程澤斌,王靖歐(湖北清江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,湖北宜昌443000)
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清江隔河巖大壩泄洪閘門(mén)集控系統(tǒng)改造需求與解決方案
程澤斌,王靖歐
(湖北清江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,湖北宜昌443000)
摘要:介紹了泄洪閘門(mén)集控系統(tǒng)改造的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟硬件選型及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)思路,提出雙吊點(diǎn)閘門(mén)啟閉機(jī)液壓同步控制策略,對(duì)電磁換向閥旁通泄油的液壓同步流程進(jìn)行闡述,分析了系統(tǒng)實(shí)施后的運(yùn)行狀況。
關(guān)鍵詞:集控系統(tǒng);液壓同步;旋轉(zhuǎn)編碼器
清江隔河巖大壩泄洪樞紐共設(shè)有4扇深孔和7扇表孔弧形閘門(mén),分別位于11號(hào)~18號(hào)溢流壩段。表孔采用“一孔一站”方案,1套泵站控制1臺(tái)雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。深孔閘門(mén)采用“兩孔一站”方案,1套泵站控制2臺(tái)單吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。
原泄洪集控系統(tǒng)下位機(jī)PLC選用西門(mén)子S7-300系列,采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議,實(shí)現(xiàn)2臺(tái)上位機(jī)和9臺(tái)現(xiàn)地PLC之間的通訊。由于通訊線路老化及接口裝置頻繁故障,造成系統(tǒng)上位機(jī)和現(xiàn)地PLC通訊異常,嚴(yán)重影響防汛安全。2014年,隔河巖電廠進(jìn)行了泄洪集控系統(tǒng)改造。
新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較原系統(tǒng)有大的提升,在解決現(xiàn)有通訊問(wèn)題的基礎(chǔ)上,優(yōu)化了雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的同步運(yùn)行控制,增加手/自動(dòng)容錯(cuò)控制,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送至電廠監(jiān)控系統(tǒng)。為明晰整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu),分為集控上位機(jī)(管理層),現(xiàn)地PLC(控制層)以及泄洪閘門(mén)控制部件(設(shè)備層)。
1.1控制層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
泄洪閘門(mén)集控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1,為了保證集控系統(tǒng)上位機(jī)與現(xiàn)地PLC控制和電廠監(jiān)控系統(tǒng)通訊的可靠性、實(shí)時(shí)性,系統(tǒng)采用了雙星型冗余光纖以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。服務(wù)器、交換機(jī)及PLC均分別連接至兩個(gè)互為冗余的網(wǎng)絡(luò)。雙星型網(wǎng)絡(luò)既通過(guò)雙網(wǎng)滿(mǎn)足了冗余需要,同時(shí)以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保持了控制設(shè)備所需的通訊層次結(jié)構(gòu)?,F(xiàn)地單元配置觸摸操作面板,通過(guò)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線接入并預(yù)留擴(kuò)展接口。
采用這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能極大地提高系統(tǒng)傳輸?shù)乃俾屎头€(wěn)定性,同時(shí)兼顧現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線的接入優(yōu)勢(shì),兩路網(wǎng)絡(luò)之間采用并行傳輸方式,任何一臺(tái)服務(wù)器或一條線路故障,都不影響系統(tǒng)運(yùn)行并保持通訊暢通。
圖1 泄洪閘門(mén)集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
1.2管理層系統(tǒng)組態(tài)
基于現(xiàn)地采用的是西門(mén)子S7-300系列PLC,西門(mén)子WINCC成為上位機(jī)組態(tài)軟件的最佳選擇。WINCC的內(nèi)置通用程序,具備所對(duì)應(yīng)PLC的操作和管理功能,可簡(jiǎn)單、有效地進(jìn)行組態(tài)。并能展現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)PLC設(shè)備一致的可視化界面,迅速直觀地反映設(shè)備的I/O測(cè)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài),方便地讀取內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù),在上位機(jī)即可監(jiān)控到整個(gè)現(xiàn)地控制系統(tǒng)的流程執(zhí)行及上送報(bào)文信息。
但與良好的兼容性對(duì)應(yīng)的是,WINCC的開(kāi)放性不足。在與電廠監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊環(huán)節(jié),發(fā)現(xiàn)WINCC中的數(shù)據(jù)都進(jìn)行了封裝,不能直接讀取出。這就造成從現(xiàn)場(chǎng)PLC上送的大量信息無(wú)法通過(guò)WINCC直接轉(zhuǎn)送至電廠監(jiān)控系統(tǒng)。解決方案是在上位機(jī)運(yùn)行一套獨(dú)立的與PLC通訊的進(jìn)程軟件,繞過(guò)WINCC將信息上送至電廠。
1.3設(shè)備層傳感器
弧形閘門(mén)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一段非標(biāo)準(zhǔn)的圓弧,所以難以直接通過(guò)開(kāi)度傳感器測(cè)量閘門(mén)開(kāi)度,而是將非標(biāo)準(zhǔn)的圓弧分成若干段,每段近似為一段直線,將近似的直線位移轉(zhuǎn)化為軸承運(yùn)動(dòng)的機(jī)械轉(zhuǎn)角,通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)測(cè)量機(jī)械轉(zhuǎn)角,然后得出每段的直線位移從而計(jì)算出閘門(mén)的開(kāi)度。原有的閘門(mén)行程傳感器只單一采用了相對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器,要先將活塞行程的編碼器數(shù)據(jù)通過(guò)解碼器轉(zhuǎn)換成4~20 mA模擬量信號(hào),再接入PLC換算高度,精度較差且易受干擾。
依據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn),閘門(mén)開(kāi)度傳感器同時(shí)使用兩種不同類(lèi)型的編碼器—增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。在拉繩卷筒兩側(cè),同軸安裝相對(duì)型和絕對(duì)型兩種旋轉(zhuǎn)編碼器,相對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器接入手動(dòng)控制回路,通過(guò)解碼器直接顯示活塞行程。而自動(dòng)控制系統(tǒng)選擇絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器,通過(guò)西門(mén)子SSI高速計(jì)數(shù)模塊換算。由于絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼,測(cè)值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān),而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān),這樣就可以很方便地將啟閉機(jī)活塞的行程測(cè)值,通過(guò)線性插值公式,精確轉(zhuǎn)換成閘門(mén)的開(kāi)啟高度。
相對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器還作為控制過(guò)程中的冗余配置,對(duì)兩種編碼器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行容錯(cuò)檢測(cè),當(dāng)絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器損壞或者出現(xiàn)誤碼的時(shí)候,此信號(hào)可以作為控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾偏的重要參考信號(hào),從而能避免單一傳感器故障造成的控制異常,增加系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
圖2 閘門(mén)傳感器反饋環(huán)節(jié)示意圖
由于隔河巖表孔泄洪閘門(mén)采用雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī),在啟閉閘門(mén)過(guò)程中,閘門(mén)兩側(cè)受到的摩擦阻力都是隨機(jī)變化的,由于兩側(cè)液壓油缸受力不均以及油缸工作特性不同等原因,會(huì)造成兩側(cè)油缸的運(yùn)行出現(xiàn)偏差,閘門(mén)長(zhǎng)時(shí)間的非水平啟閉勢(shì)必會(huì)造成這種運(yùn)行偏差的累積。如果雙缸同步誤差過(guò)大,會(huì)造成鋼閘門(mén)卡阻、側(cè)水封磨損、鋼閘門(mén)漏水以及門(mén)槽軌道變形等缺陷,影響啟閉機(jī)的正常工作。所以,系統(tǒng)必須設(shè)置閘門(mén)同步糾偏功能來(lái)保持閘門(mén)左、右兩缸的運(yùn)行同步。
2.1液壓同步控制策略
新系統(tǒng)選擇電磁換向閥旁通泄油的液壓同步控制策略。原理是在液壓油缸的油管旁路安裝電磁換向閥,通過(guò)安裝在油缸上的位移傳感器來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)左、右兩缸的行程,通過(guò)兩缸行程的偏差進(jìn)而判斷兩側(cè)油缸運(yùn)動(dòng)的超前滯后關(guān)系,同時(shí)得到系統(tǒng)同步運(yùn)動(dòng)的同步超差大小及液壓系統(tǒng)的工作情況等信息。
如果檢測(cè)在閘門(mén)啟閉過(guò)程中需要進(jìn)行同步糾偏時(shí),根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的糾偏控制信號(hào),當(dāng)一側(cè)缸體提升閘門(mén)過(guò)快時(shí)(相對(duì)對(duì)側(cè)缸體位移超過(guò)6 mm),開(kāi)啟電磁換向閥,通過(guò)調(diào)速閥向油缸旁路泄油,進(jìn)行減速分流,減小兩缸運(yùn)行的相對(duì)誤差直至為零,然后關(guān)閉調(diào)速閥。程序隨時(shí)調(diào)節(jié)兩缸運(yùn)行的相對(duì)速度,最終實(shí)現(xiàn)雙缸閘門(mén)的同步控制。
2.2位移閉環(huán)同步實(shí)施
新系統(tǒng)通過(guò)位移閉環(huán)同步控制實(shí)現(xiàn)閘門(mén)運(yùn)行的同步控制。在閘門(mén)啟閉過(guò)程中,計(jì)算4種閘門(mén)兩側(cè)油缸運(yùn)行的行程差值△H,以保證閘門(mén)運(yùn)行同步超差時(shí)糾偏的準(zhǔn)確性與及時(shí)性,行程差值△H分別為:
(1)糾偏啟動(dòng)偏差值△H1:
若閘門(mén)兩側(cè)油缸行程偏差△H大于△H1時(shí),系統(tǒng)開(kāi)始同步糾偏。
(2)糾偏結(jié)束偏差值△H2:
若閘門(mén)兩側(cè)油缸行程偏差△H小于糾偏結(jié)束偏差值△H2,則系統(tǒng)停止同步糾偏。
(3)停閘糾偏差值△H3:
若閘門(mén)左右油缸行程偏差值△H繼續(xù)變大并最終大于系統(tǒng)停閘糾偏值△H3,那么系統(tǒng)停閘糾偏。
(4)停機(jī)偏差值△H4:
若閘門(mén)左右油缸行程偏差值△H繼續(xù)變大并最終大于系統(tǒng)停機(jī)偏差值△H4,說(shuō)明系統(tǒng)同步控制已經(jīng)失效,系統(tǒng)停機(jī)保護(hù)閘門(mén)。
由于泄洪閘門(mén)屬于重要設(shè)備,且體積巨大,在啟閉機(jī)運(yùn)行控制上設(shè)置多重保護(hù)。包括在油缸配置多級(jí)保護(hù)閥塊,閥組安裝溢流閥,控制回路上設(shè)置限位開(kāi)關(guān)等。
3.1超行程保護(hù)
在拉繩重錘的運(yùn)動(dòng)路徑上安裝上、下限位光電接近開(kāi)關(guān),防止啟閉時(shí)超出油缸行程。同時(shí)為防止啟閉機(jī)關(guān)閉時(shí),閘門(mén)對(duì)壩體造成沖擊,控制上不能直接將閘門(mén)關(guān)到位,至全關(guān)位置50 mm距離時(shí)停泵,依靠閘門(mén)自重及水壓壓緊閘門(mén)止水封。
3.2超壓失壓保護(hù)
系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了多種功能的保護(hù)用壓力繼電器參與控制。如空載啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)壓力保護(hù);閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)保護(hù)下腔及系統(tǒng)不超過(guò)調(diào)定壓力;閘門(mén)關(guān)閉時(shí)可以調(diào)定油缸下腔回油產(chǎn)生的背壓即持住油壓,并且保護(hù)上腔不超過(guò)調(diào)定壓力;以及在閘門(mén)開(kāi)啟或者關(guān)閉過(guò)程中,高壓軟管突然斷裂時(shí)失壓壓力繼電器動(dòng)作發(fā)信,電磁閥動(dòng)作保護(hù)持住閘門(mén)。
3.3電氣控制保護(hù)
系統(tǒng)對(duì)各類(lèi)輸入信號(hào)分級(jí),并對(duì)控制回路進(jìn)行了完整試驗(yàn),確保無(wú)論在手/自動(dòng)、現(xiàn)地/遠(yuǎn)方各種工況下,出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)載、PLC異常、通訊中斷等故障時(shí),均能正確動(dòng)作,將閘門(mén)關(guān)閉或持住,并能避免對(duì)一側(cè)油缸的單獨(dú)控制操作。
在完成對(duì)隔河巖大壩泄洪閘門(mén)集控系統(tǒng)各個(gè)單元測(cè)試、系統(tǒng)整體靜態(tài)調(diào)試、系統(tǒng)實(shí)際帶門(mén)動(dòng)態(tài)調(diào)試后,泄洪集控系統(tǒng)已基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。分析系統(tǒng)啟門(mén)和閉門(mén)過(guò)程的開(kāi)度曲線,如圖3、圖4所示,可以看出系統(tǒng)啟門(mén)過(guò)程和閉門(mén)過(guò)程中,閘門(mén)開(kāi)度與時(shí)間幾乎成正比,表明系統(tǒng)同步運(yùn)行情況良好。
在實(shí)際啟門(mén)和閉門(mén)時(shí),左、右缸下腔油壓曲線如圖5和圖6所示,閘門(mén)在開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中左、右兩缸下腔油壓基本相同,表明閘門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中系統(tǒng)同步糾偏效果較好,系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。
清江隔河巖水電站泄洪閘門(mén)集控系統(tǒng)改造完成并投運(yùn)已滿(mǎn)一年,多次實(shí)際運(yùn)行操作表明,該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)可靠,軟件設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的各種控制要求,同時(shí)能夠迅速識(shí)別并切換運(yùn)行工況,實(shí)時(shí)進(jìn)行故障偵測(cè),及時(shí)發(fā)出保護(hù)報(bào)警。實(shí)現(xiàn)了增量式和絕對(duì)式編碼器的冗錯(cuò)配置,以及系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸,確保了電站發(fā)電及泄洪系統(tǒng)間的同步控制運(yùn)行。
圖3 啟門(mén)過(guò)程
圖4 閉門(mén)過(guò)程
圖5 啟門(mén)過(guò)程左右缸下腔油壓
圖6 閉門(mén)過(guò)程左右缸下腔油壓
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作者簡(jiǎn)介:程澤斌(1972-),男,高級(jí)工程師,研究方向:流域梯級(jí)水電廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)管理。
收稿日期:2015-12-16
DOI:10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.020
中圖分類(lèi)號(hào):TV736
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
文章編號(hào):1672-5387(2016)03-0065-03