程澤斌，王靖歐（湖北清江水電開發(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
（湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北宜昌443000）

摘要：介紹了泄洪閘門集控系統(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，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)液壓啟閉機(jī)操作。深孔閘門采用“兩孔一站”方案，1套泵站控制2臺(tái)單吊點(diǎn)液壓啟閉機(jī)操作。

原泄洪集控系統(tǒng)下位機(jī)PLC選用西門子S7-300系列，采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線協(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。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較原系統(tǒng)有大的提升，在解決現(xiàn)有通訊問題的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了雙吊點(diǎn)液壓啟閉機(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)

泄洪閘門集控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖見圖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)既通過雙網(wǎng)滿足了冗余需要，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PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線接入并預(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)場工業(yè)總線的接入優(yōu)勢，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)地采用的是西門子S7-300系列PLC，西門子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，可簡單、有效地進(jìn)行組態(tài)。并能展現(xiàn)與現(xiàn)場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PLC上送的大量信息無法通過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WINCC將信息上送至電廠。

1.3設(shè)備層傳感器

弧形閘門的運(yùn)動(dòng)軌跡是一段非標(biāo)準(zhǔn)的圓弧，所以難以直接通過開度傳感器測量閘門開度，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，通過旋轉(zhuǎn)編碼器來測量機(jī)械轉(zhuǎn)角，然后得出每段的直線位移從而計(jì)算出閘門的開度。原有的閘門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)，閘門開度傳感器同時(shí)使用兩種不同類型的編碼器—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，通過西門子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，測值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)，這樣就可以很方便地將啟閉機(jī)活塞的行程測值，通過線性插值公式，精確轉(zhuǎn)換成閘門的開啟高度。

相對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器還作為控制過程中的冗余配置，對(duì)兩種編碼器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行容錯(cuò)檢測，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　閘門傳感器反饋環(huán)節(jié)示意圖

2雙吊點(diǎn)閘門啟閉機(jī)液壓同步控制

由于隔河巖表孔泄洪閘門采用雙吊點(diǎn)液壓啟閉機(jī)，在啟閉閘門過程中,閘門兩側(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，閘門長時(shí)間的非水平啟閉勢必會(huì)造成這種運(yùn)行偏差的累積。如果雙缸同步誤差過大,會(huì)造成鋼閘門卡阻、側(cè)水封磨損、鋼閘門漏水以及門槽軌道變形等缺陷,影響啟閉機(jī)的正常工作。所以，系統(tǒng)必須設(shè)置閘門同步糾偏功能來保持閘門左、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，通過安裝在油缸上的位移傳感器來實(shí)時(shí)檢測液壓啟閉機(jī)左、右兩缸的行程，通過兩缸行程的偏差進(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。

如果檢測在閘門啟閉過程中需要進(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)缸體提升閘門過快時(shí)（相對(duì)對(duì)側(cè)缸體位移超過6 mm），開啟電磁換向閥，通過調(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)雙缸閘門的同步控制。

2.2位移閉環(huán)同步實(shí)施

新系統(tǒng)通過位移閉環(huán)同步控制實(shí)現(xiàn)閘門運(yùn)行的同步控制。在閘門啟閉過程中，計(jì)算4種閘門兩側(cè)油缸運(yùn)行的行程差值△H，以保證閘門運(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：

若閘門兩側(cè)油缸行程偏差△H大于△H1時(shí)，系統(tǒng)開始同步糾偏。

（2）糾偏結(jié)束偏差值△H2：

若閘門兩側(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，說明系統(tǒng)同步控制已經(jīng)失效，系統(tǒng)停機(jī)保護(hù)閘門。

3閘門啟閉機(jī)保護(hù)控制

由于泄洪閘門屬于重要設(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)，閘門對(duì)壩體造成沖擊，控制上不能直接將閘門關(guān)到位，至全關(guān)位置50 mm距離時(shí)停泵，依靠閘門自重及水壓壓緊閘門止水封。

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)；閘門開啟時(shí)保護(hù)下腔及系統(tǒng)不超過調(diào)定壓力；閘門關(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)上腔不超過調(diào)定壓力；以及在閘門開啟或者關(guān)閉過程中，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。

3.3電氣控制保護(hù)

系統(tǒng)對(duì)各類輸入信號(hào)分級(jí)，并對(duì)控制回路進(jìn)行了完整試驗(yàn)，確保無論在手/自動(dòng)、現(xiàn)地/遠(yuǎn)方各種工況下，出現(xiàn)過流、過載、PLC異常、通訊中斷等故障時(shí)，均能正確動(dòng)作，將閘門關(guān)閉或持住，并能避免對(duì)一側(cè)油缸的單獨(dú)控制操作。

4集控系統(tǒng)應(yīng)用分析

在完成對(duì)隔河巖大壩泄洪閘門集控系統(tǒng)各個(gè)單元測試、系統(tǒng)整體靜態(tài)調(diào)試、系統(tǒng)實(shí)際帶門動(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)啟門和閉門過程的開度曲線，如圖3、圖4所示，可以看出系統(tǒng)啟門過程和閉門過程中，閘門開度與時(shí)間幾乎成正比，表明系統(tǒng)同步運(yùn)行情況良好。

在實(shí)際啟門和閉門時(shí)，左、右缸下腔油壓曲線如圖5和圖6所示，閘門在開啟和關(guān)閉過程中左、右兩缸下腔油壓基本相同，表明閘門開啟和關(guān)閉過程中系統(tǒng)同步糾偏效果較好，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

5結(jié)語

清江隔河巖水電站泄洪閘門集控系統(tǒng)改造完成并投運(yùn)已滿一年，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，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　啟門過程

圖4　閉門過程

圖5　啟門過程左右缸下腔油壓

圖6　閉門過程左右缸下腔油壓

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作者簡介：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

中圖分類號(hào)：TV736

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2016）03-0065-03