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(kāi)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(mén)。每個(gè)泄洪閘和沖沙閘都有弧形工作門(mén)1扇。每一泄洪閘弧形工作門(mén)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(mén)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(mén)具有全開(kāi)、全關(guān)和設(shè)置開(kāi)度3 種工作方式。

每套弧門(mén)都有1 套電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)弧形工作閘門(mén)的啟閉全過(guò)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(guò)FXS-IIB 數(shù)字閘門(mén)開(kāi)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(guò)開(kāi)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(mén)左右杠開(kāi)度顯示及顯示門(mén)實(shí)際開(kāi)度值，從而最終通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)閘門(mén)的控制。

1 系統(tǒng)配置

每套泄洪閘弧門(mén)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(kāi)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(xiàn)制電源由主溢洪道400 V 低壓柜一次電源分盤(pán)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(mén)開(kāi)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(mén)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(guò)手動(dòng)、自動(dòng)和遠(yuǎn)方3種操作方式對(duì)主溢洪道弧門(mén)進(jìn)行閘門(mén)啟閉控制。這3 種操作方式都是通過(guò)控制柜操作面板上的“工作方式選擇旋鈕”進(jìn)行切換。

閘門(mén)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(mén)的啟閉。當(dāng)閘門(mén)處于手動(dòng)狀態(tài)下，PLC 只能監(jiān)視閘門(mén)雙缸開(kāi)度，不能進(jìn)行自動(dòng)糾偏調(diào)節(jié)，但是可以通過(guò)FXS-IIB 數(shù)字閘門(mén)開(kāi)度測(cè)控儀表觀(guān)察左右缸的偏差，觀(guān)察觸摸屏上顯示的閘門(mén)兩側(cè)開(kāi)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(mén)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(mén)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(guò)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(kāi)度。當(dāng)通過(guò)智能人機(jī)界面設(shè)定閘門(mén)所需開(kāi)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(huà)框，點(diǎn)擊“是”，PLC將自動(dòng)按程序?qū)崿F(xiàn)閘門(mén)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(huà)框，點(diǎn)擊“是”，PLC將自動(dòng)按程序?qū)崿F(xiàn)閘門(mén)的啟閉和停止。

閘門(mén)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(mén)的啟閉。（2）廠(chǎng)房中控室上位機(jī)發(fā)出“遠(yuǎn)控開(kāi)度設(shè)值”、“遠(yuǎn)方開(kāi)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(mén)的遠(yuǎn)方啟閉，并將閘門(mén)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(kāi)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(wú)論閘門(mén)在任何控制方式下運(yùn)行，都可以通過(guò)“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(mén)下滑回升功能

閘門(mén)控制處于自動(dòng)方式或遠(yuǎn)方方式時(shí)，閘門(mén)下滑100 mm，自動(dòng)啟泵提門(mén)，到原設(shè)定位自動(dòng)停機(jī)；如果閘門(mén)下滑超過(guò)200 mm，自動(dòng)啟泵提門(mén)并報(bào)警，啟門(mén)到原設(shè)定位停止下滑保護(hù)。當(dāng)閘門(mén)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(mén)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(mén)。

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(guò)高、過(guò)低保護(hù)：“液位繼電器向PLC 發(fā)送兩路開(kāi)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(guò)高保護(hù)：當(dāng)系統(tǒng)回油壓力超過(guò)5 MPa 時(shí)，報(bào)警。

（6）回油過(guò)濾器、高壓過(guò)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(guò)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(mén)開(kāi)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(guò)廠(chǎng)家提供的閘門(mén)開(kāi)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(mén)的實(shí)際開(kāi)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(mén)同步控制

在弧門(mén)啟閉過(guò)程中，泄洪閘弧形工作閘門(mén)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(mén)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(guò)檢測(cè)的兩缸位置信號(hào)，反饋給PLC，PLC 通過(guò)兩缸的位置偏差值處理信號(hào)后，來(lái)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(kāi)度保持在10 mm 以下，實(shí)現(xiàn)兩缸的同步運(yùn)行，確保弧門(mén)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)，確保弧門(mén)啟閉安全。同步控制原理如圖1所示。

圖1 弧門(mén)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(huà)面”、“開(kāi)入量”、“開(kāi)出量”、“定值設(shè)定”、“報(bào)警”這幾畫(huà)面，能夠顯示電機(jī)，液壓泵、啟閉機(jī)、弧門(mén)運(yùn)行速度；閘門(mén)左右杠開(kāi)度，提供報(bào)警指示，并可通過(guò)報(bào)警界面查看歷史報(bào)警記錄。

操作界面通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)閘門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉、停止和開(kāi)度設(shè)置。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

曼維萊水電站主溢洪道弧門(mén)控制系統(tǒng)在調(diào)試和運(yùn)行過(guò)程中表現(xiàn)了良好性能，閘門(mén)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。縱觀(guān)弧門(mén)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(mén)開(kāi)度儀將左右缸行程控制在±1 mm 以?xún)?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(mén)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(xiàn)平滑，無(wú)超調(diào)和躍變，保證閘門(mén)的平穩(wěn)運(yùn)行。

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

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

4 結(jié) 語(yǔ)

主溢洪道弧門(mén)采用雙缸液壓露頂式弧形閘門(mén)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(wú)人值班全自動(dòng)化的遠(yuǎn)方啟閉門(mén)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(mén)啟閉機(jī)電氣控制柜配置了TK6100Ⅳ5 人機(jī)觸摸屏，可通過(guò)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(mén)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。