何海洋,朱星宇,李正權(quán)

(國網(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、電站廠房壩段。右汊全為泄洪閘。

安江水電站共設(shè)18孔泄洪閘門，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，規(guī)格為20 m×15.5 m，分4節(jié)制造安裝。泄洪閘門啟閉設(shè)備采用雙吊點液壓啟閉機，若采用人工操作，需要在室外觀察閘門左右側(cè)實時開度，并與室內(nèi)機旁操作者傳呼配合,操作完成后，還需要安排人員定時巡視，觀察閘門有無下滑。當(dāng)汛期來臨時，需要經(jīng)常操作泄洪閘門控制上下游水位，工作十分艱苦。因此我們采用了自動控制方式和遠(yuǎn)方集中控制方式，這樣在大大減少了生產(chǎn)人員勞動強度的同時，還保證了閘門的安全可靠運行，提高了系統(tǒng)的自動化水平。

1 閘門啟閉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

泄洪閘門監(jiān)控系統(tǒng)采用了全計算機控制的分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]，安江泄洪閘門控制系統(tǒng)是由上位機系統(tǒng)(簡稱“主控級”)和現(xiàn)地控制單元(簡稱“LCU”)組成的分層分布式實時控制系統(tǒng)。主控級設(shè)置1臺主機兼操作員工作站、1臺交換機及配套外圍設(shè)備，位于中央控制室內(nèi)。主控級計算機與電站監(jiān)控系統(tǒng)通信機通過標(biāo)準(zhǔn)104規(guī)約實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，各閘門現(xiàn)地LCU采用PLC為控制器，各LCU與主控級計算機之間通過以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)為單模光纜(見圖1)。

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

1.2 系統(tǒng)特點

圖2 泄洪閘門上位機監(jiān)控總圖

(1) 采用了分層分布式開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從功能上將系統(tǒng)分為主控級與LCU，分別入網(wǎng)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，提高了系統(tǒng)的靈活性；

(2) 網(wǎng)絡(luò)上結(jié)點功能單一，與其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)點互相解耦，當(dāng)某一設(shè)備故障時，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，可在線修改參數(shù)；

(4) 系統(tǒng)自動化程度高，可在中央控制室對每個閘門進(jìn)行監(jiān)測與控制。

2 控制系統(tǒng)功能

2.1 主控級功能

主控級可完成對各閘門的安全監(jiān)測和遠(yuǎn)方控制，并具備歷史數(shù)據(jù)的存檔、記錄、檢索、運行報表的生成以及對外通信管理等功能。

(1) 數(shù)據(jù)采集和處理

數(shù)據(jù)包括：閘門極限位置、啟閉機狀態(tài)、故障報警、系統(tǒng)電源、閘門運行狀態(tài)等開關(guān)量；閘門開度、系統(tǒng)壓力、油箱油溫、油箱液位等模擬量。

實時控制通過操作員人機接口，實現(xiàn)各閘門的遠(yuǎn)方集中操作?，F(xiàn)場人員可根據(jù)水情信息，設(shè)置各閘門的目標(biāo)開度，使各閘門達(dá)到預(yù)定位置，實現(xiàn)各閘門統(tǒng)一調(diào)度。泄洪閘門上位監(jiān)控總圖見圖2。

(2) 安全運行監(jiān)視

運行人員可在主控級的監(jiān)視畫面中監(jiān)測各閘門LCU的基本狀態(tài)信息，包括系統(tǒng)電源、閘門狀態(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畫面查看更詳細(xì)的信息。各閘門的畫面里，可詳細(xì)顯示閘門的升降過程及閘門左右兩側(cè)的開度數(shù)據(jù)，并對液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)實時監(jiān)視。系統(tǒng)可自動檢測系統(tǒng)的軟硬件故障，當(dāng)發(fā)生故障時，立即報警并記錄和顯示故障信息,見圖3。

圖3 泄洪閘門上位機各閘門監(jiān)控畫面

圖4 泄洪閘門控制操作界面畫

(3) 數(shù)據(jù)通信

主控級與現(xiàn)地控制單元LCU之間采用以太網(wǎng)通信，主控級與電站監(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

確保汛期閘門操作的安全可靠運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)后可獨立運行，實現(xiàn)閘門的現(xiàn)地自動控制。

(1) 數(shù)據(jù)采集與處理

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

(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，見圖4。

1) “遠(yuǎn)方”控制方式：現(xiàn)地控制單元接收主控級的控制命令，實現(xiàn)閘門自動控制。

2) “現(xiàn)地”控制方式：由操作員根據(jù)LCU的狀態(tài)顯示，通過操作按鈕或觸摸屏控制畫面，實現(xiàn)閘門的提門、落門、停門、目標(biāo)開度動門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：自動控制與手動控制。自動控制時是由PLC的開出發(fā)送控制指令，而手動控制需通過把手或按鈕，去控制每個設(shè)備，控制順序應(yīng)與自動控制相同。

(3) 閘門自動糾偏功能

在自動控制方式下，閘門提升或下降工程中，會根據(jù)左右兩側(cè)開度差調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)比例閥的電壓，控制閘門一側(cè)的運行快慢，從而達(dá)到自動糾偏的效果。

(4) 閘門下滑回升功能

在自動控制方式下，若無控制操作，閘門下降超過指定高度后，系統(tǒng)會自動判定閘門下滑，并自動啟動液壓啟閉機，使閘門提升到指定位置并報警。若下滑后無法恢復(fù)，則停門并報警。

(5) 信號顯示

在現(xiàn)地控制屏上設(shè)有系統(tǒng)狀態(tài)、閘門位置、電機運行狀態(tài)、閘門運行狀態(tài)、故障報警的信號燈，并配有觸摸屏。

(6) 通 信

通過超五類屏蔽電纜、光電轉(zhuǎn)換器、單模光纜、交換機及其他通信設(shè)備與主控級進(jìn)行通信，實現(xiàn)上傳數(shù)據(jù)、接收下行命令的功能。通過高速計數(shù)模塊采集編碼器的碼值并通過程序轉(zhuǎn)化為閘門開度。

3 泄洪閘門控制系統(tǒng)硬件及軟件配置

3.1 主控級部分

主控級計算機采用美國HP公司生產(chǎn)的型號為 Z600型工作站，其CPU采用英特爾至強4核處理器、64位、緩存12 MB、內(nèi)存為4 G、硬盤160 GB、HPSATA 藍(lán)光刻錄機。

操作系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)是近年來逐步興起的一種操作系統(tǒng)，是一套免費的32位多人多工的操作系統(tǒng)，運行方式同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)無法比擬的。Linux還有一項最大的特色在于源代碼完全公開，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計算機監(jiān)控軟件，它包含了分布式對象架構(gòu)，全面支持異構(gòu)平臺的特性，系統(tǒng)提供了高效安全可靠的監(jiān)控內(nèi)核、功能強大的組態(tài)工具、精細(xì)美觀的圖形界面、實用方便的應(yīng)用界面、多種符合國際標(biāo)準(zhǔn)的接口以及緊貼水利水電用戶和梯級集控調(diào)度應(yīng)用需求的各種常規(guī)及高級功能。

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

3.2 現(xiàn)地控制單元

現(xiàn)地控制單元由控制柜和動力柜2部分組成?？刂乒裰饕琍LC可編程控制器、觸摸屏、開關(guān)電源、繼電器等；動力柜主要包含動力啟?？刂圃O(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)字指令或浮點運算結(jié)果的強大能力。它還集成了所有IEC語言作為標(biāo)準(zhǔn)語言。無論應(yīng)用是哪一種類型的，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項目源程序，儲存應(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大量的專用功能能確保解決方案的整體性能。

機組輔機控制系統(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；存儲器容量為160 kB。

(2) 觸摸屏

在控制柜中配置了臺灣Weinview公司生產(chǎn)的彩色液晶觸摸屏，顯示各設(shè)備的運行狀態(tài)、運行參數(shù)、故障及事故信號等，同時電廠運行人員可在觸摸屏上進(jìn)行查詢以及一些基本設(shè)置、控制和操作。各控制系統(tǒng)可以通過現(xiàn)場總線方式即通過通信模塊RS485口與CPU進(jìn)行通信。

(3) 動力啟停控制設(shè)備

動力柜內(nèi)部包含的動力啟?？刂圃O(shè)備主要有軟啟動器、斷路器、接觸器以及雙電源切換裝置等。

軟啟動器選用法國Schneider公司生產(chǎn)的Altistart48軟啟動器，Altistart48軟啟動器是由6個晶閘管組成的軟起-軟停單元，可控制三相異步電機的啟動和停止。采用Schneider獨一無二的專利轉(zhuǎn)矩控制方式，性能卓越，適合重載大力矩啟動。電流及其他多參數(shù)的實時監(jiān)控，無須熱繼，保護(hù)完善可靠；操作盤參數(shù)設(shè)定，簡潔明了。

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

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

4 結(jié) 語

安江水電站泄洪閘門控制系統(tǒng)設(shè)計思路清晰，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自動化運行提供了基礎(chǔ)保障。安江水電站泄洪閘門控制系統(tǒng)投入運行已2 a，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，有效地提高了閘門啟閉系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和自動化水平，能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地對設(shè)備參數(shù)和運行工況進(jìn)行監(jiān)視，消除設(shè)備運行的隱患，減輕運行和維護(hù)人員的勞動強度，實現(xiàn)無人或少人值班，順應(yīng)中國水電企業(yè)運行管理現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢，發(fā)揮樞紐最大的社會效益和經(jīng)濟效益。

參考文獻(xiàn):

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