在全球可再生能源中，水力發(fā)電占據(jù)最大份額；特別是多山的國家，如哥倫比亞，非常適合發(fā)展水力發(fā)電。建造在哥倫比亞卡爾達斯省境內(nèi)的 Lansula 水力發(fā)電廠（由 Central Hidroelctrica de Caldas 經(jīng)營）的有效輸出功率為 33 MW。水力發(fā)電廠的控制、防護和監(jiān)測通過由嵌入式控制器、EtherCAT I/O 和 TwinCAT 自動化軟件構(gòu)成的 Beckhoff 控制系統(tǒng)實現(xiàn)；該系統(tǒng)由阿根廷公司 ICSA Automation 安裝。

ICSAAutomation總部位于阿根廷門多薩省的Lujan de Cuyo，主要經(jīng)營全球水力發(fā)電廠和風力發(fā)電場的自動化控制系統(tǒng)。該公司創(chuàng)建于 1982 年，已在 24 個國家完成 400 多個項目，因此，有著豐富的專業(yè)知識。2010 年，ICSA 對哥倫比亞的 La Insula 水力發(fā)電廠進行了自動化改造，該發(fā)電廠所用的水主要來自 Chinchina 和 Campoalegre 河，有三個混流式機組。ICSA 基于 Beckhoff 控制技術(shù)的集成式為發(fā)電廠開發(fā)了一套集成式控制、防護和測量系統(tǒng)。

嵌入式控制器執(zhí)行復雜的控制、防護和監(jiān)測任務

ICSA 為水電站工程設計的控制系統(tǒng)包含了各種子系統(tǒng)，如發(fā)電機穩(wěn)壓器、水輪機進水閥控制器、水輪機速度監(jiān)測器、電力質(zhì)量測量儀、制動控制器、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、電壓開關和同步設備。各種保護繼電器構(gòu)成一個非常重要的子系統(tǒng)，并通過 IEC 60870-5-104 協(xié)議與嵌入式控制器 CX1020 通訊。它們的主要任務是：自動啟動和停止程序、設備同步、有效功率和電壓的設定值調(diào)整、溫度監(jiān)測、分辨率為 1 毫秒的事件監(jiān)測、開關設備控制、電氣變量測量、輔助電氣和機械發(fā)電機系統(tǒng)監(jiān)測、冷卻系統(tǒng)控制及發(fā)電廠污水系統(tǒng)監(jiān)測期間多個發(fā)電機子系統(tǒng)的操作和協(xié)調(diào)。控制器通過以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)；在緊急情況下，硬接線可提供用作冗余傳輸介質(zhì)。

發(fā)電廠由本地操作站通過 Scada 軟件控制和監(jiān)測。包括水輪機、發(fā)電機、開關設備、輔助系統(tǒng)等的圖形顯示。Scada 軟件的其它任務有：報警處理、顯示事件順序、顯示圖形趨勢、生產(chǎn)報表、歷史數(shù)據(jù)存儲、設備操作員輔助，等等。

各個子系統(tǒng)之間的通訊使用的是 IEC 60870-5-104 遠程控制協(xié)議，它支持 TwinCAT PLC 自動化軟件。Beckhoff 控制結(jié)構(gòu)能夠從兩個不同的控制中心遠程監(jiān)測和控制，這兩個控制中心收集所有所需的數(shù)據(jù)（如報警、狀態(tài)數(shù)據(jù)、事件、測量等等），以確保發(fā)電廠正常運行。

EL6688 外部同步接口確保精確的時間同步

水力發(fā)電廠中最重要的一項任務是記錄狀態(tài)改變和事件順序（SOE）。該功能讓數(shù)字量輸入能夠以 1 毫秒的分辨率為事件提供一個時間戳，以在本地對它們進行緩存，最后將它們毫無損失地輸送到上位監(jiān)測系統(tǒng)中。這一重要任務由每臺 Beckhoff 控制器完成。時間同步使用 IEEE 1588 精確時間協(xié)議完成。發(fā)電廠控制室內(nèi)用作 IEEE1588 外部同步接口的 EL6688 EtherCAT 端子模塊和一個主站 GPS 時鐘確保在本地網(wǎng)絡內(nèi)實現(xiàn)精確的時間同步。

使用 TwinCAT PLC 實現(xiàn)通用控制編程

Beckhoff 嵌入式控制器安裝在不同的控制層?？偣灿?4 臺CX1020 嵌入式控制器用于控制發(fā)電機和實現(xiàn)輔助功能，而冷卻系統(tǒng)、泵房和抽水泵分別由一臺 CX9010 控制。嵌入式控制器通過連接的數(shù)字量輸入和輸出端子模塊從現(xiàn)場收集信號。編程全部使用 TwinCAT PLC 自動化軟件完成。TwinCATPLC Modbus RTU 軟件庫用于連接控制器、電力質(zhì)量測量儀和操作界面?？刂破髋c本地 Scada 系統(tǒng)和遠程監(jiān)控中心之間的通訊通過集成在 TwinCAT PLC 功能庫中的 IEC 60870-5-104 遠程控制協(xié)議實現(xiàn)。