珊溪電廠溢洪道閘門電氣控制系統(tǒng)升級(jí)改造

樂可定，鄢仁成，許慧，崔柏昱

（1.溫州市珊溪水利樞紐管理局，浙江溫州325300；2.浙江省溫州市珊溪水力發(fā)電廠，浙江溫州325304；3.浙江珊溪經(jīng)濟(jì)發(fā)展有限責(zé)任公司，浙江溫州325300）

0 引言

珊溪水力發(fā)電廠系國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)工程——飛云江干流控制性大型綜合利用工程珊溪水利樞紐工程主要組成部分，距溫州市117 km。珊溪電廠正常蓄水位為142.00 m，水庫(kù)總庫(kù)容為18.24億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容6.96億m3，防洪庫(kù)容2.12億m3，正常運(yùn)行水頭范圍為67～100.88 m。

珊溪水庫(kù)泄洪建筑物由溢洪道和泄洪洞組成。溢洪道泄流設(shè)備有5扇表孔弧形工作閘門，外形尺寸為12 m×16 m（寬×高），設(shè)計(jì)水頭16 m，可動(dòng)水啟閉，每孔工作閘門用2×1600 kN液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉。泄洪時(shí)可以單獨(dú)開啟一孔，也可以同時(shí)對(duì)稱開啟兩孔。設(shè)計(jì)洪水時(shí)最大下泄流量為10801.6 m3/s,液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油缸由武進(jìn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)廠制造，油缸內(nèi)徑400 mm,工作行程8940 mm。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓系統(tǒng)由依頓·威格士公司制造，包括一套液壓站、兩套油缸鎖定閥。油缸采用德國(guó)進(jìn)口的磁致線性位移傳感器，測(cè)量精度達(dá)到0.01 mm。

1 原閘門控制系統(tǒng)存在問題

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)閘門原電氣控制部分由常州明園電子有限公司提供，共由兩只電柜（接觸器屏、控制屏）組成。采用GE 9030 PLC負(fù)責(zé)采集和處理閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的各種信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。由于運(yùn)行多年，存在以下問題：

（1）現(xiàn)地閘門室夏季高溫，原閘門電氣控制系統(tǒng)PLC和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等電子設(shè)備已運(yùn)行近十年，故障率逐步上升，成為制約電廠防汛安全的瓶頸，到了更新?lián)Q代的周期。

（2）原閘門控制系統(tǒng)為單扇控制，操作人員無法保證閘門成組同步對(duì)稱啟閉，不利于大壩水工設(shè)施安全。

（3）閘門開度、狀態(tài)和閘門油泵運(yùn)行狀況無法在遠(yuǎn)方進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

珊溪水庫(kù)每年臺(tái)汛期均受臺(tái)風(fēng)影響，水庫(kù)防汛抗臺(tái)任務(wù)艱巨，溢洪道閘門時(shí)有啟閉，要求閘門和電氣控制絕對(duì)可靠，因此要解決上述問題，對(duì)其進(jìn)行改造勢(shì)在必行。

2 改造后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配置

此次閘門電氣控制系統(tǒng)改造本著“安全、可靠、先進(jìn)”的原則，首要目標(biāo)是提高控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，以滿足防汛安全的需要，同時(shí)通過選用功能強(qiáng)大的上位機(jī)軟件，通過通訊技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控閘門狀態(tài)，監(jiān)視人員無需到現(xiàn)場(chǎng)即可準(zhǔn)確掌握閘門的狀況，提高工作效率和監(jiān)視的實(shí)時(shí)性。改造后的電氣控制系統(tǒng)介紹如下。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PLC具有可靠性高、功能完善、易于編程等特點(diǎn)，因此珊溪電廠閘門控制系統(tǒng)采用SIEMENS PLC為現(xiàn)地電氣控制核心，通過以太網(wǎng)交換機(jī)、MOAX交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成的分布式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，開放式全分布結(jié)構(gòu)，分設(shè)現(xiàn)地控制層、集中控制層和遠(yuǎn)程監(jiān)視站。改造后閘門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 改造后閘門控制系統(tǒng)圖Fig.1 Renovated electric control system for the spillway gate

2.2 現(xiàn)地控制層

每孔閘門采用獨(dú)立的現(xiàn)地電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閘門啟閉全過程控制以及油泵組的自動(dòng)啟?？刂疲?shí)現(xiàn)閘門啟閉過程中各狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和報(bào)警等。每孔閘門的現(xiàn)地啟閉、泵站控制等由一套SIEMENS PLC300及常規(guī)電器完成。開度傳感器的SSI信號(hào)由轉(zhuǎn)換模塊通過通信口進(jìn)入PLC。PLC完成開度數(shù)據(jù)/閘門狀態(tài)采集和比例閥控制。

每孔閘門前安裝一只10.4 in的LCD觸摸屏取代大量的按鈕及指示，完成相應(yīng)的開關(guān)操作及現(xiàn)地/遠(yuǎn)方切換，顯示閘門狀態(tài)及油泵運(yùn)行信息，并配有繼電器回路用于檢修和緊急時(shí)啟動(dòng)油泵。

2.3 集中控制層

采用一臺(tái)DELL服務(wù)器作為主控計(jì)算機(jī)（SCA?DA服務(wù)器），安裝在壩頂配電室，該服務(wù)器具備電源冗余和以太網(wǎng)冗余，它與各個(gè)現(xiàn)地控制層子站的連接采用工業(yè)總線方式，用于顯示每道閘門開度及油泵狀態(tài)信號(hào)。

考慮到珊溪水庫(kù)是多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，每年開啟次數(shù)不多，但啟閉成功率要求達(dá)到100%，因此目前將現(xiàn)地控制層控制和集中控制系統(tǒng)作為各站的主要控制方式，通過SCADA系統(tǒng)，閘門控制系統(tǒng)現(xiàn)地監(jiān)控工作站可對(duì)整個(gè)閘門系統(tǒng)進(jìn)行集中控制、監(jiān)視和管理。

2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)視站

采用一臺(tái)DELL服務(wù)器作為主控計(jì)算機(jī)（SCA?DA服務(wù)器），安裝在電廠中控室，通過光纖連接到壩頂配電室的MOAX交換機(jī)，與各個(gè)現(xiàn)地控制層子站相通訊，它與集中控制層的主控計(jì)算機(jī)互為冗余，同樣具備監(jiān)視和控制全部功能，考慮到安全系數(shù)，目前操作方式禁止，只監(jiān)不控。它主要負(fù)責(zé)處理、存儲(chǔ)、管理各個(gè)站點(diǎn)傳送來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)又為網(wǎng)絡(luò)中的其他工作站提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存放在Citect的專用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，該服務(wù)器具備海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。SCADA實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器運(yùn)行通信管理軟件可完成與各遠(yuǎn)程站點(diǎn)的通信鏈接、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等任務(wù)。

3 控制和監(jiān)控方式

閘門共有現(xiàn)地操作（包括自動(dòng)方式和純手動(dòng)方式）、集控操作和遠(yuǎn)方監(jiān)視三種控制方式。

3.1 閘門啟閉機(jī)操作方式

現(xiàn)地操作方式分自動(dòng)方式和純手動(dòng)方式。在現(xiàn)地控制柜上有手動(dòng)/自動(dòng)/集控選擇把手，工作人員能對(duì)設(shè)備的控制方式進(jìn)行設(shè)置。

（1）自動(dòng)方式：在現(xiàn)地控制柜觸摸屏上設(shè)定給定閘門高度，通過PLC進(jìn)行自動(dòng)操作。當(dāng)控制系統(tǒng)工作時(shí)，裝在油缸上的線性位移傳感器將油缸的行程變化以SSI信號(hào)輸出，現(xiàn)地PLC采集后進(jìn)行比較分析，根據(jù)試驗(yàn)過程中建立的油缸行程和弧形閘門實(shí)際開度關(guān)系曲線（兩者為非線性）來判斷閘門位置，決定是否做相應(yīng)的動(dòng)作（如：上升、下降、停止及相應(yīng)保護(hù)）或需要進(jìn)行左右糾偏（輸出電流信號(hào)給比例閥），同時(shí)，PLC通過掃描系統(tǒng)所有的保護(hù)信號(hào)，一旦有異常啟動(dòng)保護(hù)功能。

（2）純手動(dòng)方式：為純繼電器回路操作，是一種應(yīng)急人工方式（或調(diào)試維修時(shí)使用），使工作人員能獨(dú)立于PLC直接對(duì)閘門和油泵進(jìn)行操作。

在各個(gè)閘門現(xiàn)地控制柜能監(jiān)視自身閘門的開度及相關(guān)數(shù)據(jù)，也可監(jiān)視到其他閘門的操作數(shù)據(jù)和閘門狀態(tài)。

3.2 集控操作

工作人員在集控服務(wù)器選擇好受控單孔或成組閘門后，在集控室進(jìn)行啟閉操作。

為確保大壩溢洪道消力池等水工建筑物的運(yùn)行安全，對(duì)閘門進(jìn)行成組設(shè)置，3號(hào)閘門獨(dú)立，2、4號(hào)閘門為一組，1、5號(hào)閘門為一組。集控對(duì)成組閘門操作過程中，能確保閘門對(duì)稱、均勻、同步啟閉。

3.3 遠(yuǎn)方監(jiān)視

中控室遠(yuǎn)程監(jiān)視站具備集控操作功能，但由于不能排除閘門控制系統(tǒng)中接觸器“打火”及觸點(diǎn)粘連等小概率事件，出于安全性考慮，中控室遠(yuǎn)程監(jiān)視站只監(jiān)不控，監(jiān)視記錄各站點(diǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)，進(jìn)行異常報(bào)警。

4 現(xiàn)地閘門控制層功能（各閘門電氣控制柜）

現(xiàn)地控制柜對(duì)泵站主要設(shè)備、液壓系統(tǒng)、動(dòng)力屏、閘門系統(tǒng)、水庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)等實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。

4.1 啟閉控制

當(dāng)閘門實(shí)際開度小于給定開度并超過允許誤差要求時(shí)，進(jìn)行閘門開啟控制。閘門實(shí)際開度大于給定開度并超過允許誤差要求時(shí)，進(jìn)行閘門關(guān)閉控制。當(dāng)閘門實(shí)際開度與給定開度之差小于運(yùn)行誤差（目前整定值為1 cm）時(shí)，閘門開度控制停止。

4.2 糾偏控制

由于珊溪閘門有左右雙油缸，需要防止左右油缸運(yùn)行不平衡而導(dǎo)致的閘門偏轉(zhuǎn)卡死，因此控制系統(tǒng)需根據(jù)左右油缸接力器位移差自動(dòng)糾偏，注入左右油缸的壓力油量，使差值始終保持在允許范圍內(nèi)（目前設(shè)置值為5 cm）。

4.3 持住控制

當(dāng)閘門開啟到設(shè)置的開度停止后，控制系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)閘門實(shí)際開度，當(dāng)閘門實(shí)際開度下滑達(dá)一設(shè)定值時(shí)（目前設(shè)置值為20 cm），自動(dòng)啟動(dòng)閘門開啟控制，恢復(fù)閘門原設(shè)定位置。

4.4 保護(hù)功能

現(xiàn)地控制層具有防止閘門偏轉(zhuǎn)卡阻保護(hù)、防止液壓系統(tǒng)失壓保護(hù)和防止液壓系統(tǒng)過壓保護(hù)。

4.5 故障報(bào)警功能

現(xiàn)地控制層能及時(shí)檢測(cè)出閘門系統(tǒng)性能的降低和故障，如油壓力的變化、閘門操作糾偏量的變化、油路堵塞、濾油器堵塞、油泵及電機(jī)停運(yùn)、活塞卡澀等。

4.6 油泵自動(dòng)切換功能

對(duì)閘門泵組的兩臺(tái)電機(jī)進(jìn)行主備自動(dòng)切換、手動(dòng)切換及手動(dòng)啟動(dòng)。

4.7 其他改進(jìn)

現(xiàn)地控制柜內(nèi)電氣元件更換為施奈德產(chǎn)品。柜體為高防護(hù)等級(jí)的威圖柜體（IP56），增加防潮防濕元件。柜內(nèi)二次電源采用雙電源自動(dòng)切換回路，確保了電源的安全。

5 系統(tǒng)軟件功能（集中控制層和遠(yuǎn)程監(jiān)視站服務(wù)器）

集中控制層和遠(yuǎn)程監(jiān)視站作為控制網(wǎng)絡(luò)上的I/O server,同時(shí)又是控制網(wǎng)絡(luò)的Trend Server、Re?port Server，負(fù)責(zé)處理、存儲(chǔ)、管理各現(xiàn)地控制系統(tǒng)傳送過來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)集散地。服務(wù)器的操作系統(tǒng)為Windows 2000 Server操作系統(tǒng)，安裝CCitectsCADA5.5 Server監(jiān)控軟件和Miscrosoft SQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件，具備以下功能。

5.1 數(shù)據(jù)采集與處理功能

通過以太網(wǎng)總線自動(dòng)周期性采集各扇閘門和油泵實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)。以上數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)入數(shù)據(jù)庫(kù)，整點(diǎn)保存，能對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并根據(jù)需要生成相關(guān)性曲線，便于進(jìn)行系統(tǒng)分析。

5.2 安全運(yùn)行監(jiān)視

安全運(yùn)行監(jiān)視包括各設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視及參數(shù)在線修改、狀變監(jiān)視、越線檢查、過程監(jiān)視、趨勢(shì)分析和控制系統(tǒng)異常監(jiān)視。

5.3 報(bào)警提示

對(duì)整個(gè)閘門系統(tǒng)、壩頂電氣設(shè)備和控制系統(tǒng)的故障信號(hào)進(jìn)行及時(shí)的聲光報(bào)警。

5.4 記錄和報(bào)告

將所有監(jiān)控對(duì)象的操作、報(bào)警及實(shí)時(shí)參數(shù)報(bào)表等記錄下來，可設(shè)置為定時(shí)打印、故障打印、操作打印及召喚打印等方式。

5.5 屏幕顯示

畫面調(diào)用具備自動(dòng)和召喚兩種方式。自動(dòng)方式指當(dāng)有事故發(fā)生或進(jìn)行某些操作時(shí)有關(guān)畫面能自動(dòng)推出，召喚方式則指操作某些功能鍵或以菜單方式調(diào)用所需畫面。畫面種類包括各種系統(tǒng)圖、棒行圖、曲線、表格等。

6 結(jié)語(yǔ)

作為防汛啟閉設(shè)備的控制系統(tǒng)，最關(guān)鍵的要求就是可靠性。升級(jí)改造后的系統(tǒng)采用高可靠性的硬件，增加了控制元件的冗余，采用模塊化結(jié)構(gòu)，兼容性強(qiáng)，具有良好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析功能，增加了集中控制模式和遠(yuǎn)程監(jiān)視模式，充分考慮系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時(shí)較好地結(jié)合珊溪電廠特點(diǎn)和現(xiàn)地情況，為珊溪電廠防汛安全奠定了良好的基礎(chǔ)?！?/p>

[1]方輝欽.現(xiàn)代水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)與試驗(yàn)[M].北京：中國(guó)電力出版社.2004.