金山水電站閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)改造實踐

徐立尉，丁立大，徐競喆

(水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012)

1 概述

金山水電站是福建省第三大河——汀江干流上杭境內(nèi)的一座梯級水電站。電站總庫容0.55億m3，為徑流式日調(diào)節(jié)水庫，正常蓄水位為214 m，汛限水位為211.5 m。最大壩高39.5 m，壩頂長度189 m，壩頂高程216.5 m，堰頂高程198.3 m，溢流壩全長71.5 m，設(shè)4個溢流孔，每孔設(shè)有1扇13 m×15.8 m弧形工作門;還有1扇沖沙孔門，孔口尺寸為3.5 m×6 m。大壩最大泄洪能力為7 736 m3/s，設(shè)計水頭19.2 m，設(shè)計發(fā)電流量250 m3/s，裝機容量2×2萬kW，設(shè)計年發(fā)電量1.456億kW·h，設(shè)計年利用小時3 640 h。樞紐主要建筑物由溢流壩、泄流沖沙孔壩段、河床式廠房、開關(guān)站和輸出工程等組成，是以發(fā)電為主、防洪等綜合利用功能的水利工程。

2014年11月至2015年4月1日，電站采用杭州亞太水電設(shè)備成套技術(shù)有限公司的SDJK—2000進(jìn)行了監(jiān)控系統(tǒng)改造升級。本文以其中溢洪弧門改造為例，詳細(xì)闡述了閘門控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，功能實現(xiàn)及系統(tǒng)特性。相比原先人工現(xiàn)場觀測操作、報告運行的傳統(tǒng)方法，設(shè)備可靠性、執(zhí)行效率及信息化水平得到了極大提升，改造工作獲得了預(yù)期成效。

2 液壓啟閉系統(tǒng)原理

壩區(qū)溢流孔弧形閘門各配置1套液壓啟閉系統(tǒng)，作為閘門系統(tǒng)的操作執(zhí)行機構(gòu) (見圖1)。該液壓啟閉系統(tǒng)主要由油泵電動機組、弧形閘門液壓缸、液壓電磁閥及油箱等組成。液壓缸活塞的前進(jìn)、后退等動作的控制，由電磁閥 YV1、YV2、YV3、YV4、YV5和YV6共同完成。閘門提升和關(guān)閉的控制，主要是通過液壓啟閉機電氣控制裝置根據(jù)現(xiàn)地或遠(yuǎn)方啟/閉閘門命令自動啟動油泵電動機組，開啟相應(yīng)的電磁閥使油缸伸出或縮回。啟閉機的油缸與閘門經(jīng)吊頭連接，從而通過活塞桿在油缸中的伸縮帶動閘門關(guān)閉或開啟。圖1中，YV1和YV6為閘門開啟電磁閥，YV2和YV5為閘門關(guān)閉電磁閥，YV3和YV4分別為閘門左＞右、右＞左糾偏電磁閥。

(1)開啟閘門，空載啟動主油泵電機，延時3 s，電磁閥YV1、YV6通電，壓力油分經(jīng)單向順控閥P7、二通流量控制閥、單向閥進(jìn)入左右液壓缸有桿腔，液壓缸無桿腔油液受壓后經(jīng)單向順控閥P10、回油濾油器流回油箱。

(2)關(guān)閉閘門，空載啟動主油泵電機，延時3 s，電磁閥YV2、YV5通電，壓力油分經(jīng)單向順控閥P10進(jìn)入左右液壓缸無桿腔，液壓缸有桿腔油液受壓后經(jīng)二通流量控制閥、單向順控閥P7流回油箱。

圖1 閘門液壓啟系統(tǒng)原理示意

(3)左右糾偏，在閘門啟閉過程中，全程連續(xù)檢測2只液壓缸的行程偏差，經(jīng)幾何換算成閘門左右開度偏差。當(dāng)閘門左右偏差≥20 mm時，經(jīng)延時2 s左右信號消抖動確認(rèn)，導(dǎo)通電磁閥YV3(左＞右)/YV4(右＞左)，調(diào)整左/右液壓缸有桿腔進(jìn)、出油量，使閘門同步。當(dāng)閘門左右偏差值超過35 mm時，油壓系統(tǒng)自動停機并發(fā)出報警信號。

3 閘門控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)配置

閘門現(xiàn)地控制單元，采用施耐德Medicon TSX Premium系列 PLC，中央處理器 (CPU)為TSXP571634M模塊，配有以太網(wǎng)接口，數(shù)字量輸入80點，數(shù)字量輸出16點;另配以人機交互設(shè)備——臺灣威綸MT8000系列12寸觸摸屏，絕對式編碼器解碼裝置，由光電交換機及交流接觸器等設(shè)備組成 (見圖2)。

由圖2可知，閘門現(xiàn)地控制系統(tǒng)功能上包括了閘門左右開度測量，油壓啟閉系統(tǒng)壓力、濾油器檢測，油泵電機監(jiān)控，開關(guān)閘門電磁閥、左右糾偏電磁閥控制，現(xiàn)地觸摸屏、遠(yuǎn)方集控中心信息交互等內(nèi)容，從而實現(xiàn)了對閘門的手自動控制、狀態(tài)檢測及故障報警等系統(tǒng)功能。

圖2 閘門控制系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)框圖

3.2 信號采集及處理

PLC是閘門控制系統(tǒng)的核心，通過對控制對象的信號采集，經(jīng)PLC內(nèi)部邏輯程序運行處理及控制輸出，實現(xiàn)對控制對象的有效控制。另外通過串口同人機界面觸摸屏進(jìn)行信息交互，提供系統(tǒng)有關(guān)參量顯示、記錄查詢及現(xiàn)地自動操作等功能;通過以太網(wǎng) (光纜)同中控室集控中心進(jìn)行信息交換，實現(xiàn)遠(yuǎn)方對閘門現(xiàn)地系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視及遠(yuǎn)方操作等功能 (見圖3～圖5)。

圖3 PLC輸入1(系統(tǒng)狀態(tài)、控制信號輸入)

圖3是PLC對系統(tǒng)狀態(tài)、控制信號數(shù)字量輸入采樣。從上至下包括有:PLC 24 V輸出電源消失信號，開關(guān)停閘門按鈕指令輸入信號，1號＆2號油泵控制位置、運行及故障信號，AC 220 V公用控制電源消失信號，閘門遠(yuǎn)控位置信號，油壓過高信號，油壓過低＆濾油器堵塞信號。

圖4是PLC對左邊編碼器格雷碼信號的采樣輸入。閘門兩邊為丹麥CANCON SSI型絕對式編碼器，具 體 型 號 為 SAG—SL00G—1213—C100—CRW，25位精度，其中12位圈數(shù)，13位步進(jìn)數(shù)。編碼器通過SSI同步串行接口連接至編碼器解碼器，輸出25位格雷碼供PLC采樣。PLC采樣編碼器格雷碼經(jīng)內(nèi)部格雷碼轉(zhuǎn)二進(jìn)制，再經(jīng)過閘門幾何關(guān)系換算成閘門實際開度值，實現(xiàn)對閘門左右兩邊開度的實時采樣監(jiān)測。

圖5是PLC輸出信號。PLC根據(jù)外部信號、指令及內(nèi)部邏輯程序運行處理，控制輸出，經(jīng)中間繼電器隔離輸出接入控制回路，實現(xiàn)對電氣設(shè)備的操控。

3.3 信息交換及處理

現(xiàn)地控制單元主要與人機界面觸摸屏及中控室集控中心進(jìn)行信息交換，發(fā)送閘門控制系統(tǒng)有關(guān)數(shù)據(jù)信息，并接收指令進(jìn)行相關(guān)操作。觸摸屏在現(xiàn)地控制單元內(nèi)部與PLC采用串口通訊;PLC與中控室集控中心的通訊則是經(jīng)過光電交換機，采用以太網(wǎng)協(xié)議，光纜物理連接至中控室服務(wù)器柜，并入局域網(wǎng)后與中控式工控機實現(xiàn)通訊，從而保證了通訊電路的安全，也提高了通訊帶寬及信號穩(wěn)定性。

圖4 PLC開關(guān)量輸入 (左編碼器25位格雷碼輸入)

圖5 PLC輸出

4 現(xiàn)地控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

閘門控制系統(tǒng)PLC程序的設(shè)計在施耐德PLC專用軟件開發(fā)平臺Unity Pro XL上開發(fā)完成，其主、子程序流程圖如下所示 (見圖6～圖8)。

圖6 閘門控制系統(tǒng)主程序流程

圖7 開/關(guān)/停閘門子程序流程

圖8 自動開/關(guān)/閘門子程序流程

PLC程序是現(xiàn)地控制系統(tǒng)的核心工作內(nèi)容，其好比人的大腦中樞，完成了對信息的輸入采樣、分析計算及控制輸出。閘門開度計算、左右偏差監(jiān)測、開關(guān)停閘門、自動開關(guān)閘門、故障事故監(jiān)測及信息交互通訊等功能，都由PLC內(nèi)部程序處理完成。

人機界面 (HMI)觸摸屏程序設(shè)計主要實現(xiàn)現(xiàn)地人機信息交換功能。通過觸摸屏，操作人員可以直觀地查看當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)量、模擬量、系統(tǒng)整定參數(shù)值及故障歷史記錄等信息，以及進(jìn)行自動開關(guān)閘門、左右糾偏投/退、閘門全關(guān)初始值清零及系統(tǒng)參數(shù)修改等操作。

5 集控中心組態(tài)軟件設(shè)計

中控室集控中心組態(tài)軟件——水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)SDJK—2000，是水電站信息化建設(shè)的核心部分。金山水電站采用施耐德IFIX組態(tài)軟件開發(fā)，其在工業(yè)領(lǐng)域已得到普遍使用。閘門現(xiàn)地控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)光纜連接至中控室集控中心系統(tǒng)，信息交互安全、可靠、實時性強，實現(xiàn)了對閘門系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實時狀態(tài)監(jiān)測及操控功能，提升了信息化水平。閘門遠(yuǎn)方操控主要有兩種方式:一是開環(huán)控制，即遠(yuǎn)方開/關(guān)/停閘門控制，操作員登錄后點擊開/關(guān)閘門，在沒有閘門全開/全關(guān)或停閘門指令情況下，閘門保持開/關(guān)閘運行;二是閉環(huán)控制，即遠(yuǎn)方自動開/關(guān)閘門控制，操作員登錄后點擊自動開/關(guān)閘門，并輸入閘門開度目標(biāo)值，閘門將自動開/關(guān)至設(shè)定開度后停閘 (見圖9)。

圖9 壩區(qū)閘門操作界面

6 存在不足

首先在現(xiàn)地控制方面，閘門全開、全關(guān)位置信號是閘門控制系統(tǒng)中十分重要的輸入信號，當(dāng)前系統(tǒng)只能通過編碼器對閘門位置進(jìn)行采樣計算獲得閘門全開/全關(guān)信號，如出現(xiàn)編碼器故障，而系統(tǒng)未能監(jiān)測出編碼器故障時，有可能出現(xiàn)閘門超調(diào)，從而造成油壓過高或其他事故。在閘門全開、全關(guān)位置安裝限位開關(guān)是解決辦法之一。在編碼器、限位開關(guān)雙重數(shù)據(jù)信號采集的情況下，閘門超調(diào)運行的可能性將基本被杜絕，系統(tǒng)可靠性將進(jìn)一步提升。

其次是在遠(yuǎn)方監(jiān)控方面，閘門信息化升級改造中，視頻監(jiān)控是重要的組成部分，目前電站現(xiàn)有視頻監(jiān)控未覆蓋壩區(qū)閘門，這有待電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級改造時對此進(jìn)行補充。

7 結(jié)語

金山水電站壩區(qū)閘門控制系統(tǒng)經(jīng)過升級改造，提高了系統(tǒng)可靠性，改善了人員操作環(huán)境，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，壩區(qū)閘門設(shè)備信息化建設(shè)主體工程得到了實現(xiàn)。經(jīng)現(xiàn)場全行程調(diào)試、遠(yuǎn)方開/關(guān)/停閘門實際操作、防汛預(yù)演等環(huán)節(jié)驗證，系統(tǒng)綜合性能符合設(shè)計要求，改造工作達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

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