張哂昭 張宵晗

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在三門峽水電廠壩頂閘門控制中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張哂昭 張宵晗

介紹了三門峽水電廠壩頂閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，設(shè)備軟硬件配置及實(shí)現(xiàn)方法。闡述了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，以及閘門的控制原理。

壩頂 閘門 監(jiān)控系統(tǒng) PLC 液壓泵站 閘門開度

三門峽水電站位于河南省陜縣境內(nèi)的黃河上，為壩后式電站，地面廠房?jī)?nèi)裝有7臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量1#～5#機(jī)為60 MW， 6#～7#機(jī)為75 MW。每臺(tái)機(jī)組進(jìn)口設(shè)有快速門及250/320 t液壓?jiǎn)㈤]機(jī)1套，7套液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)置1組液壓油泵站。

三門峽水電廠是老電廠，輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)備陳舊，目前采用的傳統(tǒng)的閘門控制方式自動(dòng)化程度較低，需要人員到現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)閘門室監(jiān)視和操作；對(duì)閘門安全控制可靠性不高，效率較低，并且沒有信息通信共享渠道，這樣的控制方式不能適應(yīng)閘門孔數(shù)多，控制中心距離閘門室較遠(yuǎn)的控制需求，已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)和當(dāng)今信息化的要求。

隨著計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在水電廠的廣泛應(yīng)用和日趨完善，水電廠所要求的“無(wú)人值守”(少人值守)的運(yùn)行方式不但在發(fā)電機(jī)組、電站開關(guān)站控制系統(tǒng)中采用，同樣在電站輔機(jī)系統(tǒng)及閘門控制系統(tǒng)也必須與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合采用；因此，在水電廠整體技術(shù)提高的條件下，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)三門峽水電廠閘門控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，達(dá)到計(jì)算機(jī)監(jiān)控的控制水平，以提高三門峽水電廠整體自動(dòng)化運(yùn)行水平及可靠性。

1 閘門監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能

三門峽水電廠壩頂閘門監(jiān)控系統(tǒng)采用開放環(huán)境下的全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。壩頂閘門監(jiān)控系統(tǒng)是由中控室的操作員站、廠級(jí)工作站作為上位機(jī)，液壓油泵房閘門現(xiàn)地LCU為中間級(jí)，在7處閘門室內(nèi)各設(shè)1套現(xiàn)地控制箱作為現(xiàn)地級(jí)構(gòu)成。上位機(jī)作為遠(yuǎn)程操作平臺(tái)對(duì)閘門進(jìn)行遠(yuǎn)端控制，液壓油泵房閘門現(xiàn)地LCU作為系統(tǒng)的主站，負(fù)責(zé)收集從現(xiàn)地控制箱上傳的信息并對(duì)控制箱下達(dá)指令，閘門現(xiàn)地控制箱實(shí)現(xiàn)對(duì)壩頂閘門的機(jī)旁控制。除此之外，在電站各機(jī)組LCU盤上設(shè)置壩頂閘門的控制按鈕。站級(jí)計(jì)算機(jī)與閘門現(xiàn)地LCU采用工業(yè)以太網(wǎng)連接，通信速率為自適應(yīng)100/10 Mbps,網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)為光纖，組成一個(gè)分層分布式的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用3層通訊組網(wǎng)方式，最底層的是由各個(gè)閘門室現(xiàn)在控制箱組成的相互獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)控制單元，中間層是由閘門現(xiàn)地LCU上的1臺(tái)SJ-500微機(jī)監(jiān)控裝置構(gòu)成的通訊主站，上層是由上位機(jī)及服務(wù)器組成的用戶層。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

閘門現(xiàn)地LCU按以太網(wǎng)IEEE802.3Ethernet標(biāo)準(zhǔn)，與上位機(jī)及工程師工作站通信，由上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門啟閉機(jī)的遠(yuǎn)程控制。并將閘門開度、閘門液壓荷重情況以及液壓油泵工作控制情況傳送至上位機(jī)。由上位機(jī)根據(jù)閘門現(xiàn)地LCU提供的信息對(duì)閘門運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并在故障發(fā)生時(shí)提供故障信息。閘門現(xiàn)地LCU的人機(jī)界面功能通過盤上液晶觸摸屏實(shí)現(xiàn)。

監(jiān)控系統(tǒng)具有以下功能：控制功能方面，系統(tǒng)采用兩種控制方式，自動(dòng)控制(遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制)和現(xiàn)地手動(dòng)控制；監(jiān)測(cè)功能方面：系統(tǒng)自動(dòng)采集閘門位置、液壓油泵運(yùn)行狀況及電氣器件運(yùn)行狀態(tài)的信息；保護(hù)功能方面：判斷電機(jī)過載、事故高油壓、閘門上下越限及故障下滑、電源供電異常、閘門失速/卡滯等，并對(duì)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。從而實(shí)現(xiàn)了信息自動(dòng)采集、處理、處理入庫(kù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)監(jiān)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2 系統(tǒng)硬件配置與控制原理

2.1 系統(tǒng)硬件配置

中控室上位機(jī)集中控制層主控級(jí)設(shè)有2臺(tái)操作員/工程師站、2臺(tái)后臺(tái)服務(wù)器、1臺(tái)歷史工作站、1臺(tái)通信工作站及UPS電源作為閘門系統(tǒng)控制中樞；2臺(tái)操作員/工程師站、2臺(tái)后臺(tái)服務(wù)器采用互為主備的切換方式，確保在任何一臺(tái)操作員站、服務(wù)器發(fā)生故障的情況下，整個(gè)壩頂監(jiān)控系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行；歷史工作站主要提供運(yùn)行操作記錄和故障記錄查詢以及歷史數(shù)據(jù)庫(kù)備份的作用；通信工作站主要用來與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。操作員/工程師站采用SUN Solaris5.8，歷史工作站采用FEDORA Linux，通訊工作站采用RedHat Linux。

設(shè)在液壓泵站的閘門現(xiàn)地LCU由1面屏組成，屏內(nèi)的核心設(shè)備PLC采用GE公司的S90-30系列可編程控制器，CPU為GE9030-350，人機(jī)界面為彩色觸摸屏。為液壓泵站電機(jī)啟動(dòng)設(shè)2面動(dòng)力屏，動(dòng)力屏內(nèi)設(shè)有2臺(tái)油泵電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)裝置，軟啟動(dòng)裝置為施耐德系列產(chǎn)品。

現(xiàn)地控制級(jí)由7個(gè)現(xiàn)地控制箱組成。7個(gè)現(xiàn)地控制箱分別安裝在各個(gè)閘門室內(nèi)，控制對(duì)應(yīng)的各扇快速閘門，控制箱面板上設(shè)有單孔閘門“手動(dòng)/自動(dòng)”、“現(xiàn)地/遠(yuǎn)方”切換把手，閘門開度智能顯示儀表、閘門全開、全關(guān)狀態(tài)指示燈，閥組電源監(jiān)視燈，“提升/降落”閘門操作過程指示燈及閘門提升、降落操作按鈕等。閘門開度智能顯示儀表可以輸出開關(guān)量、4～20 mA模擬量和RS485串行通信口。

2.2 系統(tǒng)控制原理

閘門現(xiàn)地LCU可采集整個(gè)閘門液壓系統(tǒng)和7孔閘門的各種信號(hào)：包括總油管壓力、油箱油位、濾油器堵塞、各閘門開度(開關(guān)量和4～20 mA模擬量)、電源監(jiān)視、油泵運(yùn)行狀態(tài)等；閘門現(xiàn)地LCU通過通信模塊與電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)連接，接受上位機(jī)及發(fā)電機(jī)組LCU對(duì)閘門的控制指令，并在中控室及發(fā)電機(jī)旁LCU實(shí)時(shí)顯示閘門的開度，實(shí)現(xiàn)快速閘門的遠(yuǎn)方控制。閘門液壓泵站系統(tǒng)中的電磁閥、液位變送器、壓力變送器和油管路過濾器所需的24 V電源由閘門現(xiàn)地LCU內(nèi)的供電模塊提供。

閘門現(xiàn)地控制箱作為現(xiàn)地控制終端設(shè)備可完成閘門開度現(xiàn)地LED顯示，開度預(yù)制、閘門到位的光報(bào)警等操作。由閘門開度傳感器測(cè)得的閘門開度狀態(tài)編碼，引至閘門現(xiàn)地LCU，通過譯碼和非線性變換后形成閘門開度值。閘門開度值送入現(xiàn)地控制箱操作面板LED進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，并與開度預(yù)置值進(jìn)行比較，作為閘門狀態(tài)變量的開入信號(hào)上送，其中包含全關(guān)和全開，閘門下滑200 mm和下滑300 mm等狀態(tài)變量信息。使閘門按規(guī)定的控制命令運(yùn)行。

3 控制軟件設(shè)計(jì)

壩頂閘門監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分主要由上位機(jī)操作系統(tǒng)軟件、監(jiān)控平臺(tái)軟件、應(yīng)用軟件(包括：PLC控制及通訊軟件、壩頂工作閘門監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)通信軟件、相關(guān)的人機(jī)接口界面和文字及語(yǔ)言報(bào)警軟件等)。

壩頂閘門監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)使用Windows 2000操作系統(tǒng)，上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)軟件采用南瑞的NC2000系統(tǒng)。PLC程序采用Proficy Machine Edition 編程軟件編寫，梯形圖方式編程。其子程序主要由_MAIN主程序、INIT_ST初始化子程序、輸入/輸出掃描、模擬量處理、開出管理、PLC與上位機(jī)、觸摸屏通信、 閘門順控以及壓油泵切換流程等組成。

壩頂閘門監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)相關(guān)通信程序則采用C語(yǔ)言自行編程，做到與電站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無(wú)縫連接。人機(jī)界面和文字報(bào)警程序采用監(jiān)控系統(tǒng)自帶軟件自行編程，做到人機(jī)界面友好，報(bào)警準(zhǔn)確及時(shí)。

閘門實(shí)現(xiàn)多級(jí)控制的流程框圖如圖2所示。

圖2 閘門多級(jí)控制框圖

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，三門峽水電廠壩頂閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)已正式投入運(yùn)行數(shù)年。實(shí)際運(yùn)行證明，該系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行后完全達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，減輕了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足“少人值班”的控制要求，為三門峽水電廠的安全生產(chǎn)提供了一個(gè)現(xiàn)代化的技術(shù)保障。三門峽水電廠壩頂閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)可作為大、中型水電廠閘門控制系統(tǒng)技術(shù)改造的參考。

TP273

A

1007-6980(2017)02-0044-02

2017-03-21)

張哂昭 男 工程師 三門峽水電廠 河南三門峽 472000

張宵晗 男 助理工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 200222