滇中引水工程閘站自動化控制設(shè)計

[摘 要]閘站作為輸水工程中不可缺少的重要部分，其自動化改造的重要性顯得尤為突出。文章分析了啟閉機配置及啟閉機聯(lián)控設(shè)備設(shè)計，旨在保證閘站更加安全、經(jīng)濟的運行，實現(xiàn)無人值班（少人值守）的目標。

[關(guān)鍵詞]引水工程；閘站；自動化控制設(shè)計

[中圖分類號]TV66 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0008–03

Automated Control Design for the Gate Station of the Central Yunnan Water Diversion Project

HU Zhe

[Abstract]As an indispensable and important part of water transmission projects， the importance of automation transformation of gate stations is particularly prominent. The article analyzes the configuration of the hoist and the design of the hoist control equipment， aiming to ensure safer and more economical operation of the gate station and achieve the goal of unmanned （less manned） operation.

[Keywords]water diversion project； gate station； automated control design

1 概述

滇中引水工程是國家重點工程，由石鼓水源工程和輸水工程組成。輸水干線工程共設(shè)置147座現(xiàn)地閘站，通過通信網(wǎng)絡(luò)接入滇中引水工程現(xiàn)地集中控制站。接收現(xiàn)地集中控制站轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度中心的遠程控制命令，上送所轄區(qū)段水位、流量及閘門啟閉機等的運行狀態(tài)等信息，操作人員可對所轄區(qū)段啟閉機等進行現(xiàn)地集中監(jiān)控，實現(xiàn)滇中引水工程輸水自動化監(jiān)控系統(tǒng)的遙測、遙控功能。

2 啟閉機配置

2.1 啟閉機組成

2.1.1 固定卷揚式啟閉機

固定卷揚式啟閉機主要組成：鋼絲繩、卷筒裝置、機架、爬梯、安全欄桿、定滑輪組、動滑輪組、平衡滑輪組、聯(lián)門軸、電動機、聯(lián)軸器、減速器（含潤滑油）、液壓推桿工作制動器、卷筒安全制動器、風(fēng)琴式防鳥護罩、潤滑系統(tǒng)、失電應(yīng)急液控啟閉裝置（部分有）、剛性絕對型開度傳感器（部分有）、實時在線監(jiān)測系統(tǒng)（部分有）、配套電力拖動及控制設(shè)備。

2.1.2 液壓啟閉機及現(xiàn)地控制設(shè)備

液壓啟閉機及現(xiàn)地控制設(shè)備主要組成：油缸總成、油泵電機組、閥組及液壓元器件、機架、平衡梁、油箱總成、管路、濾油裝置、PQT檢測儀、電動機、失電應(yīng)急液控啟閉裝置（部分有）、實時在線監(jiān)測系統(tǒng)（部分有）和配套電力拖動及控制設(shè)備。

2.2 啟閉機控制工藝及要求

（1）節(jié)制閘：①用于控制調(diào)節(jié)渠道水位，主要為分水口門提供分水所需的取水水位，一般應(yīng)布置在分水口門下游附近。②參與全線水量調(diào)度，具有遠程/現(xiàn)地/應(yīng)急操作方式。③節(jié)制閘工作閘門和檢修閘門均采用固定卷揚式啟閉機操作，檢修閘門和工作閘門互為備用，一般按相同工況和條件進行設(shè)計，動水條件下啟閉，具備不影響正常輸水的檢修條件。④閘門開度可無級調(diào)節(jié)。

（2）分水閘：①用于為區(qū)域用水戶供水，采用閘門、閥門等型式。在分水口門控制取水位的條件下，能達到設(shè)計分水流量。②參與全線水量調(diào)度，具有遠程/現(xiàn)地/應(yīng)急操作方式。③工作閘門和檢修閘門均采用固定卷揚式啟閉機操作，檢修閘門和工作閘門互為備用。④分水口采用閘門時，開度可無級調(diào)節(jié)，具有快速和慢速控制方式。

（3）退水閘：①其為截斷事故渠段上游水流而設(shè)置，部分兼有分水功能。②事故工況下退水閘與事故閘配合使用，要求動水快速啟閉。退水操作程序為先開退水閘、然后關(guān)事故閘，兼有分水功能。退水閘還應(yīng)滿足分水閘門的設(shè)計要求。③參與全線水量調(diào)度和應(yīng)急調(diào)度，具有遠程/現(xiàn)地/應(yīng)急操作方式。④退水閘工作閘門動水啟閉，具備開度控制功能。⑤檢修閘門和工作閘門按相同工況和條件進行設(shè)計。

（4）事故閘：①其為事故條件下保護下游建筑物安全、限制破壞范圍和防止次生災(zāi)害而設(shè)置。②事故閘應(yīng)與退水閘配套布置，一般結(jié)合地形條件和退水條件布置在退水閘下游、事故原發(fā)段上游。③事故操作時一般不考慮局部開啟條件。④參與全線水量調(diào)度，具有遠程/現(xiàn)地操作方式；事故閘具備在動水條件下快速啟閉的能力，啟閉速度v=0.15～1.5 m/min。

（5）工作閘：①其主要為部分建筑物或特殊渠段改善水流條件設(shè)置。②工作閘閘門要求在動水條件下啟閉，閘門開度可無級調(diào)節(jié)；啟閉機正常工況采用慢速運行，事故檢修工況下采用快速運行。③建筑物工作閘可由節(jié)制閘兼顧；兼顧時，閘室與閘門設(shè)計應(yīng)滿足各級流量下局部渠段流態(tài)調(diào)節(jié)要求。④參與全線水量調(diào)度，具有遠程/現(xiàn)地操作方式。⑤工作閘閘門應(yīng)具備不影響正常輸水的檢修條件。

（6）檢修閘：①其主要為總干渠各重要建筑物提供檢修和維修條件。②專用檢修閘以現(xiàn)地操作為主，自動化監(jiān)控系統(tǒng)僅遠程監(jiān)視閘門信號。

3 啟閉機聯(lián)控設(shè)備設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

滇中引水工程輸水監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，設(shè)置遠程調(diào)度監(jiān)控層、現(xiàn)地集中監(jiān)控層和現(xiàn)地閘站監(jiān)控層，其中，遠程調(diào)度監(jiān)控層設(shè)在昆明調(diào)度中心和石鼓災(zāi)備中心，用于水量日常調(diào)度和應(yīng)急調(diào)度及監(jiān)控、控制權(quán)限管理等。

3.2 現(xiàn)地閘站監(jiān)控設(shè)備組成

現(xiàn)地閘站監(jiān)控設(shè)備（簡稱閘控設(shè)備）主要由啟閉機聯(lián)控柜、渠道水位及流量檢測設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)前端交換機等組成，實現(xiàn)工作門和檢修門的現(xiàn)地聯(lián)控、自動控制和單機手動操作控制，并接收執(zhí)行現(xiàn)地集中控制站的遠程控制指令，采集閘門運行和渠道運行信息上送現(xiàn)地集中控制站，實現(xiàn)遠程控制。配置水位計、流量檢測設(shè)備，實現(xiàn)輸水狀態(tài)監(jiān)控調(diào)度。

3.3 配置方案

3.3.1 退水閘聯(lián)控

退水閘均為單孔，啟閉機采用單吊點固定卷揚式啟閉機，啟閉速度v=2 m/min；工作門和檢修門互為備用工作，當(dāng)工作門擋水故障時，啟用檢修門擋水。退水閘現(xiàn)地控制采用1套主控冗余PLC對工作門和檢修門兩臺啟閉機實現(xiàn)聯(lián)合控制，即“1控2聯(lián)合控制”方案：①配置1套冗余PLC作為聯(lián)控主機，實現(xiàn)控制設(shè)備故障自動切換。②主控冗余PLC配置冗余主機架+冗余CPU+冗余通信模塊，具有雙以太網(wǎng)接口、1個RS232/RS485串行通信接口等。③采用兩臺100 M光纖工業(yè)以太網(wǎng)交換機接入閘站集中監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)與集中控制站通信。④每個啟閉機配置1套RI/O機架及IO模塊、開度檢測模塊、模擬量模塊等，通過冗余總線/環(huán)形以太網(wǎng)與冗余PLC連接，用于啟閉機運行檢測和控制。⑤1臺彩色觸摸屏作為人機接口。退水閘站聯(lián)控柜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.3.2 事故閘聯(lián)控

事故閘啟閉機采用“1控n聯(lián)合控制”方案，聯(lián)控柜配置同退水閘的聯(lián)控柜。

3.3.3 節(jié)制閘聯(lián)控

根據(jù)節(jié)制閘運行工藝要求，節(jié)制閘的每孔工作門和檢修門閘門啟閉機互為備用，每座節(jié)制閘站采用1套主控冗余PLC對閘站內(nèi)所有工作門和檢修門啟閉機實現(xiàn)聯(lián)合控制，即“1控n聯(lián)合控制”方案。

3.3.4 工作閘聯(lián)控

根據(jù)工作閘運行工藝要求，每座工作閘的閘門啟閉機采用“1控n聯(lián)合控制”和矢量變頻調(diào)速驅(qū)動方案，配置同節(jié)制閘，并具備開度無級控制和高精度的要求。工作閘聯(lián)控柜配置同退水閘的聯(lián)控柜。

3.3.5 分水閘聯(lián)控

分水口閘門采用工作門和檢修門互為備用布置，分別采用1套主控冗余PLC對工作門和檢修門兩臺啟閉機實現(xiàn)聯(lián)合控制，即“1控2聯(lián)合控制”方案。分水閘聯(lián)控柜配置同退水閘的聯(lián)控柜。

3.3.6 分水閥聯(lián)控

分水口閥門由于結(jié)構(gòu)和控制較簡單，采用“單PLC+雙網(wǎng)”控制方案：①配置1套單PLC作為聯(lián)控主機。②主控PLC配置單套主機架+CPU+通信模塊，具有雙以太網(wǎng)接口、1個RS232/RS485串行通信接口等。③采用兩臺100 M光纖工業(yè)以太網(wǎng)交換機接入閘站集中監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)與集中控制站通信。④每個啟閉機配置1套RI/O機架及IO模塊、模擬量模塊等，通過冗余總線/環(huán)形以太網(wǎng)與PLC連接，用于啟閉機運行檢測和控制。⑤1臺彩色觸摸屏作為人機接口。分水閥站聯(lián)控柜結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.3.7 檢修閘聯(lián)控

每座檢修閘均為兩孔，采用每孔1門配置方案?？刂撇捎谩皢蜳LC+單網(wǎng)”控制方案。檢修閘聯(lián)控柜配置同退水閘的聯(lián)控柜。

3.4 控制功能要求

現(xiàn)地控制設(shè)備作為控制和操作執(zhí)行機構(gòu)，能對閘站工作門和檢修門進行遠程/自動聯(lián)控/單機控制和操作?，F(xiàn)地控制設(shè)備應(yīng)具有可靠性高和抗干擾能力強的特點，以及完善的數(shù)據(jù)采集、操作、控制、監(jiān)視、檢測、診斷、保護、通信等功能。

3.4.1 數(shù)據(jù)采集

采集閘門啟閉機運行及故障信號、采集渠道水位和流量數(shù)據(jù)等信息，并進行數(shù)據(jù)處理、存儲和傳輸；啟閉機運行包括操作、起升、下降、停止狀態(tài)；快、慢速狀態(tài)；電機運行/故障/制動器狀態(tài)、上/下極限位和電機電流/電壓、環(huán)境溫度模擬量等。

3.4.2 閘門控制

根據(jù)集中監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的控制指令，實現(xiàn)閘門給定開度自動開啟或關(guān)閉，并能進行自動開度調(diào)整，實現(xiàn)精準調(diào)度。具體而言：①啟閉機具有遠方/現(xiàn)地/手動應(yīng)急3種運行操作方式，且3種操作方式相互閉鎖。②具有閘門開啟/關(guān)閉/停止操作功能，節(jié)制閘、工作閘、分水閘具有慢速小開度和快速大開度運行控制功能，開度按工藝要求無級調(diào)節(jié)。③具備閘門開度及啟閉機運行和故障信號顯示及報警、水位及流量實時監(jiān)視功能。④閘位監(jiān)測，實時檢測閘門的開度值，并上傳給現(xiàn)場直接測控級設(shè)備的測量單元，通過分析、計算然后存儲。⑤通過通信方式實現(xiàn)變頻器速度閉環(huán)控制；速度給定級數(shù)不小于3級：慢速1、慢速2和快速3。⑥通過通信方式實現(xiàn)變頻器力矩動態(tài)控制，滿足啟閉機運行力矩的變化。并檢測變頻器工作電壓、電流、保護故障狀態(tài)。

3.4.3 冗余控制

節(jié)制閘、退水閘、事故閘、工作閘和分水閘啟閉機具有PLC冗余控制功能，控制設(shè)備自動診斷識別和故障自動系統(tǒng)切換，保證系統(tǒng)的安全性；且具備工作閘、檢修閘門啟閉機互投切換功能；控制設(shè)備故障自動切換時間小于1 s，主要設(shè)備故障維修時間小于1 h，滿足故障和緊急情況下閘門的遠程快速故障排除和恢復(fù)要求，并滿足閘門快速開啟和關(guān)閉功能。

3.4.4 保護控制

包括啟閉機啟/閉操作互鎖保護、荷重保護、限位保護；電氣短路、過流、失壓、斷相保護；防誤操作、電氣保護、數(shù)據(jù)錯誤保護、電源及信號回路的浪涌防雷保護等。

3.4.5 檢測功能

通過模擬量和通信方式采集水位、流量信號，實現(xiàn)數(shù)字實時顯示、報警分析等管理功能并將數(shù)據(jù)上傳。

4 結(jié)束語

輸水工程中，閘站的穩(wěn)定與高效運行至關(guān)重要。其中，閘門控制系統(tǒng)負責(zé)精確調(diào)控閘門的開啟與關(guān)閉，確保閘門按供水調(diào)度系統(tǒng)的指令運行。滇中引水工程閘門控制系統(tǒng)本著安全、經(jīng)濟的原則設(shè)計，為工程投運后能夠持續(xù)、穩(wěn)定的運行提供了強有力的保障。

參考文獻

[1] 高民望，陳劍，嚴凱，等.自動化系統(tǒng)在水閘工程應(yīng)用中的問題與解決方法[J].中國設(shè)備工程，2023（5）：205-207.

[2] 郭貴.淺談水閘自動化控制的環(huán)境建設(shè)[J].治淮，2021（8）：62-63.