大型鋼壩閘控制系統(tǒng)設(shè)計

0 引言
    隨著我國城市用水、景觀建設(shè)及環(huán)境整治和灌溉、發(fā)電的需要，在水利水電建設(shè)中水閘和橡膠壩得到廣泛的運用。由于橡膠壩運行管理較復(fù)雜、安全性差、橡膠易老化等弊端，質(zhì)量事故發(fā)生率高。而鋼結(jié)構(gòu)閘門是一種新型可調(diào)控溢流壩，它由土建結(jié)構(gòu)、帶固定軸的鋼性壩體、驅(qū)動裝置設(shè)備等組成。這種構(gòu)筑物適合于河道孔口較寬(20～300 m)而水位差比較小的工況(2～8 m)，由于可以立壩蓄水，臥壩行洪排澇，還可以利用壩頂過水，形成人工瀑布的景觀效果，因此在越來越多的水利建設(shè)工程中得到應(yīng)用。本文介紹了黃山新安江大型鋼壩閘控制系統(tǒng)的設(shè)計體會，該系統(tǒng)具有很好的可靠性、穩(wěn)定性和實時性，符合控制系統(tǒng)危險分散的原則。

1 系統(tǒng)介紹
    黃山新安江鋼壩閘共有5孔，每孔寬度為46 m，擋水高度為4．8 m。鋼壩閘門向下游一側(cè)傾倒，臥倒后行洪。門頂(站立時)過水高度最大值為40 cm，以形成瀑布景觀效果。行洪時閘門以上設(shè)計水深為7．78 m。閘門最大轉(zhuǎn)角不小于90°，并可以在任意設(shè)定角度使閘門處于鎖定狀態(tài)。鋼壩閘門采用啟閉機驅(qū)動，液壓啟閉機分兩側(cè)布置，其中右岸一側(cè)啟閉機控制2孔閘門，左岸一側(cè)啟閉機控制3孔閘門。正常工況下運行速度可達3～5 m／min，一般不超過10 min即可完成升壩和塌壩，可有效保證突發(fā)洪水時能及時泄洪。示意圖見圖1。

    鋼壩閘控制系統(tǒng)按“少人值守”要求進行設(shè)計，以“分層管理、集中控制”為原則組成控制中心、現(xiàn)地控制和設(shè)備三層拓撲結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)配置和設(shè)備選型充分利用了計算機領(lǐng)域的先進技術(shù)，軟硬件均采用全開放、分布式模塊化結(jié)構(gòu)，使之有良好的擴充性，也便于運行管理的智能化。鋼壩閘控制系統(tǒng)作為新安江水利樞紐工程的一個子系統(tǒng)，不單設(shè)監(jiān)控中心(中控室)，在左、右岸液壓啟閉機房設(shè)2個現(xiàn)地控制站(PLC01站、PLC02站)。其中PLC01站控制2孔閘門，PLC02站控制3孔閘門。系統(tǒng)最關(guān)鍵的控制對象是液壓啟閉機液壓缸的行程控制，以防止在鋼壩閘啟閉時液壓缸行程偏差過大造成閘門扭曲變形甚至損壞。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    新安江鋼壩閘控制系統(tǒng)為三層拓撲結(jié)構(gòu)。
    第一層為控制中心層。以樞紐控制中心網(wǎng)管型交換機為核心，通訊協(xié)議為TCP／IP，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐率為100 Mb／s?？刂浦行牟僮鲉T站采用雙機冗余熱備工作方式，任何一臺計算機故障，不會影響系統(tǒng)的正常運行，保證系統(tǒng)的高可用性。工程師站可進行上下位軟件編程及調(diào)試。該層完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測、控制、通信及管理調(diào)度等功能，顯示鋼壩閘工作過程中的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)、設(shè)備運行狀態(tài)(工作／停止／故障)和閘門開度等。
    第二層為現(xiàn)地控制層。以施耐德Unity平臺為控制核心，主要完成對現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、順序控制流程、邏輯控制流程以及與系統(tǒng)中其他裝置的數(shù)據(jù)交換等。控制層網(wǎng)絡(luò)采用TCP／IP網(wǎng)絡(luò)以及環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)，以單模光纖為通信介質(zhì)，通過以太環(huán)網(wǎng)交換機構(gòu)成帶寬為100 Mb／s的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)控制信號的高速傳輸。該網(wǎng)絡(luò)為自愈性環(huán)網(wǎng)，當(dāng)環(huán)網(wǎng)發(fā)生一個光纖斷點時，通訊仍能夠正常進行。同時作為樞紐的控制主干網(wǎng)，光纖環(huán)網(wǎng)能在任何節(jié)點在線增加或刪除任意一個設(shè)備，也不會影響到其他設(shè)備的運行和通訊，充分考慮了樞紐工程系統(tǒng)管理的方便性?？刂葡到y(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    第三層為設(shè)備層。利用Unity PLC上MB通訊接口對MCC柜中的軟起動器和其他智能儀器進行多點通訊。這種不用傳統(tǒng)I／O模塊而直接采用總線電纜連接的通訊方式，在實現(xiàn)現(xiàn)場離散設(shè)備和PLC之間的數(shù)據(jù)數(shù)字化傳輸?shù)耐瑫r，將成本費用減少到最小。這種用于底層設(shè)備的低成本、高效率信息集成模式，已經(jīng)逐漸成為控制領(lǐng)域的主流。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計
3．1 技術(shù)要求
    對控制系統(tǒng)的技術(shù)要求如下：
    (1)由于鋼壩閘控制水平要求高，模件的負荷率必須小于50％；
    (2)I／O點余量為15％；
    (3)內(nèi)部存儲器占用容量小于等于50％，外部存儲器占用容量小于等于40％；
    (4)在滿足高穩(wěn)定性的控制要求前提下，提高性能價格比；
    (5)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，維護人員可以根據(jù)還原的歷史記錄迅速消除故障。
3．2 控制站PLC的硬件構(gòu)成
    系統(tǒng)設(shè)計選用施耐德Unity系列PLC，電源為冗余配置，Unity模件全部支持帶電熱插拔功能，通過模塊故障自檢功能可以使模塊的故障瞬間反應(yīng)在上位機系統(tǒng)上，大大方便了鋼壩閘控制系統(tǒng)運行、檢修和維護人員。以左岸PLC01站為例，開關(guān)量輸出54點、開關(guān)量輸入152點、模擬量輸出5點、模擬量輸入11點，右岸PLC02站相同。模塊配置時在實際統(tǒng)計的點數(shù)上還需留有15％的余量。PLC01站硬件配置如表1所示。

3．3 上位監(jiān)控系統(tǒng)
    上位監(jiān)控系統(tǒng)承擔(dān)著對鋼壩閘控制、系統(tǒng)管理及PLC編程、上位組態(tài)和調(diào)試等工作。編程軟件使用施耐德Unity Pro軟件，上位監(jiān)控軟件采用Wonderware公司的Intouch 10．O，操作系統(tǒng)為Window XP Professional。Unity Pro編程軟件完成對硬件組態(tài)、子站地址的分配，編寫整個系統(tǒng)程序的控制邏輯。該編程軟件采用國際標(biāo)準(zhǔn)的IEC6113l-3編程語言，通俗易懂、直觀簡單，強大的編程環(huán)境基本可以滿足一切工業(yè)邏輯要求。Intouch 10．0監(jiān)控軟件是一套工業(yè)自動化組態(tài)軟件，為系統(tǒng)提供了一個“過程化的窗口”和實時數(shù)據(jù)，為操作員提供了功能強大操作方便的人機界面。Intouch通過現(xiàn)地PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、記錄、故障報警等功能，并以圖形或報表的方式進行實時顯示及事件記錄、打印等。
3．4 控制模式
    鋼壩閘控制系統(tǒng)操作運行設(shè)有“遠程自動”、“遠程手動”、“現(xiàn)地手動”三種工作模式。“遠程自動”模式為正常的主要運行方式，根據(jù)鋼壩閘自動順序運行的條件，在操作員站上操作完成整個工作流程。在程序編寫中注意自動順序執(zhí)行期間，出現(xiàn)任何故障或運行人員中斷信號，都能使正在運行的程序中斷并回到安全狀態(tài)，使程序中斷的故障或運行人員的指令都將在畫面實時顯示。“遠程手動”模式為運行人員在畫面上點操作被控對象。在遠程手動模式下，系統(tǒng)提供了豐富的操作指導(dǎo)和反饋信息，指引操作人員的操作，以防止誤操作。“現(xiàn)地手動”模式是運行人員通過現(xiàn)地控制柜上按鈕操作被控對象。

4 主要控制功能的實現(xiàn)
    新安江鋼壩閘每孔閘門寬度為46 m，兩側(cè)液壓啟閉機液壓缸微小的行程偏差都會產(chǎn)生較大的扭力造成閘門在開啟過程中的偏轉(zhuǎn)、卡堵甚至損壞，因此在鋼壩閘運行中液壓缸的行程控制是關(guān)鍵。為防止出現(xiàn)在鋼壩閘啟閉過程中液壓缸行程偏差過大，各閘門啟閉機上均設(shè)置有閘門開度(行程)檢測裝置，現(xiàn)地PLC可接受檢測裝置中絕對型編碼器發(fā)送的閘門開度數(shù)據(jù)(分辨率為1／4 096)，控制中心可據(jù)此數(shù)據(jù)對現(xiàn)地各孔閘門的運行進行嚴密監(jiān)控。其中行程檢測裝置及行程開關(guān)是關(guān)鍵的檢測部件，要求選用具有高可靠性、技術(shù)先進的產(chǎn)品。通過行程檢測裝置可順利實現(xiàn)鋼壩閘的主要控制功能：
    (1)液壓缸同步控制。在閘門啟閉過程中，行程檢測裝置全程連續(xù)檢測同一孔閘門2只液壓缸的行程偏差，當(dāng)偏差值大地等于20 mm時，液壓系統(tǒng)自動調(diào)整相應(yīng)液壓缸的進、出油量，使液壓缸同步。當(dāng)2只液壓缸的行程偏差大于等于40 mm時，液壓系統(tǒng)自動停機并發(fā)出報警信號。
    (2)閘門復(fù)位控制。閘門開啟到預(yù)定的工作開度時，系統(tǒng)能自動監(jiān)控閘門的實際開度，當(dāng)閘門因系統(tǒng)泄漏引起閘門自開啟工作位置下滑達150 mm時，控制系統(tǒng)應(yīng)自動指令液壓泵電動機組啟動，將閘門提升恢復(fù)原位。若閘門繼續(xù)下滑至200 mm時，控制系統(tǒng)應(yīng)自動指令備用液壓泵電動機組啟動，將閘門提升恢復(fù)原位，同時發(fā)出報警信號。
    (3)極限位置控制。閘門全開位置測量：當(dāng)閘門到達全開位置后，通過行程開關(guān)給出一個開關(guān)量信號，停止閘門開啟操作；閘門全關(guān)位置測量：當(dāng)閘門到達全關(guān)位置后，通過行程開關(guān)給出一個開關(guān)量信號，停止閘門關(guān)閉操作。
    (4)液壓系統(tǒng)主要回路壓力測量。系統(tǒng)能自動測量閘門操作壓力油源的壓力、油缸兩腔的壓力，以及油路中主要閥、管中油的壓力，控制系統(tǒng)檢測并診斷液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)，以便及時采取保護措施。
    (5)電機及油泵運行狀態(tài)測量。檢測電機投入命令是否執(zhí)行和油泵是否正常運行。

5 結(jié)語
    黃山新安江鋼壩閘是我國目前在建第二大鋼壩，其控制系統(tǒng)要求先進、可靠、安全。在鋼壩閘項目論證和實施過程中，選用以施耐德Un-ity PLC為平臺，充分利用當(dāng)前工控領(lǐng)域的一些先進的、成熟的技術(shù)，使系統(tǒng)具有高可靠性、高穩(wěn)定性以及靈活的可擴展功能，為鋼壩閘的少人值守管理模式提供了良好的技術(shù)支持。本系統(tǒng)于2009年1月開始設(shè)計以來組織了多次水利工程專家進行圖紙設(shè)計的審查，與會專家對控制系統(tǒng)的設(shè)計非常滿意。目前該系統(tǒng)正在調(diào)試中，預(yù)計年底正式投運，投運后將在黃山市城市水利建設(shè)中發(fā)揮巨大作用而獲得可觀的經(jīng)濟效益，更重要的是美化了黃山城市的水環(huán)境建設(shè)，將取得顯著的社會效益。