巨型水電站液壓啟閉機開度控制策略研究與應(yīng)用

陳自然，張官祥，鄧 勇，晏仁斌

（向家壩電廠，四川 宜賓644612）

0 引言

某巨型水電站具有機組進水口快速門、中/表孔弧形工作門、排沙洞進口事故門和出口工作門，其操作均由液壓啟閉機操作完成。閘門開度是液壓啟閉機的控制目標(biāo)和運行監(jiān)視核心，由于各套閘門系統(tǒng)的門體構(gòu)造、油缸布置和運行方式不盡相同，其開度檢測方法和控制策略也有所差別。如何制定與之相適應(yīng)的開度控制策略，使各套液壓啟閉機控制系統(tǒng)對閘門開度進行有效控制和監(jiān)視，保證機組和泄洪設(shè)施長期安全穩(wěn)定運行是本文研究的主題。

1 液壓啟閉機控制系統(tǒng)介紹

某巨型水電站液壓啟閉機采用“一泵一機”的控制方式，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由動力配電柜和PLC操作控制柜組成，與閘門開度/行程檢測裝置、液壓泵站壓力、油位等傳感器一起構(gòu)成一套完整的電力拖動及控制系統(tǒng)。在實際運行中，操作人員通過遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)地操作按鈕對控制系統(tǒng)下達閘門動作指令，控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前液壓泵站和閘門狀態(tài)，控制液壓系統(tǒng)電機和閥塊工作，完成閘門的啟閉操作。

根據(jù)閘門控制系統(tǒng)對PLC處理能力、接口功能及長時間連續(xù)運行的要求，某巨型水電站液壓啟閉機控制系統(tǒng)PLC選用法國施耐德電氣公司的Unity Quantum系列PLC，該系列PLC為大型可編程控制器，模塊化結(jié)構(gòu)，功能強大，可滿足某巨型水電站各種液壓啟閉機的控制要求。Unity Quantum PLC具備強大的控制及通信功能，采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化結(jié)構(gòu)形式，主要由背板、電源、CPU、數(shù)字量信號模塊、模擬量信號模塊及連接端子構(gòu)成。CPU選用施耐德140 CPU65150，其存貯器容量2 M字節(jié)，CPU帶實時時鐘，執(zhí)行位操作指令時間為0.052 5 μs，執(zhí)行浮點加法指令時間為0.48 μs，數(shù)字量I/O可擴展到4 k字節(jié)，具有集成Modbus plus；Ethernet TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口。

圖1 液壓啟閉機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 閘門開度儀的應(yīng)用

閘門開度檢測、計算及信號處理是液壓啟閉機開度控制的重要環(huán)節(jié)，開度儀作為閘門油缸行程的測量元件，是液壓啟閉機中重要的傳感器部件，其選型和使用對閘門開度控制至關(guān)重要。某巨型水電站各類液壓啟閉機所選用開度儀型號如表1所示。

表1 某巨型水電站開度儀型號

根據(jù)閘門安裝形式、活塞行程及油缸所處環(huán)境特點，某巨型水電站在機組進水口快速門、泄洪中孔弧形工作門、排沙洞事故門及出口工作門中，均選用了YQX-II-4型內(nèi)置式開度儀，同時在現(xiàn)地控制柜上安裝與之相應(yīng)的SMJ-Ⅱ絕對型通用位移控制儀，實現(xiàn)閘門開度信號的檢測。該內(nèi)置式開度儀密封安裝于液壓缸端蓋上，通過與活塞桿相連接的鋼絲繩帶動高精度旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)，輸出數(shù)據(jù)信號，具有檢測精度高、抗干擾性好、工作壽命長等優(yōu)點。

由于表孔弧形工作門采用雙吊點、兩端鉸支方式，為滿足其雙缸同步精度要求，采用了集成于CERAMAX的位移測量系統(tǒng)CIMS。利用測量探頭與陶瓷活塞桿基體的磁感應(yīng)效應(yīng)，可準(zhǔn)確地測量出活塞桿的位移。CIMS傳感器安裝在液壓缸下蓋活塞桿密封后面的缸頭內(nèi)，不帶任何移動式機械部件，具有抗干擾能力強、適用范圍廣、測量精度高、維護量少等優(yōu)點。

3 機組快速門控制策略

3.1 閘門開度檢測及信號處理

機組進水口快速門是保證水電站發(fā)電機組安全運行的重要設(shè)備，為保證所有閘門控制信號及監(jiān)測信號的可靠性，某巨型水電站各機組快速門控制系統(tǒng)與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)機組現(xiàn)地控制單元通過I/O方式硬線連接，傳送泵站和閘門設(shè)備運行信息，并接收機組現(xiàn)地控制單元送來的控制命令。閘門開度信號通過開度顯控儀分別輸出至PLC和監(jiān)控系統(tǒng)，保證在PLC故障情況下不影響監(jiān)控系統(tǒng)對閘門開度的監(jiān)視。

快速門液壓啟閉機開度檢測及信號處理示意圖如圖2所示，控制柜上的開度顯控儀接收來自絕對型編碼器的輸出信號（SSI串行碼），經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后輸出2路4～20 mA信號，1路送至PLC作為開度模擬量采集信號，另一路經(jīng)LCU遠(yuǎn)程I/O子站上送至監(jiān)控系統(tǒng)，作為遠(yuǎn)方對閘門的監(jiān)視和控制信號。另外，開度儀內(nèi)置式行程接點將閘門全關(guān)位、沖水位及上限位3個位置開關(guān)量信號送至PLC，配合開度模擬量信號參與閘門開度控制。觸摸屏和開度顯控儀均能實時顯示閘門開度，以利于快速門的現(xiàn)地監(jiān)視和操作。

圖2 機組快速門液壓啟閉機開度檢測及信號處理示意圖

3.2 重要行程位置整定

由于機組快速門為平板閘門，具有靜水啟門、動水閉門，無局部開啟的特點，其開度測量和計算方法較為簡單。閘門提升高度同油缸行程為線性關(guān)系，開度儀輸出位置值減去充水閥的行程即為閘門實際開度。在實際應(yīng)用中，充水閥行程往往計算在閘門行程之中，即直接將油缸行程作為閘門開度參與PLC的開度計算。

快速門液壓啟閉機在實際工作中有3個閘門位置需要整定，分別是全關(guān)位、充水平壓位和全開位，由于快速門是利用差動原理，靠自重落門，其全關(guān)位整定較為容易，將閘門在全關(guān)時的油缸行程整定為零位即可。充水平壓位的整定是確保快速門靜水開啟的關(guān)鍵，整定過小充水閥門未完全打開，會造成充水時間過長；若整定過大，會使系統(tǒng)達到最大充水閥門開啟位后，不能及時停機，造成系統(tǒng)沖擊，故需在調(diào)試中反復(fù)試驗，將其整定到較理想位置。

閘門全開位一般接近于油缸的最大行程，并留有足夠余量，以保證快速門在停門前的慣性位移不至于造成撞缸。同時，可將閘門行程開關(guān)的上限位接點整定值略高于全開位開度值，作為閘門全開停門的后備保護，同液壓缸的壓力保護相配合，保證活塞桿在到達油缸頂部前及時停門。

3.3 快速門開度控制及下滑監(jiān)視

機組快速門控制系統(tǒng)可根據(jù)遠(yuǎn)方或現(xiàn)地指令完成閘門的啟門、停門、閉門及快速閉門功能。除此之外，由于快速門在機組運行中長期處于持住狀態(tài)，控制系統(tǒng)對閘門下滑的監(jiān)視及自動復(fù)位功能對機組設(shè)備的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

某巨型水電站機組快速事故門液壓啟閉機設(shè)計有下滑監(jiān)視、報警和下滑自動提升功能。包括：①閘門下滑200 mm發(fā)出報警信號，同時啟動下滑提升控制流程，實現(xiàn)閘門自動復(fù)位功能；②閘門下滑300 mm發(fā)出故障報警；③閘門下滑600 mm向監(jiān)控發(fā)出事故緊急信號，配合監(jiān)控系統(tǒng)閘門下滑監(jiān)視程序，對機組快速門下滑事故采取應(yīng)急措施，以防止事故繼續(xù)擴大損害機組設(shè)備。

如因液壓啟閉機系統(tǒng)故障，閘門不能完成自動提升，控制系統(tǒng)將發(fā)出聲光報警信號，并向計算機監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出“下滑提升失敗”故障信號，提示維護人員進行現(xiàn)場檢查、處理。同時，控制系統(tǒng)對單位時間閘門下滑速度進行監(jiān)視，作為系統(tǒng)泄漏的判斷依據(jù)。

4 中孔弧門控制策略

4.1 中孔弧門開度檢測

根據(jù)泄洪閘門運行及控制特點，閘門控制系統(tǒng)與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過光纖通信方式連接，傳送泵站和閘門狀態(tài)信息，并接收遠(yuǎn)方集控的控制命令。為保證開度及相關(guān)信號傳遞的可靠性，某巨型電站采用了雙網(wǎng)冗余通信方式，單一網(wǎng)絡(luò)通信故障不影響設(shè)備的運行監(jiān)視和控制，從而增強了泄洪設(shè)施的安全可靠性。

中孔弧門液壓啟閉機開度檢測及信號處理示意圖如圖3所示。液壓啟閉機控制柜上的開度顯控儀接收來自絕對型編碼器的輸出信號（SSI串行碼），經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后輸出1路4～20 mA信號至PLC作為開度模擬量采集信號，同時將閘門實時開度值通過光纖通信上送至監(jiān)控系統(tǒng)，用于泄洪中孔弧門的控制與監(jiān)視。

圖3 中孔弧門液壓啟閉機開度檢測及信號處理示意圖

4.2 弧門開度測算

弧門開度的測算，需將活塞桿與油缸的相對位移值轉(zhuǎn)化為閘門的垂直開度，該對應(yīng)關(guān)系受弧門尺寸、吊耳位置、弧門支鉸和油缸支鉸坐標(biāo)等因素影響，為非線性關(guān)系，但在設(shè)備安裝完成后其對應(yīng)關(guān)系便已固定，可在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程中通過分段測量的方法得出油缸行程-弧門開度對應(yīng)表，利用開度顯控儀的分段線性插值計算功能，實現(xiàn)弧門開度的檢測。

中孔弧門開度分段插值表如表2所示，根據(jù)油缸行程和開度儀編碼器單圈位移量，將弧門開度曲線分成20段，開度顯控儀將經(jīng)過換算和線性化處理后的閘門開度值送給現(xiàn)地PLC參與閘門的控制。該弧門開度計算方法具有誤差不會重復(fù)累計、計算實時性強、易于修正等優(yōu)點，適于單缸弧門液壓啟閉機的控制。

表2 中孔弧門開度分段插值表

4.3 中孔弧門啟閉及下滑控制

作為某巨型水電站重要的泄洪設(shè)施，中孔弧門具備動水啟閉，全行程和局部開啟能力，在遠(yuǎn)方集控和現(xiàn)地操作模式下均可實現(xiàn)閘門任意位置的開度控制。PLC根據(jù)開度儀行程開關(guān)及開度模擬量信號，實現(xiàn)弧門在開終位和關(guān)終位的限位保護功能。

當(dāng)弧門在任意位置停門后，PLC將自動記錄當(dāng)前開度值，并對弧門下滑量進行實時監(jiān)視。若因油缸內(nèi)、外泄漏造成弧門下滑超過200 mm，控制系統(tǒng)將自動啟動油泵電機，提升弧門至原開度位置。當(dāng)下滑量超過300 mm和600 mm，控制系統(tǒng)均會發(fā)出聲光報警，并將報警信號上送監(jiān)控系統(tǒng)以提示運行人員進行相應(yīng)操作。

5 表孔雙吊點弧門控制策略

5.1 油缸位置檢測

表孔弧門控制系統(tǒng)與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)連接方式同中孔一致，采用了雙網(wǎng)冗余通信方式，但在開度檢測和計算方法上，與中孔存在較大區(qū)別。某巨型水電站表孔液壓啟閉機開度檢測及信號處理示意圖如圖4所示，PLC上的高速計數(shù)模塊140 EHC20200接收來自A/B缸CIMS位移傳感器輸出的位移信號（脈沖信號），經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后將閘門開度值通過光纖通信上送至監(jiān)控系統(tǒng)，用于表孔弧門的控制與監(jiān)視，同時輸出1路4～20 mA開度信號至控制柜上的開度表作為閘門現(xiàn)地開度指示。

由于位移檢測裝置僅能測出油缸行程的變化量，故A/B缸的實際行程需靠PLC對此前的閘門位置進行記錄并通過累加運算得出。通過對油缸行程數(shù)據(jù)的實時存儲和調(diào)用，PLC具備斷電重啟后的數(shù)據(jù)恢復(fù)功能，從而增強了系統(tǒng)長期運行的可靠性。此外，操作人員可根據(jù)現(xiàn)場實際情況，通過現(xiàn)地觸摸屏對A/B缸位置進行校準(zhǔn)。

圖4 表孔液壓啟閉機開度檢測及信號處理示意圖

5.2 表孔弧門開度換算

表孔弧門的開度測算需要將油缸行程換算為閘門開度。由于表孔弧門采用雙吊點控制方式，為保證閘門啟閉過程的對稱性，各支點及鉸接位置安裝精度較高。可利用各點的空間坐標(biāo)，通過公式計算得出弧門實際開度，其行程-開度換算示意圖如圖5所示。

設(shè)弧門圓心坐標(biāo)：a（a_x，a_y）

油缸安裝圓心坐標(biāo)：b（b_x，b_y）

油缸鏈接點坐標(biāo)：p（p_x，p_y）

底坎坐標(biāo)：f（f_x，f_y）

設(shè)表孔弧門開度為H時對應(yīng)油缸行程為Y，則

設(shè)弧門內(nèi)半徑為r，外半徑為r0，根據(jù)基準(zhǔn)點坐標(biāo)可計算出圖中相應(yīng)線段距離：

圖5 表孔弧門液壓啟閉機行程-開度換算示意圖

根據(jù)余弦定理及圖中角度關(guān)系可得：

最終可計算出弧門開度：

該計算公式充分利用了弧門各特征點的位置關(guān)系，同時考慮了門體寬度對計算結(jié)果的影響，利用PLC強大的計算功能，完成對表孔弧門開度的實時計算。

5.3 雙缸同步控制特點

由于某巨型水電站泄洪表孔采用雙缸液壓啟閉的形式，為保證2只液壓缸同步啟閉閘門，液壓系統(tǒng)利用2只比例調(diào)速閥，分別調(diào)節(jié)兩液壓缸有桿腔進、出油量，根據(jù)油缸行程檢測系統(tǒng)輸出的信號，通過PLC進行比較，調(diào)節(jié)比例流量控制閥，使雙缸行程超差保持在許可范圍（5 mm）內(nèi)。若由于機械問題出現(xiàn)同步超差大于20 mm，為保護液壓系統(tǒng)和閘門安全，控制系統(tǒng)發(fā)出同步超差報警，停機停泵。此時，可通過現(xiàn)地控制柜上的“強制糾偏”操作把手進行單缸操作，消除偏差。

當(dāng)表孔弧門在任意位置下滑超過200 mm時，控制系統(tǒng)將向計算機監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出“下滑200 mm”報警信號，系統(tǒng)會自動啟動并將閘門提升至原始位置。如果由于液壓啟閉機系統(tǒng)故障，閘門不能完成下滑提升，控制系統(tǒng)將發(fā)出聲光報警信號，并向計算機監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出“下滑提升失敗”故障信號。

6 結(jié)束語

與傳統(tǒng)液壓啟閉機控制方法相比，PLC技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了水電站閘門運行與維護的可靠性、安全性和自動化水平，而且為其不同閘門控制策略的實施提供了保障。某巨型水電站針對不同閘門的結(jié)構(gòu)特點、運行方式和控制要求，設(shè)計了不同的開度檢測及控制策略，利用PLC強大的處理和運算能力，實現(xiàn)了各套閘門液壓啟閉機的穩(wěn)定、高效控制。同時，在系統(tǒng)設(shè)計、安裝調(diào)試、及運行維護中對相關(guān)控制策略進行了合理優(yōu)化和改進，提高了系統(tǒng)控制精度和運行的安全、可靠性，具有重要的現(xiàn)實意義。