清江隔河巖大壩泄洪閘門集控系統改造需求與解決方案

2016-04-25 02:00:01程澤斌王靖歐湖北清江水電開發有限責任公司湖北宜昌443000

水電站機電技術 2016年3期

程澤斌，王靖歐（湖北清江水電開發有限責任公司，湖北宜昌443000）

程澤斌，王靖歐
（湖北清江水電開發有限責任公司，湖北宜昌443000）

摘要：介紹了泄洪閘門集控系統改造的網絡結構設計、軟硬件選型及系統實現思路，提出雙吊點閘門啟閉機液壓同步控制策略，對電磁換向閥旁通泄油的液壓同步流程進行闡述，分析了系統實施后的運行狀況。

關鍵詞：集控系統；液壓同步；旋轉編碼器

清江隔河巖大壩泄洪樞紐共設有4扇深孔和7扇表孔弧形閘門，分別位于11號～18號溢流壩段。表孔采用“一孔一站”方案，1套泵站控制1臺雙吊點液壓啟閉機操作。深孔閘門采用“兩孔一站”方案，1套泵站控制2臺單吊點液壓啟閉機操作。

原泄洪集控系統下位機PLC選用西門子S7-300系列，采用PROFIBUS-DP現場總線協議，實現2臺上位機和9臺現地PLC之間的通訊。由于通訊線路老化及接口裝置頻繁故障，造成系統上位機和現地PLC通訊異常，嚴重影響防汛安全。2014年，隔河巖電廠進行了泄洪集控系統改造。

1系統總體設計

新系統的設計較原系統有大的提升，在解決現有通訊問題的基礎上，優化了雙吊點液壓啟閉機的同步運行控制，增加手/自動容錯控制，實現數據遠程傳送至電廠監控系統。為明晰整體設計結構，采用分層分布式網絡控制結構，分為集控上位機（管理層），現地PLC（控制層）以及泄洪閘門控制部件（設備層）。

1.1控制層網絡結構

泄洪閘門集控系統的網絡拓撲結構圖見圖1，為了保證集控系統上位機與現地PLC控制和電廠監控系統通訊的可靠性、實時性，系統采用了雙星型冗余光纖以太網拓撲結構。服務器、交換機及PLC均分別連接至兩個互為冗余的網絡。雙星型網絡既通過雙網滿足了冗余需要，同時以星型拓撲結構保持了控制設備所需的通訊層次結構。現地單元配置觸摸操作面板，通過PROFIBUS-DP現場總線接入并預留擴展接口。

采用這種網絡結構能極大地提高系統傳輸的速率和穩定性，同時兼顧現場工業總線的接入優勢，兩路網絡之間采用并行傳輸方式，任何一臺服務器或一條線路故障，都不影響系統運行并保持通訊暢通。

圖1　泄洪閘門集控系統網絡拓撲圖

1.2管理層系統組態

基于現地采用的是西門子S7-300系列PLC，西門子WINCC成為上位機組態軟件的最佳選擇。WINCC的內置通用程序，具備所對應PLC的操作和管理功能，可簡單、有效地進行組態。并能展現與現場PLC設備一致的可視化界面，迅速直觀地反映設備的I/O測點、網絡通訊狀態，方便地讀取內部寄存器的數據，在上位機即可監控到整個現地控制系統的流程執行及上送報文信息。

但與良好的兼容性對應的是，WINCC的開放性不足。在與電廠監控系統進行遠程數據通訊環節，發現WINCC中的數據都進行了封裝，不能直接讀取出。這就造成從現場PLC上送的大量信息無法通過WINCC直接轉送至電廠監控系統。解決方案是在上位機運行一套獨立的與PLC通訊的進程軟件，繞過WINCC將信息上送至電廠。

1.3設備層傳感器

弧形閘門的運動軌跡是一段非標準的圓弧，所以難以直接通過開度傳感器測量閘門開度，而是將非標準的圓弧分成若干段，每段近似為一段直線，將近似的直線位移轉化為軸承運動的機械轉角，通過旋轉編碼器來測量機械轉角，然后得出每段的直線位移從而計算出閘門的開度。原有的閘門行程傳感器只單一采用了相對型旋轉編碼器，要先將活塞行程的編碼器數據通過解碼器轉換成4～20 mA模擬量信號，再接入PLC換算高度，精度較差且易受干擾。

依據系統的特點，閘門開度傳感器同時使用兩種不同類型的編碼器—增量式編碼器和絕對式編碼器。在拉繩卷筒兩側，同軸安裝相對型和絕對型兩種旋轉編碼器，相對型旋轉編碼器接入手動控制回路，通過解碼器直接顯示活塞行程。而自動控制系統選擇絕對型旋轉編碼器，通過西門子SSI高速計數模塊換算。由于絕對型旋轉編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼，測值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關，這樣就可以很方便地將啟閉機活塞的行程測值，通過線性插值公式，精確轉換成閘門的開啟高度。

相對型旋轉編碼器還作為控制過程中的冗余配置，對兩種編碼器采集數據進行容錯檢測，當絕對型旋轉編碼器損壞或者出現誤碼的時候，此信號可以作為控制系統實現自動糾偏的重要參考信號，從而能避免單一傳感器故障造成的控制異常，增加系統運行的可靠性。

圖2　閘門傳感器反饋環節示意圖

2雙吊點閘門啟閉機液壓同步控制

由于隔河巖表孔泄洪閘門采用雙吊點液壓啟閉機，在啟閉閘門過程中,閘門兩側受到的摩擦阻力都是隨機變化的，由于兩側液壓油缸受力不均以及油缸工作特性不同等原因，會造成兩側油缸的運行出現偏差，閘門長時間的非水平啟閉勢必會造成這種運行偏差的累積。如果雙缸同步誤差過大,會造成鋼閘門卡阻、側水封磨損、鋼閘門漏水以及門槽軌道變形等缺陷,影響啟閉機的正常工作。所以，系統必須設置閘門同步糾偏功能來保持閘門左、右兩缸的運行同步。

2.1液壓同步控制策略

新系統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時檢測液壓啟閉機左、右兩缸的行程，通過兩缸行程的偏差進而判斷兩側油缸運動的超前滯后關系，同時得到系統同步運動的同步超差大小及液壓系統的工作情況等信息。

如果檢測在閘門啟閉過程中需要進行同步糾偏時，根據控制系統發出的糾偏控制信號，當一側缸體提升閘門過快時（相對對側缸體位移超過6 mm），開啟電磁換向閥，通過調速閥向油缸旁路泄油，進行減速分流，減小兩缸運行的相對誤差直至為零，然后關閉調速閥。程序隨時調節兩缸運行的相對速度，最終實現雙缸閘門的同步控制。

2.2位移閉環同步實施

新系統通過位移閉環同步控制實現閘門運行的同步控制。在閘門啟閉過程中，計算4種閘門兩側油缸運行的行程差值△H，以保證閘門運行同步超差時糾偏的準確性與及時性，行程差值△H分別為：

（1）糾偏啟動偏差值△H1：

若閘門兩側油缸行程偏差△H大于△H1時，系統開始同步糾偏。

（2）糾偏結束偏差值△H2：

若閘門兩側油缸行程偏差△H小于糾偏結束偏差值△H2，則系統停止同步糾偏。

（3）停閘糾偏差值△H3：

若閘門左右油缸行程偏差值△H繼續變大并最終大于系統停閘糾偏值△H3，那么系統停閘糾偏。

（4）停機偏差值△H4：

若閘門左右油缸行程偏差值△H繼續變大并最終大于系統停機偏差值△H4，說明系統同步控制已經失效，系統停機保護閘門。

3閘門啟閉機保護控制

由于泄洪閘門屬于重要設備，且體積巨大，在啟閉機運行控制上設置多重保護。包括在油缸配置多級保護閥塊，閥組安裝溢流閥，控制回路上設置限位開關等。

3.1超行程保護

在拉繩重錘的運動路徑上安裝上、下限位光電接近開關，防止啟閉時超出油缸行程。同時為防止啟閉機關閉時，閘門對壩體造成沖擊，控制上不能直接將閘門關到位，至全關位置50 mm距離時停泵，依靠閘門自重及水壓壓緊閘門止水封。

3.2超壓失壓保護

系統還設計了多種功能的保護用壓力繼電器參與控制。如空載啟動時啟動系統壓力保護；閘門開啟時保護下腔及系統不超過調定壓力；閘門關閉時可以調定油缸下腔回油產生的背壓即持住油壓，并且保護上腔不超過調定壓力；以及在閘門開啟或者關閉過程中，高壓軟管突然斷裂時失壓壓力繼電器動作發信，電磁閥動作保護持住閘門。

3.3電氣控制保護

系統對各類輸入信號分級，并對控制回路進行了完整試驗，確保無論在手/自動、現地/遠方各種工況下，出現過流、過載、PLC異常、通訊中斷等故障時，均能正確動作，將閘門關閉或持住，并能避免對一側油缸的單獨控制操作。

4集控系統應用分析

在完成對隔河巖大壩泄洪閘門集控系統各個單元測試、系統整體靜態調試、系統實際帶門動態調試后，泄洪集控系統已基本達到了設計的要求。分析系統啟門和閉門過程的開度曲線，如圖3、圖4所示，可以看出系統啟門過程和閉門過程中，閘門開度與時間幾乎成正比，表明系統同步運行情況良好。

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

5結語

清江隔河巖水電站泄洪閘門集控系統改造完成并投運已滿一年，多次實際運行操作表明，該系統硬件設計可靠，軟件設計能夠滿足系統的各種控制要求，同時能夠迅速識別并切換運行工況，實時進行故障偵測，及時發出保護報警。實現了增量式和絕對式編碼器的冗錯配置，以及系統實時狀態的遠程傳輸，確保了電站發電及泄洪系統間的同步控制運行。