水力式升船機電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

易春輝，石曉俊，劉 錦

（西安航天自動化股份有限公司，陜西 西安 710065）

1 水力式升船機設(shè)備組成

水力式垂直升船機將平衡重做成質(zhì)量和體積合適的浮筒，通過調(diào)節(jié)浮筒的入水深度產(chǎn)生浮力變化，使船廂重與浮筒重之間產(chǎn)生的差值來驅(qū)動船廂升降運行[1]。其主要由充泄水系統(tǒng)、承船廂系統(tǒng)、上閘首系統(tǒng)、同步軸系統(tǒng)、制動系統(tǒng)及鋼絲繩連接系統(tǒng)等組成。其中，充泄水系統(tǒng)主要包括上游快速事故門、充水閥門、豎井、泄水閥門和下游快速事故門等設(shè)備；承船廂系統(tǒng)主要包括上游空壓密封裝置、上游臥倒門、上游防撞梁、下游防撞梁、下游臥倒門、頂緊、夾緊等設(shè)備；上閘首系統(tǒng)主要包括工作大門和工作小門等設(shè)備；同步軸系統(tǒng)包括卷筒和同步軸等設(shè)備；鋼絲繩連接系統(tǒng)主要包括固定在浮筒端的均衡油缸、動滑輪、鋼絲繩和固定在承船廂端的調(diào)平油缸等設(shè)備；制動系統(tǒng)主要包括安全制動泵站和制動器設(shè)備等。景洪水力式升船機主要設(shè)備組成及布置在文獻[2]中有詳細介紹。

2 控制要求

水力式升船機電氣控制系統(tǒng)貫穿升船機所有主要設(shè)備，負責完成對升船機設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、信息采集與解析、狀態(tài)判斷、設(shè)備運行控制、順序邏輯保護、設(shè)備故障保護及運行數(shù)據(jù)處理等。升船機電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計必須以安全可靠、技術(shù)先進、性價比高、操作簡便、易于維護、系統(tǒng)開放為原則進行，同時還應(yīng)滿足在實時性、開放性、互換性、可用性、易操作性和易維護性等方面的要求。

由于水力式升船機設(shè)備多且布置分散，加之無論從規(guī)模還是技術(shù)難度上講，它在國內(nèi)外電站建設(shè)史上都屬首創(chuàng)，是世界高壩通航技術(shù)上的一個全新嘗試，所以其電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計也不同于以往的以電動機作為驅(qū)動源的電力拖動垂直提升升船機[3-5]。

本文在對水力式升船機事故工況進行分析[6]后，借鑒巖灘、高壩洲水電站等電力拖動升船機電氣控制系統(tǒng)在設(shè)計、生產(chǎn)、調(diào)試及運行的成功經(jīng)驗，實現(xiàn)了水力式升船機電氣控制系統(tǒng)的各項功能，并在景洪水電站水力式升船機工程上得到成功應(yīng)用。

3 控制方式設(shè)計

為了提高升船機自動化運行水平，適應(yīng)少人值班的需要，兼顧運行、調(diào)試、檢修的不同要求，升船機電氣控制系統(tǒng)設(shè)3種控制方式：自動控制方式、現(xiàn)地控制方式和手動控制方式。

（1）自動控制方式。上位監(jiān)控主機和所有現(xiàn)地子站控制方式選擇自動控制，整個升船機受控于上位集控，各子站接收上位命令，經(jīng)校核后響應(yīng)，根據(jù)升船機流程，自動完成升船機的運行全過程控制。

（2）現(xiàn)地控制方式。在上位集控退出控制后，各子站控制方式選擇為現(xiàn)地控制，各子站通過人機界面或控制面板上的操作件，完成升船機的運行全過程控制?，F(xiàn)地控制方式優(yōu)先于自動控制方式。

（3）手動控制方式。在子站調(diào)試或檢修階段，子站控制方式選擇開關(guān)設(shè)為手動控制，在不影響升船機系統(tǒng)安全，和符合設(shè)備工藝要求的情況下，控制單一設(shè)備，以實現(xiàn)檢修或調(diào)試。手動控制方式優(yōu)先于自動控制方式。

設(shè)置在中央控制臺和現(xiàn)地子站控制柜上的急停按鈕具有最高控制權(quán)限，不受控制方式限制。

4 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及站點設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

水力式升船機設(shè)備布置分散，控制對象多、控制工藝復(fù)雜。根據(jù)此特點及對系統(tǒng)運行控制的要求，升船機電氣控制系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，即分為現(xiàn)地控制層和計算機主控層。計算機主控層采用100 Mb/s冗余光纖雙環(huán)以太網(wǎng)設(shè)計，主控層操作員工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師工作站、通訊服務(wù)器等主要設(shè)備及4個現(xiàn)地LCU子站均接入光纖雙環(huán)網(wǎng)。水力式升船機電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及站點設(shè)置如圖1所示。

4.2 控制站點設(shè)置

圖1 水力式升船機電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

主控層設(shè)置2臺操作員工作站 （雙機熱備）、1臺工程師/培訓(xùn)工作站、2臺數(shù)據(jù)服務(wù)器 （雙機熱備）、1臺調(diào)度通訊服務(wù)器及打印機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，負責整個升船機系統(tǒng)的集中控制與監(jiān)測。

現(xiàn)地控制層，按地理位置及控制功能相對集中原則，設(shè)置4個LCU子站，分別為：上閘首LCU子站、承船廂LCU子站、驅(qū)動LCU子站和公用LCU子站。其中，上閘首LCU子站由一個本地站、工作大門控制單元、工作小門控制單元和上游快速事故門控制單元組成；承船廂LCU子站由一個本地站、4個船廂液壓站控制單元、船廂上游臥倒門控制單元、船廂下游臥倒門控制單元和空壓密封裝置控制單元組成；驅(qū)動LCU子站由一個本地站、制動遠程IO子站、均衡遠程IO子站、充水閥控制單元、泄水閥控制單元和下游快速事故門控制單元和浮筒鎖定控制單元等組成；公用LCU子站由一個本地站和多個輔機設(shè)備控制單元組成。

4個LCU子站的主要設(shè)備 （CPU、電源等）都采用冗余配置，并都采用LCU直接上網(wǎng)方式與上位機通訊。

5 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

5.1 計算機主控層的實現(xiàn)

升船機上位監(jiān)控軟件在美國WonderWare公司的InTouch10.1組態(tài)環(huán)境下自主開發(fā)，具有訪問權(quán)限設(shè)置及安全閉鎖、升船機系統(tǒng)運行控制與監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)庫管理、故障報警與事故追憶、報表管理及打印、機構(gòu)動作超時保護、專家提示及事故指導(dǎo)、雙機熱備、各子站時間同步、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)診斷、故障工況仿真和系統(tǒng)自診斷等功能。

數(shù)據(jù)服務(wù)器選用美國Microsoft公司的SQL Server2008數(shù)據(jù)庫管理軟件，客戶端軟件通過C++語言自主開發(fā)而成，該軟件可以實現(xiàn)歷史運行數(shù)據(jù)查詢、工作報表生成及打印等功能。

5.2 現(xiàn)地控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

水力式升船機現(xiàn)地控制系統(tǒng)主要由上閘首、承船廂、驅(qū)動和公用4個LCU子站和各子站下轄的相關(guān)設(shè)備電氣控制單元。

5.2.1 現(xiàn)地子站的構(gòu)成

上閘首、承船廂、驅(qū)動和公用LCU子站的構(gòu)成基本相同，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示?？删幊炭刂破鳎≒LC）均選用施耐德電氣公司生產(chǎn)的Modicon Quantum Unity熱備系統(tǒng)產(chǎn)品，PLC通過雙機熱備實現(xiàn)控制過程無擾動切換，通過冗余遠程IO網(wǎng)絡(luò) （圖中RIO網(wǎng)絡(luò)）實現(xiàn)與本站IO的通訊，通過冗余NOE模塊實現(xiàn)與主干光纖環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換，通過MB+網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)和本站所控設(shè)備控制單元的通訊。另外，每個LCU子站均設(shè)有10英寸全彩色人機交互界面，人機界面通過RS485總線實現(xiàn)和主、備CPU的實時通訊，在CPU從主用切換到備用時，人機界面與PLC的通訊不中斷。

5.2.2 設(shè)備控制單元的構(gòu)成

設(shè)備控制單元主要負責升船機現(xiàn)地設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、流程控制、故障保護及與上級LCU子站的數(shù)據(jù)交換。PLC均選用施耐德公司生產(chǎn)的Modicon Premium Unity系列產(chǎn)品，CPU通過MB+網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)和上級LCU子站的通訊，通過RS232網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)和本地人機界面的數(shù)據(jù)通訊，通過人機界面可以實現(xiàn)對現(xiàn)地設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視和控制操作。

圖2 現(xiàn)地LCU子站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

6 結(jié) 語

該電氣控制系統(tǒng)已經(jīng)在景洪水電站水力式升船機工程上得到成功驗證，目前已經(jīng)完成了現(xiàn)場的單機調(diào)試、分系統(tǒng)調(diào)試和無水聯(lián)合調(diào)試等階段的各項調(diào)試工作，實踐證明本系統(tǒng)完全滿足水力式升船機運行監(jiān)控的要求，網(wǎng)絡(luò)層次分明、站點設(shè)置合理、配置性價比高、性能穩(wěn)定可靠。

［1］ 張蕊，章晉雄，吳一紅，等.水力浮動式升船機輸水系統(tǒng)仿真分析［J］.水利學(xué)報， 2007， 38（5）:624-629， 636.

［2］ 劉金堂，曹以南，凌云，等.景洪水力式升船機設(shè)計研究［J］.水力發(fā)電， 2008， 34（4）:43-45.

［3］ 易春輝，雷志宏.巖灘升船機主提升電氣控制系統(tǒng)應(yīng)用與研究［J］.紅水河， 1999（4）:42-45.

［4］ 張生權(quán).高壩洲升船機電力拖動與計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.三峽大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版），2002，24（4）:213-216.

［5］ 石曉俊，廖沛霖，易春輝.高壩洲升船機計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2006（3）:15-17.

［6］ 石曉俊，易春輝，劉錦.景洪水電站水力式升船機事故工況分析及應(yīng)對策略研究［J］.水力發(fā)電， 2011， 37（10）:69-72.