巨型水電站液壓啟閉機(jī)開度控制策略研究與應(yīng)用

陳自然，張官祥，鄧 勇，晏仁斌

（向家壩電廠，四川 宜賓644612）

0 引言

某巨型水電站具有機(jī)組進(jìn)水口快速門、中/表孔弧形工作門、排沙洞進(jìn)口事故門和出口工作門，其操作均由液壓啟閉機(jī)操作完成。閘門開度是液壓啟閉機(jī)的控制目標(biāo)和運(yùn)行監(jiān)視核心，由于各套閘門系統(tǒng)的門體構(gòu)造、油缸布置和運(yùn)行方式不盡相同，其開度檢測方法和控制策略也有所差別。如何制定與之相適應(yīng)的開度控制策略，使各套液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)對閘門開度進(jìn)行有效控制和監(jiān)視，保證機(jī)組和泄洪設(shè)施長期安全穩(wěn)定運(yùn)行是本文研究的主題。

1 液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)介紹

某巨型水電站液壓啟閉機(jī)采用“一泵一機(jī)”的控制方式，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由動力配電柜和PLC操作控制柜組成，與閘門開度/行程檢測裝置、液壓泵站壓力、油位等傳感器一起構(gòu)成一套完整的電力拖動及控制系統(tǒng)。在實(shí)際運(yùn)行中，操作人員通過遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)地操作按鈕對控制系統(tǒng)下達(dá)閘門動作指令，控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前液壓泵站和閘門狀態(tài)，控制液壓系統(tǒng)電機(jī)和閥塊工作，完成閘門的啟閉操作。

根據(jù)閘門控制系統(tǒng)對PLC處理能力、接口功能及長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的要求，某巨型水電站液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)PLC選用法國施耐德電氣公司的Unity Quantum系列PLC，該系列PLC為大型可編程控制器，模塊化結(jié)構(gòu)，功能強(qiáng)大，可滿足某巨型水電站各種液壓啟閉機(jī)的控制要求。Unity Quantum PLC具備強(qiáng)大的控制及通信功能，采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化結(jié)構(gòu)形式，主要由背板、電源、CPU、數(shù)字量信號模塊、模擬量信號模塊及連接端子構(gòu)成。CPU選用施耐德140 CPU65150，其存貯器容量2 M字節(jié)，CPU帶實(shí)時(shí)時(shí)鐘，執(zhí)行位操作指令時(shí)間為0.052 5 μs，執(zhí)行浮點(diǎn)加法指令時(shí)間為0.48 μs，數(shù)字量I/O可擴(kuò)展到4 k字節(jié)，具有集成Modbus plus；Ethernet TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口。

圖1 液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 閘門開度儀的應(yīng)用

閘門開度檢測、計(jì)算及信號處理是液壓啟閉機(jī)開度控制的重要環(huán)節(jié)，開度儀作為閘門油缸行程的測量元件，是液壓啟閉機(jī)中重要的傳感器部件，其選型和使用對閘門開度控制至關(guān)重要。某巨型水電站各類液壓啟閉機(jī)所選用開度儀型號如表1所示。

表1 某巨型水電站開度儀型號

根據(jù)閘門安裝形式、活塞行程及油缸所處環(huán)境特點(diǎn)，某巨型水電站在機(jī)組進(jìn)水口快速門、泄洪中孔弧形工作門、排沙洞事故門及出口工作門中，均選用了YQX-II-4型內(nèi)置式開度儀，同時(shí)在現(xiàn)地控制柜上安裝與之相應(yīng)的SMJ-Ⅱ絕對型通用位移控制儀，實(shí)現(xiàn)閘門開度信號的檢測。該內(nèi)置式開度儀密封安裝于液壓缸端蓋上，通過與活塞桿相連接的鋼絲繩帶動高精度旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)，輸出數(shù)據(jù)信號，具有檢測精度高、抗干擾性好、工作壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

由于表孔弧形工作門采用雙吊點(diǎn)、兩端鉸支方式，為滿足其雙缸同步精度要求，采用了集成于CERAMAX的位移測量系統(tǒng)CIMS。利用測量探頭與陶瓷活塞桿基體的磁感應(yīng)效應(yīng)，可準(zhǔn)確地測量出活塞桿的位移。CIMS傳感器安裝在液壓缸下蓋活塞桿密封后面的缸頭內(nèi)，不帶任何移動式機(jī)械部件，具有抗干擾能力強(qiáng)、適用范圍廣、測量精度高、維護(hù)量少等優(yōu)點(diǎn)。

3 機(jī)組快速門控制策略

3.1 閘門開度檢測及信號處理

機(jī)組進(jìn)水口快速門是保證水電站發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的重要設(shè)備，為保證所有閘門控制信號及監(jiān)測信號的可靠性，某巨型水電站各機(jī)組快速門控制系統(tǒng)與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組現(xiàn)地控制單元通過I/O方式硬線連接，傳送泵站和閘門設(shè)備運(yùn)行信息，并接收機(jī)組現(xiàn)地控制單元送來的控制命令。閘門開度信號通過開度顯控儀分別輸出至PLC和監(jiān)控系統(tǒng)，保證在PLC故障情況下不影響監(jiān)控系統(tǒng)對閘門開度的監(jiān)視。

快速門液壓啟閉機(jī)開度檢測及信號處理示意圖如圖2所示，控制柜上的開度顯控儀接收來自絕對型編碼器的輸出信號（SSI串行碼），經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后輸出2路4～20 mA信號，1路送至PLC作為開度模擬量采集信號，另一路經(jīng)LCU遠(yuǎn)程I/O子站上送至監(jiān)控系統(tǒng)，作為遠(yuǎn)方對閘門的監(jiān)視和控制信號。另外，開度儀內(nèi)置式行程接點(diǎn)將閘門全關(guān)位、沖水位及上限位3個(gè)位置開關(guān)量信號送至PLC，配合開度模擬量信號參與閘門開度控制。觸摸屏和開度顯控儀均能實(shí)時(shí)顯示閘門開度，以利于快速門的現(xiàn)地監(jiān)視和操作。

圖2 機(jī)組快速門液壓啟閉機(jī)開度檢測及信號處理示意圖

3.2 重要行程位置整定

由于機(jī)組快速門為平板閘門，具有靜水啟門、動水閉門，無局部開啟的特點(diǎn)，其開度測量和計(jì)算方法較為簡單。閘門提升高度同油缸行程為線性關(guān)系，開度儀輸出位置值減去充水閥的行程即為閘門實(shí)際開度。在實(shí)際應(yīng)用中，充水閥行程往往計(jì)算在閘門行程之中，即直接將油缸行程作為閘門開度參與PLC的開度計(jì)算。

快速門液壓啟閉機(jī)在實(shí)際工作中有3個(gè)閘門位置需要整定，分別是全關(guān)位、充水平壓位和全開位，由于快速門是利用差動原理，靠自重落門，其全關(guān)位整定較為容易，將閘門在全關(guān)時(shí)的油缸行程整定為零位即可。充水平壓位的整定是確保快速門靜水開啟的關(guān)鍵，整定過小充水閥門未完全打開，會造成充水時(shí)間過長；若整定過大，會使系統(tǒng)達(dá)到最大充水閥門開啟位后，不能及時(shí)停機(jī)，造成系統(tǒng)沖擊，故需在調(diào)試中反復(fù)試驗(yàn)，將其整定到較理想位置。

閘門全開位一般接近于油缸的最大行程，并留有足夠余量，以保證快速門在停門前的慣性位移不至于造成撞缸。同時(shí)，可將閘門行程開關(guān)的上限位接點(diǎn)整定值略高于全開位開度值，作為閘門全開停門的后備保護(hù)，同液壓缸的壓力保護(hù)相配合，保證活塞桿在到達(dá)油缸頂部前及時(shí)停門。

3.3 快速門開度控制及下滑監(jiān)視

機(jī)組快速門控制系統(tǒng)可根據(jù)遠(yuǎn)方或現(xiàn)地指令完成閘門的啟門、停門、閉門及快速閉門功能。除此之外，由于快速門在機(jī)組運(yùn)行中長期處于持住狀態(tài)，控制系統(tǒng)對閘門下滑的監(jiān)視及自動復(fù)位功能對機(jī)組設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

某巨型水電站機(jī)組快速事故門液壓啟閉機(jī)設(shè)計(jì)有下滑監(jiān)視、報(bào)警和下滑自動提升功能。包括：①閘門下滑200 mm發(fā)出報(bào)警信號，同時(shí)啟動下滑提升控制流程，實(shí)現(xiàn)閘門自動復(fù)位功能；②閘門下滑300 mm發(fā)出故障報(bào)警；③閘門下滑600 mm向監(jiān)控發(fā)出事故緊急信號，配合監(jiān)控系統(tǒng)閘門下滑監(jiān)視程序，對機(jī)組快速門下滑事故采取應(yīng)急措施，以防止事故繼續(xù)擴(kuò)大損害機(jī)組設(shè)備。

如因液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)故障，閘門不能完成自動提升，控制系統(tǒng)將發(fā)出聲光報(bào)警信號，并向計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出“下滑提升失敗”故障信號，提示維護(hù)人員進(jìn)行現(xiàn)場檢查、處理。同時(shí)，控制系統(tǒng)對單位時(shí)間閘門下滑速度進(jìn)行監(jiān)視，作為系統(tǒng)泄漏的判斷依據(jù)。

4 中孔弧門控制策略

4.1 中孔弧門開度檢測

根據(jù)泄洪閘門運(yùn)行及控制特點(diǎn)，閘門控制系統(tǒng)與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過光纖通信方式連接，傳送泵站和閘門狀態(tài)信息，并接收遠(yuǎn)方集控的控制命令。為保證開度及相關(guān)信號傳遞的可靠性，某巨型電站采用了雙網(wǎng)冗余通信方式，單一網(wǎng)絡(luò)通信故障不影響設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)視和控制，從而增強(qiáng)了泄洪設(shè)施的安全可靠性。

中孔弧門液壓啟閉機(jī)開度檢測及信號處理示意圖如圖3所示。液壓啟閉機(jī)控制柜上的開度顯控儀接收來自絕對型編碼器的輸出信號（SSI串行碼），經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后輸出1路4～20 mA信號至PLC作為開度模擬量采集信號，同時(shí)將閘門實(shí)時(shí)開度值通過光纖通信上送至監(jiān)控系統(tǒng)，用于泄洪中孔弧門的控制與監(jiān)視。

圖3 中孔弧門液壓啟閉機(jī)開度檢測及信號處理示意圖

4.2 弧門開度測算

弧門開度的測算，需將活塞桿與油缸的相對位移值轉(zhuǎn)化為閘門的垂直開度，該對應(yīng)關(guān)系受弧門尺寸、吊耳位置、弧門支鉸和油缸支鉸坐標(biāo)等因素影響，為非線性關(guān)系，但在設(shè)備安裝完成后其對應(yīng)關(guān)系便已固定，可在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程中通過分段測量的方法得出油缸行程-弧門開度對應(yīng)表，利用開度顯控儀的分段線性插值計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)弧門開度的檢測。

中孔弧門開度分段插值表如表2所示，根據(jù)油缸行程和開度儀編碼器單圈位移量，將弧門開度曲線分成20段，開度顯控儀將經(jīng)過換算和線性化處理后的閘門開度值送給現(xiàn)地PLC參與閘門的控制。該弧門開度計(jì)算方法具有誤差不會重復(fù)累計(jì)、計(jì)算實(shí)時(shí)性強(qiáng)、易于修正等優(yōu)點(diǎn)，適于單缸弧門液壓啟閉機(jī)的控制。

表2 中孔弧門開度分段插值表

4.3 中孔弧門啟閉及下滑控制

作為某巨型水電站重要的泄洪設(shè)施，中孔弧門具備動水啟閉，全行程和局部開啟能力，在遠(yuǎn)方集控和現(xiàn)地操作模式下均可實(shí)現(xiàn)閘門任意位置的開度控制。PLC根據(jù)開度儀行程開關(guān)及開度模擬量信號，實(shí)現(xiàn)弧門在開終位和關(guān)終位的限位保護(hù)功能。

當(dāng)弧門在任意位置停門后，PLC將自動記錄當(dāng)前開度值，并對弧門下滑量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。若因油缸內(nèi)、外泄漏造成弧門下滑超過200 mm，控制系統(tǒng)將自動啟動油泵電機(jī)，提升弧門至原開度位置。當(dāng)下滑量超過300 mm和600 mm，控制系統(tǒng)均會發(fā)出聲光報(bào)警，并將報(bào)警信號上送監(jiān)控系統(tǒng)以提示運(yùn)行人員進(jìn)行相應(yīng)操作。

5 表孔雙吊點(diǎn)弧門控制策略

5.1 油缸位置檢測

表孔弧門控制系統(tǒng)與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)連接方式同中孔一致，采用了雙網(wǎng)冗余通信方式，但在開度檢測和計(jì)算方法上，與中孔存在較大區(qū)別。某巨型水電站表孔液壓啟閉機(jī)開度檢測及信號處理示意圖如圖4所示，PLC上的高速計(jì)數(shù)模塊140 EHC20200接收來自A/B缸CIMS位移傳感器輸出的位移信號（脈沖信號），經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后將閘門開度值通過光纖通信上送至監(jiān)控系統(tǒng)，用于表孔弧門的控制與監(jiān)視，同時(shí)輸出1路4～20 mA開度信號至控制柜上的開度表作為閘門現(xiàn)地開度指示。

由于位移檢測裝置僅能測出油缸行程的變化量，故A/B缸的實(shí)際行程需靠PLC對此前的閘門位置進(jìn)行記錄并通過累加運(yùn)算得出。通過對油缸行程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲和調(diào)用，PLC具備斷電重啟后的數(shù)據(jù)恢復(fù)功能，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)長期運(yùn)行的可靠性。此外，操作人員可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，通過現(xiàn)地觸摸屏對A/B缸位置進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖4 表孔液壓啟閉機(jī)開度檢測及信號處理示意圖

5.2 表孔弧門開度換算

表孔弧門的開度測算需要將油缸行程換算為閘門開度。由于表孔弧門采用雙吊點(diǎn)控制方式，為保證閘門啟閉過程的對稱性，各支點(diǎn)及鉸接位置安裝精度較高?？衫酶鼽c(diǎn)的空間坐標(biāo)，通過公式計(jì)算得出弧門實(shí)際開度，其行程-開度換算示意圖如圖5所示。

設(shè)弧門圓心坐標(biāo)：a（a_x，a_y）

油缸安裝圓心坐標(biāo)：b（b_x，b_y）

油缸鏈接點(diǎn)坐標(biāo)：p（p_x，p_y）

底坎坐標(biāo)：f（f_x，f_y）

設(shè)表孔弧門開度為H時(shí)對應(yīng)油缸行程為Y，則

設(shè)弧門內(nèi)半徑為r，外半徑為r0，根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)可計(jì)算出圖中相應(yīng)線段距離：

圖5 表孔弧門液壓啟閉機(jī)行程-開度換算示意圖

根據(jù)余弦定理及圖中角度關(guān)系可得：

最終可計(jì)算出弧門開度：

該計(jì)算公式充分利用了弧門各特征點(diǎn)的位置關(guān)系，同時(shí)考慮了門體寬度對計(jì)算結(jié)果的影響，利用PLC強(qiáng)大的計(jì)算功能，完成對表孔弧門開度的實(shí)時(shí)計(jì)算。

5.3 雙缸同步控制特點(diǎn)

由于某巨型水電站泄洪表孔采用雙缸液壓啟閉的形式，為保證2只液壓缸同步啟閉閘門，液壓系統(tǒng)利用2只比例調(diào)速閥，分別調(diào)節(jié)兩液壓缸有桿腔進(jìn)、出油量，根據(jù)油缸行程檢測系統(tǒng)輸出的信號，通過PLC進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)比例流量控制閥，使雙缸行程超差保持在許可范圍（5 mm）內(nèi)。若由于機(jī)械問題出現(xiàn)同步超差大于20 mm，為保護(hù)液壓系統(tǒng)和閘門安全，控制系統(tǒng)發(fā)出同步超差報(bào)警，停機(jī)停泵。此時(shí)，可通過現(xiàn)地控制柜上的“強(qiáng)制糾偏”操作把手進(jìn)行單缸操作，消除偏差。

當(dāng)表孔弧門在任意位置下滑超過200 mm時(shí)，控制系統(tǒng)將向計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出“下滑200 mm”報(bào)警信號，系統(tǒng)會自動啟動并將閘門提升至原始位置。如果由于液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)故障，閘門不能完成下滑提升，控制系統(tǒng)將發(fā)出聲光報(bào)警信號，并向計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出“下滑提升失敗”故障信號。

6 結(jié)束語

與傳統(tǒng)液壓啟閉機(jī)控制方法相比，PLC技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了水電站閘門運(yùn)行與維護(hù)的可靠性、安全性和自動化水平，而且為其不同閘門控制策略的實(shí)施提供了保障。某巨型水電站針對不同閘門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行方式和控制要求，設(shè)計(jì)了不同的開度檢測及控制策略，利用PLC強(qiáng)大的處理和運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)了各套閘門液壓啟閉機(jī)的穩(wěn)定、高效控制。同時(shí)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試、及運(yùn)行維護(hù)中對相關(guān)控制策略進(jìn)行了合理優(yōu)化和改進(jìn)，提高了系統(tǒng)控制精度和運(yùn)行的安全、可靠性，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。