烏江思林水電站升船機控制系統設計

周暢游，醋院科，肖 鵬

（1.華電電力科學研究院有限公司，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型式。升船機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、垂直升船機主體、上閘首、上游引航道（其中包括錨固墩、靠船墩、浮堤）等設施。

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

1 控制系統設計原則

根據烏江思林升船機工程特殊要求，升船機控制系統的設計原則與要求如下：

（1）根據流程平穩、準確、靈活、安全可靠、協調地控制與監視升船機全行程運行。

（2）分布式2層控制結構。

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

（4）原則上采用共用速度環完成多電機傳動并能實現多電機出力的均衡控制方式。

（5）當上、下游水位發生較大、較快速的變化時，承船廂能夠準確停位。

（6）船廂按S型速度曲線平穩運行。

（7）完善的安全保護措施。

（8）關鍵部件的熱備和冗余設計。

（9）通航指揮系統、廣播系統等通航監控調度手段。

2 控制系統組成

升船機的控制系統設備主要由檢測系統等設備、計算機監控系統、工業電視系統、廣播系統組成[1-2]。

計算機監控系統采用2層分布式控制結構，即系統分為主控級和現地子站級2層。

主控級設置監控站。1臺數據庫服務器，1臺網絡服務器、1臺工程師/培訓員工作站和1臺多媒體計算機。在升船機集控室內布置有主控級設備。

計算機監控系統現地子站級由：主提升機房現地控制子站、主提升傳動控制子站、上閘首臥倒小門現地控制子站、上閘首現地控制子站、承船廂A泵站現地控制子站、下閘首臥倒小門現地控制子站、下閘首現地控制子站、承船廂B泵站現地控制子站等8個現地控制子站（LCU）組成[3-4]。

升船機設置1套廣播系統和1套工業電視系統，在上閘首、上閘首臥倒門、主機房、下閘首、下閘首臥倒門、承船廂等部位設有音頻及視頻設備，以便于指揮和監視船只在升船機區域的運行。

3 控制系統設計

思林升船機的控制工藝較復雜、控制對象較多、設備布置較分散?；谝陨咸攸c和思林升船機的運行控制要求，控制系統的控制結構采用分布式的雙層控制結構，分別設置位于中心控制室的集中監控管理級計算機和位于各子系統的控制級控制器。思林的計算機監控系統采用SIEMENS公司的PCS7計算機監控系統，升船機系統的流程控制實時監視、通航指揮、單機構調試依靠計算機監控系統實現。該系統具有實時數據處理、故障報警及應對處理、升船機自動控制、多媒體管理、人機對話、升船機系統時鐘同步、歷史數據管理、網際通信、本地網絡通信等功能，具體監控系統結構如圖1所示。

圖1 思林升船機控制系統結構圖

3.1 網絡結構

主控級雙操作員工作站、數據庫服務器、工程師/培訓工作站和多媒體服務器、網絡服務器之間采用1000 Mb/s工業單以太網連接，組成主控級信息網絡。

主控級網絡通過可網管工業交換機與各個現地控制站之間的交換機形成100 Mb/s的雙環工業以太網連接。各現地子站之間設置一條I/O硬連接通道，當工控網絡故障時，通過I/O硬連接進行各現地子站之間必要的閉鎖，實現網絡故障狀態下的應急操作運行。

3.2 主控級

正常情況下，雙機熱備為主控級監控主機采用的工作方式，其中1臺用于工作，1臺用于備用。當工作主機發生故障時，備用機可以升級為工作主機，實現雙機無擾動的自由切換。

網絡服務器主要承擔主控級以太網通信管理。負責升船機數據庫管理和對外通信。

多媒體系統中的工業電視和廣播控制管理由多媒體工作站負責實現。

主控級集控軟件的編制、設計及修改由工程師站負責實現，同時工程師站也負責下載各現地子站的程序。其他功能還包括網絡運行情況的實時監控，工控網絡監控軟件的運行等。

主控級系統：

（1）主控級監控系統的主要功能是升船機實時動態運行屏幕顯示、數據采集和處理、事件順序記錄、數據通信、事故處理以及恢復操作指導、軟件開發及培訓的功能、系統設備運行維護管理等功能。

（2）主控級監控系統的特點是準確、迅速、有效。可以完成對升船機被控對象的實時流程控制和實時安全監視以及分支機構的調試控制。

（3）主控級控制系統是升船機完成實時控制和監測的中心。其具體職責包括升船機的流程控制、實時監視、通航指揮及單機調試，多媒體管理等功能。

3.3 現地控制級

根據工藝特點，建筑物的布置和現場控制的分布情況，現場設置8個現地控制站，控制站均配置冗余的SIEMENS控制器及其遠程I/O子站。

3.3.1 現地控制系統功能

（1）現地子站控制級的主要功能包括集中分步流程的控制、升船機各機械設備集中自動流程控制、現地手動調試、實時數據處理、集中單機構調試、故障報警及應對處理、現場網絡通信以及人機對話等功能?？梢酝瓿膳c上述信息的處理和上傳。

（2）各現地控制子站的主要功能有：控制對象狀態的現地實時指示燈顯示和數字顯示、對現地傳感器的數據采集和處理、專業鍵盤及按鈕開關操作、事件順序記錄、故障確認及恢復操作、通航信號燈的控制、事故報警及應對處理、現地網絡的數據通信、現地設備的狀態診斷和系統狀態的自診斷等功能。

（3）各現地級控制子站的特點是準確、迅速、有效。包括完成對升船機被控對象的實時流程的控制、實時監視以及現地單機構動作控制等功能。

（4）當各現地控制子站需要對現場傳感器的數據進行采集和處理時，通過現地站的各模擬量數據傳感器采集并上傳監控系統，系統將對模擬量是否合理有效進行判斷，以及完成標度變換與工程系數修訂。系統還將對數字量進行防抖動處理，將抗干擾濾波應用于數據處理，同時也進行合理有效性的判斷。

3.3.2 各現地子站功能分配

（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）網絡通信。

（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）臥倒小門啟閉機控制。

2）臥倒小門鎖定裝置控制。

3）臥倒小門支承機構控制。

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）臥倒小門支承機構位置檢測。

8）網絡通信。

（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?。

4）主提升電機風冷電機。

5）船廂上下行準確停位控制。

6）船廂行程檢測。

7）船廂行程偏差及找點停位檢測。

8）船廂運行速度與位置檢測。

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/上閘到位狀態及閘皮磨損檢測。

13）安全制動器松閘到位狀態及閘皮磨損檢測。

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）網絡通信。

（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、頂緊機構、對接鎖定機構控制。

3）船廂上游端充、泄水裝置控制。

4）船廂上游側防撞梁控制。

5）船廂門控制。

6）船廂門鎖定裝置控制。

7）船廂靜態調平控制。

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）船廂靜態調平檢測。

18）船廂動態水平檢測。

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）網絡通信。

25）無線通信。

（5）主提升傳動控制子站主要功能

1）主提升電機交流變頻傳動裝置控制、保護。

2）共用一個速度環控制進行多電機傳動。

3）多電機出力均衡控制。

4）動態預加力矩控制。

5）速度曲線運行控制。

6）上下行準確停位控制。

7）主提升電機交流變頻傳動裝置開關量、模擬量等狀態信號的采集。

8）同步軸扭矩測量。

9）船廂行程、運行速度、加速度檢測。

10）網絡通信。

4 工業電視監控系統設計

升船機設有工業電視系統。在集控室中設有矩陣控制器、硬盤錄像機、監視器等，通過在升船機建筑內各層布置攝像機，對整個升船機的設備運行情況及整體運行過程和各控制站點包括各個重要分機構的工作情況進行監視，如圖2所示。

圖2 工業電視監控系統

通過工業電視系統對升船機各機房控制設備進行全面監視。工業電視監控系統的布局合理、配置靈活，軟件具備更新功能、可滿足長時間運行。

5 廣播與通航指揮系統設計

升船機的廣播系統采用自動、人工兩種播音方式。自動方式下根據升船機計算機監控系統指令播放多媒體服務器的語音信號，并具有廣播監聽等功能。

廣播與通航指揮系統功能：

（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，實現廣播指揮。

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

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

6 檢測系統

在升船機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、遠距離信號的傳輸系統和模擬/數字顯示裝置所構成，其中加入了冗余以及容錯的設計，因此檢測裝置對電控系統的作用并非只是單一檢測裝置對系統作用的簡單代數和，而是在此基礎上進一步改善系統的性能和提高系統的可靠性。

（1）檢測項目和數量的配置，可以滿足控制系統對檢測設備的總體技術原則的要求，并能有效地滿足升船機的安全性、可靠性?？梢詫崿F高效準確地運行以及對重要設備進行監護檢測的需要。

（2）檢測項目和數量的配置滿足升船機控制系統對整個升船機系統設備自檢的需要。

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

7 結語

烏江思林水電站是貴州區域的烏江干流水電開發進程的重要里程碑，也是烏江流域的第8個梯級電站。烏江思林水電站升船機上游及下游還有沙陀水電站升船機以及構皮灘水電站三級升船機，這3個水電站的升船機構成了烏江流域的重要通航設施。升船機采用的分布式控制系統設計安全、可靠、技術先進，為今后烏江上游升船機控制系統設計提供了借鑒作用。