周暢游，醋院科，肖 鵬

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州310030；2.貴州黔源電力股份有限公司，貴州 貴陽550002）

0 引言

思林水電站的通航建筑物方式采用一級垂直升船機(jī)型式。升船機(jī)的建筑物按照下游至上游的方向依次布置有：下游引航道（隔流堤及靠船墩）等建筑物、下閘首、垂直升船機(jī)主體、上閘首、上游引航道（其中包括錨固墩、靠船墩、浮堤）等設(shè)施。

升船機(jī)的提升方式采用了鋼絲繩卷揚(yáng)全平衡垂直提升型式。當(dāng)有船舶通過大壩主體時，首先要通過上下閘首的臥倒門進(jìn)入承船廂。承船廂通過鋼絲繩與另一端的平衡重連接，并依靠位于主機(jī)房位置的4臺功率為200 kW電力驅(qū)動，承船廂沿大壩垂直方向上下運(yùn)行以達(dá)到運(yùn)送船只過壩的目的。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)烏江思林升船機(jī)工程特殊要求，升船機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則與要求如下：

（1）根據(jù)流程平穩(wěn)、準(zhǔn)確、靈活、安全可靠、協(xié)調(diào)地控制與監(jiān)視升船機(jī)全行程運(yùn)行。

（2）分布式2層控制結(jié)構(gòu)。

（3）操作方式主要控制采用主控級控制，輔助控制為現(xiàn)地控制，現(xiàn)地控制與主控級控制相互獨(dú)立，其中現(xiàn)地控制可以獨(dú)立完成升船機(jī)上下運(yùn)行的整個流程。

（4）原則上采用共用速度環(huán)完成多電機(jī)傳動并能實(shí)現(xiàn)多電機(jī)出力的均衡控制方式。

（5）當(dāng)上、下游水位發(fā)生較大、較快速的變化時，承船廂能夠準(zhǔn)確停位。

（6）船廂按S型速度曲線平穩(wěn)運(yùn)行。

（7）完善的安全保護(hù)措施。

（8）關(guān)鍵部件的熱備和冗余設(shè)計(jì)。

（9）通航指揮系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)等通航監(jiān)控調(diào)度手段。

2 控制系統(tǒng)組成

升船機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)備主要由檢測系統(tǒng)等設(shè)備、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)組成[1-2]。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用2層分布式控制結(jié)構(gòu)，即系統(tǒng)分為主控級和現(xiàn)地子站級2層。

主控級設(shè)置監(jiān)控站。1臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，1臺網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、1臺工程師/培訓(xùn)員工作站和1臺多媒體計(jì)算機(jī)。在升船機(jī)集控室內(nèi)布置有主控級設(shè)備。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地子站級由：主提升機(jī)房現(xiàn)地控制子站、主提升傳動控制子站、上閘首臥倒小門現(xiàn)地控制子站、上閘首現(xiàn)地控制子站、承船廂A泵站現(xiàn)地控制子站、下閘首臥倒小門現(xiàn)地控制子站、下閘首現(xiàn)地控制子站、承船廂B泵站現(xiàn)地控制子站等8個現(xiàn)地控制子站（LCU）組成[3-4]。

升船機(jī)設(shè)置1套廣播系統(tǒng)和1套工業(yè)電視系統(tǒng)，在上閘首、上閘首臥倒門、主機(jī)房、下閘首、下閘首臥倒門、承船廂等部位設(shè)有音頻及視頻設(shè)備，以便于指揮和監(jiān)視船只在升船機(jī)區(qū)域的運(yùn)行。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

思林升船機(jī)的控制工藝較復(fù)雜、控制對象較多、設(shè)備布置較分散。基于以上特點(diǎn)和思林升船機(jī)的運(yùn)行控制要求，控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)采用分布式的雙層控制結(jié)構(gòu)，分別設(shè)置位于中心控制室的集中監(jiān)控管理級計(jì)算機(jī)和位于各子系統(tǒng)的控制級控制器。思林的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用SIEMENS公司的PCS7計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，升船機(jī)系統(tǒng)的流程控制實(shí)時監(jiān)視、通航指揮、單機(jī)構(gòu)調(diào)試依靠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)具有實(shí)時數(shù)據(jù)處理、故障報(bào)警及應(yīng)對處理、升船機(jī)自動控制、多媒體管理、人機(jī)對話、升船機(jī)系統(tǒng)時鐘同步、歷史數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)際通信、本地網(wǎng)絡(luò)通信等功能，具體監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 思林升船機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

主控級雙操作員工作站、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、工程師/培訓(xùn)工作站和多媒體服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間采用1000 Mb/s工業(yè)單以太網(wǎng)連接，組成主控級信息網(wǎng)絡(luò)。

主控級網(wǎng)絡(luò)通過可網(wǎng)管工業(yè)交換機(jī)與各個現(xiàn)地控制站之間的交換機(jī)形成100 Mb/s的雙環(huán)工業(yè)以太網(wǎng)連接。各現(xiàn)地子站之間設(shè)置一條I/O硬連接通道，當(dāng)工控網(wǎng)絡(luò)故障時，通過I/O硬連接進(jìn)行各現(xiàn)地子站之間必要的閉鎖，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障狀態(tài)下的應(yīng)急操作運(yùn)行。

3.2 主控級

正常情況下，雙機(jī)熱備為主控級監(jiān)控主機(jī)采用的工作方式，其中1臺用于工作，1臺用于備用。當(dāng)工作主機(jī)發(fā)生故障時，備用機(jī)可以升級為工作主機(jī)，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)無擾動的自由切換。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器主要承擔(dān)主控級以太網(wǎng)通信管理。負(fù)責(zé)升船機(jī)數(shù)據(jù)庫管理和對外通信。

多媒體系統(tǒng)中的工業(yè)電視和廣播控制管理由多媒體工作站負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)。

主控級集控軟件的編制、設(shè)計(jì)及修改由工程師站負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)，同時工程師站也負(fù)責(zé)下載各現(xiàn)地子站的程序。其他功能還包括網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況的實(shí)時監(jiān)控，工控網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件的運(yùn)行等。

主控級系統(tǒng)：

（1）主控級監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是升船機(jī)實(shí)時動態(tài)運(yùn)行屏幕顯示、數(shù)據(jù)采集和處理、事件順序記錄、數(shù)據(jù)通信、事故處理以及恢復(fù)操作指導(dǎo)、軟件開發(fā)及培訓(xùn)的功能、系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理等功能。

（2）主控級監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是準(zhǔn)確、迅速、有效。可以完成對升船機(jī)被控對象的實(shí)時流程控制和實(shí)時安全監(jiān)視以及分支機(jī)構(gòu)的調(diào)試控制。

（3）主控級控制系統(tǒng)是升船機(jī)完成實(shí)時控制和監(jiān)測的中心。其具體職責(zé)包括升船機(jī)的流程控制、實(shí)時監(jiān)視、通航指揮及單機(jī)調(diào)試，多媒體管理等功能。

3.3 現(xiàn)地控制級

根據(jù)工藝特點(diǎn)，建筑物的布置和現(xiàn)場控制的分布情況，現(xiàn)場設(shè)置8個現(xiàn)地控制站，控制站均配置冗余的SIEMENS控制器及其遠(yuǎn)程I/O子站。

3.3.1 現(xiàn)地控制系統(tǒng)功能

（1）現(xiàn)地子站控制級的主要功能包括集中分步流程的控制、升船機(jī)各機(jī)械設(shè)備集中自動流程控制、現(xiàn)地手動調(diào)試、實(shí)時數(shù)據(jù)處理、集中單機(jī)構(gòu)調(diào)試、故障報(bào)警及應(yīng)對處理、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信以及人機(jī)對話等功能?？梢酝瓿膳c上述信息的處理和上傳。

（2）各現(xiàn)地控制子站的主要功能有：控制對象狀態(tài)的現(xiàn)地實(shí)時指示燈顯示和數(shù)字顯示、對現(xiàn)地傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理、專業(yè)鍵盤及按鈕開關(guān)操作、事件順序記錄、故障確認(rèn)及恢復(fù)操作、通航信號燈的控制、事故報(bào)警及應(yīng)對處理、現(xiàn)地網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信、現(xiàn)地設(shè)備的狀態(tài)診斷和系統(tǒng)狀態(tài)的自診斷等功能。

（3）各現(xiàn)地級控制子站的特點(diǎn)是準(zhǔn)確、迅速、有效。包括完成對升船機(jī)被控對象的實(shí)時流程的控制、實(shí)時監(jiān)視以及現(xiàn)地單機(jī)構(gòu)動作控制等功能。

（4）當(dāng)各現(xiàn)地控制子站需要對現(xiàn)場傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理時，通過現(xiàn)地站的各模擬量數(shù)據(jù)傳感器采集并上傳監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)將對模擬量是否合理有效進(jìn)行判斷，以及完成標(biāo)度變換與工程系數(shù)修訂。系統(tǒng)還將對數(shù)字量進(jìn)行防抖動處理，將抗干擾濾波應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理，同時也進(jìn)行合理有效性的判斷。

3.3.2 各現(xiàn)地子站功能分配

（1）上閘首子站主要功能

上閘首子站和下閘首子站功能相似，以上閘首子站為例說明。

1）上閘首工作大門啟閉機(jī)控制。

2）上閘首工作大門鎖定裝置控制。

3）上閘首工作大門位置檢測。

4）上閘首工作大門開度檢測。

5）上閘首工作大門鎖定裝置位置檢測。

6）上游水位測量。

7）上閘首通航渠道水位測量。

8）上游閘首通航信號燈控制。

9）上游閘首船舶探測。

10）網(wǎng)絡(luò)通信。

（2）上閘首臥倒小門子站主要功能

上閘首臥倒小門子站和下閘首臥倒小門子站功能相似，以上閘首臥倒小門子站為例說明。

1）臥倒小門啟閉機(jī)控制。

2）臥倒小門鎖定裝置控制。

3）臥倒小門支承機(jī)構(gòu)控制。

4）臥倒小門開度檢測。

5）臥倒小門位置檢測。

6）臥倒小門鎖定裝置位置檢測。

7）臥倒小門支承機(jī)構(gòu)位置檢測。

8）網(wǎng)絡(luò)通信。

（3）主提升子站主要功能

1）制動器松閘/上閘邏輯控制。

2）制動器液壓泵站控制。

3）潤滑油泵啟、?？刂啤?/p>

4）主提升電機(jī)風(fēng)冷電機(jī)。

5）船廂上下行準(zhǔn)確停位控制。

6）船廂行程檢測。

7）船廂行程偏差及找點(diǎn)停位檢測。

8）船廂運(yùn)行速度與位置檢測。

9）船廂上、下極限位置檢測。

10）平衡重鎖定裝置位置檢測。

11）船廂上、下鎖定裝置位置檢測。

12）工作制動器松閘/上閘到位狀態(tài)及閘皮磨損檢測。

13）安全制動器松閘到位狀態(tài)及閘皮磨損檢測。

14）安全制動器泵站壓力、油位、油溫、濾堵等檢測。

15）潤滑站壓力、油位、油溫、濾堵等檢測。

16）無線通信。

17）網(wǎng)絡(luò)通信。

（4）承船廂A（B）泵站子站主要功能

承船廂的A泵站子站與承船廂的B泵站子站功能存在一定的相似性，以承船廂A泵站子站為例說明。

1）A泵站及液壓閥組控制。

2）船廂上游端密封框、頂緊機(jī)構(gòu)、對接鎖定機(jī)構(gòu)控制。

3）船廂上游端充、泄水裝置控制。

4）船廂上游側(cè)防撞梁控制。

5）船廂門控制。

6）船廂門鎖定裝置控制。

7）船廂靜態(tài)調(diào)平控制。

8）通航信號燈控制。

9）防撞梁位置及行程檢測。

10）頂緊位置檢測。

11）對接鎖定位置檢測。

12）密封框位置及壓力檢測。

13）船廂門位置檢測。

14）船廂門開度檢測。

15）船廂門鎖定裝置位置檢測。

16）船廂上、下游減速及停車位置檢測。

17）船廂靜態(tài)調(diào)平檢測。

18）船廂動態(tài)水平檢測。

19）船廂上游端廂頭間隙水深檢測。

20）船廂水深及水平檢測。

21）鋼絲繩均衡油缸行程檢測。

22）鋼絲繩張力檢測。

23）船舶探測。

24）網(wǎng)絡(luò)通信。

25）無線通信。

（5）主提升傳動控制子站主要功能

1）主提升電機(jī)交流變頻傳動裝置控制、保護(hù)。

2）共用一個速度環(huán)控制進(jìn)行多電機(jī)傳動。

3）多電機(jī)出力均衡控制。

4）動態(tài)預(yù)加力矩控制。

5）速度曲線運(yùn)行控制。

6）上下行準(zhǔn)確停位控制。

7）主提升電機(jī)交流變頻傳動裝置開關(guān)量、模擬量等狀態(tài)信號的采集。

8）同步軸扭矩測量。

9）船廂行程、運(yùn)行速度、加速度檢測。

10）網(wǎng)絡(luò)通信。

4 工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

升船機(jī)設(shè)有工業(yè)電視系統(tǒng)。在集控室中設(shè)有矩陣控制器、硬盤錄像機(jī)、監(jiān)視器等，通過在升船機(jī)建筑內(nèi)各層布置攝像機(jī)，對整個升船機(jī)的設(shè)備運(yùn)行情況及整體運(yùn)行過程和各控制站點(diǎn)包括各個重要分機(jī)構(gòu)的工作情況進(jìn)行監(jiān)視，如圖2所示。

圖2 工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)

通過工業(yè)電視系統(tǒng)對升船機(jī)各機(jī)房控制設(shè)備進(jìn)行全面監(jiān)視。工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)的布局合理、配置靈活，軟件具備更新功能、可滿足長時間運(yùn)行。

5 廣播與通航指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

升船機(jī)的廣播系統(tǒng)采用自動、人工兩種播音方式。自動方式下根據(jù)升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)指令播放多媒體服務(wù)器的語音信號，并具有廣播監(jiān)聽等功能。

廣播與通航指揮系統(tǒng)功能：

（1）手動控制播音功能。采用話筒直接播音或播放錄制好的錄音，實(shí)現(xiàn)廣播指揮。

（2）應(yīng)急廣播功能。應(yīng)急廣播功能包括消防緊急廣播、通航事故緊急廣播。無論廣播系統(tǒng)處于自動還是手動播音狀態(tài)，緊急廣播均能以最高優(yōu)先級別進(jìn)行廣播。

（3）監(jiān)聽功能。設(shè)置能檢查各類待播的語音信號（或聲音文件）和監(jiān)聽正在播出的廣播語音的監(jiān)聽系統(tǒng)。

6 檢測系統(tǒng)

在升船機(jī)各部分裝有檢測裝置，檢測裝置由檢測元件和處理電路、信號變換、遠(yuǎn)距離信號的傳輸系統(tǒng)和模擬/數(shù)字顯示裝置所構(gòu)成，其中加入了冗余以及容錯的設(shè)計(jì)，因此檢測裝置對電控系統(tǒng)的作用并非只是單一檢測裝置對系統(tǒng)作用的簡單代數(shù)和，而是在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善系統(tǒng)的性能和提高系統(tǒng)的可靠性。

（1）檢測項(xiàng)目和數(shù)量的配置，可以滿足控制系統(tǒng)對檢測設(shè)備的總體技術(shù)原則的要求，并能有效地滿足升船機(jī)的安全性、可靠性?？梢詫?shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確地運(yùn)行以及對重要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)護(hù)檢測的需要。

（2）檢測項(xiàng)目和數(shù)量的配置滿足升船機(jī)控制系統(tǒng)對整個升船機(jī)系統(tǒng)設(shè)備自檢的需要。

（3）對檢測裝置的輸出信號進(jìn)行調(diào)理和規(guī)范處理使其滿足PLC控制單元和二次顯示儀表的輸入需要。

7 結(jié)語

烏江思林水電站是貴州區(qū)域的烏江干流水電開發(fā)進(jìn)程的重要里程碑，也是烏江流域的第8個梯級電站。烏江思林水電站升船機(jī)上游及下游還有沙陀水電站升船機(jī)以及構(gòu)皮灘水電站三級升船機(jī)，這3個水電站的升船機(jī)構(gòu)成了烏江流域的重要通航設(shè)施。升船機(jī)采用的分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全、可靠、技術(shù)先進(jìn)，為今后烏江上游升船機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了借鑒作用。