喀麥隆曼維萊水電站主溢洪道弧門電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用

李文祥 鄭 雄 郭天龍

喀麥隆曼維萊水電站項(xiàng)目工程位于喀麥隆共和國(guó)南部大區(qū)馬鞍境內(nèi)的恩特母河上，裝機(jī)容量211 MW（4×52.75 MW），為喀麥隆在建的最大水力發(fā)電站。曼維萊水電站泄洪系統(tǒng)主要由泄洪沖沙閘1 孔和泄洪閘5 孔組成，均為開敞式布置。其中沖沙閘和泄洪閘共用1 套（8 片）疊梁檢修閘門。每個(gè)泄洪閘和沖沙閘都有弧形工作門1扇。每一泄洪閘弧形工作門采用2×1 600 kN 雙點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉，沖沙閘弧形工作門采用2×2 000 kN 雙點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉。每臺(tái)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)置1 套液壓油泵站，每臺(tái)液壓油泵站的油泵電機(jī)組為2 組，互為備用?；⌒喂ぷ鏖l門具有全開、全關(guān)和設(shè)置開度3 種工作方式。

每套弧門都有1 套電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)弧形工作閘門的啟閉全過程控制、油泵組的自動(dòng)啟停控制、工作泵與備用泵的切換控制、各種工況參數(shù)的自動(dòng)采集與監(jiān)視以及故障報(bào)警等。該控制系統(tǒng)以可編程邏輯控制器PLC 為核心，通過FXS-IIB 數(shù)字閘門開度測(cè)控儀中行程檢測(cè)裝置（絕對(duì)型軸角編碼器測(cè)量元件），其輸入接口為SSI 串接口，通過開度儀將測(cè)量數(shù)碼量轉(zhuǎn)換為4～20 mA 的模擬量傳送至現(xiàn)地電氣控制柜的施耐德PLC 的CPU 上，用于閘門左右杠開度顯示及顯示門實(shí)際開度值，從而最終通過程序?qū)崿F(xiàn)閘門的控制。

1 系統(tǒng)配置

每套泄洪閘弧門電氣控制系統(tǒng)分為操作控制柜、電控柜及外部傳感器元件三部分組成。操作控制柜主要為其控制回路，柜內(nèi)設(shè)有PLC、高度變送器、比例放大板、繼電器、信號(hào)燈、按鈕、觸摸屏及轉(zhuǎn)換開關(guān)等設(shè)備，PLC 負(fù)責(zé)完成信號(hào)的采集、處理、顯示。電控柜的2 路三相四線制電源由主溢洪道400 V 低壓柜一次電源分盤引入，柜內(nèi)還設(shè)有斷路器及相序保護(hù)裝置等設(shè)備，給整個(gè)控制系統(tǒng)提供電源使油泵電機(jī)正常啟動(dòng)控制。外部元件包括液壓泵系統(tǒng)壓力變送器、溫度控制器、液位傳感器、左右缸壓力傳感器、回油箱壓力傳感器、弧門開度編碼器及比例電磁閥等。

2 系統(tǒng)功能

2.1 主溢洪道弧門的啟閉控制

2.1.1 操作方式

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)電氣控制系統(tǒng)通過手動(dòng)、自動(dòng)和遠(yuǎn)方3種操作方式對(duì)主溢洪道弧門進(jìn)行閘門啟閉控制。這3 種操作方式都是通過控制柜操作面板上的“工作方式選擇旋鈕”進(jìn)行切換。

閘門控制選擇手動(dòng)方式時(shí)，手動(dòng)選擇需要啟動(dòng)的油泵電機(jī)，待油泵啟動(dòng)延時(shí)10 s 后，手動(dòng)實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉。當(dāng)閘門處于手動(dòng)狀態(tài)下，PLC 只能監(jiān)視閘門雙缸開度，不能進(jìn)行自動(dòng)糾偏調(diào)節(jié)，但是可以通過FXS-IIB 數(shù)字閘門開度測(cè)控儀表觀察左右缸的偏差，觀察觸摸屏上顯示的閘門兩側(cè)開度數(shù)字，同時(shí)操作比例調(diào)節(jié)旋鈕手動(dòng)給定比例閥的大小進(jìn)行手動(dòng)糾偏。由于閘門上升和下降時(shí)的人工糾偏剛好相反，很容易出錯(cuò)，故設(shè)備正常情況下不建議采用手動(dòng)操作方式。

閘門控制選擇自動(dòng)方式時(shí)，首先把2臺(tái)電機(jī)和控制柜操作面板全部切換到自動(dòng)方式，通過人機(jī)界面登入控制系統(tǒng)，在人機(jī)界面出現(xiàn)全啟、全閉、停止和設(shè)置開度。當(dāng)通過智能人機(jī)界面設(shè)定閘門所需開度，然后在屏幕上點(diǎn)擊“確認(rèn)”接著彈出一個(gè)“是否執(zhí)行”的對(duì)話框，點(diǎn)擊“是”，PLC將自動(dòng)按程序?qū)崿F(xiàn)閘門的啟閉。同樣的當(dāng)在屏幕點(diǎn)擊全啟全閉或停止時(shí)，屏幕會(huì)彈出一個(gè)“是否執(zhí)行”的對(duì)話框，點(diǎn)擊“是”，PLC將自動(dòng)按程序?qū)崿F(xiàn)閘門的啟閉和停止。

閘門控制處于遠(yuǎn)方操作方式時(shí)，有兩種操作：（1）在壩區(qū)控制室LCU 柜上可控制閘門的啟閉。（2）廠房中控室上位機(jī)發(fā)出“遠(yuǎn)控開度設(shè)值”、“遠(yuǎn)方開度設(shè)值確認(rèn)”、“遠(yuǎn)控啟閉命令”等指令，也可實(shí)現(xiàn)主溢洪道弧門的遠(yuǎn)方啟閉，并將閘門運(yùn)行及報(bào)警的相關(guān)信息送至中控室。在選擇對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)方操作方式，需要將柜子上的“遠(yuǎn)方”“現(xiàn)地”轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換到對(duì)應(yīng)位置。

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2.1.2 緊急停機(jī)

無論閘門在任何控制方式下運(yùn)行，都可以通過“緊急停機(jī)”硬按鈕或人機(jī)界面上的“Emergency Stop”實(shí)現(xiàn)緊急停止。

2.1.3 主溢洪道弧門下滑回升功能

閘門控制處于自動(dòng)方式或遠(yuǎn)方方式時(shí)，閘門下滑100 mm，自動(dòng)啟泵提門，到原設(shè)定位自動(dòng)停機(jī)；如果閘門下滑超過200 mm，自動(dòng)啟泵提門并報(bào)警，啟門到原設(shè)定位停止下滑保護(hù)。當(dāng)閘門下滑時(shí)也可以將運(yùn)行方式切換至手動(dòng)方式，手動(dòng)啟門到原設(shè)定位置時(shí)，消除下滑報(bào)警。

2.2 電機(jī)的啟?？刂?、監(jiān)測(cè)和保護(hù)

（1）工作電機(jī)與備用電機(jī)的選擇：2 臺(tái)電機(jī)互為備用，啟動(dòng)一次后下次啟動(dòng)轉(zhuǎn)換工作與備用的關(guān)系。

（2）工作電機(jī)與備用電機(jī)的故障切換：當(dāng)工作電機(jī)故障時(shí)啟動(dòng)備用電機(jī)，備用電機(jī)也出現(xiàn)故障則禁止操作閘門。

2.3 液壓站的控制、監(jiān)測(cè)、保護(hù)

（1）液壓泵站的控制系統(tǒng)失壓、超壓保護(hù)：當(dāng)系統(tǒng)壓力低于3 MPa 時(shí)，延時(shí)10 s，報(bào)警，停機(jī)；當(dāng)系統(tǒng)壓力高于15 MPa 時(shí)，報(bào)警，停機(jī)。

（2） 液壓泵站油箱油位過高、過低保護(hù)：“液位繼電器向PLC 發(fā)送兩路開關(guān)量信號(hào)，供PLC 檢測(cè)油箱液位變化，并在高液位（油箱液位大于1 100 mm）報(bào)警，低液位（油箱小于300 mm）報(bào)警、停機(jī)。

（4）油缸有桿腔失壓：當(dāng)左缸或者右缸有桿腔壓力低于3 MPa 時(shí)，延時(shí)10 s，報(bào)警、停機(jī)。

（5） 回油壓力過高保護(hù)：當(dāng)系統(tǒng)回油壓力超過5 MPa 時(shí)，報(bào)警。

（6）回油過濾器、高壓過濾器堵塞報(bào)警功能：報(bào)警。

2.4 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)雙缸油缸的同步控制功能

2.4.1 油缸行程采樣

左右缸油缸的行程信號(hào)通過左右缸的編碼器將其SSI 絕對(duì)型編碼器信號(hào)送入數(shù)字閘門開度測(cè)試儀中處理轉(zhuǎn)換輸出兩組4～20 mA 的模擬電流量進(jìn)入PLC 進(jìn)行采樣處理，最終將換算左右缸的行程顯示在觸摸屏上，再通過廠家提供的閘門開度與左右缸行程的公式在PLC 中計(jì)算，在觸摸屏上顯示閘門的實(shí)際開度。左右油缸的行程信號(hào)最終的行程輸出精度小于±1 mm。

2.4.2 弧門同步控制

在弧門啟閉過程中，泄洪閘弧形工作閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓控制系統(tǒng)為雙點(diǎn)控制系統(tǒng)，為保證兩支油缸的同步運(yùn)行，需設(shè)置同步糾偏回路，使閘門運(yùn)行更加通暢，在液壓控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置閉環(huán)調(diào)節(jié)比例閥同步糾偏回路，設(shè)計(jì)中采用由一個(gè)調(diào)速閥和一個(gè)比例閥構(gòu)成的雙缸控制回路，通過檢測(cè)的兩缸位置信號(hào)，反饋給PLC，PLC 通過兩缸的位置偏差值處理信號(hào)后，來控制PLC 比例放大板輸出電壓大小，調(diào)節(jié)比例調(diào)速閥的流量，以減小兩缸的行程偏差，盡量使其開度保持在10 mm 以下，實(shí)現(xiàn)兩缸的同步運(yùn)行，確?；￠T能夠平穩(wěn)啟閉。當(dāng)兩只液壓缸的行程偏差值不小于25 mm 時(shí)，液壓系統(tǒng)將自動(dòng)停機(jī)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，確?；￠T啟閉安全。同步控制原理如圖1所示。

圖1 弧門同步控制原理圖

2.5 觸摸屏界面

觸摸屏界面分為監(jiān)控和操作運(yùn)行2 個(gè)界面，監(jiān)控界面主要包括“主畫面”、“開入量”、“開出量”、“定值設(shè)定”、“報(bào)警”這幾畫面，能夠顯示電機(jī)，液壓泵、啟閉機(jī)、弧門運(yùn)行速度；閘門左右杠開度，提供報(bào)警指示，并可通過報(bào)警界面查看歷史報(bào)警記錄。

操作界面通過密碼登錄，將“自動(dòng)”、“遠(yuǎn)方”、“現(xiàn)地”把手置現(xiàn)地位置，輸入對(duì)應(yīng)的指令來實(shí)現(xiàn)閘門的開啟、關(guān)閉、停止和開度設(shè)置。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

曼維萊水電站主溢洪道弧門控制系統(tǒng)在調(diào)試和運(yùn)行過程中表現(xiàn)了良好性能，閘門運(yùn)行平穩(wěn)、雙缸同步誤差小、數(shù)據(jù)采集精度高、糾偏性能良好?？v觀弧門控制系統(tǒng)的配置和功能，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1） FXS-IIB 數(shù)字閘門開度儀將左右缸行程控制在±1 mm 以內(nèi)，行程測(cè)量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鋼絲繩測(cè)量方式，這就為弧門的平穩(wěn)運(yùn)行打下良好基礎(chǔ)。

（2）采用PID 調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、功率放大器，糾偏速度快，調(diào)節(jié)曲線平滑，無超調(diào)和躍變，保證閘門的平穩(wěn)運(yùn)行。

（3）采用觸摸屏，操作觀察直觀簡(jiǎn)便。當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，能夠查看報(bào)警畫面并能查看歷史報(bào)警記錄。

（4）在廠房中控室能夠觀察提取閘門的狀態(tài)量、報(bào)警信息、歷史開度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可實(shí)現(xiàn)弧門的遠(yuǎn)方控制。

4 結(jié) 語

主溢洪道弧門采用雙缸液壓露頂式弧形閘門在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)已廣泛使用，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但是做到真正無人值班全自動(dòng)化的遠(yuǎn)方啟閉門泄洪，不僅需要優(yōu)良的制造安裝工藝，還需監(jiān)查控制系統(tǒng)的高度配合及安全、可靠的自動(dòng)化測(cè)量元件。曼維萊水電站主溢洪道弧門啟閉機(jī)電氣控制柜配置了TK6100Ⅳ5 人機(jī)觸摸屏，可通過簡(jiǎn)單的操作向PLC 發(fā)出控制命令最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地或遠(yuǎn)方對(duì)閘門的控制，并且能報(bào)文查看其精確查找故障點(diǎn)，減短了故障排查的時(shí)間，提高了維護(hù)人員的工作效率。