安江水電站泄洪閘門控制系統(tǒng)設計

何海洋,朱星宇,李正權

(國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司，南京 211106)

0 前 言

安江水利水電樞紐工程位于湖南省洪江市境內沅江干流中游，是沅江干流規(guī)劃中的第9級電站。該工程是一座以發(fā)電為主兼顧交通、灌溉、供水及養(yǎng)殖等綜合效益的樞紐工程。樞紐布置為左右兩汊，左汊從左至右依次為：左岸船閘、河床泄洪閘、電站廠房壩段。右汊全為泄洪閘。

安江水電站共設18孔泄洪閘門，規(guī)格均為20 m×13.5 m；18孔泄洪閘共用2套疊梁式檢修門，規(guī)格為20 m×15.5 m，分4節(jié)制造安裝。泄洪閘門啟閉設備采用雙吊點液壓啟閉機，若采用人工操作，需要在室外觀察閘門左右側實時開度，并與室內機旁操作者傳呼配合,操作完成后，還需要安排人員定時巡視，觀察閘門有無下滑。當汛期來臨時，需要經常操作泄洪閘門控制上下游水位，工作十分艱苦。因此我們采用了自動控制方式和遠方集中控制方式，這樣在大大減少了生產人員勞動強度的同時，還保證了閘門的安全可靠運行，提高了系統(tǒng)的自動化水平。

1 閘門啟閉系統(tǒng)的結構及特點

1.1 系統(tǒng)結構

泄洪閘門監(jiān)控系統(tǒng)采用了全計算機控制的分層分布式系統(tǒng)結構[1]，安江泄洪閘門控制系統(tǒng)是由上位機系統(tǒng)(簡稱“主控級”)和現(xiàn)地控制單元(簡稱“LCU”)組成的分層分布式實時控制系統(tǒng)。主控級設置1臺主機兼操作員工作站、1臺交換機及配套外圍設備，位于中央控制室內。主控級計算機與電站監(jiān)控系統(tǒng)通信機通過標準104規(guī)約實現(xiàn)網絡通信，各閘門現(xiàn)地LCU采用PLC為控制器，各LCU與主控級計算機之間通過以太網聯(lián)網，網絡介質為單模光纜(見圖1)。

圖1 泄洪閘門監(jiān)控系統(tǒng)結構示意圖

1.2 系統(tǒng)特點

圖2 泄洪閘門上位機監(jiān)控總圖

(1) 采用了分層分布式開放系統(tǒng)結構，從功能上將系統(tǒng)分為主控級與LCU，分別入網，保證了數據傳輸的可靠性，提高了系統(tǒng)的靈活性；

(2) 網絡上結點功能單一，與其他網絡結點互相解耦，當某一設備故障時，將影響控制在一定范圍內，便于維護；

(3) 系統(tǒng)可維護性強，可在線修改參數；

(4) 系統(tǒng)自動化程度高，可在中央控制室對每個閘門進行監(jiān)測與控制。

2 控制系統(tǒng)功能

2.1 主控級功能

主控級可完成對各閘門的安全監(jiān)測和遠方控制，并具備歷史數據的存檔、記錄、檢索、運行報表的生成以及對外通信管理等功能。

(1) 數據采集和處理

數據包括：閘門極限位置、啟閉機狀態(tài)、故障報警、系統(tǒng)電源、閘門運行狀態(tài)等開關量；閘門開度、系統(tǒng)壓力、油箱油溫、油箱液位等模擬量。

實時控制通過操作員人機接口，實現(xiàn)各閘門的遠方集中操作?，F(xiàn)場人員可根據水情信息，設置各閘門的目標開度，使各閘門達到預定位置，實現(xiàn)各閘門統(tǒng)一調度。泄洪閘門上位監(jiān)控總圖見圖2。

(2) 安全運行監(jiān)視

運行人員可在主控級的監(jiān)視畫面中監(jiān)測各閘門LCU的基本狀態(tài)信息，包括系統(tǒng)電源、閘門狀態(tài)、液壓系統(tǒng)狀態(tài)、綜合故障等信息，并可直接切換至各閘門畫面查看更詳細的信息。各閘門的畫面里，可詳細顯示閘門的升降過程及閘門左右兩側的開度數據，并對液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)實時監(jiān)視。系統(tǒng)可自動檢測系統(tǒng)的軟硬件故障，當發(fā)生故障時，立即報警并記錄和顯示故障信息,見圖3。

圖3 泄洪閘門上位機各閘門監(jiān)控畫面

圖4 泄洪閘門控制操作界面畫

(3) 數據通信

主控級與現(xiàn)地控制單元LCU之間采用以太網通信，主控級與電站監(jiān)控系統(tǒng)采用標準104規(guī)約進行通信。

2.2 現(xiàn)地控制單元功能

確保汛期閘門操作的安全可靠運行是確保工程安全和防汛度汛的必備條件[4]，因此現(xiàn)地控制單元采用PLC控制，脫網后可獨立運行，實現(xiàn)閘門的現(xiàn)地自動控制。

(1) 數據采集與處理

LCU可采集閘門位置、閘門提門或落門的電磁閥狀態(tài)、液壓系統(tǒng)保護裝置的狀態(tài)數據，經過處理后上送主控級。

(2) 控制權限選擇

控制在現(xiàn)地控制屏上設有“現(xiàn)地/遠方”方式選擇開關。2種控制方式互為閉鎖，且現(xiàn)地操作優(yōu)先于遠方操作，見圖4。

1) “遠方”控制方式：現(xiàn)地控制單元接收主控級的控制命令，實現(xiàn)閘門自動控制。

2) “現(xiàn)地”控制方式：由操作員根據LCU的狀態(tài)顯示，通過操作按鈕或觸摸屏控制畫面，實現(xiàn)閘門的提門、落門、停門、目標開度動門以及編碼器清零等操作。

在“現(xiàn)地”控制方式下，還設有2種互為閉鎖的控制模式：自動控制與手動控制。自動控制時是由PLC的開出發(fā)送控制指令，而手動控制需通過把手或按鈕，去控制每個設備，控制順序應與自動控制相同。

(3) 閘門自動糾偏功能

在自動控制方式下，閘門提升或下降工程中，會根據左右兩側開度差調節(jié)液壓系統(tǒng)比例閥的電壓，控制閘門一側的運行快慢，從而達到自動糾偏的效果。

(4) 閘門下滑回升功能

在自動控制方式下，若無控制操作，閘門下降超過指定高度后，系統(tǒng)會自動判定閘門下滑，并自動啟動液壓啟閉機，使閘門提升到指定位置并報警。若下滑后無法恢復，則停門并報警。

(5) 信號顯示

在現(xiàn)地控制屏上設有系統(tǒng)狀態(tài)、閘門位置、電機運行狀態(tài)、閘門運行狀態(tài)、故障報警的信號燈，并配有觸摸屏。

(6) 通 信

通過超五類屏蔽電纜、光電轉換器、單模光纜、交換機及其他通信設備與主控級進行通信，實現(xiàn)上傳數據、接收下行命令的功能。通過高速計數模塊采集編碼器的碼值并通過程序轉化為閘門開度。

3 泄洪閘門控制系統(tǒng)硬件及軟件配置

3.1 主控級部分

主控級計算機采用美國HP公司生產的型號為 Z600型工作站，其CPU采用英特爾至強4核處理器、64位、緩存12 MB、內存為4 G、硬盤160 GB、HPSATA 藍光刻錄機。

操作系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)是近年來逐步興起的一種操作系統(tǒng)，是一套免費的32位多人多工的操作系統(tǒng)，運行方式同UNIX系統(tǒng)很像，但Linux系統(tǒng)的穩(wěn)定性、多工能力與網絡功能已是許多商業(yè)操作系統(tǒng)無法比擬的。Linux還有一項最大的特色在于源代碼完全公開，在符合GNU GPL(General Public License)的原則下，任何人皆可自由取得、散布、甚至修改源代碼。

監(jiān)控系統(tǒng)采用南京南瑞集團公司自主研發(fā)的NC2000計算機監(jiān)控軟件，它包含了分布式對象架構，全面支持異構平臺的特性，系統(tǒng)提供了高效安全可靠的監(jiān)控內核、功能強大的組態(tài)工具、精細美觀的圖形界面、實用方便的應用界面、多種符合國際標準的接口以及緊貼水利水電用戶和梯級集控調度應用需求的各種常規(guī)及高級功能。

交換機采用美國MOXA公司生產的型號為EDS-518A系列工業(yè)以太網交換機，傳輸速率100 Mbps，組成環(huán)形以太網，每套配置16個端口。

3.2 現(xiàn)地控制單元

現(xiàn)地控制單元由控制柜和動力柜2部分組成。控制柜主要包含PLC可編程控制器、觸摸屏、開關電源、繼電器等；動力柜主要包含動力啟?？刂圃O備、繼電器、把手/按鈕等。

(1) PLC可編程控制器

控制柜的控制核心為PLC可編程控制器，采用法國Schneider公司生產的Unity Premium 系列可編程控制器作為現(xiàn)地單元的主控設備。

Premium在0.04 μs內執(zhí)行1條邏輯指令，并且體現(xiàn)出帶有數字指令或浮點運算結果的強大能力。它還集成了所有IEC語言作為標準語言。無論應用是哪一種類型的，都能保證最好的掃描周期。

Premium拓展了應用范圍。處理器能力的提升意味著能裝載整個項目源程序，儲存應用程序診斷數據，處理復雜的數據結構甚至儲存各種配方或生產數據。

設備的多樣性通常導致高度混合的自動化系統(tǒng)，而創(chuàng)建這樣的系統(tǒng)是復雜的，可引發(fā)停工而降低生產能力。Premium大量的專用功能能確保解決方案的整體性能。

機組輔機控制系統(tǒng)中PLC的CPU選用TSXP572634M型。支持離散量I/O通道數為1024；模擬量I/O通道數為80；存儲器容量為160 kB。

(2) 觸摸屏

在控制柜中配置了臺灣Weinview公司生產的彩色液晶觸摸屏，顯示各設備的運行狀態(tài)、運行參數、故障及事故信號等，同時電廠運行人員可在觸摸屏上進行查詢以及一些基本設置、控制和操作。各控制系統(tǒng)可以通過現(xiàn)場總線方式即通過通信模塊RS485口與CPU進行通信。

(3) 動力啟?？刂圃O備

動力柜內部包含的動力啟停控制設備主要有軟啟動器、斷路器、接觸器以及雙電源切換裝置等。

軟啟動器選用法國Schneider公司生產的Altistart48軟啟動器，Altistart48軟啟動器是由6個晶閘管組成的軟起-軟停單元，可控制三相異步電機的啟動和停止。采用Schneider獨一無二的專利轉矩控制方式，性能卓越，適合重載大力矩啟動。電流及其他多參數的實時監(jiān)控，無須熱繼，保護完善可靠；操作盤參數設定，簡潔明了。

斷路器選用法國Schneider公司生產的NS系列斷路器，該斷路器性能可靠，內置過載保護，電動機熱磁脫扣等保護功能。

接觸器選用法國Schneider公司生產的LC1-D系列接觸器。

雙電源切換裝置選用法國Schneider公司生產的WATSNA-250/200A/3CBRX型雙電源切換裝置。

4 結 語

安江水電站泄洪閘門控制系統(tǒng)設計思路清晰，系統(tǒng)結構、硬件配置及軟件配置先進可靠，為安江水電站泄洪閘門自動化運行提供了基礎保障。安江水電站泄洪閘門控制系統(tǒng)投入運行已2 a，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，有效地提高了閘門啟閉系統(tǒng)設備的可靠性和自動化水平，能夠實時準確地對設備參數和運行工況進行監(jiān)視，消除設備運行的隱患，減輕運行和維護人員的勞動強度，實現(xiàn)無人或少人值班，順應中國水電企業(yè)運行管理現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢，發(fā)揮樞紐最大的社會效益和經濟效益。

參考文獻:

[1] 方輝欽.現(xiàn)代水電廠計算機監(jiān)控技術與試驗[M].北京：中國電力出版社，2004.

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[3] 劉國輝.基于PLC的控制系統(tǒng)在閘門液壓自動啟閉機上的應用[J].中國科技信息，2007,(4):67-68.

[4] 宮貴朝.白水峪電站閘門控制系統(tǒng)改造[J].湖北水力發(fā)電，2004,(4):67-69.