南水北調中線干線工程閘站監控系統應用研究

許小鋒 張 超

（南京南瑞集團公司，江蘇 南京210003）

0 引言

南水北調中線干線工程是一項跨流域、長距離的特大型調水工程，工程全長1 431.945km。為了保證中線干線工程的正常輸水及經濟運行，必須采用先進的閘控監控系統，最大程度避免棄水，使引水資源得到充分利用，全面促進地方經濟快速發展。

1 系統結構及配置

1.1 網絡結構

閘站監控系統采用開放的分層分布式結構，通訊協議采用TCP/IP協議，分為遠控級（北京總公司）、主控級（各管理處）、現地級（各閘站現地控制單元）。現地級與主控級的網絡結構采用雙星型以太網；現地級與主控級的通訊采用雙通訊鏈路，一條為主用，一條備用。

1.2 現地級系統配置

閘站監控系統部用于調節流量、給配套工程輸水，出現事故需要緊急退水的站點穩定性要求高，現場節制閘、分水閘（流量≥10m3/s）、退水閘的現地站現地控制單元均配備冗余PLC，其他類型現地站采用非冗余PLC。現場冗余PLC 的核心在于關鍵部位采用冗余器件配置，當某一設備或某一條通訊鏈路出現故障時，使用備用器件或鏈路工作，備用器件或鏈路的投入過程達到毫秒級，提高了整個系統的穩定性。PLC與遠程I/O 的系統配置及連接如圖1、圖2所示。

圖1 冗余PLC與遠程I/O

2 現地級系統功能

現地控制單元系統具有數據采集與處理、閘門控制、安全保護、控制切換等功能，具體如圖3所示。

圖2 非冗余PLC與遠程I/O

圖3 現地控制單元系統功能

3 現地級控制功能

閘站監控系統主要控制對象為閘門，現地控制單元進行信號的采集、處理，操控液壓（卷揚）啟閉機系統運行，實現閘門的平穩動作。現場調節供水量的節制閘全部采用雙吊點弧形液壓閘門控制，該過程中需要實現的控制功能包括閘門糾偏、閘門開度設值、閘門下滑復位等。

3.1 閘門自動糾偏

雙吊點弧形液壓閘門由于現場安裝、油路等差別，實際運行中會出現閘門左右油缸不同步的情況，嚴重情況下會導致閘門卡死，影響輸水安全。利用液壓站比例閥、閘門開度傳感器、PLC等硬件設備，閘門運行過程中，固定一側油缸（固定缸）的速度，實時調節另一側油缸（隨動缸）的速度，可實現閘門在運行過程中的自動糾偏功能。主要參數如下：閘門左右開度差（D）、閘門糾偏功能啟動值（D1）、閘門糾偏功能停止值（D2）、閘門糾偏等待值（D3）、閘門左右油缸超差停機檢查值（D4）、閘門糾偏過程中固定缸比例閥初始值（Q）、閘門糾偏過程中隨動缸比例閥開度（Q1、Q2）。

糾偏流程如圖4所示。固定缸的運行速度通過Q 調節，可以將Q 固定。

圖4 雙缸糾偏流程圖

（1）閘門上升時，當D＞D1時，啟動閘門糾偏功能，此時隨動缸的比例閥開度Q1＝Q－Q/D3×D；當D＜D2時，閘門糾偏結束，恢復Q1＝Q；當D2＜D＜D3時，隨動缸Q1＝Q－Q/D3×D；當D3＜D＜D4時，隨動缸Q2＝0；當D4＜D 時，閘門超差停門。

（2）閘門下降時，當D＞D1時，啟動閘門糾偏功能，此時隨動缸的比例閥開度Q1＝Q＋（100－Q）/D3×D；當D＜D2時，閘門糾偏結束，恢復Q1＝Q；當D2＜D＜D3時，隨動缸Q1＝Q＋（100－Q）/D3×D；當D3＜D＜D4時，隨動缸Q2＝100；當D4＜D 時，閘門超差停門。

3.2 閘門開度設值

依據現場流量數據以及閘前閘后水位數據，計算出閘門實際需要到達的開度，調整實時流量。

開度設值流程如圖5 所示。現地控制單元接收到開度設值指令，判斷啟閉機無故障，啟動油泵，閘門上升或下降，閘門動作到設定開度后，考慮到液壓系統停門后閘門由于慣性，延時判斷閘門的開度設定值與閘門當前開度的差值，差值超過二次動門值，進行第二次閘門操作。

閘站監控系統部分閘門的全行程為10 000mm，閘門的動作精度要求10mm 以內，相較于一般的閘門系統，動作成功率和精度要求更高，在開度設值過程中，增加了一個二次動門值，當閘門動作完成后，比較閘門的開度設定值與當前開度，當前開度大于等于二次動門值時，進行二次閘門動作，由于二次動門的動作幅度小，停門慣性小，能夠滿足現場閘門的精度要求。

3.3 閘門下滑復位

由于液壓啟閉機液壓缸內泄漏等問題，閘門在停止狀態下會出現下滑現象，影響輸水量。下滑復位流程如圖6所示。閘門接收到開度設值指令，成功動作后，記錄閘門動作完成后的開度值H，如果閘門當前開度H1與記錄的動作完成值H 超過一定值，閘門執行上升操作；當閘門的當前開度H1等于H 時，流程執行結束。

4 結語

本文依托南水北調中線干線工程閘站監控系統，介紹了閘站監控系統現地控制單元的結構與配置以及實現的功能。該系統自2014年9月投入使用，已安全穩定運行了一年多時間，確保了南水北調中線精確、安全輸水。為其他類似的長距離輸水工程中這種現地控制單元的配置及功能實現提供了一定的借鑒。

圖5 開度設值流程圖

圖6 下滑復位流程圖

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