劉燕 陳琳

摘 要：進水口閘門控制系統(tǒng)改造是南水北調(diào)中線丹江口大壩加高工程的重點項目。原進水口閘門控制系統(tǒng)無論是硬件還是軟件都不能適應(yīng)現(xiàn)代自動化技術(shù)要求且故障率逐年上升，改造后的閘門控制系統(tǒng)采用集中控制與分散操作相結(jié)合的方案，大大提高了自動化水平。

關(guān)鍵詞：閘門；PLC；設(shè)計；應(yīng)用

概述

丹江口水電站裝設(shè)有6臺混流式水輪發(fā)電機組，每臺機組對應(yīng)1臺快速閘門。原快速閘門控制系統(tǒng)裝置由中控室閘門控制盤和壩頂閘門控制盤組成，通過光纖通訊實現(xiàn)中控室和壩頂信息的交換，6臺快速閘門共用2臺油泵，一臺為主用泵，當(dāng)閘門下滑250MM時啟動打油提門，一臺為備用泵，當(dāng)閘門下滑300MM時啟動提門。油泵的啟停由交流電機固態(tài)控制器（SGK）來實現(xiàn)。當(dāng)機組轉(zhuǎn)速逸速至150%Ne時，系統(tǒng)將緊急落閘門；當(dāng)機組進行檢修時，將進水口閘門關(guān)至全關(guān)，給檢修增加一道安全屏障。因此，進水口閘門控制系統(tǒng)性能的優(yōu)良以及設(shè)備的健康水平，將直接影響到機組的安全穩(wěn)定運行。

1 原快速閘門控制系統(tǒng)存在的主要問題

1.1 原快速閘門控制系統(tǒng)已經(jīng)運行十多年，元器件出現(xiàn)不同程度老化，工業(yè)控制計算機不定時出現(xiàn)死機或自動重啟現(xiàn)象，無法進行遠方自動監(jiān)控等操作。

1.2 六臺機組閘門控制回路共用一套系統(tǒng)，無法對系統(tǒng)元件進行校驗、檢修，而且一個局部故障會對整個系統(tǒng)造成影響。

1.3 事故落門回路僅由一個電磁閥控制，一旦電磁閥發(fā)卡或者銹蝕，不能正常動作，將會造成嚴(yán)重后果，單一的電磁閥控制回路可靠性較低。

1.4 單一一路光纖通訊模式，無冗余機制，穩(wěn)定性差

綜上所述，無論是在性能結(jié)構(gòu)、配置、控制方式上，還是可靠性方面，該控制系統(tǒng)都已不能滿足安全生產(chǎn)需求，必須進行全面改造。

2 快速閘門的設(shè)計原則

鑒于原快速閘門控制系統(tǒng)存在的問題，改造后的快速閘門主要設(shè)計原則是每臺機組進水口快速閘門控制回路獨立，可隨機組大修進行檢修和維護，沿用PLC控制方式，利用現(xiàn)代計算機技術(shù)構(gòu)建遠程集中控制和現(xiàn)地控制相結(jié)合的結(jié)構(gòu)模式。經(jīng)過多層面研究討論最后確定每臺機組配置1套進水口快速閘門，共6套。每2套快速閘門由1套液壓泵站驅(qū)動，共3套液壓泵站。每套液壓泵站設(shè)置1套現(xiàn)地控制站，在中控室設(shè)置1套閘門集控站，與三套現(xiàn)地控制站組成一個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對6臺閘門的遠方控制與監(jiān)視。

2.1 系統(tǒng)方案

丹江口水電站6套進水口快速閘門設(shè)置一套閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)，其監(jiān)視與控制對象為6套進水口閘門液壓啟閉機現(xiàn)場機電設(shè)備。

新閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用集中控制與分散操作相結(jié)合的監(jiān)控系統(tǒng)方案。系統(tǒng)由閘門集控站、通訊網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)地控制站三大部分組成。

閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)集控站和現(xiàn)地控制站采用西門子S7-300系列PLC作為控制核心，工業(yè)級以太環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)通訊模塊采用西門子S7-300系列以太網(wǎng)通信模塊，網(wǎng)絡(luò)交換機采用臺灣摩莎MOXA工業(yè)以太網(wǎng)交換機EDS-405系列產(chǎn)品，集控站的彩色圖形操作面板通過以太網(wǎng)絡(luò)與集控PLC相連，實現(xiàn)集控站人機接口功能。

2.2 系統(tǒng)功能

2.2.1 控制功能

新閘門控制系統(tǒng)可以選擇三種方式控制閘門的操作，分別是手動、程控、集控控制方式。

（1）快速事故閉門：當(dāng)水輪發(fā)電機組發(fā)生飛逸事故或引水管破裂事故時，閘門需要迅速關(guān)閉。在集控站通過觸摸屏操作，發(fā)出快速閉門命令，由現(xiàn)地控制站執(zhí)行快速閉門命令，閘門靠自重迅速關(guān)閉。

（2）停機：集控站通過觸摸屏操作，發(fā)出停機命令，由現(xiàn)地控制站執(zhí)行停機命令。需要特別指出停機是指停油泵電機而不是停水輪機組。

（3）慢速閉門：正常檢修時，集控站通過觸摸屏操作，發(fā)出慢速閉門命令，由現(xiàn)地控制站執(zhí)行慢速閉門命令，將閘門下腔壓力油引入啟閉機上腔，采用差壓慢閉的方式緩慢關(guān)閉，油泵不啟動。

（4）平壓啟門（平壓前）/啟門（平壓后）：當(dāng)未平壓時，集控站通過觸摸屏操作，發(fā)出平壓啟門命令，通過網(wǎng)絡(luò)將命令發(fā)給進水口閘門現(xiàn)地控制站，此時1號油泵立即啟動，5秒后2號油泵啟動，雙泵空載10秒后開始提充水閥，提升閘門到充水位置240毫米后停泵，壓力鋼管開始充水。平壓后，集控站通過觸摸屏操作，發(fā)出啟門命令，通過網(wǎng)絡(luò)將命令發(fā)給進水口閘門現(xiàn)地控制站，油泵啟動提升閘門至全開位置11.75米時停泵。

2.2.2 監(jiān)視功能

集控站和現(xiàn)地控制站設(shè)置閘門位置、設(shè)備故障、電源指示等指示燈方便運行人員監(jiān)視閘門狀態(tài)。集控柜配置1臺12英寸的觸摸式彩色圖形操作面板，用于集控及現(xiàn)地設(shè)備的運行狀態(tài)顯示、故障記錄顯示，以及在線幫助顯示。

2.2.3 閉鎖功能

當(dāng)現(xiàn)地機電設(shè)備發(fā)生液壓故障或電氣故障時，對事故閉門以外的其他動作進行閉鎖；當(dāng)存在事故閉門時，對提門動作進行閉鎖。

3 主要硬件配置

3.1 供電電源

電源的穩(wěn)定性、可靠性對設(shè)備的安全運行起著至關(guān)重要的作用，所以電源回路要遵循設(shè)計合理、智能監(jiān)控的思路。閘門控制系統(tǒng)供電采用交直流雙重供電加UPS模式。

3.1.1 UPS電源

閘門現(xiàn)地控制盤和閘門集控站的220VAC控制電源系統(tǒng)選用山特1KVA/h在線式不間斷電源供電，UPS斷電工作時間不小于0.5小時。

3.1.2 直流24V供電電源模塊

系統(tǒng)采用2套直流穩(wěn)壓電源互為備用的工作方式，由兩個供電系統(tǒng)分別供電，1套輸入電源取自UPS；另外1套輸入電源取自直流220V控制電源，大大提高了控制系統(tǒng)工作電源的可靠性。

3.2 S7-300可編程序控制器

PLC因其抗干擾能力強、可靠性高、構(gòu)成靈活、易擴展等眾多優(yōu)點已成為現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域的主流，我廠從選型統(tǒng)一，便于維護作為出發(fā)點，選用西門子S7-300型PLC作為整個閘門控制系統(tǒng)的核心部件。

3.3 網(wǎng)絡(luò)交換機

閘門現(xiàn)地控制盤和閘門集控站網(wǎng)絡(luò)交換機選用臺灣摩莎MOXA工業(yè)以太網(wǎng)交換機EDS-405系列產(chǎn)品，遵循TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約。該交換機具備冗余電源機制，提供了2路電源輸入接口，當(dāng)一路輸入電源出現(xiàn)故障時，另一路自動為交換機提供工作電源，同時相應(yīng)繼電器動作，輸出報警信息。

4 在實際應(yīng)用中需改進的方面

4.1 新快速閘門控制系統(tǒng)電源部分設(shè)計冗余性較好，但是2臺機組共用1套泵站的工作方式，使得兩臺機組的工作電源是共用的。如果需要對其中1臺機組某個元件進行停電檢查或者更換，就會影響到在運行機組的正常工作。建議用空氣開關(guān)作為斷點，將2臺機組的工作電源進行分離，便于正常檢修和日常維護。

4.2 閘門“關(guān)終位”和“上極限位”檢測選用的是接近開關(guān)，接近開關(guān)采用無接點輸出方式，壽命長，但是受相鄰傳感器的干擾，輸出不穩(wěn)定，另外其對檢測距離的精準(zhǔn)性要求較高，一旦出現(xiàn)故障需要更換，對檢測距離的調(diào)整比較困難，需要反復(fù)提門和落門，直到找到最合適的檢測距離。建議將接近開關(guān)更換為限位開關(guān)，限位開關(guān)是接觸式開關(guān)，只要操作的接觸力達到一定值，就會觸發(fā)開關(guān)，輸出穩(wěn)定，也便于更換。

5 結(jié)束語

丹江口水電站閘門控制系統(tǒng)更換安裝從2010年5月開始，至2013年4月結(jié)束。經(jīng)過實際運行，新的閘門控制系統(tǒng)不僅在硬件上進行了更新，在軟件上也得到了質(zhì)的飛躍，實時、準(zhǔn)確、有效地完成了正常啟/閉門工作，設(shè)計理念和安裝質(zhì)量得到了全面檢驗。

參考文獻

[1]武漢邁科機電新技術(shù)有限公司.丹江口電廠進水口快速閘門集中控制系統(tǒng)技術(shù)協(xié)議[Z].