徐立尉，丁立大，徐競(jìng)喆

(水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012)

1 概述

金山水電站是福建省第三大河——汀江干流上杭境內(nèi)的一座梯級(jí)水電站。電站總庫(kù)容0.55億m3，為徑流式日調(diào)節(jié)水庫(kù)，正常蓄水位為214 m，汛限水位為211.5 m。最大壩高39.5 m，壩頂長(zhǎng)度189 m，壩頂高程216.5 m，堰頂高程198.3 m，溢流壩全長(zhǎng)71.5 m，設(shè)4個(gè)溢流孔，每孔設(shè)有1扇13 m×15.8 m弧形工作門;還有1扇沖沙孔門，孔口尺寸為3.5 m×6 m。大壩最大泄洪能力為7 736 m3/s，設(shè)計(jì)水頭19.2 m，設(shè)計(jì)發(fā)電流量250 m3/s，裝機(jī)容量2×2萬(wàn)kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量1.456億kW·h，設(shè)計(jì)年利用小時(shí)3 640 h。樞紐主要建筑物由溢流壩、泄流沖沙孔壩段、河床式廠房、開(kāi)關(guān)站和輸出工程等組成，是以發(fā)電為主、防洪等綜合利用功能的水利工程。

2014年11月至2015年4月1日，電站采用杭州亞太水電設(shè)備成套技術(shù)有限公司的SDJK—2000進(jìn)行了監(jiān)控系統(tǒng)改造升級(jí)。本文以其中溢洪弧門改造為例，詳細(xì)闡述了閘門控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，功能實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)特性。相比原先人工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)操作、報(bào)告運(yùn)行的傳統(tǒng)方法，設(shè)備可靠性、執(zhí)行效率及信息化水平得到了極大提升，改造工作獲得了預(yù)期成效。

2 液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)原理

壩區(qū)溢流孔弧形閘門各配置1套液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)，作為閘門系統(tǒng)的操作執(zhí)行機(jī)構(gòu) (見(jiàn)圖1)。該液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)主要由油泵電動(dòng)機(jī)組、弧形閘門液壓缸、液壓電磁閥及油箱等組成。液壓缸活塞的前進(jìn)、后退等動(dòng)作的控制，由電磁閥 YV1、YV2、YV3、YV4、YV5和YV6共同完成。閘門提升和關(guān)閉的控制，主要是通過(guò)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)電氣控制裝置根據(jù)現(xiàn)地或遠(yuǎn)方啟/閉閘門命令自動(dòng)啟動(dòng)油泵電動(dòng)機(jī)組，開(kāi)啟相應(yīng)的電磁閥使油缸伸出或縮回。啟閉機(jī)的油缸與閘門經(jīng)吊頭連接，從而通過(guò)活塞桿在油缸中的伸縮帶動(dòng)閘門關(guān)閉或開(kāi)啟。圖1中，YV1和YV6為閘門開(kāi)啟電磁閥，YV2和YV5為閘門關(guān)閉電磁閥，YV3和YV4分別為閘門左＞右、右＞左糾偏電磁閥。

(1)開(kāi)啟閘門，空載啟動(dòng)主油泵電機(jī)，延時(shí)3 s，電磁閥YV1、YV6通電，壓力油分經(jīng)單向順控閥P7、二通流量控制閥、單向閥進(jìn)入左右液壓缸有桿腔，液壓缸無(wú)桿腔油液受壓后經(jīng)單向順控閥P10、回油濾油器流回油箱。

(2)關(guān)閉閘門，空載啟動(dòng)主油泵電機(jī)，延時(shí)3 s，電磁閥YV2、YV5通電，壓力油分經(jīng)單向順控閥P10進(jìn)入左右液壓缸無(wú)桿腔，液壓缸有桿腔油液受壓后經(jīng)二通流量控制閥、單向順控閥P7流回油箱。

圖1 閘門液壓?jiǎn)⑾到y(tǒng)原理示意

(3)左右糾偏，在閘門啟閉過(guò)程中，全程連續(xù)檢測(cè)2只液壓缸的行程偏差，經(jīng)幾何換算成閘門左右開(kāi)度偏差。當(dāng)閘門左右偏差≥20 mm時(shí)，經(jīng)延時(shí)2 s左右信號(hào)消抖動(dòng)確認(rèn)，導(dǎo)通電磁閥YV3(左＞右)/YV4(右＞左)，調(diào)整左/右液壓缸有桿腔進(jìn)、出油量，使閘門同步。當(dāng)閘門左右偏差值超過(guò)35 mm時(shí)，油壓系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3 閘門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)配置

閘門現(xiàn)地控制單元，采用施耐德Medicon TSX Premium系列 PLC，中央處理器 (CPU)為TSXP571634M模塊，配有以太網(wǎng)接口，數(shù)字量輸入80點(diǎn)，數(shù)字量輸出16點(diǎn);另配以人機(jī)交互設(shè)備——臺(tái)灣威綸MT8000系列12寸觸摸屏，絕對(duì)式編碼器解碼裝置，由光電交換機(jī)及交流接觸器等設(shè)備組成 (見(jiàn)圖2)。

由圖2可知，閘門現(xiàn)地控制系統(tǒng)功能上包括了閘門左右開(kāi)度測(cè)量，油壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)壓力、濾油器檢測(cè)，油泵電機(jī)監(jiān)控，開(kāi)關(guān)閘門電磁閥、左右糾偏電磁閥控制，現(xiàn)地觸摸屏、遠(yuǎn)方集控中心信息交互等內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)閘門的手自動(dòng)控制、狀態(tài)檢測(cè)及故障報(bào)警等系統(tǒng)功能。

圖2 閘門控制系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)框圖

3.2 信號(hào)采集及處理

PLC是閘門控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)對(duì)控制對(duì)象的信號(hào)采集，經(jīng)PLC內(nèi)部邏輯程序運(yùn)行處理及控制輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的有效控制。另外通過(guò)串口同人機(jī)界面觸摸屏進(jìn)行信息交互，提供系統(tǒng)有關(guān)參量顯示、記錄查詢及現(xiàn)地自動(dòng)操作等功能;通過(guò)以太網(wǎng) (光纜)同中控室集控中心進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方對(duì)閘門現(xiàn)地系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視及遠(yuǎn)方操作等功能 (見(jiàn)圖3～圖5)。

圖3 PLC輸入1(系統(tǒng)狀態(tài)、控制信號(hào)輸入)

圖3是PLC對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)、控制信號(hào)數(shù)字量輸入采樣。從上至下包括有:PLC 24 V輸出電源消失信號(hào)，開(kāi)關(guān)停閘門按鈕指令輸入信號(hào)，1號(hào)＆2號(hào)油泵控制位置、運(yùn)行及故障信號(hào)，AC 220 V公用控制電源消失信號(hào)，閘門遠(yuǎn)控位置信號(hào)，油壓過(guò)高信號(hào)，油壓過(guò)低＆濾油器堵塞信號(hào)。

圖4是PLC對(duì)左邊編碼器格雷碼信號(hào)的采樣輸入。閘門兩邊為丹麥CANCON SSI型絕對(duì)式編碼器，具 體 型 號(hào) 為 SAG—SL00G—1213—C100—CRW，25位精度，其中12位圈數(shù)，13位步進(jìn)數(shù)。編碼器通過(guò)SSI同步串行接口連接至編碼器解碼器，輸出25位格雷碼供PLC采樣。PLC采樣編碼器格雷碼經(jīng)內(nèi)部格雷碼轉(zhuǎn)二進(jìn)制，再經(jīng)過(guò)閘門幾何關(guān)系換算成閘門實(shí)際開(kāi)度值，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門左右兩邊開(kāi)度的實(shí)時(shí)采樣監(jiān)測(cè)。

圖5是PLC輸出信號(hào)。PLC根據(jù)外部信號(hào)、指令及內(nèi)部邏輯程序運(yùn)行處理，控制輸出，經(jīng)中間繼電器隔離輸出接入控制回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的操控。

3.3 信息交換及處理

現(xiàn)地控制單元主要與人機(jī)界面觸摸屏及中控室集控中心進(jìn)行信息交換，發(fā)送閘門控制系統(tǒng)有關(guān)數(shù)據(jù)信息，并接收指令進(jìn)行相關(guān)操作。觸摸屏在現(xiàn)地控制單元內(nèi)部與PLC采用串口通訊;PLC與中控室集控中心的通訊則是經(jīng)過(guò)光電交換機(jī)，采用以太網(wǎng)協(xié)議，光纜物理連接至中控室服務(wù)器柜，并入局域網(wǎng)后與中控式工控機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，從而保證了通訊電路的安全，也提高了通訊帶寬及信號(hào)穩(wěn)定性。

圖4 PLC開(kāi)關(guān)量輸入 (左編碼器25位格雷碼輸入)

圖5 PLC輸出

4 現(xiàn)地控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

閘門控制系統(tǒng)PLC程序的設(shè)計(jì)在施耐德PLC專用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)Unity Pro XL上開(kāi)發(fā)完成，其主、子程序流程圖如下所示 (見(jiàn)圖6～圖8)。

圖6 閘門控制系統(tǒng)主程序流程

圖7 開(kāi)/關(guān)/停閘門子程序流程

圖8 自動(dòng)開(kāi)/關(guān)/閘門子程序流程

PLC程序是現(xiàn)地控制系統(tǒng)的核心工作內(nèi)容，其好比人的大腦中樞，完成了對(duì)信息的輸入采樣、分析計(jì)算及控制輸出。閘門開(kāi)度計(jì)算、左右偏差監(jiān)測(cè)、開(kāi)關(guān)停閘門、自動(dòng)開(kāi)關(guān)閘門、故障事故監(jiān)測(cè)及信息交互通訊等功能，都由PLC內(nèi)部程序處理完成。

人機(jī)界面 (HMI)觸摸屏程序設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地人機(jī)信息交換功能。通過(guò)觸摸屏，操作人員可以直觀地查看當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)量、模擬量、系統(tǒng)整定參數(shù)值及故障歷史記錄等信息，以及進(jìn)行自動(dòng)開(kāi)關(guān)閘門、左右糾偏投/退、閘門全關(guān)初始值清零及系統(tǒng)參數(shù)修改等操作。

5 集控中心組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

中控室集控中心組態(tài)軟件——水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)SDJK—2000，是水電站信息化建設(shè)的核心部分。金山水電站采用施耐德IFIX組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，其在工業(yè)領(lǐng)域已得到普遍使用。閘門現(xiàn)地控制系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)光纜連接至中控室集控中心系統(tǒng)，信息交互安全、可靠、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)閘門系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及操控功能，提升了信息化水平。閘門遠(yuǎn)方操控主要有兩種方式:一是開(kāi)環(huán)控制，即遠(yuǎn)方開(kāi)/關(guān)/停閘門控制，操作員登錄后點(diǎn)擊開(kāi)/關(guān)閘門，在沒(méi)有閘門全開(kāi)/全關(guān)或停閘門指令情況下，閘門保持開(kāi)/關(guān)閘運(yùn)行;二是閉環(huán)控制，即遠(yuǎn)方自動(dòng)開(kāi)/關(guān)閘門控制，操作員登錄后點(diǎn)擊自動(dòng)開(kāi)/關(guān)閘門，并輸入閘門開(kāi)度目標(biāo)值，閘門將自動(dòng)開(kāi)/關(guān)至設(shè)定開(kāi)度后停閘 (見(jiàn)圖9)。

圖9 壩區(qū)閘門操作界面

6 存在不足

首先在現(xiàn)地控制方面，閘門全開(kāi)、全關(guān)位置信號(hào)是閘門控制系統(tǒng)中十分重要的輸入信號(hào)，當(dāng)前系統(tǒng)只能通過(guò)編碼器對(duì)閘門位置進(jìn)行采樣計(jì)算獲得閘門全開(kāi)/全關(guān)信號(hào)，如出現(xiàn)編碼器故障，而系統(tǒng)未能監(jiān)測(cè)出編碼器故障時(shí)，有可能出現(xiàn)閘門超調(diào)，從而造成油壓過(guò)高或其他事故。在閘門全開(kāi)、全關(guān)位置安裝限位開(kāi)關(guān)是解決辦法之一。在編碼器、限位開(kāi)關(guān)雙重?cái)?shù)據(jù)信號(hào)采集的情況下，閘門超調(diào)運(yùn)行的可能性將基本被杜絕，系統(tǒng)可靠性將進(jìn)一步提升。

其次是在遠(yuǎn)方監(jiān)控方面，閘門信息化升級(jí)改造中，視頻監(jiān)控是重要的組成部分，目前電站現(xiàn)有視頻監(jiān)控未覆蓋壩區(qū)閘門，這有待電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造時(shí)對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)充。

7 結(jié)語(yǔ)

金山水電站壩區(qū)閘門控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)升級(jí)改造，提高了系統(tǒng)可靠性，改善了人員操作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，壩區(qū)閘門設(shè)備信息化建設(shè)主體工程得到了實(shí)現(xiàn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)全行程調(diào)試、遠(yuǎn)方開(kāi)/關(guān)/停閘門實(shí)際操作、防汛預(yù)演等環(huán)節(jié)驗(yàn)證，系統(tǒng)綜合性能符合設(shè)計(jì)要求，改造工作達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

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