安江水電站泄洪閘門(mén)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何海洋,朱星宇,李正權(quán)

(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)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(nèi)沅江干流中游，是沅江干流規(guī)劃中的第9級(jí)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(chǎng)房壩段。右汊全為泄洪閘。

安江水電站共設(shè)18孔泄洪閘門(mén)，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(mén)，規(guī)格為20 m×15.5 m，分4節(jié)制造安裝。泄洪閘門(mén)啟閉設(shè)備采用雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，若采用人工操作，需要在室外觀察閘門(mén)左右側(cè)實(shí)時(shí)開(kāi)度，并與室內(nèi)機(jī)旁操作者傳呼配合,操作完成后，還需要安排人員定時(shí)巡視，觀察閘門(mén)有無(wú)下滑。當(dāng)汛期來(lái)臨時(shí)，需要經(jīng)常操作泄洪閘門(mén)控制上下游水位，工作十分艱苦。因此我們采用了自動(dòng)控制方式和遠(yuǎn)方集中控制方式，這樣在大大減少了生產(chǎn)人員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，還保證了閘門(mén)的安全可靠運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

1 閘門(mén)啟閉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

泄洪閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)采用了全計(jì)算機(jī)控制的分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]，安江泄洪閘門(mén)控制系統(tǒng)是由上位機(jī)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)“主控級(jí)”)和現(xiàn)地控制單元(簡(jiǎn)稱(chēng)“LCU”)組成的分層分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。主控級(jí)設(shè)置1臺(tái)主機(jī)兼操作員工作站、1臺(tái)交換機(jī)及配套外圍設(shè)備，位于中央控制室內(nèi)。主控級(jí)計(jì)算機(jī)與電站監(jiān)控系統(tǒng)通信機(jī)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)104規(guī)約實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，各閘門(mén)現(xiàn)地LCU采用PLC為控制器，各LCU與主控級(jí)計(jì)算機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)為單模光纜(見(jiàn)圖1)。

圖1 泄洪閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

圖2 泄洪閘門(mén)上位機(jī)監(jiān)控總圖

(1) 采用了分層分布式開(kāi)放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從功能上將系統(tǒng)分為主控級(jí)與LCU，分別入網(wǎng)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕岣吡讼到y(tǒng)的靈活性；

(2) 網(wǎng)絡(luò)上結(jié)點(diǎn)功能單一，與其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)互相解耦，當(dāng)某一設(shè)備故障時(shí)，將影響控制在一定范圍內(nèi)，便于維護(hù)；

(3) 系統(tǒng)可維護(hù)性強(qiáng)，可在線(xiàn)修改參數(shù)；

(4) 系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，可在中央控制室對(duì)每個(gè)閘門(mén)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。

2 控制系統(tǒng)功能

2.1 主控級(jí)功能

主控級(jí)可完成對(duì)各閘門(mén)的安全監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)方控制，并具備歷史數(shù)據(jù)的存檔、記錄、檢索、運(yùn)行報(bào)表的生成以及對(duì)外通信管理等功能。

(1) 數(shù)據(jù)采集和處理

數(shù)據(jù)包括：閘門(mén)極限位置、啟閉機(jī)狀態(tài)、故障報(bào)警、系統(tǒng)電源、閘門(mén)運(yùn)行狀態(tài)等開(kāi)關(guān)量；閘門(mén)開(kāi)度、系統(tǒng)壓力、油箱油溫、油箱液位等模擬量。

實(shí)時(shí)控制通過(guò)操作員人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)各閘門(mén)的遠(yuǎn)方集中操作。現(xiàn)場(chǎng)人員可根據(jù)水情信息，設(shè)置各閘門(mén)的目標(biāo)開(kāi)度，使各閘門(mén)達(dá)到預(yù)定位置，實(shí)現(xiàn)各閘門(mén)統(tǒng)一調(diào)度。泄洪閘門(mén)上位監(jiān)控總圖見(jiàn)圖2。

(2) 安全運(yùn)行監(jiān)視

運(yùn)行人員可在主控級(jí)的監(jiān)視畫(huà)面中監(jiān)測(cè)各閘門(mén)LCU的基本狀態(tài)信息，包括系統(tǒng)電源、閘門(mén)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(mén)畫(huà)面查看更詳細(xì)的信息。各閘門(mén)的畫(huà)面里，可詳細(xì)顯示閘門(mén)的升降過(guò)程及閘門(mén)左右兩側(cè)的開(kāi)度數(shù)據(jù)，并對(duì)液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視。系統(tǒng)可自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件故障，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，立即報(bào)警并記錄和顯示故障信息,見(jiàn)圖3。

圖3 泄洪閘門(mén)上位機(jī)各閘門(mén)監(jiān)控畫(huà)面

圖4 泄洪閘門(mén)控制操作界面畫(huà)

(3) 數(shù)據(jù)通信

主控級(jí)與現(xiàn)地控制單元LCU之間采用以太網(wǎng)通信，主控級(jí)與電站監(jiān)控系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)104規(guī)約進(jìn)行通信。

2.2 現(xiàn)地控制單元功能

確保汛期閘門(mén)操作的安全可靠運(yùn)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(wǎng)后可獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)的現(xiàn)地自動(dòng)控制。

(1) 數(shù)據(jù)采集與處理

LCU可采集閘門(mén)位置、閘門(mén)提門(mén)或落門(mén)的電磁閥狀態(tài)、液壓系統(tǒng)保護(hù)裝置的狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理后上送主控級(jí)。

(2) 控制權(quán)限選擇

控制在現(xiàn)地控制屏上設(shè)有“現(xiàn)地/遠(yuǎn)方”方式選擇開(kāi)關(guān)。2種控制方式互為閉鎖，且現(xiàn)地操作優(yōu)先于遠(yuǎn)方操作，見(jiàn)圖4。

1) “遠(yuǎn)方”控制方式：現(xiàn)地控制單元接收主控級(jí)的控制命令，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)自動(dòng)控制。

2) “現(xiàn)地”控制方式：由操作員根據(jù)LCU的狀態(tài)顯示，通過(guò)操作按鈕或觸摸屏控制畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)的提門(mén)、落門(mén)、停門(mén)、目標(biāo)開(kāi)度動(dòng)門(mén)以及編碼器清零等操作。

在“現(xiàn)地”控制方式下，還設(shè)有2種互為閉鎖的控制模式：自動(dòng)控制與手動(dòng)控制。自動(dòng)控制時(shí)是由PLC的開(kāi)出發(fā)送控制指令，而手動(dòng)控制需通過(guò)把手或按鈕，去控制每個(gè)設(shè)備，控制順序應(yīng)與自動(dòng)控制相同。

(3) 閘門(mén)自動(dòng)糾偏功能

在自動(dòng)控制方式下，閘門(mén)提升或下降工程中，會(huì)根據(jù)左右兩側(cè)開(kāi)度差調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)比例閥的電壓，控制閘門(mén)一側(cè)的運(yùn)行快慢，從而達(dá)到自動(dòng)糾偏的效果。

(4) 閘門(mén)下滑回升功能

在自動(dòng)控制方式下，若無(wú)控制操作，閘門(mén)下降超過(guò)指定高度后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判定閘門(mén)下滑，并自動(dòng)啟動(dòng)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，使閘門(mén)提升到指定位置并報(bào)警。若下滑后無(wú)法恢復(fù)，則停門(mén)并報(bào)警。

(5) 信號(hào)顯示

在現(xiàn)地控制屏上設(shè)有系統(tǒng)狀態(tài)、閘門(mén)位置、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、閘門(mén)運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警的信號(hào)燈，并配有觸摸屏。

(6) 通 信

通過(guò)超五類(lèi)屏蔽電纜、光電轉(zhuǎn)換器、單模光纜、交換機(jī)及其他通信設(shè)備與主控級(jí)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)上傳數(shù)據(jù)、接收下行命令的功能。通過(guò)高速計(jì)數(shù)模塊采集編碼器的碼值并通過(guò)程序轉(zhuǎn)化為閘門(mén)開(kāi)度。

3 泄洪閘門(mén)控制系統(tǒng)硬件及軟件配置

3.1 主控級(jí)部分

主控級(jí)計(jì)算機(jī)采用美國(guó)HP公司生產(chǎn)的型號(hào)為 Z600型工作站，其CPU采用英特爾至強(qiáng)4核處理器、64位、緩存12 MB、內(nèi)存為4 G、硬盤(pán)160 GB、HPSATA 藍(lán)光刻錄機(jī)。

操作系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)是近年來(lái)逐步興起的一種操作系統(tǒng)，是一套免費(fèi)的32位多人多工的操作系統(tǒng)，運(yùn)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(wǎng)絡(luò)功能已是許多商業(yè)操作系統(tǒng)無(wú)法比擬的。Linux還有一項(xiàng)最大的特色在于源代碼完全公開(kāi)，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(tuán)公司自主研發(fā)的NC2000計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件，它包含了分布式對(duì)象架構(gòu)，全面支持異構(gòu)平臺(tái)的特性，系統(tǒng)提供了高效安全可靠的監(jiān)控內(nèi)核、功能強(qiáng)大的組態(tài)工具、精細(xì)美觀的圖形界面、實(shí)用方便的應(yīng)用界面、多種符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的接口以及緊貼水利水電用戶(hù)和梯級(jí)集控調(diào)度應(yīng)用需求的各種常規(guī)及高級(jí)功能。

交換機(jī)采用美國(guó)MOXA公司生產(chǎn)的型號(hào)為EDS-518A系列工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，傳輸速率100 Mbps，組成環(huán)形以太網(wǎng)，每套配置16個(gè)端口。

3.2 現(xiàn)地控制單元

現(xiàn)地控制單元由控制柜和動(dòng)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(kāi)關(guān)電源、繼電器等；動(dòng)力柜主要包含動(dòng)力啟停控制設(shè)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(guó)Schneider公司生產(chǎn)的Unity Premium 系列可編程控制器作為現(xiàn)地單元的主控設(shè)備。

Premium在0.04 μs內(nèi)執(zhí)行1條邏輯指令，并且體現(xiàn)出帶有數(shù)字指令或浮點(diǎn)運(yùn)算結(jié)果的強(qiáng)大能力。它還集成了所有IEC語(yǔ)言作為標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言。無(wú)論應(yīng)用是哪一種類(lèi)型的，都能保證最好的掃描周期。

Premium拓展了應(yīng)用范圍。處理器能力的提升意味著能裝載整個(gè)項(xiàng)目源程序，儲(chǔ)存應(yīng)用程序診斷數(shù)據(jù)，處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)甚至儲(chǔ)存各種配方或生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

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

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

(2) 觸摸屏

在控制柜中配置了臺(tái)灣Weinview公司生產(chǎn)的彩色液晶觸摸屏，顯示各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)、故障及事故信號(hào)等，同時(shí)電廠(chǎng)運(yùn)行人員可在觸摸屏上進(jìn)行查詢(xún)以及一些基本設(shè)置、控制和操作。各控制系統(tǒng)可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)方式即通過(guò)通信模塊RS485口與CPU進(jìn)行通信。

(3) 動(dòng)力啟停控制設(shè)備

動(dòng)力柜內(nèi)部包含的動(dòng)力啟停控制設(shè)備主要有軟啟動(dòng)器、斷路器、接觸器以及雙電源切換裝置等。

軟啟動(dòng)器選用法國(guó)Schneider公司生產(chǎn)的Altistart48軟啟動(dòng)器，Altistart48軟啟動(dòng)器是由6個(gè)晶閘管組成的軟起-軟停單元，可控制三相異步電機(jī)的啟動(dòng)和停止。采用Schneider獨(dú)一無(wú)二的專(zhuān)利轉(zhuǎn)矩控制方式，性能卓越，適合重載大力矩啟動(dòng)。電流及其他多參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，無(wú)須熱繼，保護(hù)完善可靠；操作盤(pán)參數(shù)設(shè)定，簡(jiǎn)潔明了。

斷路器選用法國(guó)Schneider公司生產(chǎn)的NS系列斷路器，該斷路器性能可靠，內(nèi)置過(guò)載保護(hù)，電動(dòng)機(jī)熱磁脫扣等保護(hù)功能。

接觸器選用法國(guó)Schneider公司生產(chǎn)的LC1-D系列接觸器。

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

4 結(jié) 語(yǔ)

安江水電站泄洪閘門(mén)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路清晰，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件配置及軟件配置先進(jìn)可靠，為安江水電站泄洪閘門(mén)自動(dòng)化運(yùn)行提供了基礎(chǔ)保障。安江水電站泄洪閘門(mén)控制系統(tǒng)投入運(yùn)行已2 a，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，有效地提高了閘門(mén)啟閉系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和自動(dòng)化水平，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地對(duì)設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)視，消除設(shè)備運(yùn)行的隱患，減輕運(yùn)行和維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)無(wú)人或少人值班，順應(yīng)中國(guó)水電企業(yè)運(yùn)行管理現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)揮樞紐最大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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