皇甫能達
(浙江省水利水電勘測設計院,浙江杭州 310002)
隨著技術(shù)的發(fā)展,計算機技術(shù)在水利項目中的應用范圍愈來愈廣泛,基本成熟,與常規(guī)設備相比,計算機應用設備在運行方面顯得更為先進和可靠,操作更為簡便、快速,在安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行方面,具有常規(guī)設備不可比擬的優(yōu)越性.是企業(yè)推進減員增效,提高經(jīng)濟效益,建立現(xiàn)代化管理模式的必由之路[1].本文主要針對大閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)的配置、應用、功能和特點等進行分析,為國內(nèi)同類項目建設提供參考借鑒.
曹娥江大閘樞紐主要由擋潮泄洪閘、堵壩、導流堤、魚道以及管理區(qū)等組成.擋潮泄洪閘總凈寬560 m,共設28孔,閘孔凈寬為20.0 m.整個大閘共分為六廂,分別有5孔、5孔、4孔、4孔、5孔、5孔閘門.擋潮閘每孔閘設一扇工作閘門,閘門孔口尺寸為20.0 m×4.5 m(寬×高),閘門采用液壓啟閉機啟閉,啟閉機型號QPPYⅡ-2×1 600 kN-5.0 m,啟閉速度0.6 m/min.采用活塞式機型,懸掛布置.長約500 m的兩條魚道分別布置在大閘左側(cè)堤防和右側(cè)導流堤上.魚道為開敞式矩形槽結(jié)構(gòu),凈寬2.0 m,在魚道下游設控制閘門,利用閘門和胸墻擋錢塘江潮水,閘門為鋼結(jié)構(gòu),通過液壓式啟閉機啟閉,啟閉機型號QPPYⅡ-400/50 kN-4.5 m,共配置兩臺,其中一臺備用1)皇甫能達.曹娥江大閘樞紐工程計算機監(jiān)控系統(tǒng)專題報告[R].杭州:浙江省水利水電勘測設計院,2005..
為防止淤泥和干燥對啟門的不利影響,保證閘門的正常開啟,設置沖淤設備和水潤滑系統(tǒng),以便在啟門前清除閘下淤泥和潤滑閘門兩邊1).
(1)大閘監(jiān)控系統(tǒng)采用計算機監(jiān)控為主,簡易常規(guī)設備控制為輔的監(jiān)控方式.通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)與各設備的協(xié)調(diào)配合,整個監(jiān)控系統(tǒng)建成后大閘實行“無人值班、少人值守”[2].
(2)系統(tǒng)高度可靠,系統(tǒng)的平均故障間隔時間(MTBF)、平均維修時間(MTTR)及各項可用性指標均達到相關(guān)的規(guī)定.
(3)在保證整個系統(tǒng)可靠性、實用性和實時性的前提下,體現(xiàn)先進性,系統(tǒng)配置和設備選型符合計算機發(fā)展迅速的特點,充分利用計算機領域的先進技術(shù),系統(tǒng)達到目前國內(nèi)先進水平.
(4)開放性好,采用全分布開放式系統(tǒng),既便于功能和硬件的擴充,又能充分保護用戶的投資.軟件模塊化,結(jié)構(gòu)化的設計,使系統(tǒng)更能適應功能的增加和規(guī)模的擴充.
(5)實時性好,抗干擾能力強.系統(tǒng)采取有效的抗干擾措施,具有較強的抗雷擊、電磁、靜電感應等各種干擾的能力,能確保系統(tǒng)在現(xiàn)場環(huán)境下安全、可靠、正確地運行.
(6)維護、操作方便,使用成本低,人機界面好.
(7)系統(tǒng)標準化好,硬件軟件均按標準設計、開發(fā).
(8)大閘計算機系統(tǒng)與調(diào)度中心之間,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換功能.并具有與大閘圖像監(jiān)視系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)進行視頻聯(lián)動的功能.
大閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控對象包括:28孔擋潮泄洪工作閘門(含液壓泵站)、2孔魚道工作閘門(含液壓泵站)、7座沖淤泵站、56只沖淤閘閥、7座潤滑水泵、2臺套泥漿泵、10kV開關(guān)站、閘站配電設備、直流系統(tǒng)設備及其附屬設備等.
大閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用全分布開放式系統(tǒng),系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可分為主控制級和大閘現(xiàn)地控制單元級.
主控站設備主要包括:2臺套主計算機(兼操作員工作站)、1臺套通信工作站、1臺套多媒體計算機、2臺激光打印機、1套衛(wèi)星同步時鐘系統(tǒng)、網(wǎng)絡設備、1臺套電子公告系統(tǒng)LED及2套交直流雙供不間斷電源等設備;大閘現(xiàn)地控制單元級主要包括:28套擋潮泄洪閘門LCU、2套魚道工作閘門LCU、1套左側(cè)公用LCU和1套右側(cè)公用LCU.大閘控制室主計算機與大閘現(xiàn)場各LCU通過工業(yè)級以太網(wǎng)交換機,組成具有自愈功能的光纖冗余環(huán)網(wǎng),通訊介質(zhì)采用光纜,通訊速率為100 Mbps.大閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1.
圖1 大閘閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
由于大閘處在特殊地理位置以及其重要地位,監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實時性要求高,需選擇性能高、運行速度快的計算機.主計算機(兼操作員工作站),選用美國 Nematron生產(chǎn)的 AE-4UMJ/AEM865-01/AC300工控機;通信工作站,選用美國HP公司XW6200工控機;多媒體計算機選用美國HP公司XW6200;激光打印機選用EPLN2500;衛(wèi)星同步時鐘系統(tǒng)選用北京大恒DH2000e標準衛(wèi)星時鐘同步裝置.電子公告系統(tǒng)LED1套,顯示尺寸:4 096 mm×2 048 mm;交直流雙供不間斷電源2套等設備.
網(wǎng)絡設備選用德國Hirschmann工業(yè)模塊化以太網(wǎng)交換機.大閘控制室主計算機與大閘現(xiàn)場各LCU通過工業(yè)級以太網(wǎng)交換機,組成具有自愈功能的光纖冗余環(huán)網(wǎng),通訊介質(zhì)采用光纜,通訊速率為100 Mbps.大閘控制室的主交換機與梯調(diào)中心構(gòu)成1 000 M主干通信網(wǎng).使用Hirschmann的HIPER-Ring技術(shù)和耦合Coupling技術(shù).大閘控制室設1套Hirschmann工業(yè)模塊化交換機,現(xiàn)地控制單元共設6套Hirschmann工業(yè)模塊化交換機(每廂LCU柜共用1套).
由于大閘現(xiàn)地LCU臺數(shù)較多,且使用環(huán)境惡劣,故選用的PLC要符合技術(shù)先進、安全可靠、經(jīng)久耐用、經(jīng)濟合理的選型原則.選用的MODICON Tsx系列PLC符合上述要求.同時該PLC系統(tǒng)單元采用小型化緊湊標準模塊,所有的I/O模塊可以帶電熱插拔,采用背板總線技術(shù),保證一塊模塊損壞拔下后PLC總線不中斷,整個生產(chǎn)過程不中斷工作.當現(xiàn)地LCU與主機系統(tǒng)脫離時,現(xiàn)地LCU柜具有對所控制設備進行必要的監(jiān)視和控制功能.
28套擋潮泄洪閘門LCU每套共有3塊柜組成,其中1塊為PLC柜、2塊為液壓電機啟動柜.PLC柜主要配置PLC、觸摸顯示屏、多功能儀表、防雷系統(tǒng)和交直流雙供不間斷電源等;液壓電機啟動柜主要有電機軟啟動器ATS 48D88Q、電機管理控制器MMC Power交流接觸器、熱繼電器、空氣開關(guān)、按鈕、切換開關(guān)和中間繼電器等元器件.擋潮泄洪閘LCU結(jié)構(gòu)框圖,見圖2.擋潮泄洪閘LCU具有必要的監(jiān)視和控制功能外,還具有特殊的閘門同步功能.
2套魚道工作閘門LCU每套共由2塊柜組成,其中1塊為PLC柜、1塊為液壓電機啟動柜.PLC柜主要配置PLC、觸摸顯示屏、多功能儀表、防雷系統(tǒng)和交直流雙供不間斷電源等;液壓電機啟動柜主要有電機管理控制器MMC Power交流接觸器、熱繼電器、空氣開關(guān)、按鈕、切換開關(guān)和中間繼電器等元器件.
圖2 現(xiàn)地控制結(jié)構(gòu)框圖(1LCU)
左右公用LCU各由1塊柜組成,柜內(nèi)主要配置PLC、觸摸顯示屏、多功能儀表、防雷系統(tǒng)和交直流雙供不間斷電源等,主要用于配電公用設備及直流系統(tǒng)等監(jiān)控.
(1)數(shù)據(jù)采集與處理;(2)運行和安全監(jiān)視;(3)控制與調(diào)節(jié);(4)統(tǒng)計與制表;(5)人機接口;(6)畫面顯示;(7)音響報警及語音提示功能;(8)LED電子公告系統(tǒng);(9)系統(tǒng)自檢和自動重啟動;(10)通信功能.
網(wǎng)絡采用自愈功能的光纖單環(huán)網(wǎng),本系統(tǒng)的設計方案既考慮到整體方案的經(jīng)濟性和實用性,采用4~5個閘門現(xiàn)地控制站點用雙絞線連接至一個交換機,又結(jié)合自控領域的最新產(chǎn)品和控制理念,選用交換機采用赫斯曼工業(yè)以太網(wǎng)交換機系列中的模塊化系列MICE2000系列和MICE3000.該系列交換機具有按照需求配置所需端口,采用模塊化,能支持熱插拔,一個模塊的故障不影響到其他模塊等優(yōu)點.從而充分考慮系統(tǒng)標準化、先進性和開放性,同時保障系統(tǒng)的易操作、易維護性.
擋潮泄洪閘門寬度為20 m,保證雙缸同步提升是閘門現(xiàn)地控制系統(tǒng)核心問題,為確保可靠運行在軟硬件上提出如下要求:①信號采集裝置閘門高度儀設置三套(2用1備),2套為集成于陶瓷涂層的測量系統(tǒng),另1套為帶SSI接口的絕對式編碼器開度儀.②執(zhí)行裝置設置2套,正常運行為比例控制閥,應急運行為單向調(diào)速閥和電磁換向閥.③有一個好的控制算法和優(yōu)化的控制程序.
根據(jù)曹娥江大閘所處的地理位置情況,雷電過電壓及電磁干擾非常嚴重,針對閘門監(jiān)控系統(tǒng)設計了一套完整的防雷保護.主要針對以下四個方面:電源系統(tǒng)引入;信號傳輸通道引入;地電位反擊及因機房屏蔽不良而造成的雷電電磁脈沖的直接影響等[3-4].
閘門控制系統(tǒng)建成投運后,通過了各層次技術(shù)和綜合驗收;從實際運行整體情況來看開放性好、運行穩(wěn)定、應用簡單、易于理解和操作,表現(xiàn)出良好的安全性和可操作性.同時提高了信息的可靠性和科學性.快速方便的信息傳遞為上級部門正確決策提供了保證,同時也提高了大閘現(xiàn)代化管理水平,提高了工作效率,為水利信息化建設打下了基礎.項目獲得了2011年全國優(yōu)秀水利水電工程勘測設計金質(zhì)獎和2010-2011年度中國建設工程魯班獎(國家優(yōu)質(zhì)工程).
[1]方輝欽,施 沖.現(xiàn)代水電廠計算機監(jiān)控技術(shù)與試驗[M].北京:中國電力出版社.2004.
[2]溫 柳,謝亞平,袁文波.黃壁莊水庫閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)[J].水電廠自動化,2004.
[3]中國機械工業(yè)勘察設計協(xié)會.GB 50057-2010建筑物防雷設計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2011.
[4]陸宋杰.水電廠閘門現(xiàn)地控制單元防雷設計[C].全國水電廠自動化技術(shù)2011學術(shù)交流研討會論文集.南京:水電廠自動化,2011.