PLC及比例放大板在喀麥隆曼維萊水電站主溢洪道弧門控制中的應用

(中國水利水電第十六工程局有限公司，福建 福州 353000)

曼維萊水電站為喀麥隆在建的最大水力發(fā)電站，位于喀麥隆共和國南部大區(qū)馬鞍境內的恩特母河上。它是由首部樞紐、渠道、前池、進水口、壓力鋼管、主廠房等多項重大工程組合而成。興建“曼維萊首部樞紐”，主要作用是泄洪，即在洪水期用來控制堰的水位和通過堰的流量，清空庫區(qū)容量以防危急情況發(fā)生，因而弧門設備電氣控制系統(tǒng)的可靠性和控制功能具有重要作用。

1 泄洪設備簡介

曼維萊水電站泄洪系統(tǒng)位于首部樞紐主溢洪道段。該工程主溢洪道設有5孔溢洪道泄洪閘(從左至右閘門依次為1～5號孔)和1孔沖沙閘，每孔弧門分別由雙點啟閉液壓啟閉機啟閉。泄洪閘弧形門最大量程為7.0m，底坎高程381m。沖沙閘弧形門最大量程為6.6m，底坎高程379m，其底檻高程略低于泄洪閘，用于沖沙和排除堰后的雜物?；⌒喂ぷ鏖l門具有三種工作方式，分別為全開、全關和設置開度。

為確保工程建成后每年的度汛安全及機組發(fā)電正常水頭，弧門啟閉的電氣控制不能出任何差錯。曼維萊水電站主溢洪道每扇弧門都有獨立的電氣控制系統(tǒng)，進行弧形工作閘門的啟閉控制，油泵組的自動啟停建壓控制和工作泵與備用泵的互為切換控制，并以實現(xiàn)閘門在啟閉過程中各工況參數(shù)的自動采集與監(jiān)視等。在電氣控制中應用了施耐德的PLC可編程控制器對弧門的啟閉進行控制，可編程控制器由于干擾能力強、可靠性高、編程簡單、性能價格比高，在工業(yè)控制領域得到廣泛應用。

2 比例放大板在泄洪設備電氣控制中的應用

由于曼維萊水電站泄洪閘弧形工作閘門液壓啟閉機液壓控制系統(tǒng)為雙吊點控制系統(tǒng)，為保證兩支油缸的同步運行，需設置同步糾偏回路，為使閘門運行更加順暢，在液壓控制系統(tǒng)內設置閉環(huán)比例閥同步糾偏，將檢測的兩缸位置偏差信號反饋給PLC，PLC處理信號后，發(fā)出指令給比例放大板，調節(jié)比例閥的流量，以減小兩缸的行程偏差，實現(xiàn)兩缸的同步運行，確?；￠T能夠平穩(wěn)啟閉，當兩只液壓缸行程偏差值不小于25mm時，液壓系統(tǒng)將自動停機發(fā)出報警信號。此閘門的電氣控制部分的特點是：左缸運行速度一定，右缸跟蹤左缸速度，以保證左右缸速度一致。因此在這個糾偏系統(tǒng)中電氣原理的比例放大板起決定性作用。

現(xiàn)地控制柜裝有一塊比例放大板，可自動或手動調節(jié)比例放大板的輸出電壓。放大板控制原理如圖1所示。

圖1 放大板控制原理

當選擇手動方式控制比例板電壓大小時，通過旋轉手動旋鈕進行控制。手動旋鈕旋轉指定的比例越大，比例放大板的輸出電壓越大；手動旋鈕旋轉指定的比例越小，比例放大板輸出電壓越小。需要注意的是，手動調節(jié)完成后，需將手動旋鈕旋轉到0位，以保證比列放大板沒有電壓輸出給比例閥，避免比例閥及放大板長期帶電燒壞設備。

當選擇使用自動調節(jié)方式時，就由PLC根據采集的左右缸行程差值來判斷，由模塊輸出一個4～20mA電流作對比(如圖2所示)，輸出電壓值給PLC的控制程序，根據以下控制原理來編程的設計：當閘門上升時，如果左缸行程大于右缸行程時，輸入比例放大板電壓為0～10V，經402和403引入比例放大板的差動放大器24c、22a 。

①-斜坡發(fā)生器；②-PID調節(jié)器；③-電流調節(jié)器；④-功率放大器；⑤-振蕩器；⑥-解調器；⑦-限制放大器；⑧-斷線識別；⑨-電源；⑩-感應式位移傳感器；-比例電磁閥；-差動放大器圖2 電路方塊

差動電壓進入輸入口(24c-22a) 后，斜坡階躍輸入信號轉變成一個斜坡信號，其中上升沿和下降沿的斜坡時間可以通過電位器R1和R2調節(jié)，所給出的斜坡時間是以100%的設定值(0～6V)為基礎的，如果給斜坡發(fā)生器的設定值小于最大設定值，則斜坡時間也會相應縮短。斜坡發(fā)生器的輸出信號作為設定信號傳輸給PID調節(jié)器，并在這里與反饋信號進行比較。振蕩器將直流電壓轉換為交流電壓信號，信號作用在位移傳感器上。感應式位移傳感器回傳給放大器的信號與閥芯的大小有關。在解調器中，這個信號被重新轉換成直流電壓信號，該直流信號的大小與閥芯位置成比例。通過調節(jié)限制放大器的增益可以改變反饋值的大小，由于限值放大器的輸出信號作為實際值直接傳給PID調節(jié)器，因此利用電位器R3就可改變電磁鐵的行程。PID調節(jié)器以及由電流調節(jié)器和功率放大器組成的自振蕩輸出終端，可與所控制的閥最佳匹配。PID調節(jié)器根據設定值和實際值差的大小傳給自振蕩輸出終端一個控制信號，最后，由功率放大器輸出的電流來控制電磁鐵。斷線識別器隨時監(jiān)測位移傳感器的連接電纜，一旦發(fā)生故障，它會通過電流調節(jié)器使電磁鐵斷電，與此同時，面板上用來顯示“斷線”的發(fā)光二極管也開始發(fā)光，讓運維人員及時發(fā)現(xiàn)，盡快處理故障，以保障閘門的正常工作。

3 PLC在泄洪設備電氣控制中的應用

施耐德QUANTUMUM系列可編程控制器采用模塊化設計，性能范圍寬廣的不同模板可以靈活組合，擴展拆卸方便。一個系統(tǒng)可以包括電源模塊(PS)、中央處理單元模塊(CPU)、數(shù)字量輸入和輸出模塊(DI/DO)、模擬量輸入和輸出模塊(AI/AO)、以太網模塊等。其優(yōu)點是模塊化無風扇設計，堅固耐用，容易擴展及廣泛簡單的通信能力，易實現(xiàn)的分布式結構以及用戶簡單的編輯操作。

3.1 PLC在泄洪設備中的結構

喀麥隆曼維萊水電站主溢洪道6孔弧門液壓啟閉機各對應一個現(xiàn)地控制柜，6臺弧門現(xiàn)地控制柜又通過MB+的方式把信號送至大壩控制室LCU，壩區(qū)LCU再通過光纖與廠房中控室上位機相連，最終在中控達到遠程監(jiān)視閘門的運行情況及對閘門實現(xiàn)控制。

該控制系統(tǒng)以可編程邏輯控制器PLC為核心，通過閘門開度測控儀中行程檢測裝置(絕對型軸角編碼器測量元件)，利用SSI串接口，將開度儀測量數(shù)碼量轉換為4～20mA的模擬量傳送至現(xiàn)地電氣控制柜CPU上，用于閘門左右缸及門實際開度顯示，再通過PLC內已編譯好的程序實現(xiàn)閘門的控制。

3.2 PLC在泄洪設備中的結構與軟件編程設計

PLC控制應用軟件主要采用施耐德編程軟件Unity Pro XL V8.0作為開發(fā)平臺，以LAD梯形圖程序設計語言編制而成。在便攜計算機上編制程序后通過施耐德RCS-242及公母裝換通信電纜下載至施耐德140CPU31110 CPU中。正式投運后不需要任何程序維護(除工藝變動需修改程序)。程序已下載至CPU上的EEPROM存儲卡上固化。

閘門控制方式選擇自動時，將兩臺電機和控制柜操作面板切換到自動方式，可以通過觸摸屏登錄系統(tǒng)，在觸摸屏下發(fā)啟門令，落門令及停門令。

PLC程序收到啟門、閉門或停門命令接口，程序(KDJS)如圖3所示。

圖3 KDJS程序

泄洪閘門啟閉門第一步都需要啟動一臺油泵，而且油泵兩臺互為備用，按次數(shù)輪換，或者當故障時會自動輪換到另一臺油泵，然后再運行。油泵輪換程序如圖4所示。

圖4 油泵輪換程序

啟動油泵如下程序如下：

油泵啟動后再延時，并給比例閥開出，然后再給啟門或閉門的電磁閥供電，最終實現(xiàn)啟閉門，程序如下：

根據之前介紹的比例放大板的原理， PLC關于糾偏的控制程序是根據以下控制原理來設計編程的：當閘門上升時，如果左缸行程大于右缸行程，PLC增加輸出電流，使右缸加速，追上左缸；如果左缸行程小于等于右缸行程時，PLC減小輸出或不輸出電流，使右缸慢下來，讓左缸追上右缸。當閘門下降時，情況相反，如果右缸行程大于左缸，PLC增加輸出電流，使右缸慢下來，讓左缸追上右缸；如果右缸行程小于左缸行程，PLC減小輸出電流，使右缸加速，追上左缸。

首先需要把閘門左缸開度儀上的值采集到PLC中，并換算成實際值(如圖5所示)，通過以下程序段(KDJS)實現(xiàn)(右缸行程計算公式同理一樣)。

算出左右缸實際值后，需要對左右缸行程差值進行分段比較(如圖6所示)，為了讓閘門平穩(wěn)的升降，PLC程序中把左右缸的行程差值分為6段進行比較，分別為1～3mm,3～6mm,6～10mm,10～15mm,15～18mm,18～25mm,如果差值大于25mm，閘門會自動停下來。每段之間輸出的電流值大小也是呈遞增狀態(tài)，這樣在不同差值之間變換，閘門不會左右晃動，而是平穩(wěn)上升或下降。

圖5 開度儀換算

圖6 差值比較

BLTJ_JD2, BLTJ_JD4，BLTJ_JD5，BLTJ_ZD1，BLTJ_ZD2, BLTJ_JD3這6個變量即代表著閘門上升時6段行程差值。%QW1.9.1=10000，即為輸出的電流值為10mA。

圖7 輸出電流量比較

BLTJ_JD3, BLTJ_ZD4，BLTJ_ZD5，BLTJ_ZD6，BLTJ_ZD2, BLTJ_JD3這6個變量即代表著閘門下降時6段行程差值。同理%QW1.9.1=10000，即為輸出的電流值為10mA。

因此在調試過程中只要根據現(xiàn)場情況調整這6段行程差值的%QW1.9.1的輸出值(0～20000之間)，就可達到調整閘門左右缸的速度基本一致，保證門的平穩(wěn)運行(如圖6、圖7所示)。

3.3 PLC控制的可靠性與保護

可編程控制器本身都具有很高可靠性，但如果輸入給PLC的開關量信號出現(xiàn)錯誤，模擬量信號出現(xiàn)較大偏差，PLC輸出口控制的執(zhí)行機構沒有按要求動作，這些都可能使控制過程出錯，造成無法挽回的經濟損失。

就電氣部分而言，影響現(xiàn)場輸出給PLC信號出錯的原因主要有以下幾個:

a.造成傳輸信號線短路或者斷路(由于機械拉扯，線路自身老化，鼠害等因素)，當傳輸信號線出故障時，現(xiàn)場信號無法傳送給PLC,造成控制出錯。

b.機械觸電抖動，現(xiàn)場觸電雖然只閉合一次，PLC因其掃描周期短的特點，PLC卻判定為閉合幾次，造成計數(shù)、累加、移位等指令出錯，出現(xiàn)錯誤控制結果。

c.現(xiàn)場變送器機械開關出現(xiàn)故障。因現(xiàn)場潮濕，電路板經常造成短路，變送器反應的現(xiàn)場非電量偏差較大或不能正常工作，這些故障同樣會控制系統(tǒng)不能正常工作。

泄洪弧門是一個較為復雜的系統(tǒng)，其系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)、電氣部分、機械部分組成，因此為了讓閘門安全、可靠、穩(wěn)定運行，在PLC程序中必須增加了一些保護，保護其液壓、電氣、機械系統(tǒng)。在監(jiān)測故障點動作時，自動停止后續(xù)程序，避免造成不必要的事故或將事故影響降至最低。其保護程序如下：

a.左右缸偏差值超過25mm，延時25s后保護停門(偏差量過大時弧門形變保護)。

b.啟閉門過程中系統(tǒng)壓力過低、過高，延時15s后停門。

c.油溫低于10℃高于50℃，延時15s后停門。

d.啟閉門過程中左缸或右缸壓力過低、過高，延時15s后停門。

e.回油壓力過低，延時15s后停門。

f.油箱液位過低，延時15s后停門。

g.啟閉門過程中左缸或者右缸在40s之內沒有動作，延時15s后停門。

h.兩臺油泵同時有故障，直接停門。

i.油泵單次運行超過30min，直接停門(避免程序死循環(huán)使油泵運行過久，燒壞設備)。

j.閘門下滑100mm后，自動提升時油泵運行超過60s，直接停門；閘門下滑200mm后，自動提升時油泵運行超過120s，直接停門(下滑保護)。

k.現(xiàn)地緊急停機按鈕動作，直接停門(防止緊急事故不能停門)。

在程序(STATUS)中體現(xiàn)如圖8所示。

要提高整個系統(tǒng)的可靠性，必須提高輸入信號的可靠性，并在PLC程序中設置對應的保護。當此故障中有一條滿足條件，閘門就會停止，同時閘門控制柜上的故障燈亮起。因此在查找閘門運行故障時，可以篩查以上停機故障點，盡快排除故障，讓系統(tǒng)安全、可靠、正確地工作。

4 泄洪設備的人機界面

在現(xiàn)地控制柜可以通過觸摸屏上的畫面進行控制，具備全開、全關、設置開度的功能，當通過智能人機界面設定閘門所需開度后，在屏幕上點擊“confirm”，就彈出一個“Are you sure”的對話框，點擊“yes”，PLC就會自動按程序實現(xiàn)閘門的啟閉。同樣在屏幕點擊全啟或全閉或停止時，屏幕會彈出一個“are you sure”的對話框，點擊“yes”，PLC就會自動按程序實現(xiàn)閘門的啟閉和停止(如圖9所示)。

圖8 閘門啟閉保護回路

圖9 人機界面操作畫面

作為一個現(xiàn)代化電站，要做到遠程控制、現(xiàn)場無人值班，遠程控制啟閉機也是不可或缺的。當泄洪閘門處在遠方的工作位置時，運行人員可以在發(fā)電廠房實現(xiàn)對閘門的遠方控制(如圖10所示)。

圖10 閘門遠程控制畫面

在圖10所示界面中不僅可以進行閘門的全開全關控制，還可以實現(xiàn)閘門開度的設置，設置完開度后，點擊“開啟”或者“關閉”，閘門即可自行運行到設置的開度位置。遠程操控可以讓運行人員根據壩區(qū)的水位更精確地調整閘門的開度。