丹江口水電站進(jìn)水口閘門控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉燕 陳琳

摘 要：進(jìn)水口閘門控制系統(tǒng)改造是南水北調(diào)中線丹江口大壩加高工程的重點(diǎn)項(xiàng)目。原進(jìn)水口閘門控制系統(tǒng)無論是硬件還是軟件都不能適應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)要求且故障率逐年上升，改造后的閘門控制系統(tǒng)采用集中控制與分散操作相結(jié)合的方案，大大提高了自動(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞：閘門；PLC；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

概述

丹江口水電站裝設(shè)有6臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)1臺(tái)快速閘門。原快速閘門控制系統(tǒng)裝置由中控室閘門控制盤和壩頂閘門控制盤組成，通過光纖通訊實(shí)現(xiàn)中控室和壩頂信息的交換，6臺(tái)快速閘門共用2臺(tái)油泵，一臺(tái)為主用泵，當(dāng)閘門下滑250MM時(shí)啟動(dòng)打油提門，一臺(tái)為備用泵，當(dāng)閘門下滑300MM時(shí)啟動(dòng)提門。油泵的啟停由交流電機(jī)固態(tài)控制器（SGK）來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速逸速至150%Ne時(shí)，系統(tǒng)將緊急落閘門；當(dāng)機(jī)組進(jìn)行檢修時(shí)，將進(jìn)水口閘門關(guān)至全關(guān)，給檢修增加一道安全屏障。因此，進(jìn)水口閘門控制系統(tǒng)性能的優(yōu)良以及設(shè)備的健康水平，將直接影響到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 原快速閘門控制系統(tǒng)存在的主要問題

1.1 原快速閘門控制系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行十多年，元器件出現(xiàn)不同程度老化，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)不定時(shí)出現(xiàn)死機(jī)或自動(dòng)重啟現(xiàn)象，無法進(jìn)行遠(yuǎn)方自動(dòng)監(jiān)控等操作。

1.2 六臺(tái)機(jī)組閘門控制回路共用一套系統(tǒng)，無法對(duì)系統(tǒng)元件進(jìn)行校驗(yàn)、檢修，而且一個(gè)局部故障會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成影響。

1.3 事故落門回路僅由一個(gè)電磁閥控制，一旦電磁閥發(fā)卡或者銹蝕，不能正常動(dòng)作，將會(huì)造成嚴(yán)重后果，單一的電磁閥控制回路可靠性較低。

1.4 單一一路光纖通訊模式，無冗余機(jī)制，穩(wěn)定性差

綜上所述，無論是在性能結(jié)構(gòu)、配置、控制方式上，還是可靠性方面，該控制系統(tǒng)都已不能滿足安全生產(chǎn)需求，必須進(jìn)行全面改造。

2 快速閘門的設(shè)計(jì)原則

鑒于原快速閘門控制系統(tǒng)存在的問題，改造后的快速閘門主要設(shè)計(jì)原則是每臺(tái)機(jī)組進(jìn)水口快速閘門控制回路獨(dú)立，可隨機(jī)組大修進(jìn)行檢修和維護(hù)，沿用PLC控制方式，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建遠(yuǎn)程集中控制和現(xiàn)地控制相結(jié)合的結(jié)構(gòu)模式。經(jīng)過多層面研究討論最后確定每臺(tái)機(jī)組配置1套進(jìn)水口快速閘門，共6套。每2套快速閘門由1套液壓泵站驅(qū)動(dòng)，共3套液壓泵站。每套液壓泵站設(shè)置1套現(xiàn)地控制站，在中控室設(shè)置1套閘門集控站，與三套現(xiàn)地控制站組成一個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)6臺(tái)閘門的遠(yuǎn)方控制與監(jiān)視。

2.1 系統(tǒng)方案

丹江口水電站6套進(jìn)水口快速閘門設(shè)置一套閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，其監(jiān)視與控制對(duì)象為6套進(jìn)水口閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備。

新閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用集中控制與分散操作相結(jié)合的監(jiān)控系統(tǒng)方案。系統(tǒng)由閘門集控站、通訊網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)地控制站三大部分組成。

閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)集控站和現(xiàn)地控制站采用西門子S7-300系列PLC作為控制核心，工業(yè)級(jí)以太環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)通訊模塊采用西門子S7-300系列以太網(wǎng)通信模塊，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)采用臺(tái)灣摩莎MOXA工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)EDS-405系列產(chǎn)品，集控站的彩色圖形操作面板通過以太網(wǎng)絡(luò)與集控PLC相連，實(shí)現(xiàn)集控站人機(jī)接口功能。

2.2 系統(tǒng)功能

2.2.1 控制功能

新閘門控制系統(tǒng)可以選擇三種方式控制閘門的操作，分別是手動(dòng)、程控、集控控制方式。

（1）快速事故閉門：當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生飛逸事故或引水管破裂事故時(shí)，閘門需要迅速關(guān)閉。在集控站通過觸摸屏操作，發(fā)出快速閉門命令，由現(xiàn)地控制站執(zhí)行快速閉門命令，閘門靠自重迅速關(guān)閉。

（2）停機(jī)：集控站通過觸摸屏操作，發(fā)出停機(jī)命令，由現(xiàn)地控制站執(zhí)行停機(jī)命令。需要特別指出停機(jī)是指停油泵電機(jī)而不是停水輪機(jī)組。

（3）慢速閉門：正常檢修時(shí)，集控站通過觸摸屏操作，發(fā)出慢速閉門命令，由現(xiàn)地控制站執(zhí)行慢速閉門命令，將閘門下腔壓力油引入啟閉機(jī)上腔，采用差壓慢閉的方式緩慢關(guān)閉，油泵不啟動(dòng)。

（4）平壓?jiǎn)㈤T（平壓前）/啟門（平壓后）：當(dāng)未平壓時(shí)，集控站通過觸摸屏操作，發(fā)出平壓?jiǎn)㈤T命令，通過網(wǎng)絡(luò)將命令發(fā)給進(jìn)水口閘門現(xiàn)地控制站，此時(shí)1號(hào)油泵立即啟動(dòng)，5秒后2號(hào)油泵啟動(dòng)，雙泵空載10秒后開始提充水閥，提升閘門到充水位置240毫米后停泵，壓力鋼管開始充水。平壓后，集控站通過觸摸屏操作，發(fā)出啟門命令，通過網(wǎng)絡(luò)將命令發(fā)給進(jìn)水口閘門現(xiàn)地控制站，油泵啟動(dòng)提升閘門至全開位置11.75米時(shí)停泵。

2.2.2 監(jiān)視功能

集控站和現(xiàn)地控制站設(shè)置閘門位置、設(shè)備故障、電源指示等指示燈方便運(yùn)行人員監(jiān)視閘門狀態(tài)。集控柜配置1臺(tái)12英寸的觸摸式彩色圖形操作面板，用于集控及現(xiàn)地設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)顯示、故障記錄顯示，以及在線幫助顯示。

2.2.3 閉鎖功能

當(dāng)現(xiàn)地機(jī)電設(shè)備發(fā)生液壓故障或電氣故障時(shí)，對(duì)事故閉門以外的其他動(dòng)作進(jìn)行閉鎖；當(dāng)存在事故閉門時(shí)，對(duì)提門動(dòng)作進(jìn)行閉鎖。

3 主要硬件配置

3.1 供電電源

電源的穩(wěn)定性、可靠性對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，所以電源回路要遵循設(shè)計(jì)合理、智能監(jiān)控的思路。閘門控制系統(tǒng)供電采用交直流雙重供電加UPS模式。

3.1.1 UPS電源

閘門現(xiàn)地控制盤和閘門集控站的220VAC控制電源系統(tǒng)選用山特1KVA/h在線式不間斷電源供電，UPS斷電工作時(shí)間不小于0.5小時(shí)。

3.1.2 直流24V供電電源模塊

系統(tǒng)采用2套直流穩(wěn)壓電源互為備用的工作方式，由兩個(gè)供電系統(tǒng)分別供電，1套輸入電源取自UPS；另外1套輸入電源取自直流220V控制電源，大大提高了控制系統(tǒng)工作電源的可靠性。

3.2 S7-300可編程序控制器

PLC因其抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、構(gòu)成靈活、易擴(kuò)展等眾多優(yōu)點(diǎn)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域的主流，我廠從選型統(tǒng)一，便于維護(hù)作為出發(fā)點(diǎn)，選用西門子S7-300型PLC作為整個(gè)閘門控制系統(tǒng)的核心部件。

3.3 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)

閘門現(xiàn)地控制盤和閘門集控站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)選用臺(tái)灣摩莎MOXA工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)EDS-405系列產(chǎn)品，遵循TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約。該交換機(jī)具備冗余電源機(jī)制，提供了2路電源輸入接口，當(dāng)一路輸入電源出現(xiàn)故障時(shí)，另一路自動(dòng)為交換機(jī)提供工作電源，同時(shí)相應(yīng)繼電器動(dòng)作，輸出報(bào)警信息。

4 在實(shí)際應(yīng)用中需改進(jìn)的方面

4.1 新快速閘門控制系統(tǒng)電源部分設(shè)計(jì)冗余性較好，但是2臺(tái)機(jī)組共用1套泵站的工作方式，使得兩臺(tái)機(jī)組的工作電源是共用的。如果需要對(duì)其中1臺(tái)機(jī)組某個(gè)元件進(jìn)行停電檢查或者更換，就會(huì)影響到在運(yùn)行機(jī)組的正常工作。建議用空氣開關(guān)作為斷點(diǎn)，將2臺(tái)機(jī)組的工作電源進(jìn)行分離，便于正常檢修和日常維護(hù)。

4.2 閘門“關(guān)終位”和“上極限位”檢測(cè)選用的是接近開關(guān)，接近開關(guān)采用無接點(diǎn)輸出方式，壽命長，但是受相鄰傳感器的干擾，輸出不穩(wěn)定，另外其對(duì)檢測(cè)距離的精準(zhǔn)性要求較高，一旦出現(xiàn)故障需要更換，對(duì)檢測(cè)距離的調(diào)整比較困難，需要反復(fù)提門和落門，直到找到最合適的檢測(cè)距離。建議將接近開關(guān)更換為限位開關(guān)，限位開關(guān)是接觸式開關(guān)，只要操作的接觸力達(dá)到一定值，就會(huì)觸發(fā)開關(guān)，輸出穩(wěn)定，也便于更換。

5 結(jié)束語

丹江口水電站閘門控制系統(tǒng)更換安裝從2010年5月開始，至2013年4月結(jié)束。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，新的閘門控制系統(tǒng)不僅在硬件上進(jìn)行了更新，在軟件上也得到了質(zhì)的飛躍，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、有效地完成了正常啟/閉門工作，設(shè)計(jì)理念和安裝質(zhì)量得到了全面檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]武漢邁科機(jī)電新技術(shù)有限公司.丹江口電廠進(jìn)水口快速閘門集中控制系統(tǒng)技術(shù)協(xié)議[Z].