001
FX0s-14MT
FX0s-14MR-D
FX0s-14MT-D
8
6
FX0s-20MR-001
FX0s-20MT
FX0s-20MR-D
FX0s-20MT-D
12
8
FX0s-30MR-001
FX0s-30MT
FX0s-30MR-D
FX0s-30MT-D
16
14
续表3-1
型号
输入
输出
--
--
FX0s-30MR-D12
--
16
14
--
--
FX0s-14MR-D12
--
8
6
图3-2FX0N系列基本单元
FX0s容量为800步，有20条基
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