齊向輝，張文劍

(西安航天自動化股份有限公司，陜西 西安 710065)

0 工程概況

亭子口水利樞紐位于四川省廣元市蒼溪縣境內，是嘉陵江干流開發(fā)中唯一的控制性工程，是以防洪、灌溉及城鄉(xiāng)供水、發(fā)電為主，兼顧航運，并具有攔沙減淤等效益的綜合利用工程。工程主體建筑物從左岸至右岸依次布置有左岸非溢流擋水壩段，左岸廠房壩段、底孔壩段、表孔壩段、升船機壩段和右岸非溢流壩段等建筑物組成，在樞紐工程左右岸各設置有一座灌溉引水渠首。水庫正常蓄水位458 m，死水位438 m，設計洪水位461.3 m，校核洪水位463.07 m，總庫容40.67億 m3，電站裝機1 100 MW，通航建筑物為2 ×500 t級［1］。

大壩共設5孔底孔，分別布置在22～26號壩段，每孔設有底孔弧形工作門，工作門設計尺寸為6 000 mm×9 000 mm，設計水位461.3 m，工作門底坎高程 373.5 m，設計水頭 88.3 m，支鉸高程386.5 m，弧門曲率半徑18.00 m，動水啟閉。底孔弧形工作門設有兩套止水系統(tǒng)，一套為常規(guī)止水檢修門，一套為充壓止水工作門，充壓止水工作門寬7 m，弧門半徑18 m，面板弧長12.79 m，支鉸中心距3.6 m，通過安裝在啟閉機房內的5 000/1 600 kN單缸液壓啟閉機啟閉［1］。

1 控制對象

嘉陵江亭子口水流樞紐底孔弧形工作門電氣控制系統(tǒng)的控制對象為亭子口水電站5扇底孔弧形工作門及其相應液壓啟閉機設備和底孔充壓式止水裝置。每扇工作門設置1套液壓泵站，每扇工作門采用1套單吊點液壓啟閉機啟閉。

1)控制原理

底孔弧形工作門電氣控制系統(tǒng)系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)［2］，與電站集控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口通訊，實現(xiàn)遠程監(jiān)視本站系統(tǒng)狀態(tài)和控制弧形工作門運行的功能?，F(xiàn)地電氣控制系統(tǒng)根據(jù)操作或指令來對液壓系統(tǒng)進行控制，實現(xiàn)雙作用油缸的伸出或縮回，帶動弧形工作門運行。單套控制系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 泄洪底孔工作門控制框圖

2)底孔弧形工作門的組成

底孔弧形工作門的組成包括:油缸、擺動機架、固定下機架、相應埋件、檢修平臺和爬梯、軸承、聯(lián)門軸及軸端擋板和緊固件、行程檢測和指示裝置、行程限位裝置、液壓泵站、液壓管路系統(tǒng)、重力油箱補油回路系統(tǒng)、底孔充壓式止水裝置、電力拖動和控制系統(tǒng)。

3)底孔弧形工作門的主要參數(shù)

表1 泄洪底孔弧形工作門5 000/1 600 kN液壓啟閉機主要技術參數(shù)

2 控制功能

底孔弧形工作門每套控制系統(tǒng)采用可編程控制的PLC作為控制主機［3-4］，實現(xiàn)啟閉機等設備的監(jiān)視與控制，并通過以太網(wǎng)通訊接口與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)現(xiàn)地手動、現(xiàn)地自動以及遠方自動操作，三種控制方式相互閉鎖。

控制系統(tǒng)可通過“遠方自動”、“現(xiàn)地自動”和“現(xiàn)地手動”三種運行方式對液壓啟閉機進行控制，實現(xiàn)工作門的開啟、關閉，充壓水封的充水、泄水，主要完成的功能有:

(1)工作門開啟、關閉的控制功能(全程啟閉或局部啟閉);

(2)充泄水系統(tǒng)的充水操作;

(3)充泄水系統(tǒng)的泄水操作;

(4)工作門啟閉控制與充泄水系統(tǒng)的電氣互鎖保護;

(5)工作門下滑自動回升功能;

(6)高位油箱補油控制。

具體控制要求如下:

(1)工作門開啟控制:通過控制相應的液壓回路，使雙作用油缸縮回，帶動工作門向全開位運動。首先啟動油泵電機，油泵運行穩(wěn)定，打開建壓閥，待系統(tǒng)壓力正常后，打開啟門閥，使油缸開始縮回。工作門開啟前，應確認充壓水封內完全排出后，再執(zhí)行工作門開啟操作。

(2)工作門關閉控制:通過控制相應的液壓回路，使雙作用油缸伸出，帶動工作門向全關位運動。首先啟動油泵電機，一定時間后，打開建壓閥，待系統(tǒng)壓力正常后，打開閉門閥，使油缸開始伸出。工作門關閉到全關位后，應執(zhí)行充水控制，使充壓水封處于充水狀態(tài)。

(3)泄水控制:工作門開啟前，如在全關位，應首先將充壓水封內的水完全排出，使工作門與充壓水封沒有受力，待充壓水封內的水完全排出后，再開啟工作門。首先關閉進水蝶閥，進水蝶閥關閉到位后，通過控制相應的液壓回路，打開位于工作門底坎位置的液控閥，使水封內的水由液控閥排出，一定時間后，水封內的水完全排出。充壓水封的泄水控制與工作門的啟閉控制相互閉鎖、不同時運行。

(4)充水控制:工作門關閉到全關位后，應對充壓水封進行充水控制，使充壓水封內完全充滿水;首先控制相應的液壓回路，關閉位于工作門底坎位置的液控閥，然后打開進水蝶閥，讓水開始流入充壓水封內，一定時間后，水完全充滿充壓水封。充壓水封的泄水控制與工作門的啟閉控制相互閉鎖、不同時運行。

(5)工作門下滑回升控制:在工作門的任一開度上，當工作門液壓回路因泄漏，下滑量大于200 mm時，電氣控制系統(tǒng)自動發(fā)出報警信號，并自動啟動液壓啟閉機將工作門重新開啟至原高度。

(6)高位油箱補油控制:液壓系統(tǒng)設置有簡單可靠的、利用重力油箱向油缸上腔的補油回路，以補償油缸和系統(tǒng)的泄漏，當高位油箱液位低于一定值后，自動開啟補油泵向高位油箱中補油，當高位油箱液位高于一定值后，自動停止。

在現(xiàn)地自動或遠方自動方式下，PLC站監(jiān)視工作門的位置和液壓系統(tǒng)的狀態(tài)，在沒有影響運行的故障出現(xiàn)時，當接收到現(xiàn)地或遠方指令后，自動啟、閉門到預定位置。

綜合上述分析，設計底孔弧形工作門的工藝流程如圖2所示。

圖2 泄洪底孔弧形工作門控制流程圖

3 系統(tǒng)設計

3.1 硬件設計

根據(jù)泄洪底孔弧形工作門的參數(shù)和控制要求，結合相應的規(guī)范標準，在總結以往項目的經(jīng)驗，在電氣控制系統(tǒng)設計時，為每套電氣控制系統(tǒng)設置1面動力柜和1面操作控制柜。設備選型根據(jù)“性能可靠，維護方便、技術先進，性價比高”的原則，在電氣控制系統(tǒng)的設計時，PLC選用施耐德電氣公司Premium系列產(chǎn)品，主要低壓電氣設備如斷路器、接觸器、指示燈、按鈕、中間繼電器、開關電源等選用法國施耐德電氣公司產(chǎn)品，軟啟動器選用丹麥丹佛斯公司的MCD500系列原裝進口產(chǎn)品，油缸行程通過數(shù)據(jù)采集精度高、準確性好的絕對型編碼器進行測量，其測量值以SSI方式送入PLC進行處理。每套控制系統(tǒng)預留有光纖以太網(wǎng)通訊接口，可與電站集控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通訊，實現(xiàn)工作門的遠方自動控制。

表2 泄洪底孔工作門液壓啟閉機故障分類表［5］

3.2 保護設計

洪底孔弧形工作門液壓啟閉機電氣控制系統(tǒng)根據(jù)嚴重程度將故障分為三個級別:一類故障、二類故障和三類故障。其中，一類故障最為嚴重，必須馬上緊急停機;二類故障可以按照工藝流程順序停機;三類故障可以堅持運行完本次啟、閉門流程后再做檢查處理。

一類故障為緊急停機，電機停止運行，溢流閥、啟門閥或閉門閥立即停止;同時聲光報警。

二類故障為正常停機，控制系統(tǒng)按照工藝流程控制工作門及啟閉機系統(tǒng)順序停機;同時聲光報警。

三類故障為只聲光報警。

故障內容、判定方法及故障類別如表2所示。

4 結束語

嘉陵江亭子口水利樞紐底孔弧形工作門電氣控制系統(tǒng)的設計“安全可靠、技術先進、經(jīng)濟實用、操作簡單”，滿足水電站“無人值班，少人值守”的現(xiàn)代化管理要求。從2011年8月份開始進行控制系統(tǒng)設計，于當年10月份完成與液壓系統(tǒng)、油缸系統(tǒng)的聯(lián)合調試實驗，于2012年2月份完成現(xiàn)場安裝和無水調試實驗，于2013年5月份完成有水調試實驗，到目前為止運行良好，保證了亭子口水利樞紐對嘉陵江流量的調控工作順利進行。

［1］胡洪浪，倪志東.亭子口水利樞紐深孔弧門安裝［J］.水利發(fā)電2013，39(6):67-67.

［2］吳小平.基于PLC的中小型水電站閘門監(jiān)控系統(tǒng)設計研究［D］.陜西:西北農林科技大學，2011.

［3］劉生建.淺談控制系統(tǒng)中PLC的合理選擇［J］.龍巖學院學報，2005，23(3):59-61.

［4］王平，劉復玉.PLC自動控制系統(tǒng)可靠性研究［J］.電氣傳動，2001，43(1):36-38.

［5］方炎郴，吳斌，范鍇.高壩洲水電站表孔弧形閘門的自動控制［J］.水利水電快報，2002，23(5):12-12.