澛港閘船閘電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

丁付進(jìn)

(安徽省駟馬山引江工程管理處，安徽 巢湖 238251)

0 引 言

當(dāng)今世界，水利水電工程建設(shè)得到了飛速發(fā)展，船閘作為一種通航建筑物，已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。目前我國(guó)在船閘工程建設(shè)方面已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，以三峽雙線五級(jí)連續(xù)船閘的建設(shè)為代表,我國(guó)的船閘設(shè)計(jì)、施工水平達(dá)到了世界先進(jìn)水平[1]。

澛港閘(橋)工程位于安徽省蕪湖市漳河入江口,其主要任務(wù)是改善城市水環(huán)境和水景觀、航運(yùn)、供水和灌溉。澛港閘船閘為單線一級(jí)船閘，由上閘首、閘室、下閘首、充泄水系統(tǒng)、人字門、閥門、引航道等部分組成，布置在澛港大橋的右岸。船閘設(shè)計(jì)最大通航船舶為500t機(jī)動(dòng)駁，其有效尺度為120m×18m×3m(長(zhǎng)×寬×最小門檻水深)，年最大通過能力為1000萬t。

船閘電氣控制系統(tǒng)是整個(gè)船閘的控制核心，它的作用是完成對(duì)船閘設(shè)備的監(jiān)視、控制、調(diào)度和管理，以確保船閘安全、可靠的運(yùn)行。

1 船閘電氣控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

采用“冗余、容錯(cuò)、集散”等先進(jìn)技術(shù)，提高電氣控制系統(tǒng)可靠性和信息化管理技術(shù)水平。

根據(jù)運(yùn)行工藝要求，研究船閘控制邏輯流程，解決船閘運(yùn)行中存在的控制耦合、并發(fā)操作控制等技術(shù)問題，提高船閘運(yùn)行可靠性、可操作性[2]。

采用各種協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)和安全保護(hù)措施，使上、下閘首的閘/閥門得以安全可靠地協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，使船舶可以安全快速地通過船閘。

研究船閘設(shè)備故障安全保護(hù)措施，提高設(shè)備的可維護(hù)性。

2 船閘電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

澛港閘船閘的特點(diǎn)是控制對(duì)象多，設(shè)備布置比較分散，因此采用二層分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括現(xiàn)地監(jiān)控層和集中監(jiān)控層。

操作員工作站，工程師工作站，多媒體工作站，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器，打印機(jī)之間通過100/1000Mbps工業(yè)以太網(wǎng)星型連接，組成主控級(jí)網(wǎng)絡(luò)，即上層網(wǎng)。

船閘在上閘首左、右岸和下閘首左、右岸分別設(shè)置了一套現(xiàn)地控制子站，共4套。各子站和集控交換機(jī)之間采用100Mbps光纖環(huán)網(wǎng)連接，組成現(xiàn)地控制網(wǎng)，即下層網(wǎng)。

每個(gè)現(xiàn)地子站由本側(cè)CPU站和對(duì)側(cè)的遠(yuǎn)程I/O站組成，分別布置于閘首左右兩側(cè)啟閉機(jī)房?jī)?nèi)，CPU站與遠(yuǎn)程I/O站之間通過Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線連接。澛港閘船閘電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖見圖1。

圖1 澛港閘船閘電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 現(xiàn)地站PLC配置

船閘電氣控制系統(tǒng)現(xiàn)地站為雙PLC+冗余I/O控制結(jié)構(gòu)，在同一閘首的左、右兩側(cè)現(xiàn)地站各布置一套互為熱備的PLC控制系統(tǒng)，以增強(qiáng)船閘運(yùn)行的可靠性。

每套PLC控制系統(tǒng)包括一個(gè)CPU主站和一個(gè)遠(yuǎn)程I/O站組成。CPU主站布置在本側(cè)控制柜內(nèi)，遠(yuǎn)程I/O站布置在同一閘首的對(duì)側(cè)控制柜內(nèi)。主站CPU通過Profibus總線與遠(yuǎn)程I/O站ET200接口模塊連接，從而實(shí)現(xiàn)本側(cè)和對(duì)側(cè)信號(hào)采集與控制。選擇西門子公司的SIMATIC S7-300系列 PLC，以上閘首左側(cè)為例，主站CPU選擇S7-315-2 PN/DP，配置2塊數(shù)字量輸入模塊(DI)、1塊數(shù)字量輸出模塊(DO)、1塊模擬量輸入模塊(AI)、1塊模擬量輸出模塊(AO)、1塊編碼器模塊(SSI)，從站I/O模塊配置與主站相同。

2.2.2 電氣柜設(shè)計(jì)

1)柜體設(shè)計(jì)。采用標(biāo)準(zhǔn)電氣柜尺寸，每臺(tái)電氣柜尺寸均為800mm(長(zhǎng))*600mm(寬)*2200mm(高)，柜體顏色為RAL 7035(計(jì)算機(jī)灰)。

2)動(dòng)力柜電氣設(shè)計(jì)。動(dòng)力柜進(jìn)線電源采用兩回獨(dú)立的380/220V三相四線制交流電源，一主一備，采用雙電源自動(dòng)切換裝置對(duì)主備電源自動(dòng)切換。柜內(nèi)包含的動(dòng)力回路有：兩回30kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)主回路，6kW泵站加熱器驅(qū)動(dòng)回路，船閘邊界燈供電回路，船閘中心燈供電回路，控制柜供電回路以及備用電源回路?？刂苹芈酚校簝蓚€(gè)電機(jī)控制回路，加熱器控制回路。此外，柜面布置有數(shù)字式電壓、電流表，指示燈、操作開關(guān)等，可以對(duì)三相電壓、電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3)控制柜電氣設(shè)計(jì)。進(jìn)線電源由動(dòng)力柜提供，柜內(nèi)包含的回路主要有：兩路直流電源供電回路，船閘通航燈供電回路，預(yù)告警鈴供電回路，調(diào)試電源回路。柜內(nèi)配置可編程控制器PLC 1套以及執(zhí)行單元一套，柜面布置有指示燈、操作開關(guān)、觸摸屏等，以完成船閘人字門、輸水門的啟閉運(yùn)行控制及狀態(tài)監(jiān)視。

2.3 電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 軟件功能

1)實(shí)現(xiàn)對(duì)船閘配電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水位檢測(cè)、閘閥門行程及位置檢測(cè)、故障信息、現(xiàn)地操作信息、集控遠(yuǎn)程操作信息等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集。

2)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行工況、過船工藝流程控制、設(shè)備操作控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障檢測(cè)、報(bào)警、保護(hù)功能。

3)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)控制模式下的操作命令與參數(shù)設(shè)置，觸摸屏顯示控制功能。

4)通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與集中控管中心的數(shù)據(jù)通訊，并對(duì)通訊故障診斷報(bào)警、切換控制。

2.3.2 軟件模塊化分層設(shè)計(jì)

根據(jù)船閘運(yùn)行的特點(diǎn)，對(duì)船閘啟閉機(jī)控制的人字閘門和輸水閥門現(xiàn)地站PLC軟件采用了模塊化分層設(shè)計(jì)，分為指令層、指令表決處理層、指令執(zhí)行層3層。PLC軟件模塊化分層示意圖見圖2。

圖2 PLC軟件模塊化分層示意圖

1)指令層。指令層負(fù)責(zé)采集船閘控制指令，包括現(xiàn)地柜面板按鈕控制指令，或通過網(wǎng)絡(luò)通訊接收集控控制指令，經(jīng)綜合判斷，生成統(tǒng)一的指令并傳遞到指令表決處理層。

2)指令表決處理層。指令表決及信息處理層接收指令層傳遞的指令信息，并采集船閘外部傳感器信號(hào)、閉鎖信號(hào)、報(bào)警信號(hào)等，判斷控制指令是否有效，并根據(jù)指令的優(yōu)先等級(jí)進(jìn)行處理。經(jīng)各功能模塊綜合處理，形成控制指令下達(dá)至執(zhí)行層，并由執(zhí)行層執(zhí)行。

3)指令執(zhí)行層。包括人字閘門控制模塊、輸水閥門控制模塊、電機(jī)控制模塊、電磁閥控制模塊、通航信號(hào)燈控制模塊、預(yù)告警鈴控制模塊等。以上模塊根據(jù)船閘系統(tǒng)的工藝流程和液壓系統(tǒng)的具體要求及保護(hù)措施進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3.3 編程語言

PLC編程語言共有五種，包括梯形圖(LAD)、流程圖(SFC)、功能圖(FBD)、結(jié)構(gòu)化文本(ST)、語句表(STL)。根據(jù)需要可以選擇一種或者幾種混用。梯形圖語言具有直觀、易懂的特點(diǎn)，特別適用于開關(guān)量邏輯控制，是最常用的PLC編程語言，因此澛港閘船閘電氣系統(tǒng)的PLC程序采用梯形圖語言編程[3]。

2.3.4 主要機(jī)構(gòu)控制策略

2.3.4.1 人字門啟閉運(yùn)行控制。

1)開門時(shí)序。上(下)閘首人字門開啟時(shí)，首先啟動(dòng)上(下)閘首兩側(cè)泵站的油泵電機(jī)，建壓電磁閥得電，延時(shí)5s后，開運(yùn)行工作電磁閥得電，比例泵流量輸出，兩側(cè)人字門的油缸開始收回，驅(qū)動(dòng)人字門開啟。在人字門鎖定孔的位置設(shè)置極限開關(guān)，作為人字門開終位，當(dāng)兩側(cè)人字門運(yùn)行到開終位時(shí)，觸發(fā)系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)，此時(shí)電磁閥失電，液壓系統(tǒng)卸壓，電機(jī)停止。

2)關(guān)門時(shí)序。上(下)閘首人字門關(guān)閉時(shí)，首先啟動(dòng)上(下)閘首兩側(cè)泵站的油泵電機(jī)，建壓電磁閥得電，延時(shí)5s后，關(guān)運(yùn)行工作電磁閥得電，比例泵流量輸出，兩側(cè)人字門的油缸開始伸出，驅(qū)動(dòng)人字門關(guān)閉。人字門全關(guān)狀態(tài)按關(guān)門時(shí)序共設(shè)置三個(gè)特征位置：同步等待位、關(guān)終位和合攏位。在關(guān)終位前設(shè)同步等待位，同步等待位時(shí)兩門行程誤差≤10mm。當(dāng)滿足同步等待誤差值且人字門導(dǎo)輪能順利進(jìn)入導(dǎo)卡后，啟閉機(jī)運(yùn)行至關(guān)終位自動(dòng)停機(jī)，關(guān)終位兩扇人字門斜接柱間隙≤15mm。然后人字門在充泄水過程中形成的水頭差作用下合攏，直至合攏位。

3)運(yùn)行速度控制。人字門啟閉機(jī)按圖3的V-t變速特性曲線運(yùn)行，變速運(yùn)行方式由液壓泵站比例變量泵在PLC控制下實(shí)現(xiàn)，V-t變速特性曲線控制參數(shù)可根據(jù)需求在現(xiàn)地觸摸屏或上位機(jī)中調(diào)整。同一閘首的左右兩側(cè)人字門啟閉機(jī)在運(yùn)行過程中需保持同步，同步運(yùn)行誤差≤15mm。

圖3 人字門啟閉機(jī)運(yùn)行速度曲線圖

2.3.4.2 輸水門運(yùn)行控制

1)啟(閉)門時(shí)序。輸水門開啟(關(guān)閉)時(shí)，首先啟動(dòng)泵站油泵電機(jī)，建壓電磁閥得電，延時(shí)5s后，開(關(guān))運(yùn)行工作電磁閥得電，比例泵流量輸出，輸水門的油缸開始收回(伸出)，驅(qū)動(dòng)輸水門開啟(關(guān)閉)。當(dāng)輸水門運(yùn)行到開終(關(guān)終)位時(shí)，觸發(fā)系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)，此時(shí)電磁閥失電，液壓系統(tǒng)卸壓，電機(jī)停止。

2)下滑回升控制。在輸水門開終后，因泄漏而使閘門(油缸)在48h內(nèi)下滑量≤200mm。當(dāng)閘門下滑量>200mm時(shí)，電氣控制系統(tǒng)給出聲、光信號(hào)，并自動(dòng)啟動(dòng)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)將閘門重新開啟至設(shè)定高度[4]。

2.4 保護(hù)工藝設(shè)計(jì)

1)合攏檢測(cè)。為保證船閘的上下游閘門安全，設(shè)置合攏檢測(cè)程序。當(dāng)開啟上(下)游閥門，閘室充(泄)水時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器，延時(shí)設(shè)定時(shí)間后檢測(cè)下(上)游閘門合攏信號(hào)。若正常合攏，則繼續(xù)充(泄)水；若合攏信號(hào)不到，則轉(zhuǎn)關(guān)上(下)游閥門運(yùn)行，停止充(泄)水。

2)動(dòng)水關(guān)閥。為防止超灌超泄現(xiàn)象發(fā)生，在上閘首水位差小于設(shè)定值或者動(dòng)水關(guān)閥定時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間到，上游自動(dòng)啟動(dòng)動(dòng)水關(guān)閥運(yùn)行，當(dāng)關(guān)閥到設(shè)定開度值或閘首水平時(shí)，停止關(guān)閥。

3)間歇開閥。當(dāng)閘首水位差較高時(shí)，啟動(dòng)閥門充水過程中，當(dāng)閥門開啟到設(shè)定的開度值時(shí)，暫停開啟動(dòng)作，進(jìn)行局部開啟充水。當(dāng)閘首水位差<2次開閥設(shè)定的最大水位差時(shí)，繼續(xù)開啟閥門至開終位置。

4)緊急關(guān)閥保護(hù)。無論船閘處于任何流程狀態(tài)，一旦操作人員按下緊急關(guān)閥按鈕，閘首的閘閥門啟閉機(jī)立即停止原運(yùn)行狀態(tài)，立即執(zhí)行關(guān)閥門操作，以保證船閘的輸水安全。

3 結(jié) 語

文章提出的安徽省澛港閘船閘工程船閘電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過廠內(nèi)電氣調(diào)試、機(jī)電液聯(lián)調(diào)、工地安裝調(diào)試、試運(yùn)行，已經(jīng)證明該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，滿足項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)技術(shù)要求。目前澛港閘船閘項(xiàng)目已進(jìn)入運(yùn)行階段。