南水北調(diào)中線干線工程閘站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究

許小鋒 張 超

（南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京210003）

0 引言

南水北調(diào)中線干線工程是一項(xiàng)跨流域、長(zhǎng)距離的特大型調(diào)水工程，工程全長(zhǎng)1 431.945km。為了保證中線干線工程的正常輸水及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須采用先進(jìn)的閘控監(jiān)控系統(tǒng)，最大程度避免棄水，使引水資源得到充分利用，全面促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

閘站監(jiān)控系統(tǒng)采用開(kāi)放的分層分布式結(jié)構(gòu)，通訊協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議，分為遠(yuǎn)控級(jí)（北京總公司）、主控級(jí)（各管理處）、現(xiàn)地級(jí)（各閘站現(xiàn)地控制單元）?，F(xiàn)地級(jí)與主控級(jí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用雙星型以太網(wǎng)；現(xiàn)地級(jí)與主控級(jí)的通訊采用雙通訊鏈路，一條為主用，一條備用。

1.2 現(xiàn)地級(jí)系統(tǒng)配置

閘站監(jiān)控系統(tǒng)部用于調(diào)節(jié)流量、給配套工程輸水，出現(xiàn)事故需要緊急退水的站點(diǎn)穩(wěn)定性要求高，現(xiàn)場(chǎng)節(jié)制閘、分水閘（流量≥10m3/s）、退水閘的現(xiàn)地站現(xiàn)地控制單元均配備冗余PLC，其他類型現(xiàn)地站采用非冗余PLC?，F(xiàn)場(chǎng)冗余PLC 的核心在于關(guān)鍵部位采用冗余器件配置，當(dāng)某一設(shè)備或某一條通訊鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，使用備用器件或鏈路工作，備用器件或鏈路的投入過(guò)程達(dá)到毫秒級(jí)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PLC與遠(yuǎn)程I/O 的系統(tǒng)配置及連接如圖1、圖2所示。

圖1 冗余PLC與遠(yuǎn)程I/O

2 現(xiàn)地級(jí)系統(tǒng)功能

現(xiàn)地控制單元系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集與處理、閘門控制、安全保護(hù)、控制切換等功能，具體如圖3所示。

圖2 非冗余PLC與遠(yuǎn)程I/O

圖3 現(xiàn)地控制單元系統(tǒng)功能

3 現(xiàn)地級(jí)控制功能

閘站監(jiān)控系統(tǒng)主要控制對(duì)象為閘門，現(xiàn)地控制單元進(jìn)行信號(hào)的采集、處理，操控液壓（卷?yè)P(yáng)）啟閉機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)閘門的平穩(wěn)動(dòng)作。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)供水量的節(jié)制閘全部采用雙吊點(diǎn)弧形液壓閘門控制，該過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)的控制功能包括閘門糾偏、閘門開(kāi)度設(shè)值、閘門下滑復(fù)位等。

3.1 閘門自動(dòng)糾偏

雙吊點(diǎn)弧形液壓閘門由于現(xiàn)場(chǎng)安裝、油路等差別，實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)閘門左右油缸不同步的情況，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致閘門卡死，影響輸水安全。利用液壓站比例閥、閘門開(kāi)度傳感器、PLC等硬件設(shè)備，閘門運(yùn)行過(guò)程中，固定一側(cè)油缸（固定缸）的速度，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)另一側(cè)油缸（隨動(dòng)缸）的速度，可實(shí)現(xiàn)閘門在運(yùn)行過(guò)程中的自動(dòng)糾偏功能。主要參數(shù)如下：閘門左右開(kāi)度差（D）、閘門糾偏功能啟動(dòng)值（D1）、閘門糾偏功能停止值（D2）、閘門糾偏等待值（D3）、閘門左右油缸超差停機(jī)檢查值（D4）、閘門糾偏過(guò)程中固定缸比例閥初始值（Q）、閘門糾偏過(guò)程中隨動(dòng)缸比例閥開(kāi)度（Q1、Q2）。

糾偏流程如圖4所示。固定缸的運(yùn)行速度通過(guò)Q 調(diào)節(jié)，可以將Q 固定。

圖4 雙缸糾偏流程圖

（1）閘門上升時(shí)，當(dāng)D＞D1時(shí)，啟動(dòng)閘門糾偏功能，此時(shí)隨動(dòng)缸的比例閥開(kāi)度Q1＝Q－Q/D3×D；當(dāng)D＜D2時(shí)，閘門糾偏結(jié)束，恢復(fù)Q1＝Q；當(dāng)D2＜D＜D3時(shí)，隨動(dòng)缸Q1＝Q－Q/D3×D；當(dāng)D3＜D＜D4時(shí)，隨動(dòng)缸Q2＝0；當(dāng)D4＜D 時(shí)，閘門超差停門。

（2）閘門下降時(shí)，當(dāng)D＞D1時(shí)，啟動(dòng)閘門糾偏功能，此時(shí)隨動(dòng)缸的比例閥開(kāi)度Q1＝Q＋（100－Q）/D3×D；當(dāng)D＜D2時(shí)，閘門糾偏結(jié)束，恢復(fù)Q1＝Q；當(dāng)D2＜D＜D3時(shí)，隨動(dòng)缸Q1＝Q＋（100－Q）/D3×D；當(dāng)D3＜D＜D4時(shí)，隨動(dòng)缸Q2＝100；當(dāng)D4＜D 時(shí)，閘門超差停門。

3.2 閘門開(kāi)度設(shè)值

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)流量數(shù)據(jù)以及閘前閘后水位數(shù)據(jù)，計(jì)算出閘門實(shí)際需要到達(dá)的開(kāi)度，調(diào)整實(shí)時(shí)流量。

開(kāi)度設(shè)值流程如圖5 所示?，F(xiàn)地控制單元接收到開(kāi)度設(shè)值指令，判斷啟閉機(jī)無(wú)故障，啟動(dòng)油泵，閘門上升或下降，閘門動(dòng)作到設(shè)定開(kāi)度后，考慮到液壓系統(tǒng)停門后閘門由于慣性，延時(shí)判斷閘門的開(kāi)度設(shè)定值與閘門當(dāng)前開(kāi)度的差值，差值超過(guò)二次動(dòng)門值，進(jìn)行第二次閘門操作。

閘站監(jiān)控系統(tǒng)部分閘門的全行程為10 000mm，閘門的動(dòng)作精度要求10mm 以內(nèi)，相較于一般的閘門系統(tǒng)，動(dòng)作成功率和精度要求更高，在開(kāi)度設(shè)值過(guò)程中，增加了一個(gè)二次動(dòng)門值，當(dāng)閘門動(dòng)作完成后，比較閘門的開(kāi)度設(shè)定值與當(dāng)前開(kāi)度，當(dāng)前開(kāi)度大于等于二次動(dòng)門值時(shí)，進(jìn)行二次閘門動(dòng)作，由于二次動(dòng)門的動(dòng)作幅度小，停門慣性小，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)閘門的精度要求。

3.3 閘門下滑復(fù)位

由于液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸內(nèi)泄漏等問(wèn)題，閘門在停止?fàn)顟B(tài)下會(huì)出現(xiàn)下滑現(xiàn)象，影響輸水量。下滑復(fù)位流程如圖6所示。閘門接收到開(kāi)度設(shè)值指令，成功動(dòng)作后，記錄閘門動(dòng)作完成后的開(kāi)度值H，如果閘門當(dāng)前開(kāi)度H1與記錄的動(dòng)作完成值H 超過(guò)一定值，閘門執(zhí)行上升操作；當(dāng)閘門的當(dāng)前開(kāi)度H1等于H 時(shí)，流程執(zhí)行結(jié)束。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托南水北調(diào)中線干線工程閘站監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了閘站監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元的結(jié)構(gòu)與配置以及實(shí)現(xiàn)的功能。該系統(tǒng)自2014年9月投入使用，已安全穩(wěn)定運(yùn)行了一年多時(shí)間，確保了南水北調(diào)中線精確、安全輸水。為其他類似的長(zhǎng)距離輸水工程中這種現(xiàn)地控制單元的配置及功能實(shí)現(xiàn)提供了一定的借鑒。

圖5 開(kāi)度設(shè)值流程圖

圖6 下滑復(fù)位流程圖

［1］秦雅嵐.雙缸液壓?jiǎn)㈤]機(jī)閘門糾偏控制的電氣實(shí)現(xiàn)［J］.人民長(zhǎng)江，2009，40（2）.

［2］李志安，孔斌.船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2013（10）.

［3］張峰，梁燕.PLC程控系統(tǒng)的冗余通信和雙機(jī)熱備［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2007，29（4）.

［4］齊正龍.液壓?jiǎn)㈤]機(jī)閘門下滑量大的原因分析及處理措施［J］.液壓與氣動(dòng)，2002（5）.

［5］Modicon Quantum Hot Standby系統(tǒng)用戶手冊(cè)［Z］.