樂可定，鄢仁成，許慧，崔柏昱

（1.溫州市珊溪水利樞紐管理局，浙江溫州325300；2.浙江省溫州市珊溪水力發(fā)電廠，浙江溫州325304；3.浙江珊溪經(jīng)濟發(fā)展有限責(zé)任公司，浙江溫州325300）

0 引言

珊溪水力發(fā)電廠系國家重點建設(shè)工程——飛云江干流控制性大型綜合利用工程珊溪水利樞紐工程主要組成部分，距溫州市117 km。珊溪電廠正常蓄水位為142.00 m，水庫總庫容為18.24億m3，調(diào)節(jié)庫容6.96億m3，防洪庫容2.12億m3，正常運行水頭范圍為67～100.88 m。

珊溪水庫泄洪建筑物由溢洪道和泄洪洞組成。溢洪道泄流設(shè)備有5扇表孔弧形工作閘門，外形尺寸為12 m×16 m（寬×高），設(shè)計水頭16 m，可動水啟閉，每孔工作閘門用2×1600 kN液壓啟閉機啟閉。泄洪時可以單獨開啟一孔，也可以同時對稱開啟兩孔。設(shè)計洪水時最大下泄流量為10801.6 m3/s,液壓啟閉機油缸由武進液壓啟閉機廠制造，油缸內(nèi)徑400 mm,工作行程8940 mm。液壓啟閉機液壓系統(tǒng)由依頓·威格士公司制造，包括一套液壓站、兩套油缸鎖定閥。油缸采用德國進口的磁致線性位移傳感器，測量精度達到0.01 mm。

1 原閘門控制系統(tǒng)存在問題

液壓啟閉機閘門原電氣控制部分由常州明園電子有限公司提供，共由兩只電柜（接觸器屏、控制屏）組成。采用GE 9030 PLC負責(zé)采集和處理閘門液壓啟閉機的各種信號實現(xiàn)自動控制。由于運行多年，存在以下問題：

（1）現(xiàn)地閘門室夏季高溫，原閘門電氣控制系統(tǒng)PLC和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等電子設(shè)備已運行近十年，故障率逐步上升，成為制約電廠防汛安全的瓶頸，到了更新?lián)Q代的周期。

（2）原閘門控制系統(tǒng)為單扇控制，操作人員無法保證閘門成組同步對稱啟閉，不利于大壩水工設(shè)施安全。

（3）閘門開度、狀態(tài)和閘門油泵運行狀況無法在遠方進行實時監(jiān)控。

珊溪水庫每年臺汛期均受臺風(fēng)影響，水庫防汛抗臺任務(wù)艱巨，溢洪道閘門時有啟閉，要求閘門和電氣控制絕對可靠，因此要解決上述問題，對其進行改造勢在必行。

2 改造后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配置

此次閘門電氣控制系統(tǒng)改造本著“安全、可靠、先進”的原則，首要目標是提高控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，以滿足防汛安全的需要，同時通過選用功能強大的上位機軟件，通過通訊技術(shù)，實時監(jiān)控閘門狀態(tài)，監(jiān)視人員無需到現(xiàn)場即可準確掌握閘門的狀況，提高工作效率和監(jiān)視的實時性。改造后的電氣控制系統(tǒng)介紹如下。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PLC具有可靠性高、功能完善、易于編程等特點，因此珊溪電廠閘門控制系統(tǒng)采用SIEMENS PLC為現(xiàn)地電氣控制核心，通過以太網(wǎng)交換機、MOAX交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成的分布式計算機數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，開放式全分布結(jié)構(gòu)，分設(shè)現(xiàn)地控制層、集中控制層和遠程監(jiān)視站。改造后閘門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 改造后閘門控制系統(tǒng)圖Fig.1 Renovated electric control system for the spillway gate

2.2 現(xiàn)地控制層

每孔閘門采用獨立的現(xiàn)地電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)閘門啟閉全過程控制以及油泵組的自動啟停控制，并實現(xiàn)閘門啟閉過程中各狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和報警等。每孔閘門的現(xiàn)地啟閉、泵站控制等由一套SIEMENS PLC300及常規(guī)電器完成。開度傳感器的SSI信號由轉(zhuǎn)換模塊通過通信口進入PLC。PLC完成開度數(shù)據(jù)/閘門狀態(tài)采集和比例閥控制。

每孔閘門前安裝一只10.4 in的LCD觸摸屏取代大量的按鈕及指示，完成相應(yīng)的開關(guān)操作及現(xiàn)地/遠方切換，顯示閘門狀態(tài)及油泵運行信息，并配有繼電器回路用于檢修和緊急時啟動油泵。

2.3 集中控制層

采用一臺DELL服務(wù)器作為主控計算機（SCA?DA服務(wù)器），安裝在壩頂配電室，該服務(wù)器具備電源冗余和以太網(wǎng)冗余，它與各個現(xiàn)地控制層子站的連接采用工業(yè)總線方式，用于顯示每道閘門開度及油泵狀態(tài)信號。

考慮到珊溪水庫是多年調(diào)節(jié)水庫，每年開啟次數(shù)不多，但啟閉成功率要求達到100%，因此目前將現(xiàn)地控制層控制和集中控制系統(tǒng)作為各站的主要控制方式，通過SCADA系統(tǒng)，閘門控制系統(tǒng)現(xiàn)地監(jiān)控工作站可對整個閘門系統(tǒng)進行集中控制、監(jiān)視和管理。

2.4 遠程監(jiān)視站

采用一臺DELL服務(wù)器作為主控計算機（SCA?DA服務(wù)器），安裝在電廠中控室，通過光纖連接到壩頂配電室的MOAX交換機，與各個現(xiàn)地控制層子站相通訊，它與集中控制層的主控計算機互為冗余，同樣具備監(jiān)視和控制全部功能，考慮到安全系數(shù)，目前操作方式禁止，只監(jiān)不控。它主要負責(zé)處理、存儲、管理各個站點傳送來的實時數(shù)據(jù)，同時又為網(wǎng)絡(luò)中的其他工作站提供實時數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)存放在Citect的專用實時數(shù)據(jù)庫中，該服務(wù)器具備海量數(shù)據(jù)存儲功能。SCADA實時數(shù)據(jù)服務(wù)器運行通信管理軟件可完成與各遠程站點的通信鏈接、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等任務(wù)。

3 控制和監(jiān)控方式

閘門共有現(xiàn)地操作（包括自動方式和純手動方式）、集控操作和遠方監(jiān)視三種控制方式。

3.1 閘門啟閉機操作方式

現(xiàn)地操作方式分自動方式和純手動方式。在現(xiàn)地控制柜上有手動/自動/集控選擇把手，工作人員能對設(shè)備的控制方式進行設(shè)置。

（1）自動方式：在現(xiàn)地控制柜觸摸屏上設(shè)定給定閘門高度，通過PLC進行自動操作。當(dāng)控制系統(tǒng)工作時，裝在油缸上的線性位移傳感器將油缸的行程變化以SSI信號輸出，現(xiàn)地PLC采集后進行比較分析，根據(jù)試驗過程中建立的油缸行程和弧形閘門實際開度關(guān)系曲線（兩者為非線性）來判斷閘門位置，決定是否做相應(yīng)的動作（如：上升、下降、停止及相應(yīng)保護）或需要進行左右糾偏（輸出電流信號給比例閥），同時，PLC通過掃描系統(tǒng)所有的保護信號，一旦有異常啟動保護功能。

（2）純手動方式：為純繼電器回路操作，是一種應(yīng)急人工方式（或調(diào)試維修時使用），使工作人員能獨立于PLC直接對閘門和油泵進行操作。

在各個閘門現(xiàn)地控制柜能監(jiān)視自身閘門的開度及相關(guān)數(shù)據(jù)，也可監(jiān)視到其他閘門的操作數(shù)據(jù)和閘門狀態(tài)。

3.2 集控操作

工作人員在集控服務(wù)器選擇好受控單孔或成組閘門后，在集控室進行啟閉操作。

為確保大壩溢洪道消力池等水工建筑物的運行安全，對閘門進行成組設(shè)置，3號閘門獨立，2、4號閘門為一組，1、5號閘門為一組。集控對成組閘門操作過程中，能確保閘門對稱、均勻、同步啟閉。

3.3 遠方監(jiān)視

中控室遠程監(jiān)視站具備集控操作功能，但由于不能排除閘門控制系統(tǒng)中接觸器“打火”及觸點粘連等小概率事件，出于安全性考慮，中控室遠程監(jiān)視站只監(jiān)不控，監(jiān)視記錄各站點設(shè)備數(shù)據(jù)，進行異常報警。

4 現(xiàn)地閘門控制層功能（各閘門電氣控制柜）

現(xiàn)地控制柜對泵站主要設(shè)備、液壓系統(tǒng)、動力屏、閘門系統(tǒng)、水庫運行狀態(tài)等實時運行參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)視。

4.1 啟閉控制

當(dāng)閘門實際開度小于給定開度并超過允許誤差要求時，進行閘門開啟控制。閘門實際開度大于給定開度并超過允許誤差要求時，進行閘門關(guān)閉控制。當(dāng)閘門實際開度與給定開度之差小于運行誤差（目前整定值為1 cm）時，閘門開度控制停止。

4.2 糾偏控制

由于珊溪閘門有左右雙油缸，需要防止左右油缸運行不平衡而導(dǎo)致的閘門偏轉(zhuǎn)卡死，因此控制系統(tǒng)需根據(jù)左右油缸接力器位移差自動糾偏，注入左右油缸的壓力油量，使差值始終保持在允許范圍內(nèi)（目前設(shè)置值為5 cm）。

4.3 持住控制

當(dāng)閘門開啟到設(shè)置的開度停止后，控制系統(tǒng)自動監(jiān)測閘門實際開度，當(dāng)閘門實際開度下滑達一設(shè)定值時（目前設(shè)置值為20 cm），自動啟動閘門開啟控制，恢復(fù)閘門原設(shè)定位置。

4.4 保護功能

現(xiàn)地控制層具有防止閘門偏轉(zhuǎn)卡阻保護、防止液壓系統(tǒng)失壓保護和防止液壓系統(tǒng)過壓保護。

4.5 故障報警功能

現(xiàn)地控制層能及時檢測出閘門系統(tǒng)性能的降低和故障，如油壓力的變化、閘門操作糾偏量的變化、油路堵塞、濾油器堵塞、油泵及電機停運、活塞卡澀等。

4.6 油泵自動切換功能

對閘門泵組的兩臺電機進行主備自動切換、手動切換及手動啟動。

4.7 其他改進

現(xiàn)地控制柜內(nèi)電氣元件更換為施奈德產(chǎn)品。柜體為高防護等級的威圖柜體（IP56），增加防潮防濕元件。柜內(nèi)二次電源采用雙電源自動切換回路，確保了電源的安全。

5 系統(tǒng)軟件功能（集中控制層和遠程監(jiān)視站服務(wù)器）

集中控制層和遠程監(jiān)視站作為控制網(wǎng)絡(luò)上的I/O server,同時又是控制網(wǎng)絡(luò)的Trend Server、Re?port Server，負責(zé)處理、存儲、管理各現(xiàn)地控制系統(tǒng)傳送過來的實時數(shù)據(jù)，是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)集散地。服務(wù)器的操作系統(tǒng)為Windows 2000 Server操作系統(tǒng)，安裝CCitectsCADA5.5 Server監(jiān)控軟件和Miscrosoft SQL數(shù)據(jù)庫管理軟件，具備以下功能。

5.1 數(shù)據(jù)采集與處理功能

通過以太網(wǎng)總線自動周期性采集各扇閘門和油泵實時運行參數(shù)。以上數(shù)據(jù)實時計入數(shù)據(jù)庫，整點保存，能對實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行整理，并根據(jù)需要生成相關(guān)性曲線，便于進行系統(tǒng)分析。

5.2 安全運行監(jiān)視

安全運行監(jiān)視包括各設(shè)備運行實時監(jiān)視及參數(shù)在線修改、狀變監(jiān)視、越線檢查、過程監(jiān)視、趨勢分析和控制系統(tǒng)異常監(jiān)視。

5.3 報警提示

對整個閘門系統(tǒng)、壩頂電氣設(shè)備和控制系統(tǒng)的故障信號進行及時的聲光報警。

5.4 記錄和報告

將所有監(jiān)控對象的操作、報警及實時參數(shù)報表等記錄下來，可設(shè)置為定時打印、故障打印、操作打印及召喚打印等方式。

5.5 屏幕顯示

畫面調(diào)用具備自動和召喚兩種方式。自動方式指當(dāng)有事故發(fā)生或進行某些操作時有關(guān)畫面能自動推出，召喚方式則指操作某些功能鍵或以菜單方式調(diào)用所需畫面。畫面種類包括各種系統(tǒng)圖、棒行圖、曲線、表格等。

6 結(jié)語

作為防汛啟閉設(shè)備的控制系統(tǒng)，最關(guān)鍵的要求就是可靠性。升級改造后的系統(tǒng)采用高可靠性的硬件，增加了控制元件的冗余，采用模塊化結(jié)構(gòu)，兼容性強，具有良好的數(shù)據(jù)存儲和分析功能，增加了集中控制模式和遠程監(jiān)視模式，充分考慮系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時較好地結(jié)合珊溪電廠特點和現(xiàn)地情況，為珊溪電廠防汛安全奠定了良好的基礎(chǔ)。■

[1]方輝欽.現(xiàn)代水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)與試驗[M].北京：中國電力出版社.2004.