基于DCS技術(shù)的水利樞紐閘門水電聯(lián)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

靳彥榮

(天水市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 天水 741000)

隨著水利水電建設(shè)的發(fā)展，水利樞紐閘孔越做越寬，閘門跨度和重量也隨之變大，這些都影響了閘門開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程的準(zhǔn)確性，因此，對(duì)閘門水電聯(lián)合控制進(jìn)行研究，對(duì)水電站進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證其安全高效地運(yùn)行，具有重要意義[1]。文獻(xiàn)[2]提出在閘門啟閉前，采用比例閥和數(shù)字閥等控制方式，對(duì)稱安裝閘門設(shè)備和傳感器，在保證液壓?jiǎn)㈤]機(jī)粗調(diào)一致的同時(shí)，利用電液比例閥、數(shù)字閥控制等糾偏方案，同步控制雙液壓缸，避免閘門兩側(cè)開(kāi)度出現(xiàn)較大偏差，減少水電聯(lián)合控制中存在的同步誤差，對(duì)于閘門的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油缸，則對(duì)閥口大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算液壓缸內(nèi)流量，固定電磁換向閥的開(kāi)口大小，以此滿足兩側(cè)閘門同步的需要。文獻(xiàn)[3]則通過(guò)給定信號(hào)的連續(xù)比例，實(shí)現(xiàn)水電聯(lián)合的閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)水利樞紐的液體流量，使用網(wǎng)絡(luò)通道、通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集與控制器、主控級(jí)UPS和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等，提高閘門控制精度及對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性，當(dāng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，則進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)急措施處理，實(shí)時(shí)記錄閘門所有工況，通過(guò)運(yùn)行參數(shù)判斷突發(fā)故障[3]。在以上理論的基礎(chǔ)上，提出基于DCS技術(shù)的水利樞紐閘門水電聯(lián)合控制系統(tǒng)。DCS技術(shù)是一種分布式集中控制技術(shù)，通過(guò)單一的計(jì)算機(jī)，對(duì)系統(tǒng)的所有功能和被控對(duì)象，發(fā)送控制指令，集中管理數(shù)據(jù)庫(kù)，確保信息數(shù)據(jù)的一致性，具有結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

1 基于DCS技術(shù)的水利樞紐閘門水電聯(lián)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 基于DCS技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)集控端

采用DCS技術(shù)的分布式集中控制體系，布置水電聯(lián)合控制系統(tǒng)的集控裝置。采用2臺(tái)工業(yè)交換機(jī)、2臺(tái)服務(wù)器、2個(gè)獨(dú)立的UPS電源和2臺(tái)顯示屏，組成系統(tǒng)的集控端和冗余端(見(jiàn)圖1)。

圖1 水電聯(lián)合控制系統(tǒng)集控端

采用雙計(jì)算機(jī)運(yùn)行模式，當(dāng)集控端出現(xiàn)故障時(shí)，使用冗余端代替工作，設(shè)備選型也要考慮接口冗余，滿足系統(tǒng)容錯(cuò)要求。服務(wù)器選擇IBM X3650 M2，借助英特爾至強(qiáng)處理器5500系列，為集成組件提供四核計(jì)算，以此提升性能功耗[4]。交換機(jī)選取華三S5120系列，提供32個(gè)以太網(wǎng)端口，通過(guò)集中式地址認(rèn)證、端口隔離和源地址保護(hù)等，實(shí)現(xiàn)集成組件的安全管理[5]。通信柜則采用機(jī)架式結(jié)構(gòu)，控制機(jī)柜整體電壓保持在44U，尺寸為900mm×700mm×500mm，柜門采用前后網(wǎng)狀通風(fēng)，在頂部安裝通風(fēng)套，當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入機(jī)柜后，將其傳輸?shù)焦饫w配線盒，把每一路光纖信號(hào)，統(tǒng)一分配給控制系統(tǒng)不同的集成組件，從上到下的組成設(shè)備，分別為UPS電源、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、光纖配線架，以此構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)集成組件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，下發(fā)水電聯(lián)合控制指令[6]。至此完成基于DCS技術(shù)系統(tǒng)集控端的設(shè)計(jì)。

1.1.2 設(shè)計(jì)閘門開(kāi)度傳感裝置

設(shè)計(jì)閘門開(kāi)度傳感裝置，采集閘位、溫度濕度、閘門水位等運(yùn)行狀態(tài)信息，并通過(guò)分布式網(wǎng)絡(luò)，將信息數(shù)據(jù)傳遞給集控端，為集控端提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)配置PLC可編程控制器，接收集控端的生成指令，控制水利樞紐閘門動(dòng)作。水位傳感器由不銹鋼鋼絲繩、浮子、線輪、重錘、防浪錘和變速機(jī)構(gòu)等部件組成，將其安裝在水位采集的地方，利用浮子的測(cè)繩，帶動(dòng)線輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)同軸連接的編碼器，輸出液位對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，實(shí)時(shí)觀測(cè)水利樞紐的液位，其中編碼器選擇OCD58-200320型號(hào)，將單圈精度設(shè)置為13位，以此滿足水位的測(cè)量精度，拉繩裝置選擇SL3010高精度拉線盒，保證鋼絲繩的強(qiáng)度和韌勁[7]。閘門開(kāi)度傳感器選擇ZKC-3型，將其安裝在閘門的液壓缸活塞桿上，使2個(gè)不同磁場(chǎng)相交，產(chǎn)生1個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)，測(cè)量液壓油缸腔內(nèi)活塞桿的位移，將其轉(zhuǎn)換為閘門開(kāi)度，同時(shí)選擇串行RS485的信號(hào)輸出方式，以此適應(yīng)不同類型的閘門控制[8]。PLC可編程控制器選擇SL-200型，對(duì)閘門進(jìn)行控制，其控制電路見(jiàn)圖2。

圖2 閘門水電聯(lián)合控制電路

設(shè)置14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)，對(duì)控制電路的輸入、輸出端口進(jìn)行配置，具體見(jiàn)表1。

表1 PLC控制器的I/O分配

設(shè)置通信端口的標(biāo)號(hào)為0和1，當(dāng)SL-200接入分布式網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將控制器端口作為端口1，連接閘門開(kāi)度傳感裝置的端口，則作為端口0，實(shí)現(xiàn)閘門水電聯(lián)合的降壓控制[9]。至此完成閘門開(kāi)度傳感裝置的設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 整定閘門開(kāi)度檢測(cè)數(shù)據(jù)

在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)完畢的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)水電聯(lián)合控制系統(tǒng)軟件。傳感器采集閘門的運(yùn)行狀態(tài)后，對(duì)開(kāi)度數(shù)據(jù)進(jìn)行整定，解決實(shí)際閘門開(kāi)度值和傳感裝置檢測(cè)值的非線性問(wèn)題，將閘門開(kāi)度的測(cè)量過(guò)程平均劃分為30段，通過(guò)線性比例的關(guān)系，將實(shí)際開(kāi)度值整定到測(cè)量值上[10]。當(dāng)閘門開(kāi)啟時(shí)，要由最低位置轉(zhuǎn)過(guò)φ角度，計(jì)算角度φ與閘門開(kāi)度之間的關(guān)系，公式為

(1)

式中h——實(shí)際閘門開(kāi)度；

α——閘門開(kāi)度為0時(shí)，鉛垂線和閘門鉸點(diǎn)與底坎交點(diǎn)連線之間的夾角；

Q——閘門面板外緣半徑[11]。

計(jì)算閘門轉(zhuǎn)角φ與液壓?jiǎn)㈤]機(jī)位移之間的關(guān)系式，其計(jì)算公式為

(2)

式中ξ——0開(kāi)度時(shí)液壓缸的長(zhǎng)度；

S——h開(kāi)度時(shí)液壓缸的收縮位移；

H——液壓油缸支鉸中心距底坎的高度；

j——閘門鉸點(diǎn)與油缸鉸點(diǎn)之間的水平距離[12]。

通過(guò)式(2)推算閘門實(shí)際開(kāi)啟高度h。將實(shí)際值推廣到閘門測(cè)量的每一個(gè)斷面上，設(shè)傳感器的測(cè)量值為G，則整定后的閘門開(kāi)度P計(jì)算公式為

(3)

式中Sn+1、Sn——分別為第n點(diǎn)、第n+1點(diǎn)的實(shí)際開(kāi)度值；

Xn+1、Xn——分別為第n點(diǎn)、第n+1點(diǎn)的閘門傳感器檢測(cè)值[13]。

至此完成閘門開(kāi)度檢測(cè)數(shù)據(jù)的整定。

1.2.2 優(yōu)化PLC閘門控制算法

優(yōu)化PLC閘門控制算法，對(duì)整定的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出閘門水電聯(lián)合控制行為。針對(duì)PLC可編程控制器，使用增量型PLC控制算法，使控制器輸出信號(hào)與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系，使輸出的控制信號(hào)具有穩(wěn)態(tài)誤差，并具有抑制誤差的作用[14]。則控制器輸出信號(hào)的時(shí)間函數(shù)m(t)，計(jì)算公式為

(4)

式中t——控制信號(hào)的傳遞周期；

e(t)——控制器輸入的誤差信號(hào)；

A——積分時(shí)間常數(shù)；

K——PLC回路的比例系數(shù)；

U——積分部分初始值；

ζ——微分時(shí)間常數(shù)[15]。

采用擴(kuò)充臨界比例度法，選取一個(gè)周期，讓PLC控制器僅進(jìn)行比例控制，使系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩，得到一個(gè)臨界振蕩增益，進(jìn)而選擇合適的水電聯(lián)合控制度，對(duì)參數(shù)K、A、ζ進(jìn)行調(diào)整，以此降低系統(tǒng)超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差。至此完成PLC閘門控制算法的優(yōu)化，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，結(jié)合硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，完成基于DCS技術(shù)的水利樞紐閘門水電聯(lián)合控制系統(tǒng)方法設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)記為實(shí)驗(yàn)A組，兩種傳統(tǒng)水利樞紐閘門水電聯(lián)合控制系統(tǒng)，分別記為實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組。比較閘門開(kāi)啟時(shí)，兩側(cè)開(kāi)度的偏差值、糾偏值以及開(kāi)啟時(shí)間。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

搭建閘門水電聯(lián)合控制系統(tǒng)模擬平臺(tái)，對(duì)溫度、角編碼器、壓力傳感器、水位傳感器、閘門開(kāi)度儀、不間斷電源、卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)等進(jìn)行安裝，設(shè)置的參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 安裝設(shè)備技術(shù)參數(shù)

使用Step-7編程程序，對(duì)水電聯(lián)合控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，操作系統(tǒng)為WIN7，接收提升或降落的閘門信號(hào)時(shí)，就開(kāi)始運(yùn)作程序，設(shè)置同步超差基礎(chǔ)報(bào)警值為7mm，當(dāng)超差報(bào)警值在7～10.5mm之間時(shí)，選取5V的報(bào)警電壓，超差報(bào)警值在10.5～16.5mm之間，選取6V報(bào)警電壓，報(bào)警值在16.5mm以上，則選取7.5V的報(bào)警電壓。模擬水利樞紐的泄流能力(見(jiàn)表3)。

表3 水利樞紐閘門出流流量

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

比較三組系統(tǒng)控制下，閘門兩側(cè)開(kāi)度的偏差值。在閘門開(kāi)閉運(yùn)行過(guò)程中，記錄左右兩端的檢測(cè)瞬時(shí)值，計(jì)算閘門兩側(cè)開(kāi)度的偏差值，針對(duì)不同的水利樞紐出流流量，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)取平均值，其對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，實(shí)驗(yàn)A組水電聯(lián)合控制下，閘門兩側(cè)開(kāi)度偏差的平均值為8.7mm，實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組平均偏差值分別為18.7mm、22.9mm，相比實(shí)驗(yàn)B組和C組，A組閘門兩側(cè)開(kāi)度的偏差值分別降低了10.0mm、14.2mm。

2.2.2 第二組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在第一組實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，當(dāng)閘門兩側(cè)開(kāi)度產(chǎn)生偏差時(shí)，三組系統(tǒng)下達(dá)糾偏控制指令，比較不同出流流量下的糾偏值，多次實(shí)驗(yàn)取平均值，其對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 閘門開(kāi)度偏差值對(duì)比結(jié)果

續(xù)表

由表5可知，實(shí)驗(yàn)A組閘門糾偏值的平均值為4.94mm，實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組的平均糾偏值分別為2.82mm、2.41mm，相比實(shí)驗(yàn)B組和C組，A組閘門糾偏值分別提高了2.12mm、2.53mm。

2.2.3 第三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

預(yù)設(shè)閘門開(kāi)度給定值分別為5m、10m、15m，對(duì)閘門進(jìn)行勻速開(kāi)啟，統(tǒng)計(jì)達(dá)到給定值的消耗時(shí)間，比較三組系統(tǒng)控制下的閘門開(kāi)啟速度。針對(duì)不同的水利樞紐出流流量，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)取平均值，其對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 5m閘門開(kāi)度下開(kāi)啟時(shí)間對(duì)比結(jié)果

圖4 10m閘門開(kāi)度下開(kāi)啟時(shí)間對(duì)比結(jié)果

圖5 15m閘門開(kāi)度下開(kāi)啟時(shí)間對(duì)比結(jié)果

由圖3可知，當(dāng)閘門開(kāi)度為5m時(shí)，實(shí)驗(yàn)A組閘門平均開(kāi)啟時(shí)間為3.6min，實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組的平均開(kāi)啟時(shí)間分別為6.4min、8.1min，相比實(shí)驗(yàn)B組和C組，A組閘門開(kāi)啟時(shí)間分別縮短了2.8min、4.5min。

由圖4可知，當(dāng)閘門開(kāi)度為10m時(shí)，實(shí)驗(yàn)A組閘門平均開(kāi)啟時(shí)間為6.8min，實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組的平均開(kāi)啟時(shí)間分別為11.2min、12.9min，相比實(shí)驗(yàn)B組和C組，A組閘門開(kāi)啟時(shí)間分別縮短了4.4min、6.1min。

由圖5可知，當(dāng)閘門開(kāi)度為15m時(shí)，實(shí)驗(yàn)A組閘門平均開(kāi)啟時(shí)間為12.1min，實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組的平均開(kāi)啟時(shí)間分別為16.1min、16.3min，相比實(shí)驗(yàn)B組和C組，A組閘門開(kāi)啟時(shí)間分別縮短了4.0min、4.2min。

綜上所述，此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)相比傳統(tǒng)系統(tǒng)，在縮短閘門開(kāi)啟時(shí)間的基礎(chǔ)上，降低了閘門兩側(cè)開(kāi)度的偏差，同時(shí)提高了糾偏值，使水利樞紐閘門運(yùn)行更加穩(wěn)定，避免提升或降落時(shí)產(chǎn)生傾斜。

3 結(jié) 語(yǔ)

此次設(shè)計(jì)，系統(tǒng)充分發(fā)揮了DCS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)傳感器進(jìn)行分布式集中控制，有效降低了閘門開(kāi)度偏差。但此次研究仍存在一定不足，在大風(fēng)狀況下，鋼絲繩會(huì)出現(xiàn)較大抖動(dòng)，在今后的研究中，會(huì)對(duì)傳感器安裝方式進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步提高檢測(cè)精度。