李文祥 鄭 雄 郭天龍

喀麥隆曼維萊水電站項目工程位于喀麥隆共和國南部大區(qū)馬鞍境內(nèi)的恩特母河上，裝機容量211 MW（4×52.75 MW），為喀麥隆在建的最大水力發(fā)電站。曼維萊水電站泄洪系統(tǒng)主要由泄洪沖沙閘1 孔和泄洪閘5 孔組成，均為開敞式布置。其中沖沙閘和泄洪閘共用1 套（8 片）疊梁檢修閘門。每個泄洪閘和沖沙閘都有弧形工作門1扇。每一泄洪閘弧形工作門采用2×1 600 kN 雙點液壓啟閉機啟閉，沖沙閘弧形工作門采用2×2 000 kN 雙點液壓啟閉機啟閉。每臺液壓啟閉機設(shè)置1 套液壓油泵站，每臺液壓油泵站的油泵電機組為2 組，互為備用?；⌒喂ぷ鏖l門具有全開、全關(guān)和設(shè)置開度3 種工作方式。

每套弧門都有1 套電氣控制系統(tǒng)，實現(xiàn)弧形工作閘門的啟閉全過程控制、油泵組的自動啟?？刂?、工作泵與備用泵的切換控制、各種工況參數(shù)的自動采集與監(jiān)視以及故障報警等。該控制系統(tǒng)以可編程邏輯控制器PLC 為核心，通過FXS-IIB 數(shù)字閘門開度測控儀中行程檢測裝置（絕對型軸角編碼器測量元件），其輸入接口為SSI 串接口，通過開度儀將測量數(shù)碼量轉(zhuǎn)換為4～20 mA 的模擬量傳送至現(xiàn)地電氣控制柜的施耐德PLC 的CPU 上，用于閘門左右杠開度顯示及顯示門實際開度值，從而最終通過程序?qū)崿F(xiàn)閘門的控制。

1 系統(tǒng)配置

每套泄洪閘弧門電氣控制系統(tǒng)分為操作控制柜、電控柜及外部傳感器元件三部分組成。操作控制柜主要為其控制回路，柜內(nèi)設(shè)有PLC、高度變送器、比例放大板、繼電器、信號燈、按鈕、觸摸屏及轉(zhuǎn)換開關(guān)等設(shè)備，PLC 負責完成信號的采集、處理、顯示。電控柜的2 路三相四線制電源由主溢洪道400 V 低壓柜一次電源分盤引入，柜內(nèi)還設(shè)有斷路器及相序保護裝置等設(shè)備，給整個控制系統(tǒng)提供電源使油泵電機正常啟動控制。外部元件包括液壓泵系統(tǒng)壓力變送器、溫度控制器、液位傳感器、左右缸壓力傳感器、回油箱壓力傳感器、弧門開度編碼器及比例電磁閥等。

2 系統(tǒng)功能

2.1 主溢洪道弧門的啟閉控制

2.1.1 操作方式

液壓啟閉機電氣控制系統(tǒng)通過手動、自動和遠方3種操作方式對主溢洪道弧門進行閘門啟閉控制。這3 種操作方式都是通過控制柜操作面板上的“工作方式選擇旋鈕”進行切換。

閘門控制選擇手動方式時，手動選擇需要啟動的油泵電機，待油泵啟動延時10 s 后，手動實現(xiàn)閘門的啟閉。當閘門處于手動狀態(tài)下，PLC 只能監(jiān)視閘門雙缸開度，不能進行自動糾偏調(diào)節(jié)，但是可以通過FXS-IIB 數(shù)字閘門開度測控儀表觀察左右缸的偏差，觀察觸摸屏上顯示的閘門兩側(cè)開度數(shù)字，同時操作比例調(diào)節(jié)旋鈕手動給定比例閥的大小進行手動糾偏。由于閘門上升和下降時的人工糾偏剛好相反，很容易出錯，故設(shè)備正常情況下不建議采用手動操作方式。

閘門控制選擇自動方式時，首先把2臺電機和控制柜操作面板全部切換到自動方式，通過人機界面登入控制系統(tǒng)，在人機界面出現(xiàn)全啟、全閉、停止和設(shè)置開度。當通過智能人機界面設(shè)定閘門所需開度，然后在屏幕上點擊“確認”接著彈出一個“是否執(zhí)行”的對話框，點擊“是”，PLC將自動按程序?qū)崿F(xiàn)閘門的啟閉。同樣的當在屏幕點擊全啟全閉或停止時，屏幕會彈出一個“是否執(zhí)行”的對話框，點擊“是”，PLC將自動按程序?qū)崿F(xiàn)閘門的啟閉和停止。

閘門控制處于遠方操作方式時，有兩種操作：（1）在壩區(qū)控制室LCU 柜上可控制閘門的啟閉。（2）廠房中控室上位機發(fā)出“遠控開度設(shè)值”、“遠方開度設(shè)值確認”、“遠控啟閉命令”等指令，也可實現(xiàn)主溢洪道弧門的遠方啟閉，并將閘門運行及報警的相關(guān)信息送至中控室。在選擇對應(yīng)的遠方操作方式，需要將柜子上的“遠方”“現(xiàn)地”轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換到對應(yīng)位置。

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2.1.2 緊急停機

無論閘門在任何控制方式下運行，都可以通過“緊急停機”硬按鈕或人機界面上的“Emergency Stop”實現(xiàn)緊急停止。

2.1.3 主溢洪道弧門下滑回升功能

閘門控制處于自動方式或遠方方式時，閘門下滑100 mm，自動啟泵提門，到原設(shè)定位自動停機；如果閘門下滑超過200 mm，自動啟泵提門并報警，啟門到原設(shè)定位停止下滑保護。當閘門下滑時也可以將運行方式切換至手動方式，手動啟門到原設(shè)定位置時，消除下滑報警。

2.2 電機的啟?？刂啤⒈O(jiān)測和保護

（1）工作電機與備用電機的選擇：2 臺電機互為備用，啟動一次后下次啟動轉(zhuǎn)換工作與備用的關(guān)系。

（2）工作電機與備用電機的故障切換：當工作電機故障時啟動備用電機，備用電機也出現(xiàn)故障則禁止操作閘門。

2.3 液壓站的控制、監(jiān)測、保護

（1）液壓泵站的控制系統(tǒng)失壓、超壓保護：當系統(tǒng)壓力低于3 MPa 時，延時10 s，報警，停機；當系統(tǒng)壓力高于15 MPa 時，報警，停機。

（2） 液壓泵站油箱油位過高、過低保護：“液位繼電器向PLC 發(fā)送兩路開關(guān)量信號，供PLC 檢測油箱液位變化，并在高液位（油箱液位大于1 100 mm）報警，低液位（油箱小于300 mm）報警、停機。

（4）油缸有桿腔失壓：當左缸或者右缸有桿腔壓力低于3 MPa 時，延時10 s，報警、停機。

（5） 回油壓力過高保護：當系統(tǒng)回油壓力超過5 MPa 時，報警。

（6）回油過濾器、高壓過濾器堵塞報警功能：報警。

2.4 液壓啟閉機雙缸油缸的同步控制功能

2.4.1 油缸行程采樣

左右缸油缸的行程信號通過左右缸的編碼器將其SSI 絕對型編碼器信號送入數(shù)字閘門開度測試儀中處理轉(zhuǎn)換輸出兩組4～20 mA 的模擬電流量進入PLC 進行采樣處理，最終將換算左右缸的行程顯示在觸摸屏上，再通過廠家提供的閘門開度與左右缸行程的公式在PLC 中計算，在觸摸屏上顯示閘門的實際開度。左右油缸的行程信號最終的行程輸出精度小于±1 mm。

2.4.2 弧門同步控制

在弧門啟閉過程中，泄洪閘弧形工作閘門液壓啟閉機液壓控制系統(tǒng)為雙點控制系統(tǒng)，為保證兩支油缸的同步運行，需設(shè)置同步糾偏回路，使閘門運行更加通暢，在液壓控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置閉環(huán)調(diào)節(jié)比例閥同步糾偏回路，設(shè)計中采用由一個調(diào)速閥和一個比例閥構(gòu)成的雙缸控制回路，通過檢測的兩缸位置信號，反饋給PLC，PLC 通過兩缸的位置偏差值處理信號后，來控制PLC 比例放大板輸出電壓大小，調(diào)節(jié)比例調(diào)速閥的流量，以減小兩缸的行程偏差，盡量使其開度保持在10 mm 以下，實現(xiàn)兩缸的同步運行，確保弧門能夠平穩(wěn)啟閉。當兩只液壓缸的行程偏差值不小于25 mm 時，液壓系統(tǒng)將自動停機并發(fā)出報警信號，確?；￠T啟閉安全。同步控制原理如圖1所示。

圖1 弧門同步控制原理圖

2.5 觸摸屏界面

觸摸屏界面分為監(jiān)控和操作運行2 個界面，監(jiān)控界面主要包括“主畫面”、“開入量”、“開出量”、“定值設(shè)定”、“報警”這幾畫面，能夠顯示電機，液壓泵、啟閉機、弧門運行速度；閘門左右杠開度，提供報警指示，并可通過報警界面查看歷史報警記錄。

操作界面通過密碼登錄，將“自動”、“遠方”、“現(xiàn)地”把手置現(xiàn)地位置，輸入對應(yīng)的指令來實現(xiàn)閘門的開啟、關(guān)閉、停止和開度設(shè)置。

3 系統(tǒng)特點

曼維萊水電站主溢洪道弧門控制系統(tǒng)在調(diào)試和運行過程中表現(xiàn)了良好性能，閘門運行平穩(wěn)、雙缸同步誤差小、數(shù)據(jù)采集精度高、糾偏性能良好?？v觀弧門控制系統(tǒng)的配置和功能，該系統(tǒng)具有以下特點：

（1） FXS-IIB 數(shù)字閘門開度儀將左右缸行程控制在±1 mm 以內(nèi)，行程測量精度遠遠高于傳統(tǒng)的鋼絲繩測量方式，這就為弧門的平穩(wěn)運行打下良好基礎(chǔ)。

（2）采用PID 調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、功率放大器，糾偏速度快，調(diào)節(jié)曲線平滑，無超調(diào)和躍變，保證閘門的平穩(wěn)運行。

（3）采用觸摸屏，操作觀察直觀簡便。當有故障發(fā)生時，能夠查看報警畫面并能查看歷史報警記錄。

（4）在廠房中控室能夠觀察提取閘門的狀態(tài)量、報警信息、歷史開度進行數(shù)據(jù)分析，可實現(xiàn)弧門的遠方控制。

4 結(jié) 語

主溢洪道弧門采用雙缸液壓露頂式弧形閘門在國內(nèi)外現(xiàn)已廣泛使用，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但是做到真正無人值班全自動化的遠方啟閉門泄洪，不僅需要優(yōu)良的制造安裝工藝，還需監(jiān)查控制系統(tǒng)的高度配合及安全、可靠的自動化測量元件。曼維萊水電站主溢洪道弧門啟閉機電氣控制柜配置了TK6100Ⅳ5 人機觸摸屏，可通過簡單的操作向PLC 發(fā)出控制命令最終實現(xiàn)現(xiàn)地或遠方對閘門的控制，并且能報文查看其精確查找故障點，減短了故障排查的時間，提高了維護人員的工作效率。