趙勇飛,王 淼,田茂剛,顏現(xiàn)波,蘭聲華

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院中水科技公司,北京 100038；2.中國(guó)華水水電開發(fā)總公司，北京 100069；3.浯溪水電站，湖南 永州 426100；4.龍頭石電廠，四川 石棉 625409)

0 概述

浯溪水電站位于湘江干流，是一個(gè)以發(fā)電為主，兼有旅游、航運(yùn)、交通、灌溉等綜合效益的水利水電樞紐工程。其船閘工程上下閘首各設(shè)人字門1套，及1套浮式檢修門，輸水廊道上閘首設(shè)2扇工作閥門和2扇檢修閥門，下閘首設(shè)2扇工作閥門，6扇閥門均為平面定輪門，船閘共設(shè)浮式系船柱14套；上閘首兩側(cè)輸水廊道進(jìn)口設(shè)有攔污柵。船閘采用全計(jì)算機(jī)監(jiān)控的方式，按“有人值班”設(shè)計(jì)。浯溪船閘監(jiān)控系統(tǒng)集中控制層軟件采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司的H9000系列監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)。

浯溪船閘設(shè)置人字門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)用于啟閉船閘上、下閘首的人字工作閘門，油缸采用臥式安裝，人字門在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)67.5°，油缸本身擺動(dòng)7.4°，每支油缸啟閉一扇人字閘門。人字門啟閉機(jī)設(shè)置緩慢啟閉防止沖擊的功能。油缸為鉸軸式，鉸軸位置在缸體的中前部，油缸鉸軸通過(guò)支座固定于閘首邊墩機(jī)房?jī)?nèi)?；钊麠U行程控制裝置的測(cè)量精度為1 mm，最終顯示數(shù)據(jù)為閘門的開啟角度，行程控制裝置將數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)地控制單元。液壓系統(tǒng)設(shè)置超壓、欠壓、安全、卸荷和鎖緊等回路，滿足閘門從全開到全關(guān)任意位置的啟動(dòng)和長(zhǎng)期停留。人字門上下游水位差由設(shè)置在人字門上下游側(cè)的水位計(jì)監(jiān)測(cè)，上、下閘首共設(shè)置4支水位計(jì)，自動(dòng)、連續(xù)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)顯示為上、下游水位值和閘門上、下游水位差。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

船閘系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的可靠性和運(yùn)行的安全性有很高的要求，因此總體設(shè)計(jì)，把安全性和可靠性放在第一位，對(duì)此采取相關(guān)安全保障措施。相應(yīng)人字門、輸水門之間的設(shè)置聯(lián)鎖保護(hù)和控制，確保兩者開啟的先后順序與流程；人字門平壓保護(hù)，防止因水壓引起的損壞；人字門和輸水閥門的極限保護(hù)；人字門合攏位置檢測(cè)及保護(hù)；現(xiàn)地控制層設(shè)置關(guān)閉人字門、輸水門及停止人字門運(yùn)行的按鈕。在任何狀態(tài)下，均能無(wú)條件關(guān)閉；常規(guī)電氣保護(hù)和控制，使控制系統(tǒng)具有完善的故障自動(dòng)保護(hù)和控制功能；并且上、下閘首人字門，閥門動(dòng)作間設(shè)置互鎖與水平開閘門連鎖。

浯溪船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用開放、分層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以保證各子系統(tǒng)選用不同硬件時(shí)的兼容性，系統(tǒng)擴(kuò)展和設(shè)備更新時(shí)的可移植性。網(wǎng)絡(luò)采用光纖以太網(wǎng)，傳輸速率100 Mb/s。系統(tǒng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：

(1)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備冗余可靠。

(2)采用成熟的、可靠的、標(biāo)準(zhǔn)化的軟件、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和漢化操作系統(tǒng)。

(3)各LCU以可編程序控制器及觸摸顯示屏等構(gòu)成，PLC直接上網(wǎng)。

(4)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)外通訊應(yīng)符合國(guó)家有關(guān)部門的自動(dòng)化系統(tǒng)安全規(guī)范。

(5)人機(jī)接口功能強(qiáng)，操作控制簡(jiǎn)潔、方便、靈活。

2 系統(tǒng)實(shí)施方案

浯溪船閘采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制方式，它是整個(gè)船閘設(shè)施的中心指揮系統(tǒng)，是安全可靠運(yùn)行的保證。它由船閘控制系統(tǒng)、通航信號(hào)及廣播指揮設(shè)備、工業(yè)電視、船閘運(yùn)營(yíng)調(diào)度管理等模塊組成。

船閘控制分集中控制和現(xiàn)地控制兩種運(yùn)行方式?，F(xiàn)地控制單元設(shè)于每個(gè)閘首邊的泵房?jī)?nèi)，包括2個(gè)主站和2個(gè)擴(kuò)展子站?，F(xiàn)地PLC設(shè)于主站內(nèi)，運(yùn)行人員通過(guò)現(xiàn)地上、下閘首控制柜分散控制、調(diào)節(jié)。每站均能根據(jù)各現(xiàn)地設(shè)備之間的閉鎖條件，獨(dú)立操作相應(yīng)的單、雙邊人字閘門和輸水閥門，并能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接受集中控制層的控制命令，實(shí)現(xiàn)船舶過(guò)閘過(guò)程的自動(dòng)程序控制。集中控制層設(shè)于中央控制室，對(duì)船閘設(shè)備進(jìn)行實(shí)現(xiàn)監(jiān)視控制?，F(xiàn)地控制與集中控制之間設(shè)置相互閉鎖，并均可實(shí)現(xiàn)船閘運(yùn)行的緊急中斷。

通航信號(hào)及廣播指揮設(shè)備用于船舶過(guò)閘行駛的指揮、停位指示以及廣播調(diào)度。包括交通信號(hào)自動(dòng)控制設(shè)備和顯示設(shè)備，以及電鈴、廣播等。根據(jù)船閘有關(guān)設(shè)備的工作狀況以及船只的通航情況，及時(shí)發(fā)出允許通過(guò)、準(zhǔn)備通過(guò)和禁止通過(guò)的綠色、黃色、紅色燈光信號(hào)，以及電鈴協(xié)同指揮船舶進(jìn)閘、出閘通行。

工業(yè)電視系統(tǒng)用于監(jiān)視上、下游航道，船只過(guò)閘情況，各閘門的合攏狀態(tài)，船閘通航設(shè)施運(yùn)行情況及各機(jī)房設(shè)備安全運(yùn)行情況的監(jiān)視，為操作人員提供可靠的監(jiān)視信息。

3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

浯溪船閘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)備配置上，為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及可靠性，系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。集中控制層按功能分布，配置以主/熱備方式并行工作的2臺(tái)操作員工作站，1臺(tái)通訊工作站，系統(tǒng)各項(xiàng)功能分布在相關(guān)節(jié)點(diǎn)上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)格執(zhí)行指定的任務(wù)，通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理與控制功能上，監(jiān)控系統(tǒng)采集、管理各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，接收電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以外的其它廠內(nèi)外系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，對(duì)采集的每種數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，以支持系統(tǒng)完成控制和記錄功能?，F(xiàn)地控制層按對(duì)象分散設(shè)置現(xiàn)地控制單元，各單元采集控制功能分布在本LCU中。相應(yīng)加強(qiáng)各層和設(shè)備的處理能力，提高各層和整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，響應(yīng)速度快，合理分解與協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的功能。

系統(tǒng)時(shí)鐘接口上，上位機(jī)操作員工作站通過(guò)串口接收GPS裝置的時(shí)鐘信號(hào)，并在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行廣播，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘同步。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

浯溪船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)：負(fù)責(zé)完成對(duì)現(xiàn)地控制單元層的數(shù)據(jù)采集及控制、安全運(yùn)行監(jiān)視、事件順序記錄、打印記錄、屏幕顯示、事故處理指導(dǎo)和恢復(fù)操作指導(dǎo)、數(shù)據(jù)通信、運(yùn)行和維護(hù)管理、語(yǔ)音報(bào)警、程序開發(fā)及模擬培訓(xùn)?？蓪?shí)現(xiàn)與當(dāng)前流行的開放標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級(jí)模塊化以太網(wǎng)交換機(jī)直接聯(lián)網(wǎng)。具有自診斷功能，即使主計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，自動(dòng)切換到備用計(jì)算機(jī)。

集中控制層與各現(xiàn)地控制柜PLC之間采用光纖以太網(wǎng)聯(lián)接。硬件診斷：可在線和離線對(duì)計(jì)算機(jī)、外圍設(shè)備、通訊接口、通道等自檢硬件故障，通過(guò)系統(tǒng)診斷程序，硬件故障能定位到各模塊；軟件診斷：可在線和離線自檢各種應(yīng)用軟件和基本軟件故障，在線診斷時(shí)不影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)各設(shè)備的監(jiān)控功能。

系統(tǒng)針對(duì)操作人員、系統(tǒng)管理人員、調(diào)度員等設(shè)置相應(yīng)的用戶與口令，并賦予相應(yīng)的操作權(quán)限，保證安全船閘運(yùn)行，并對(duì)操作過(guò)程進(jìn)行記錄備查。

5 船閘控制功能實(shí)現(xiàn)

船閘監(jiān)控系統(tǒng)，采取集中控制與現(xiàn)地控制兩種方式，現(xiàn)地控制層設(shè)置工作方式選擇開關(guān)，實(shí)現(xiàn)控制方式的切換，兩種方式之間相互閉鎖。船閘的控制流程采用船閘單步控制模式，船閘運(yùn)行全過(guò)程控制模式等2種模式。

在船閘單步控制模式下，操作人員通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)，按照船舶的過(guò)閘流程，對(duì)各設(shè)備進(jìn)行單步控制，實(shí)現(xiàn)人字門、輸水門的啟、停、閉操作，信號(hào)燈、電鈴等的單步操作，實(shí)現(xiàn)船舶正常安全的通過(guò)。

在船閘運(yùn)行全過(guò)程控制模式下，操作人員通過(guò)啟動(dòng)船閘自動(dòng)控制流程，對(duì)船閘相關(guān)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制。閘門的自動(dòng)控制流程分為船舶上行流程和船舶下行流程，分別實(shí)現(xiàn)船舶上、下行通過(guò)船閘的全過(guò)程控制。

船舶下行流程分為4個(gè)子流程，下行上閘首開閘流程、下行上閘首關(guān)閘流程、下行下閘首開閘流程、下行下閘首關(guān)閘流程，船閘相關(guān)設(shè)備在流程中進(jìn)行自動(dòng)控制，完成船舶經(jīng)船閘由上游到達(dá)下游的全過(guò)程控制與指揮，如圖1。

船舶上行流程分為4個(gè)子流程，上行下閘首開閘流程、上行下閘首關(guān)閘流程、上行上閘首開閘流程、上行上閘首關(guān)閘流程，船閘相關(guān)設(shè)備在流程中進(jìn)行自動(dòng)控制，完成船舶經(jīng)船閘由下游到達(dá)上游的全過(guò)程控制與指揮，如圖2。

圖1 船舶下行流程

圖2 船舶上行流程

6 結(jié)束語(yǔ)

浯溪船閘監(jiān)控系統(tǒng)遵循“安全可靠、功能完善、經(jīng)濟(jì)適用、技術(shù)先進(jìn)、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、外形美觀”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，完全能滿足運(yùn)行要求。目前的穩(wěn)定運(yùn)行表明系統(tǒng)情況良好。浯溪船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)可為其他同類船閘提供經(jīng)驗(yàn)與借鑒。