水力式升船機電氣控制系統設計與實現

易春輝，石曉俊，劉 錦

（西安航天自動化股份有限公司，陜西 西安 710065）

1 水力式升船機設備組成

水力式垂直升船機將平衡重做成質量和體積合適的浮筒，通過調節浮筒的入水深度產生浮力變化，使船廂重與浮筒重之間產生的差值來驅動船廂升降運行[1]。其主要由充泄水系統、承船廂系統、上閘首系統、同步軸系統、制動系統及鋼絲繩連接系統等組成。其中，充泄水系統主要包括上游快速事故門、充水閥門、豎井、泄水閥門和下游快速事故門等設備；承船廂系統主要包括上游空壓密封裝置、上游臥倒門、上游防撞梁、下游防撞梁、下游臥倒門、頂緊、夾緊等設備；上閘首系統主要包括工作大門和工作小門等設備；同步軸系統包括卷筒和同步軸等設備；鋼絲繩連接系統主要包括固定在浮筒端的均衡油缸、動滑輪、鋼絲繩和固定在承船廂端的調平油缸等設備；制動系統主要包括安全制動泵站和制動器設備等。景洪水力式升船機主要設備組成及布置在文獻[2]中有詳細介紹。

2 控制要求

水力式升船機電氣控制系統貫穿升船機所有主要設備，負責完成對升船機設備的狀態監測、信息采集與解析、狀態判斷、設備運行控制、順序邏輯保護、設備故障保護及運行數據處理等。升船機電氣控制系統的設計必須以安全可靠、技術先進、性價比高、操作簡便、易于維護、系統開放為原則進行，同時還應滿足在實時性、開放性、互換性、可用性、易操作性和易維護性等方面的要求。

由于水力式升船機設備多且布置分散，加之無論從規模還是技術難度上講，它在國內外電站建設史上都屬首創，是世界高壩通航技術上的一個全新嘗試，所以其電氣控制系統的設計也不同于以往的以電動機作為驅動源的電力拖動垂直提升升船機[3-5]。

本文在對水力式升船機事故工況進行分析[6]后，借鑒巖灘、高壩洲水電站等電力拖動升船機電氣控制系統在設計、生產、調試及運行的成功經驗，實現了水力式升船機電氣控制系統的各項功能，并在景洪水電站水力式升船機工程上得到成功應用。

3 控制方式設計

為了提高升船機自動化運行水平，適應少人值班的需要，兼顧運行、調試、檢修的不同要求，升船機電氣控制系統設3種控制方式：自動控制方式、現地控制方式和手動控制方式。

（1）自動控制方式。上位監控主機和所有現地子站控制方式選擇自動控制，整個升船機受控于上位集控，各子站接收上位命令，經校核后響應，根據升船機流程，自動完成升船機的運行全過程控制。

（2）現地控制方式。在上位集控退出控制后，各子站控制方式選擇為現地控制，各子站通過人機界面或控制面板上的操作件，完成升船機的運行全過程控制。現地控制方式優先于自動控制方式。

（3）手動控制方式。在子站調試或檢修階段，子站控制方式選擇開關設為手動控制，在不影響升船機系統安全，和符合設備工藝要求的情況下，控制單一設備，以實現檢修或調試。手動控制方式優先于自動控制方式。

設置在中央控制臺和現地子站控制柜上的急停按鈕具有最高控制權限，不受控制方式限制。

4 控制系統網絡結構及站點設計

4.1 控制系統的網絡結構

水力式升船機設備布置分散，控制對象多、控制工藝復雜。根據此特點及對系統運行控制的要求，升船機電氣控制系統采用分層分布式結構，即分為現地控制層和計算機主控層。計算機主控層采用100 Mb/s冗余光纖雙環以太網設計，主控層操作員工作站、數據服務器、工程師工作站、通訊服務器等主要設備及4個現地LCU子站均接入光纖雙環網。水力式升船機電氣控制系統網絡結構及站點設置如圖1所示。

4.2 控制站點設置

圖1 水力式升船機電氣控制系統網絡結構

主控層設置2臺操作員工作站 （雙機熱備）、1臺工程師/培訓工作站、2臺數據服務器 （雙機熱備）、1臺調度通訊服務器及打印機和網絡設備等，負責整個升船機系統的集中控制與監測。

現地控制層，按地理位置及控制功能相對集中原則，設置4個LCU子站，分別為：上閘首LCU子站、承船廂LCU子站、驅動LCU子站和公用LCU子站。其中，上閘首LCU子站由一個本地站、工作大門控制單元、工作小門控制單元和上游快速事故門控制單元組成；承船廂LCU子站由一個本地站、4個船廂液壓站控制單元、船廂上游臥倒門控制單元、船廂下游臥倒門控制單元和空壓密封裝置控制單元組成；驅動LCU子站由一個本地站、制動遠程IO子站、均衡遠程IO子站、充水閥控制單元、泄水閥控制單元和下游快速事故門控制單元和浮筒鎖定控制單元等組成；公用LCU子站由一個本地站和多個輔機設備控制單元組成。

4個LCU子站的主要設備 （CPU、電源等）都采用冗余配置，并都采用LCU直接上網方式與上位機通訊。

5 控制系統實現

5.1 計算機主控層的實現

升船機上位監控軟件在美國WonderWare公司的InTouch10.1組態環境下自主開發，具有訪問權限設置及安全閉鎖、升船機系統運行控制與監視、數據采集及數據庫管理、故障報警與事故追憶、報表管理及打印、機構動作超時保護、專家提示及事故指導、雙機熱備、各子站時間同步、網絡狀態診斷、故障工況仿真和系統自診斷等功能。

數據服務器選用美國Microsoft公司的SQL Server2008數據庫管理軟件，客戶端軟件通過C++語言自主開發而成，該軟件可以實現歷史運行數據查詢、工作報表生成及打印等功能。

5.2 現地控制系統的實現

水力式升船機現地控制系統主要由上閘首、承船廂、驅動和公用4個LCU子站和各子站下轄的相關設備電氣控制單元。

5.2.1 現地子站的構成

上閘首、承船廂、驅動和公用LCU子站的構成基本相同，網絡結構如圖2所示?？删幊炭刂破鳎≒LC）均選用施耐德電氣公司生產的Modicon Quantum Unity熱備系統產品，PLC通過雙機熱備實現控制過程無擾動切換，通過冗余遠程IO網絡 （圖中RIO網絡）實現與本站IO的通訊，通過冗余NOE模塊實現與主干光纖環網的數據交換，通過MB+網絡實現和本站所控設備控制單元的通訊。另外，每個LCU子站均設有10英寸全彩色人機交互界面，人機界面通過RS485總線實現和主、備CPU的實時通訊，在CPU從主用切換到備用時，人機界面與PLC的通訊不中斷。

5.2.2 設備控制單元的構成

設備控制單元主要負責升船機現地設備的狀態監測、流程控制、故障保護及與上級LCU子站的數據交換。PLC均選用施耐德公司生產的Modicon Premium Unity系列產品，CPU通過MB+網絡實現和上級LCU子站的通訊，通過RS232網絡實現和本地人機界面的數據通訊，通過人機界面可以實現對現地設備的狀態監視和控制操作。

圖2 現地LCU子站網絡結構示意

6 結 語

該電氣控制系統已經在景洪水電站水力式升船機工程上得到成功驗證，目前已經完成了現場的單機調試、分系統調試和無水聯合調試等階段的各項調試工作，實踐證明本系統完全滿足水力式升船機運行監控的要求，網絡層次分明、站點設置合理、配置性價比高、性能穩定可靠。

［1］ 張蕊，章晉雄，吳一紅，等.水力浮動式升船機輸水系統仿真分析［J］.水利學報， 2007， 38（5）:624-629， 636.

［2］ 劉金堂，曹以南，凌云，等.景洪水力式升船機設計研究［J］.水力發電， 2008， 34（4）:43-45.

［3］ 易春輝，雷志宏.巖灘升船機主提升電氣控制系統應用與研究［J］.紅水河， 1999（4）:42-45.

［4］ 張生權.高壩洲升船機電力拖動與計算機監控系統設計［J］.三峽大學學報 （自然科學版），2002，24（4）:213-216.

［5］ 石曉俊，廖沛霖，易春輝.高壩洲升船機計算機監控系統上位機系統設計與實現［J］.水電自動化與大壩監測，2006（3）:15-17.

［6］ 石曉俊，易春輝，劉錦.景洪水電站水力式升船機事故工況分析及應對策略研究［J］.水力發電， 2011， 37（10）:69-72.