丹江口水電站進水口閘門控制系統的設計與應用

劉燕 陳琳

摘 要：進水口閘門控制系統改造是南水北調中線丹江口大壩加高工程的重點項目。原進水口閘門控制系統無論是硬件還是軟件都不能適應現代自動化技術要求且故障率逐年上升，改造后的閘門控制系統采用集中控制與分散操作相結合的方案，大大提高了自動化水平。

關鍵詞：閘門；PLC；設計；應用

概述

丹江口水電站裝設有6臺混流式水輪發電機組，每臺機組對應1臺快速閘門。原快速閘門控制系統裝置由中控室閘門控制盤和壩頂閘門控制盤組成，通過光纖通訊實現中控室和壩頂信息的交換，6臺快速閘門共用2臺油泵，一臺為主用泵，當閘門下滑250MM時啟動打油提門，一臺為備用泵，當閘門下滑300MM時啟動提門。油泵的啟停由交流電機固態控制器（SGK）來實現。當機組轉速逸速至150%Ne時，系統將緊急落閘門；當機組進行檢修時，將進水口閘門關至全關，給檢修增加一道安全屏障。因此，進水口閘門控制系統性能的優良以及設備的健康水平，將直接影響到機組的安全穩定運行。

1 原快速閘門控制系統存在的主要問題

1.1 原快速閘門控制系統已經運行十多年，元器件出現不同程度老化，工業控制計算機不定時出現死機或自動重啟現象，無法進行遠方自動監控等操作。

1.2 六臺機組閘門控制回路共用一套系統，無法對系統元件進行校驗、檢修，而且一個局部故障會對整個系統造成影響。

1.3 事故落門回路僅由一個電磁閥控制，一旦電磁閥發卡或者銹蝕，不能正常動作，將會造成嚴重后果，單一的電磁閥控制回路可靠性較低。

1.4 單一一路光纖通訊模式，無冗余機制，穩定性差

綜上所述，無論是在性能結構、配置、控制方式上，還是可靠性方面，該控制系統都已不能滿足安全生產需求，必須進行全面改造。

2 快速閘門的設計原則

鑒于原快速閘門控制系統存在的問題，改造后的快速閘門主要設計原則是每臺機組進水口快速閘門控制回路獨立，可隨機組大修進行檢修和維護，沿用PLC控制方式，利用現代計算機技術構建遠程集中控制和現地控制相結合的結構模式。經過多層面研究討論最后確定每臺機組配置1套進水口快速閘門，共6套。每2套快速閘門由1套液壓泵站驅動，共3套液壓泵站。每套液壓泵站設置1套現地控制站，在中控室設置1套閘門集控站，與三套現地控制站組成一個環形網絡，實現對6臺閘門的遠方控制與監視。

2.1 系統方案

丹江口水電站6套進水口快速閘門設置一套閘門計算機監控系統，其監視與控制對象為6套進水口閘門液壓啟閉機現場機電設備。

新閘門計算機監控系統采用集中控制與分散操作相結合的監控系統方案。系統由閘門集控站、通訊網絡、現地控制站三大部分組成。

閘門計算機監控系統集控站和現地控制站采用西門子S7-300系列PLC作為控制核心，工業級以太環網組網，網絡通訊模塊采用西門子S7-300系列以太網通信模塊，網絡交換機采用臺灣摩莎MOXA工業以太網交換機EDS-405系列產品，集控站的彩色圖形操作面板通過以太網絡與集控PLC相連，實現集控站人機接口功能。

2.2 系統功能

2.2.1 控制功能

新閘門控制系統可以選擇三種方式控制閘門的操作，分別是手動、程控、集控控制方式。

（1）快速事故閉門：當水輪發電機組發生飛逸事故或引水管破裂事故時，閘門需要迅速關閉。在集控站通過觸摸屏操作，發出快速閉門命令，由現地控制站執行快速閉門命令，閘門靠自重迅速關閉。

（2）停機：集控站通過觸摸屏操作，發出停機命令，由現地控制站執行停機命令。需要特別指出停機是指停油泵電機而不是停水輪機組。

（3）慢速閉門：正常檢修時，集控站通過觸摸屏操作，發出慢速閉門命令，由現地控制站執行慢速閉門命令，將閘門下腔壓力油引入啟閉機上腔，采用差壓慢閉的方式緩慢關閉，油泵不啟動。

（4）平壓啟門（平壓前）/啟門（平壓后）：當未平壓時，集控站通過觸摸屏操作，發出平壓啟門命令，通過網絡將命令發給進水口閘門現地控制站，此時1號油泵立即啟動，5秒后2號油泵啟動，雙泵空載10秒后開始提充水閥，提升閘門到充水位置240毫米后停泵，壓力鋼管開始充水。平壓后，集控站通過觸摸屏操作，發出啟門命令，通過網絡將命令發給進水口閘門現地控制站，油泵啟動提升閘門至全開位置11.75米時停泵。

2.2.2 監視功能

集控站和現地控制站設置閘門位置、設備故障、電源指示等指示燈方便運行人員監視閘門狀態。集控柜配置1臺12英寸的觸摸式彩色圖形操作面板，用于集控及現地設備的運行狀態顯示、故障記錄顯示，以及在線幫助顯示。

2.2.3 閉鎖功能

當現地機電設備發生液壓故障或電氣故障時，對事故閉門以外的其他動作進行閉鎖；當存在事故閉門時，對提門動作進行閉鎖。

3 主要硬件配置

3.1 供電電源

電源的穩定性、可靠性對設備的安全運行起著至關重要的作用，所以電源回路要遵循設計合理、智能監控的思路。閘門控制系統供電采用交直流雙重供電加UPS模式。

3.1.1 UPS電源

閘門現地控制盤和閘門集控站的220VAC控制電源系統選用山特1KVA/h在線式不間斷電源供電，UPS斷電工作時間不小于0.5小時。

3.1.2 直流24V供電電源模塊

系統采用2套直流穩壓電源互為備用的工作方式，由兩個供電系統分別供電，1套輸入電源取自UPS；另外1套輸入電源取自直流220V控制電源，大大提高了控制系統工作電源的可靠性。

3.2 S7-300可編程序控制器

PLC因其抗干擾能力強、可靠性高、構成靈活、易擴展等眾多優點已成為現代工業控制領域的主流，我廠從選型統一，便于維護作為出發點，選用西門子S7-300型PLC作為整個閘門控制系統的核心部件。

3.3 網絡交換機

閘門現地控制盤和閘門集控站網絡交換機選用臺灣摩莎MOXA工業以太網交換機EDS-405系列產品，遵循TCP/IP標準通信規約。該交換機具備冗余電源機制，提供了2路電源輸入接口，當一路輸入電源出現故障時，另一路自動為交換機提供工作電源，同時相應繼電器動作，輸出報警信息。

4 在實際應用中需改進的方面

4.1 新快速閘門控制系統電源部分設計冗余性較好，但是2臺機組共用1套泵站的工作方式，使得兩臺機組的工作電源是共用的。如果需要對其中1臺機組某個元件進行停電檢查或者更換，就會影響到在運行機組的正常工作。建議用空氣開關作為斷點，將2臺機組的工作電源進行分離，便于正常檢修和日常維護。

4.2 閘門“關終位”和“上極限位”檢測選用的是接近開關，接近開關采用無接點輸出方式，壽命長，但是受相鄰傳感器的干擾，輸出不穩定，另外其對檢測距離的精準性要求較高，一旦出現故障需要更換，對檢測距離的調整比較困難，需要反復提門和落門，直到找到最合適的檢測距離。建議將接近開關更換為限位開關，限位開關是接觸式開關，只要操作的接觸力達到一定值，就會觸發開關，輸出穩定，也便于更換。

5 結束語

丹江口水電站閘門控制系統更換安裝從2010年5月開始，至2013年4月結束。經過實際運行，新的閘門控制系統不僅在硬件上進行了更新，在軟件上也得到了質的飛躍，實時、準確、有效地完成了正常啟/閉門工作，設計理念和安裝質量得到了全面檢驗。

參考文獻

[1]武漢邁科機電新技術有限公司.丹江口電廠進水口快速閘門集中控制系統技術協議[Z].