譚蘭平 楊紹輝

(1.昆明經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)建設管理有限公司，云南 昆明 650217； 2.德宏州人民醫(yī)院，云南 德宏 678400)

閘(閥)門是水利基礎設施的組成部分，在水資源調(diào)節(jié)、滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要、防洪減災以及保護環(huán)境等方面有著舉足輕重的作用。閘門控制系統(tǒng)能實時監(jiān)測閘門開度狀況，根據(jù)大壩安全狀況、防洪要求、經(jīng)濟調(diào)度功能進行遠程閘門或閥門的開啟和閉合，并能根據(jù)調(diào)度要求計算并控制閘門開度，從而實現(xiàn)安全蓄泄和流量控制的功能。水庫常規(guī)調(diào)度是根據(jù)已有的水文資料，計算和編制水庫調(diào)度圖和調(diào)度原則，并以此為依據(jù)控制水庫運行的調(diào)度方法，根據(jù)水庫前期資料，結合水庫調(diào)度系統(tǒng)要求，從入流、泄流、水位、庫容、泄流設施泄流能力等變化過程著手，提前預測產(chǎn)生洪水的量和級，從而合理擬定閘門開度及啟閉過程，為洪水宣泄提供科學的參考依據(jù)。本文以丘北縣紅旗水庫為例，通過對水庫高涵閘門以及低涵三個閥門控制系統(tǒng)的應用設計，實現(xiàn)水庫常規(guī)調(diào)度的目的。

1 項目背景

紅旗水庫位于云南省丘北縣城西北27km處，水庫徑流面積為151.37km2，為年調(diào)節(jié)水庫。水庫設計洪水標準為100年一遇(P=1%)，相應下泄流量28.2m3/s，校核洪水標準為1000年一遇(P=0.1%)，相應下泄流量42.3m3/s。大壩為均質(zhì)土壩，校核洪水位1493.43m，設計洪水位1492.01m，正常蓄水位1490.43m，死水位1474.14m，水庫總庫容5720萬m3，興利庫容3748萬m3，死庫容982萬m3。紅旗水庫是一座以灌溉為主、兼顧防洪等綜合利用的中型水庫，也是縣內(nèi)最大的蓄水骨干工程和丘北大型灌區(qū)的主要水源水庫。

本系統(tǒng)主要涉及高位輸水隧洞一個閘門的控制和低位輸水隧洞出流站三個閥門的控制，采用計算機遠程控制閘(閥)開啟度控制，可實現(xiàn)高效、精確控制閘(閥)位及角度，精確控制出流量，同時可以通過遠程計算機監(jiān)控閘(閥)門工況和供電情況，及早發(fā)現(xiàn)設備及供電故障等情況。其中，高位輸水隧洞閘門是平板閘門，利用卷揚機進行控制；低位輸水隧洞出流站均是電動閘閥，利用螺桿方式進行控制。

2 閘門控制系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)及組網(wǎng)設計

紅旗水庫自控系統(tǒng)按三層DCS系統(tǒng)架構進行配置，由系統(tǒng)控制室和閘(閥)門現(xiàn)場監(jiān)控裝置兩部分組成。中控室設置一個監(jiān)控站，作為主控站MCU，監(jiān)控中心的建設主要是系統(tǒng)上位機(工控機)建設、系統(tǒng)組態(tài)平臺建設、計算機網(wǎng)絡平臺及應用軟件建設。左干渠和右干渠設備室內(nèi)設置兩個現(xiàn)地監(jiān)測單元LCU1和LCU2管理操控底層設備，現(xiàn)地監(jiān)測單元主要由電源、可編程邏輯控制器(PLC)、閘位傳感器、電壓電流變送器、采集模塊、以太網(wǎng)光纖交換機、控制線纜及配件等組成。系統(tǒng)通過閘門的開度儀(閘位計)和限位開關實現(xiàn)閘門開度控制和限位保護。

現(xiàn)場設備通過總線與本地控制站通信，而兩個本地控制站則通過Ethernet/IP與主控站通信，以單模光纖作為傳輸介質(zhì)，采用星型網(wǎng)絡結構(見圖1)。

圖1 自控系統(tǒng)與水庫分中心通信設計

2.2 閘(閥)門控制系統(tǒng)設計

高涵閘門啟閉設備上布置了上下位限位開關、閘位計，多功能電參數(shù)儀表，儀表通過現(xiàn)場總線上傳到LCU1，LCU1則通過硬接線和二次回路作用于閘門啟閉機一次設備(三相異步電機)。

閘位計、限位開關、LCU1、電機控制回路和三相異步電機構成一個閉環(huán)，作為右干渠大閉環(huán)控制回路的內(nèi)環(huán)。閘門就地控制電柜上布置多功能參數(shù)儀表，儀表返回啟閉機運行過程中的電壓、電流參數(shù)，參數(shù)仍通過總線上傳至LCU1，方便實時監(jiān)控啟閉機的運行狀態(tài)，防止過載、堵轉(zhuǎn)等異常運行工況導致的電機燒毀或一次回路設備損毀等事故。

閥頭、LCU2構成了一個閉環(huán)，作為左干渠三個分支輸水管大閉環(huán)的內(nèi)環(huán)。低涵出流三個支管上的電動閘(閥)啟閉設備上布置了電動執(zhí)行機構，該機構作為成套設備既可以接收現(xiàn)地控制器下達的閥芯動作信號，又可以返回閥芯位置信息至控制器。三個閥門分別編號ZZCI01000、ZZCI01001、ZZCI01002，以方便返回位置信號、執(zhí)行控制和指示功能。三個電動閥頭通過總線將發(fā)位信號上傳至LCU2，采用硬接線可增強可靠性防止總線通信故障。閘(閥)門測控系統(tǒng)的布置見圖2。

圖2 紅旗水庫閘(閥)門測控系統(tǒng)構成

2.3 閘門啟閉機執(zhí)行機構設計

閘門啟閉機執(zhí)行機構是一個二次回路，回路原理見圖3。

圖3 閘門啟閉設計

從一次回路上可以看出，閘門的上升下降動作由啟閉機內(nèi)電機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)，電機的正反轉(zhuǎn)是通過兩個接觸器在電機固定接線端子換AC相實現(xiàn)的；從二次回路可以看出，啟閉機設置了手自動兩套控制回路，一套是由現(xiàn)地控制盤上急停/正反轉(zhuǎn)按鈕及接觸器互鎖接點組成，另一套則由引自控制器柜中的繼電器干接點及接觸器互鎖接點組成；由邏輯位表征的觸發(fā)條件則由接觸器提供。

2.4 現(xiàn)場控制設計

由于高涵閘門與低涵出流閥門在控制設計上具有相似性，在實現(xiàn)上閥門控制相對還簡單一些，在此以高涵閘門為例對閘門控制系統(tǒng)進行詳細的設計。高涵閘門啟閉設備多功能參數(shù)表與LCU1的連接方式見圖4。

圖4 多功能參數(shù)表與LCU1連接設計

該儀表通過電流互感器和電壓互感器直接從一次回路取樣三相電流和三相電壓參數(shù)的，再通過總線模塊直接和PLC互聯(lián)，傳輸?shù)男盘柊妷簩崟r測量值和電流實時測量值兩個類別。

在LCU1一側遙信、遙測和遙控信號分別接入控制器的DI模塊、通信模塊和DO模塊，其中DI模塊上反饋7個位邏輯信號；通信模塊反饋電壓、電流、閘位三組遙測信號；而DO模塊控制閘門的上升下降及手自動轉(zhuǎn)換(見圖5)。

圖5 PLC及I/O模塊連接設計

2.5 控制系統(tǒng)程序設計

本項目采用組態(tài)王作為組態(tài)軟件，具有控制指令下達、限位、采集、存儲、顯示、報表輸出、參數(shù)設置、報警等功能，能實現(xiàn)遠程及就地控制。

使用組態(tài)軟件必須在組態(tài)環(huán)境下進行系統(tǒng)組態(tài)生成工作，然后將系統(tǒng)放在組態(tài)王的運行環(huán)境下運行。水庫閘門控制系統(tǒng)主要完成與現(xiàn)場PLC進行實時數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)對閘門的監(jiān)視和控制。系統(tǒng)具體組態(tài)包括四個方面：實時顯示閘門開度，控制閘門的啟、閉、停功能，閘門控制系統(tǒng)警報顯示及報表輸出，用戶的權限管理。高涵閘門系統(tǒng)界面見圖6。

圖6 高涵閘門控制系統(tǒng)界面

只有閘門控制系統(tǒng)供電正常才能對閘門實現(xiàn)就地(現(xiàn)場)或即集中(遠程)操作控制。故首先應判斷閘門供電是否正常。當閘門供電正常則AB相及BC相電壓會達到380V左右，故可以根據(jù)電壓值來判斷閘門供電是否正常?！癆B相電壓”“BC相電壓”“電機電流”“實際閘門開度”四個指示窗口會實時顯示閘門控制系統(tǒng)在運行時電機供電電壓、流過電流以及計算出的閘門開度信息。

3 結 論

本文從常規(guī)調(diào)度手段出發(fā)對水庫閘(閥)門控制系統(tǒng)進行了詳細的分析與設計，闡述了閘(閥)門控制系統(tǒng)的技術組成、結構設計；詳細設計了設備模塊的端接和啟閉電路，綜合水庫常規(guī)調(diào)度資料，建立降雨量、洪水預報、庫水位、泄流量、閘門開度之間的一條決策鏈，從而達到通過控制閘門開度來實現(xiàn)常規(guī)調(diào)度的目的。