(中國(guó)水利水電第十六工程局有限公司，福建 福州 353000)

曼維萊水電站為喀麥隆在建的最大水力發(fā)電站，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。它是由首部樞紐、渠道、前池、進(jìn)水口、壓力鋼管、主廠房等多項(xiàng)重大工程組合而成。興建“曼維萊首部樞紐”，主要作用是泄洪，即在洪水期用來(lái)控制堰的水位和通過(guò)堰的流量，清空庫(kù)區(qū)容量以防危急情況發(fā)生，因而弧門(mén)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的可靠性和控制功能具有重要作用。

1 泄洪設(shè)備簡(jiǎn)介

曼維萊水電站泄洪系統(tǒng)位于首部樞紐主溢洪道段。該工程主溢洪道設(shè)有5孔溢洪道泄洪閘(從左至右閘門(mén)依次為1～5號(hào)孔)和1孔沖沙閘，每孔弧門(mén)分別由雙點(diǎn)啟閉液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉。泄洪閘弧形門(mén)最大量程為7.0m，底坎高程381m。沖沙閘弧形門(mén)最大量程為6.6m，底坎高程379m，其底檻高程略低于泄洪閘，用于沖沙和排除堰后的雜物?；⌒喂ぷ鏖l門(mén)具有三種工作方式，分別為全開(kāi)、全關(guān)和設(shè)置開(kāi)度。

為確保工程建成后每年的度汛安全及機(jī)組發(fā)電正常水頭，弧門(mén)啟閉的電氣控制不能出任何差錯(cuò)。曼維萊水電站主溢洪道每扇弧門(mén)都有獨(dú)立的電氣控制系統(tǒng)，進(jìn)行弧形工作閘門(mén)的啟閉控制，油泵組的自動(dòng)啟停建壓控制和工作泵與備用泵的互為切換控制，并以實(shí)現(xiàn)閘門(mén)在啟閉過(guò)程中各工況參數(shù)的自動(dòng)采集與監(jiān)視等。在電氣控制中應(yīng)用了施耐德的PLC可編程控制器對(duì)弧門(mén)的啟閉進(jìn)行控制，可編程控制器由于干擾能力強(qiáng)、可靠性高、編程簡(jiǎn)單、性能價(jià)格比高，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2 比例放大板在泄洪設(shè)備電氣控制中的應(yīng)用

由于曼維萊水電站泄洪閘弧形工作閘門(mén)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓控制系統(tǒng)為雙吊點(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，為使閘門(mén)運(yùn)行更加順暢，在液壓控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置閉環(huán)比例閥同步糾偏，將檢測(cè)的兩缸位置偏差信號(hào)反饋給PLC，PLC處理信號(hào)后，發(fā)出指令給比例放大板，調(diào)節(jié)比例閥的流量，以減小兩缸的行程偏差，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)兩只液壓缸行程偏差值不小于25mm時(shí)，液壓系統(tǒng)將自動(dòng)停機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。此閘門(mén)的電氣控制部分的特點(diǎn)是：左缸運(yùn)行速度一定，右缸跟蹤左缸速度，以保證左右缸速度一致。因此在這個(gè)糾偏系統(tǒng)中電氣原理的比例放大板起決定性作用。

現(xiàn)地控制柜裝有一塊比例放大板，可自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)比例放大板的輸出電壓。放大板控制原理如圖1所示。

圖1 放大板控制原理

當(dāng)選擇手動(dòng)方式控制比例板電壓大小時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)手動(dòng)旋鈕進(jìn)行控制。手動(dòng)旋鈕旋轉(zhuǎn)指定的比例越大，比例放大板的輸出電壓越大；手動(dòng)旋鈕旋轉(zhuǎn)指定的比例越小，比例放大板輸出電壓越小。需要注意的是，手動(dòng)調(diào)節(jié)完成后，需將手動(dòng)旋鈕旋轉(zhuǎn)到0位，以保證比列放大板沒(méi)有電壓輸出給比例閥，避免比例閥及放大板長(zhǎng)期帶電燒壞設(shè)備。

當(dāng)選擇使用自動(dòng)調(diào)節(jié)方式時(shí)，就由PLC根據(jù)采集的左右缸行程差值來(lái)判斷，由模塊輸出一個(gè)4～20mA電流作對(duì)比(如圖2所示)，輸出電壓值給PLC的控制程序，根據(jù)以下控制原理來(lái)編程的設(shè)計(jì)：當(dāng)閘門(mén)上升時(shí)，如果左缸行程大于右缸行程時(shí)，輸入比例放大板電壓為0～10V，經(jīng)402和403引入比例放大板的差動(dòng)放大器24c、22a 。

①-斜坡發(fā)生器；②-PID調(diào)節(jié)器；③-電流調(diào)節(jié)器；④-功率放大器；⑤-振蕩器；⑥-解調(diào)器；⑦-限制放大器；⑧-斷線識(shí)別；⑨-電源；⑩-感應(yīng)式位移傳感器；-比例電磁閥；-差動(dòng)放大器圖2 電路方塊

差動(dòng)電壓進(jìn)入輸入口(24c-22a) 后，斜坡階躍輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變成一個(gè)斜坡信號(hào)，其中上升沿和下降沿的斜坡時(shí)間可以通過(guò)電位器R1和R2調(diào)節(jié)，所給出的斜坡時(shí)間是以100%的設(shè)定值(0～6V)為基礎(chǔ)的，如果給斜坡發(fā)生器的設(shè)定值小于最大設(shè)定值，則斜坡時(shí)間也會(huì)相應(yīng)縮短。斜坡發(fā)生器的輸出信號(hào)作為設(shè)定信號(hào)傳輸給PID調(diào)節(jié)器，并在這里與反饋信號(hào)進(jìn)行比較。振蕩器將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)，信號(hào)作用在位移傳感器上。感應(yīng)式位移傳感器回傳給放大器的信號(hào)與閥芯的大小有關(guān)。在解調(diào)器中，這個(gè)信號(hào)被重新轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)，該直流信號(hào)的大小與閥芯位置成比例。通過(guò)調(diào)節(jié)限制放大器的增益可以改變反饋值的大小，由于限值放大器的輸出信號(hào)作為實(shí)際值直接傳給PID調(diào)節(jié)器，因此利用電位器R3就可改變電磁鐵的行程。PID調(diào)節(jié)器以及由電流調(diào)節(jié)器和功率放大器組成的自振蕩輸出終端，可與所控制的閥最佳匹配。PID調(diào)節(jié)器根據(jù)設(shè)定值和實(shí)際值差的大小傳給自振蕩輸出終端一個(gè)控制信號(hào)，最后，由功率放大器輸出的電流來(lái)控制電磁鐵。斷線識(shí)別器隨時(shí)監(jiān)測(cè)位移傳感器的連接電纜，一旦發(fā)生故障，它會(huì)通過(guò)電流調(diào)節(jié)器使電磁鐵斷電，與此同時(shí)，面板上用來(lái)顯示“斷線”的發(fā)光二極管也開(kāi)始發(fā)光，讓運(yùn)維人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡快處理故障，以保障閘門(mén)的正常工作。

3 PLC在泄洪設(shè)備電氣控制中的應(yīng)用

施耐德QUANTUMUM系列可編程控制器采用模塊化設(shè)計(jì)，性能范圍寬廣的不同模板可以靈活組合，擴(kuò)展拆卸方便。一個(gè)系統(tǒng)可以包括電源模塊(PS)、中央處理單元模塊(CPU)、數(shù)字量輸入和輸出模塊(DI/DO)、模擬量輸入和輸出模塊(AI/AO)、以太網(wǎng)模塊等。其優(yōu)點(diǎn)是模塊化無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)，堅(jiān)固耐用，容易擴(kuò)展及廣泛簡(jiǎn)單的通信能力，易實(shí)現(xiàn)的分布式結(jié)構(gòu)以及用戶(hù)簡(jiǎn)單的編輯操作。

3.1 PLC在泄洪設(shè)備中的結(jié)構(gòu)

喀麥隆曼維萊水電站主溢洪道6孔弧門(mén)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)各對(duì)應(yīng)一個(gè)現(xiàn)地控制柜，6臺(tái)弧門(mén)現(xiàn)地控制柜又通過(guò)MB+的方式把信號(hào)送至大壩控制室LCU，壩區(qū)LCU再通過(guò)光纖與廠房中控室上位機(jī)相連，最終在中控達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)視閘門(mén)的運(yùn)行情況及對(duì)閘門(mén)實(shí)現(xiàn)控制。

該控制系統(tǒng)以可編程邏輯控制器PLC為核心，通過(guò)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)，利用SSI串接口，將開(kāi)度儀測(cè)量數(shù)碼量轉(zhuǎn)換為4～20mA的模擬量傳送至現(xiàn)地電氣控制柜CPU上，用于閘門(mén)左右缸及門(mén)實(shí)際開(kāi)度顯示，再通過(guò)PLC內(nèi)已編譯好的程序?qū)崿F(xiàn)閘門(mén)的控制。

3.2 PLC在泄洪設(shè)備中的結(jié)構(gòu)與軟件編程設(shè)計(jì)

PLC控制應(yīng)用軟件主要采用施耐德編程軟件Unity Pro XL V8.0作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以LAD梯形圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編制而成。在便攜計(jì)算機(jī)上編制程序后通過(guò)施耐德RCS-242及公母裝換通信電纜下載至施耐德140CPU31110 CPU中。正式投運(yùn)后不需要任何程序維護(hù)(除工藝變動(dòng)需修改程序)。程序已下載至CPU上的EEPROM存儲(chǔ)卡上固化。

閘門(mén)控制方式選擇自動(dòng)時(shí)，將兩臺(tái)電機(jī)和控制柜操作面板切換到自動(dòng)方式，可以通過(guò)觸摸屏登錄系統(tǒng)，在觸摸屏下發(fā)啟門(mén)令，落門(mén)令及停門(mén)令。

PLC程序收到啟門(mén)、閉門(mén)或停門(mén)命令接口，程序(KDJS)如圖3所示。

圖3 KDJS程序

泄洪閘門(mén)啟閉門(mén)第一步都需要啟動(dòng)一臺(tái)油泵，而且油泵兩臺(tái)互為備用，按次數(shù)輪換，或者當(dāng)故障時(shí)會(huì)自動(dòng)輪換到另一臺(tái)油泵，然后再運(yùn)行。油泵輪換程序如圖4所示。

圖4 油泵輪換程序

啟動(dòng)油泵如下程序如下：

油泵啟動(dòng)后再延時(shí)，并給比例閥開(kāi)出，然后再給啟門(mén)或閉門(mén)的電磁閥供電，最終實(shí)現(xiàn)啟閉門(mén)，程序如下：

根據(jù)之前介紹的比例放大板的原理， PLC關(guān)于糾偏的控制程序是根據(jù)以下控制原理來(lái)設(shè)計(jì)編程的：當(dāng)閘門(mén)上升時(shí)，如果左缸行程大于右缸行程，PLC增加輸出電流，使右缸加速，追上左缸；如果左缸行程小于等于右缸行程時(shí)，PLC減小輸出或不輸出電流，使右缸慢下來(lái)，讓左缸追上右缸。當(dāng)閘門(mén)下降時(shí)，情況相反，如果右缸行程大于左缸，PLC增加輸出電流，使右缸慢下來(lái)，讓左缸追上右缸；如果右缸行程小于左缸行程，PLC減小輸出電流，使右缸加速，追上左缸。

首先需要把閘門(mén)左缸開(kāi)度儀上的值采集到PLC中，并換算成實(shí)際值(如圖5所示)，通過(guò)以下程序段(KDJS)實(shí)現(xiàn)(右缸行程計(jì)算公式同理一樣)。

算出左右缸實(shí)際值后，需要對(duì)左右缸行程差值進(jìn)行分段比較(如圖6所示)，為了讓閘門(mén)平穩(wěn)的升降，PLC程序中把左右缸的行程差值分為6段進(jìn)行比較，分別為1～3mm,3～6mm,6～10mm,10～15mm,15～18mm,18～25mm,如果差值大于25mm，閘門(mén)會(huì)自動(dòng)停下來(lái)。每段之間輸出的電流值大小也是呈遞增狀態(tài)，這樣在不同差值之間變換，閘門(mén)不會(huì)左右晃動(dòng)，而是平穩(wěn)上升或下降。

圖5 開(kāi)度儀換算

圖6 差值比較

BLTJ_JD2, BLTJ_JD4，BLTJ_JD5，BLTJ_ZD1，BLTJ_ZD2, BLTJ_JD3這6個(gè)變量即代表著閘門(mén)上升時(shí)6段行程差值。%QW1.9.1=10000，即為輸出的電流值為10mA。

圖7 輸出電流量比較

BLTJ_JD3, BLTJ_ZD4，BLTJ_ZD5，BLTJ_ZD6，BLTJ_ZD2, BLTJ_JD3這6個(gè)變量即代表著閘門(mén)下降時(shí)6段行程差值。同理%QW1.9.1=10000，即為輸出的電流值為10mA。

因此在調(diào)試過(guò)程中只要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整這6段行程差值的%QW1.9.1的輸出值(0～20000之間)，就可達(dá)到調(diào)整閘門(mén)左右缸的速度基本一致，保證門(mén)的平穩(wěn)運(yùn)行(如圖6、圖7所示)。

3.3 PLC控制的可靠性與保護(hù)

可編程控制器本身都具有很高可靠性，但如果輸入給PLC的開(kāi)關(guān)量信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤，模擬量信號(hào)出現(xiàn)較大偏差，PLC輸出口控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒(méi)有按要求動(dòng)作，這些都可能使控制過(guò)程出錯(cuò)，造成無(wú)法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。

就電氣部分而言，影響現(xiàn)場(chǎng)輸出給PLC信號(hào)出錯(cuò)的原因主要有以下幾個(gè):

a.造成傳輸信號(hào)線短路或者斷路(由于機(jī)械拉扯，線路自身老化，鼠害等因素)，當(dāng)傳輸信號(hào)線出故障時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)無(wú)法傳送給PLC,造成控制出錯(cuò)。

b.機(jī)械觸電抖動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)觸電雖然只閉合一次，PLC因其掃描周期短的特點(diǎn)，PLC卻判定為閉合幾次，造成計(jì)數(shù)、累加、移位等指令出錯(cuò)，出現(xiàn)錯(cuò)誤控制結(jié)果。

c.現(xiàn)場(chǎng)變送器機(jī)械開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障。因現(xiàn)場(chǎng)潮濕，電路板經(jīng)常造成短路，變送器反應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)非電量偏差較大或不能正常工作，這些故障同樣會(huì)控制系統(tǒng)不能正常工作。

泄洪弧門(mén)是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，其系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)、電氣部分、機(jī)械部分組成，因此為了讓閘門(mén)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，在PLC程序中必須增加了一些保護(hù)，保護(hù)其液壓、電氣、機(jī)械系統(tǒng)。在監(jiān)測(cè)故障點(diǎn)動(dòng)作時(shí)，自動(dòng)停止后續(xù)程序，避免造成不必要的事故或?qū)⑹鹿视绊懡抵磷畹?。其保護(hù)程序如下：

a.左右缸偏差值超過(guò)25mm，延時(shí)25s后保護(hù)停門(mén)(偏差量過(guò)大時(shí)弧門(mén)形變保護(hù))。

b.啟閉門(mén)過(guò)程中系統(tǒng)壓力過(guò)低、過(guò)高，延時(shí)15s后停門(mén)。

c.油溫低于10℃高于50℃，延時(shí)15s后停門(mén)。

d.啟閉門(mén)過(guò)程中左缸或右缸壓力過(guò)低、過(guò)高，延時(shí)15s后停門(mén)。

e.回油壓力過(guò)低，延時(shí)15s后停門(mén)。

f.油箱液位過(guò)低，延時(shí)15s后停門(mén)。

g.啟閉門(mén)過(guò)程中左缸或者右缸在40s之內(nèi)沒(méi)有動(dòng)作，延時(shí)15s后停門(mén)。

h.兩臺(tái)油泵同時(shí)有故障，直接停門(mén)。

i.油泵單次運(yùn)行超過(guò)30min，直接停門(mén)(避免程序死循環(huán)使油泵運(yùn)行過(guò)久，燒壞設(shè)備)。

j.閘門(mén)下滑100mm后，自動(dòng)提升時(shí)油泵運(yùn)行超過(guò)60s，直接停門(mén)；閘門(mén)下滑200mm后，自動(dòng)提升時(shí)油泵運(yùn)行超過(guò)120s，直接停門(mén)(下滑保護(hù))。

k.現(xiàn)地緊急停機(jī)按鈕動(dòng)作，直接停門(mén)(防止緊急事故不能停門(mén))。

在程序(STATUS)中體現(xiàn)如圖8所示。

要提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，必須提高輸入信號(hào)的可靠性，并在PLC程序中設(shè)置對(duì)應(yīng)的保護(hù)。當(dāng)此故障中有一條滿(mǎn)足條件，閘門(mén)就會(huì)停止，同時(shí)閘門(mén)控制柜上的故障燈亮起。因此在查找閘門(mén)運(yùn)行故障時(shí)，可以篩查以上停機(jī)故障點(diǎn)，盡快排除故障，讓系統(tǒng)安全、可靠、正確地工作。

4 泄洪設(shè)備的人機(jī)界面

在現(xiàn)地控制柜可以通過(guò)觸摸屏上的畫(huà)面進(jìn)行控制，具備全開(kāi)、全關(guān)、設(shè)置開(kāi)度的功能，當(dāng)通過(guò)智能人機(jī)界面設(shè)定閘門(mén)所需開(kāi)度后，在屏幕上點(diǎn)擊“confirm”，就彈出一個(gè)“Are you sure”的對(duì)話(huà)框，點(diǎn)擊“yes”，PLC就會(huì)自動(dòng)按程序?qū)崿F(xiàn)閘門(mén)的啟閉。同樣在屏幕點(diǎn)擊全啟或全閉或停止時(shí)，屏幕會(huì)彈出一個(gè)“are you sure”的對(duì)話(huà)框，點(diǎn)擊“yes”，PLC就會(huì)自動(dòng)按程序?qū)崿F(xiàn)閘門(mén)的啟閉和停止(如圖9所示)。

圖8 閘門(mén)啟閉保護(hù)回路

圖9 人機(jī)界面操作畫(huà)面

作為一個(gè)現(xiàn)代化電站，要做到遠(yuǎn)程控制、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值班，遠(yuǎn)程控制啟閉機(jī)也是不可或缺的。當(dāng)泄洪閘門(mén)處在遠(yuǎn)方的工作位置時(shí)，運(yùn)行人員可以在發(fā)電廠房實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門(mén)的遠(yuǎn)方控制(如圖10所示)。

圖10 閘門(mén)遠(yuǎn)程控制畫(huà)面

在圖10所示界面中不僅可以進(jìn)行閘門(mén)的全開(kāi)全關(guān)控制，還可以實(shí)現(xiàn)閘門(mén)開(kāi)度的設(shè)置，設(shè)置完開(kāi)度后，點(diǎn)擊“開(kāi)啟”或者“關(guān)閉”，閘門(mén)即可自行運(yùn)行到設(shè)置的開(kāi)度位置。遠(yuǎn)程操控可以讓運(yùn)行人員根據(jù)壩區(qū)的水位更精確地調(diào)整閘門(mén)的開(kāi)度。