張哂昭 張宵晗

計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在三門峽水電廠壩頂閘門控制中的設(shè)計與應(yīng)用

張哂昭 張宵晗

介紹了三門峽水電廠壩頂閘門自動控制系統(tǒng)的設(shè)計思想，設(shè)備軟硬件配置及實現(xiàn)方法。闡述了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，以及閘門的控制原理。

壩頂 閘門 監(jiān)控系統(tǒng) PLC 液壓泵站 閘門開度

三門峽水電站位于河南省陜縣境內(nèi)的黃河上，為壩后式電站，地面廠房內(nèi)裝有7臺水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量1#～5#機(jī)為60 MW， 6#～7#機(jī)為75 MW。每臺機(jī)組進(jìn)口設(shè)有快速門及250/320 t液壓啟閉機(jī)1套，7套液壓啟閉機(jī)設(shè)置1組液壓油泵站。

三門峽水電廠是老電廠，輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)備陳舊，目前采用的傳統(tǒng)的閘門控制方式自動化程度較低，需要人員到現(xiàn)場各個閘門室監(jiān)視和操作；對閘門安全控制可靠性不高，效率較低，并且沒有信息通信共享渠道，這樣的控制方式不能適應(yīng)閘門孔數(shù)多，控制中心距離閘門室較遠(yuǎn)的控制需求，已經(jīng)無法滿足實際生產(chǎn)和當(dāng)今信息化的要求。

隨著計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在水電廠的廣泛應(yīng)用和日趨完善，水電廠所要求的“無人值守”(少人值守)的運行方式不但在發(fā)電機(jī)組、電站開關(guān)站控制系統(tǒng)中采用，同樣在電站輔機(jī)系統(tǒng)及閘門控制系統(tǒng)也必須與電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合采用；因此，在水電廠整體技術(shù)提高的條件下，結(jié)合實際情況，對三門峽水電廠閘門控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，達(dá)到計算機(jī)監(jiān)控的控制水平，以提高三門峽水電廠整體自動化運行水平及可靠性。

1 閘門監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能

三門峽水電廠壩頂閘門監(jiān)控系統(tǒng)采用開放環(huán)境下的全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。壩頂閘門監(jiān)控系統(tǒng)是由中控室的操作員站、廠級工作站作為上位機(jī)，液壓油泵房閘門現(xiàn)地LCU為中間級，在7處閘門室內(nèi)各設(shè)1套現(xiàn)地控制箱作為現(xiàn)地級構(gòu)成。上位機(jī)作為遠(yuǎn)程操作平臺對閘門進(jìn)行遠(yuǎn)端控制，液壓油泵房閘門現(xiàn)地LCU作為系統(tǒng)的主站，負(fù)責(zé)收集從現(xiàn)地控制箱上傳的信息并對控制箱下達(dá)指令，閘門現(xiàn)地控制箱實現(xiàn)對壩頂閘門的機(jī)旁控制。除此之外，在電站各機(jī)組LCU盤上設(shè)置壩頂閘門的控制按鈕。站級計算機(jī)與閘門現(xiàn)地LCU采用工業(yè)以太網(wǎng)連接，通信速率為自適應(yīng)100/10 Mbps,網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)為光纖，組成一個分層分布式的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用3層通訊組網(wǎng)方式，最底層的是由各個閘門室現(xiàn)在控制箱組成的相互獨立的現(xiàn)場控制單元，中間層是由閘門現(xiàn)地LCU上的1臺SJ-500微機(jī)監(jiān)控裝置構(gòu)成的通訊主站，上層是由上位機(jī)及服務(wù)器組成的用戶層。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

閘門現(xiàn)地LCU按以太網(wǎng)IEEE802.3Ethernet標(biāo)準(zhǔn)，與上位機(jī)及工程師工作站通信，由上位機(jī)來實現(xiàn)對閘門啟閉機(jī)的遠(yuǎn)程控制。并將閘門開度、閘門液壓荷重情況以及液壓油泵工作控制情況傳送至上位機(jī)。由上位機(jī)根據(jù)閘門現(xiàn)地LCU提供的信息對閘門運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并在故障發(fā)生時提供故障信息。閘門現(xiàn)地LCU的人機(jī)界面功能通過盤上液晶觸摸屏實現(xiàn)。

監(jiān)控系統(tǒng)具有以下功能：控制功能方面，系統(tǒng)采用兩種控制方式，自動控制(遠(yuǎn)方計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制)和現(xiàn)地手動控制；監(jiān)測功能方面：系統(tǒng)自動采集閘門位置、液壓油泵運行狀況及電氣器件運行狀態(tài)的信息；保護(hù)功能方面：判斷電機(jī)過載、事故高油壓、閘門上下越限及故障下滑、電源供電異常、閘門失速/卡滯等，并對故障進(jìn)行實時處理。從而實現(xiàn)了信息自動采集、處理、處理入庫、動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2 系統(tǒng)硬件配置與控制原理

2.1 系統(tǒng)硬件配置

中控室上位機(jī)集中控制層主控級設(shè)有2臺操作員/工程師站、2臺后臺服務(wù)器、1臺歷史工作站、1臺通信工作站及UPS電源作為閘門系統(tǒng)控制中樞；2臺操作員/工程師站、2臺后臺服務(wù)器采用互為主備的切換方式，確保在任何一臺操作員站、服務(wù)器發(fā)生故障的情況下，整個壩頂監(jiān)控系統(tǒng)仍可正常運行；歷史工作站主要提供運行操作記錄和故障記錄查詢以及歷史數(shù)據(jù)庫備份的作用；通信工作站主要用來與電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。操作員/工程師站采用SUN Solaris5.8，歷史工作站采用FEDORA Linux，通訊工作站采用RedHat Linux。

設(shè)在液壓泵站的閘門現(xiàn)地LCU由1面屏組成，屏內(nèi)的核心設(shè)備PLC采用GE公司的S90-30系列可編程控制器，CPU為GE9030-350，人機(jī)界面為彩色觸摸屏。為液壓泵站電機(jī)啟動設(shè)2面動力屏，動力屏內(nèi)設(shè)有2臺油泵電動機(jī)的軟起動裝置，軟啟動裝置為施耐德系列產(chǎn)品。

現(xiàn)地控制級由7個現(xiàn)地控制箱組成。7個現(xiàn)地控制箱分別安裝在各個閘門室內(nèi)，控制對應(yīng)的各扇快速閘門，控制箱面板上設(shè)有單孔閘門“手動/自動”、“現(xiàn)地/遠(yuǎn)方”切換把手，閘門開度智能顯示儀表、閘門全開、全關(guān)狀態(tài)指示燈，閥組電源監(jiān)視燈，“提升/降落”閘門操作過程指示燈及閘門提升、降落操作按鈕等。閘門開度智能顯示儀表可以輸出開關(guān)量、4～20 mA模擬量和RS485串行通信口。

2.2 系統(tǒng)控制原理

閘門現(xiàn)地LCU可采集整個閘門液壓系統(tǒng)和7孔閘門的各種信號：包括總油管壓力、油箱油位、濾油器堵塞、各閘門開度(開關(guān)量和4～20 mA模擬量)、電源監(jiān)視、油泵運行狀態(tài)等；閘門現(xiàn)地LCU通過通信模塊與電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)連接，接受上位機(jī)及發(fā)電機(jī)組LCU對閘門的控制指令，并在中控室及發(fā)電機(jī)旁LCU實時顯示閘門的開度，實現(xiàn)快速閘門的遠(yuǎn)方控制。閘門液壓泵站系統(tǒng)中的電磁閥、液位變送器、壓力變送器和油管路過濾器所需的24 V電源由閘門現(xiàn)地LCU內(nèi)的供電模塊提供。

閘門現(xiàn)地控制箱作為現(xiàn)地控制終端設(shè)備可完成閘門開度現(xiàn)地LED顯示，開度預(yù)制、閘門到位的光報警等操作。由閘門開度傳感器測得的閘門開度狀態(tài)編碼，引至閘門現(xiàn)地LCU，通過譯碼和非線性變換后形成閘門開度值。閘門開度值送入現(xiàn)地控制箱操作面板LED進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，并與開度預(yù)置值進(jìn)行比較，作為閘門狀態(tài)變量的開入信號上送，其中包含全關(guān)和全開，閘門下滑200 mm和下滑300 mm等狀態(tài)變量信息。使閘門按規(guī)定的控制命令運行。

3 控制軟件設(shè)計

壩頂閘門監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分主要由上位機(jī)操作系統(tǒng)軟件、監(jiān)控平臺軟件、應(yīng)用軟件(包括：PLC控制及通訊軟件、壩頂工作閘門監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)通信軟件、相關(guān)的人機(jī)接口界面和文字及語言報警軟件等)。

壩頂閘門監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)使用Windows 2000操作系統(tǒng)，上位機(jī)監(jiān)控平臺軟件采用南瑞的NC2000系統(tǒng)。PLC程序采用Proficy Machine Edition 編程軟件編寫，梯形圖方式編程。其子程序主要由_MAIN主程序、INIT_ST初始化子程序、輸入/輸出掃描、模擬量處理、開出管理、PLC與上位機(jī)、觸摸屏通信、 閘門順控以及壓油泵切換流程等組成。

壩頂閘門監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)相關(guān)通信程序則采用C語言自行編程，做到與電站計算機(jī)系統(tǒng)無縫連接。人機(jī)界面和文字報警程序采用監(jiān)控系統(tǒng)自帶軟件自行編程，做到人機(jī)界面友好，報警準(zhǔn)確及時。

閘門實現(xiàn)多級控制的流程框圖如圖2所示。

圖2 閘門多級控制框圖

4 結(jié) 語

目前，三門峽水電廠壩頂閘門自動控制系統(tǒng)已正式投入運行數(shù)年。實際運行證明，該系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計合理，運行穩(wěn)定，運行后完全達(dá)到了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，減輕了運行人員的勞動強(qiáng)度，滿足“少人值班”的控制要求，為三門峽水電廠的安全生產(chǎn)提供了一個現(xiàn)代化的技術(shù)保障。三門峽水電廠壩頂閘門自動控制系統(tǒng)可作為大、中型水電廠閘門控制系統(tǒng)技術(shù)改造的參考。

TP273

A

1007-6980(2017)02-0044-02

2017-03-21)

張哂昭 男 工程師 三門峽水電廠 河南三門峽 472000

張宵晗 男 助理工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 200222