大型鋼壩閘控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　本文介紹了黃山新安江大型鋼壩閘控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)體會(huì)，該系統(tǒng)具有很好的可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，符合控制系統(tǒng)危險(xiǎn)分散的原則。

　　1 系統(tǒng)介紹

　　黃山新安江鋼壩閘共有5孔，每孔寬度為46 m，擋水高度為4.8 m。鋼壩閘門(mén)向下游一側(cè)傾倒，臥倒后行洪。門(mén)頂(站立時(shí))過(guò)水高度最大值為40 cm，以形成瀑布景觀效果。行洪時(shí)閘門(mén)以上設(shè)計(jì)水深為7.78 m。閘門(mén)最大轉(zhuǎn)角不小于90°，并可以在任意設(shè)定角度使閘門(mén)處于鎖定狀態(tài)。鋼壩閘門(mén)采用啟閉機(jī)驅(qū)動(dòng)，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)分兩側(cè)布置，其中右岸一側(cè)啟閉機(jī)控制2孔閘門(mén)，左岸一側(cè)啟閉機(jī)控制3孔閘門(mén)。正常工況下運(yùn)行速度可達(dá)3～5 m/min，一般不超過(guò)10 min即可完成升壩和塌壩，可有效保證突發(fā)洪水時(shí)能及時(shí)泄洪。示意圖見(jiàn)圖1。

　　鋼壩閘控制系統(tǒng)按“少人值守”要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以“分層管理、集中控制”為原則組成控制中心、現(xiàn)地控制和設(shè)備三層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)配置和設(shè)備選型充分利用了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，軟硬件均采用全開(kāi)放、分布式模塊化結(jié)構(gòu)，使之有良好的擴(kuò)充性，也便于運(yùn)行管理的智能化。鋼壩閘控制系統(tǒng)作為新安江水利樞紐工程的一個(gè)子系統(tǒng)，不單設(shè)監(jiān)控中心(中控室)，在左、右岸液壓?jiǎn)㈤]機(jī)房設(shè)2個(gè)現(xiàn)地控制站(PLC01站、PLC02站)。其中PLC01站控制2孔閘門(mén)，PLC02站控制3孔閘門(mén)。系統(tǒng)最關(guān)鍵的控制對(duì)象是液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸的行程控制，以防止在鋼壩閘啟閉時(shí)液壓缸行程偏差過(guò)大造成閘門(mén)扭曲變形甚至損壞。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　新安江鋼壩閘控制系統(tǒng)為三層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　第一層為控制中心層。以樞紐控制中心網(wǎng)管型交換機(jī)為核心，通訊協(xié)議為T(mén)CP/IP，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐率為100 Mb/s?？刂浦行牟僮鲉T站采用雙機(jī)冗余熱備工作方式，任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)故障，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，保證系統(tǒng)的高可用性。工程師站可進(jìn)行上下位軟件編程及調(diào)試。該層完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測(cè)、控制、通信及管理調(diào)度等功能，顯示鋼壩閘工作過(guò)程中的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)(工作/停止/故障)和閘門(mén)開(kāi)度等。

　　第二層為現(xiàn)地控制層。以施耐德Unity平臺(tái)為控制核心，主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、順序控制流程、邏輯控制流程以及與系統(tǒng)中其他裝置的數(shù)據(jù)交換等?？刂茖?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1722/" target="_blank">網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)以及環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以單模光纖為通信介質(zhì)，通過(guò)以太環(huán)網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成帶寬為100 Mb/s的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的高速傳輸。該網(wǎng)絡(luò)為自愈性環(huán)網(wǎng)，當(dāng)環(huán)網(wǎng)發(fā)生一個(gè)光纖斷點(diǎn)時(shí)，通訊仍能夠正常進(jìn)行。同時(shí)作為樞紐的控制主干網(wǎng)，光纖環(huán)網(wǎng)能在任何節(jié)點(diǎn)在線增加或刪除任意一個(gè)設(shè)備，也不會(huì)影響到其他設(shè)備的運(yùn)行和通訊，充分考慮了樞紐工程系統(tǒng)管理的方便性。控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　第三層為設(shè)備層。利用Unity PLC上MB通訊接口對(duì)MCC柜中的軟起動(dòng)器和其他智能儀器進(jìn)行多點(diǎn)通訊。這種不用傳統(tǒng)I/O模塊而直接采用總線電纜連接的通訊方式，在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)離散設(shè)備和PLC之間的數(shù)據(jù)數(shù)字化傳輸?shù)耐瑫r(shí)，將成本費(fèi)用減少到最小。這種用于底層設(shè)備的低成本、高效率信息集成模式，已經(jīng)逐漸成為控制領(lǐng)域的主流。

　　3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 技術(shù)要求

　　對(duì)控制系統(tǒng)的技術(shù)要求如下：

　　(1)由于鋼壩閘控制水平要求高，模件的負(fù)荷率必須小于50%;

　　(2)I/O點(diǎn)余量為15%;

　　(3)內(nèi)部存儲(chǔ)器占用容量小于等于50%，外部存儲(chǔ)器占用容量小于等于40%;

　　(4)在滿足高穩(wěn)定性的控制要求前提下，提高性能價(jià)格比;

　　(5)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，維護(hù)人員可以根據(jù)還原的歷史記錄迅速消除故障。

　　3.2 控制站PLC的硬件構(gòu)成

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用施耐德Unity系列PLC，電源為冗余配置，Unity模件全部支持帶電熱插拔功能，通過(guò)模塊故障自檢功能可以使模塊的故障瞬間反應(yīng)在上位機(jī)系統(tǒng)上，大大方便了鋼壩閘控制系統(tǒng)運(yùn)行、檢修和維護(hù)人員。以左岸PLC01站為例，開(kāi)關(guān)量輸出54點(diǎn)、開(kāi)關(guān)量輸入152點(diǎn)、模擬量輸出5點(diǎn)、模擬量輸入11點(diǎn)，右岸PLC02站相同。模塊配置時(shí)在實(shí)際統(tǒng)計(jì)的點(diǎn)數(shù)上還需留有15%的余量。PLC01站硬件配置如表1所示。

　　3.3 上位監(jiān)控系統(tǒng)

　　上位監(jiān)控系統(tǒng)承擔(dān)著對(duì)鋼壩閘控制、系統(tǒng)管理及PLC編程、上位組態(tài)和調(diào)試等工作。編程軟件使用施耐德Unity Pro軟件，上位監(jiān)控軟件采用Wonderware公司的Intouch 10.O，操作系統(tǒng)為Window XP Professional。Unity Pro編程軟件完成對(duì)硬件組態(tài)、子站地址的分配，編寫(xiě)整個(gè)系統(tǒng)程序的控制邏輯。該編程軟件采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的IEC6113l-3編程語(yǔ)言，通俗易懂、直觀簡(jiǎn)單，強(qiáng)大的編程環(huán)境基本可以滿足一切工業(yè)邏輯要求。Intouch 10.0監(jiān)控軟件是一套工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件，為系統(tǒng)提供了一個(gè)“過(guò)程化的窗口”和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為操作員提供了功能強(qiáng)大操作方便的人機(jī)界面。Intouch通過(guò)現(xiàn)地PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、記錄、故障報(bào)警等功能，并以圖形或報(bào)表的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及事件記錄、打印等。

　　3.4 控制模式

　　鋼壩閘控制系統(tǒng)操作運(yùn)行設(shè)有“遠(yuǎn)程自動(dòng)”、“遠(yuǎn)程手動(dòng)”、“現(xiàn)地手動(dòng)”三種工作模式?！斑h(yuǎn)程自動(dòng)”模式為正常的主要運(yùn)行方式，根據(jù)鋼壩閘自動(dòng)順序運(yùn)行的條件，在操作員站上操作完成整個(gè)工作流程。在程序編寫(xiě)中注意自動(dòng)順序執(zhí)行期間，出現(xiàn)任何故障或運(yùn)行人員中斷信號(hào)，都能使正在運(yùn)行的程序中斷并回到安全狀態(tài)，使程序中斷的故障或運(yùn)行人員的指令都將在畫(huà)面實(shí)時(shí)顯示?！斑h(yuǎn)程手動(dòng)”模式為運(yùn)行人員在畫(huà)面上點(diǎn)操作被控對(duì)象。在遠(yuǎn)程手動(dòng)模式下，系統(tǒng)提供了豐富的操作指導(dǎo)和反饋信息，指引操作人員的操作，以防止誤操作。“現(xiàn)地手動(dòng)”模式是運(yùn)行人員通過(guò)現(xiàn)地控制柜上按鈕操作被控對(duì)象。

　　4 主要控制功能的實(shí)現(xiàn)

　　新安江鋼壩閘每孔閘門(mén)寬度為46 m，兩側(cè)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸微小的行程偏差都會(huì)產(chǎn)生較大的扭力造成閘門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程中的偏轉(zhuǎn)、卡堵甚至損壞，因此在鋼壩閘運(yùn)行中液壓缸的行程控制是關(guān)鍵。為防止出現(xiàn)在鋼壩閘啟閉過(guò)程中液壓缸行程偏差過(guò)大，各閘門(mén)啟閉機(jī)上均設(shè)置有閘門(mén)開(kāi)度(行程)檢測(cè)裝置，現(xiàn)地PLC可接受檢測(cè)裝置中絕對(duì)型編碼器發(fā)送的閘門(mén)開(kāi)度數(shù)據(jù)(分辨率為1/4 096)，控制中心可據(jù)此數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)地各孔閘門(mén)的運(yùn)行進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控。其中行程檢測(cè)裝置及行程開(kāi)關(guān)是關(guān)鍵的檢測(cè)部件，要求選用具有高可靠性、技術(shù)先進(jìn)的產(chǎn)品。通過(guò)行程檢測(cè)裝置可順利實(shí)現(xiàn)鋼壩閘的主要控制功能：

　　(1)液壓缸同步控制。在閘門(mén)啟閉過(guò)程中，行程檢測(cè)裝置全程連續(xù)檢測(cè)同一孔閘門(mén)2只液壓缸的行程偏差，當(dāng)偏差值大地等于20 mm時(shí)，液壓系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整相應(yīng)液壓缸的進(jìn)、出油量，使液壓缸同步。當(dāng)2只液壓缸的行程偏差大于等于40 mm時(shí)，液壓系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

　　(2)閘門(mén)復(fù)位控制。閘門(mén)開(kāi)啟到預(yù)定的工作開(kāi)度時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)監(jiān)控閘門(mén)的實(shí)際開(kāi)度，當(dāng)閘門(mén)因系統(tǒng)泄漏引起閘門(mén)自開(kāi)啟工作位置下滑達(dá)150 mm時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)指令液壓泵電動(dòng)機(jī)組啟動(dòng)，將閘門(mén)提升恢復(fù)原位。若閘門(mén)繼續(xù)下滑至200 mm時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)指令備用液壓泵電動(dòng)機(jī)組啟動(dòng)，將閘門(mén)提升恢復(fù)原位，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

　　(3)極限位置控制。閘門(mén)全開(kāi)位置測(cè)量：當(dāng)閘門(mén)到達(dá)全開(kāi)位置后，通過(guò)行程開(kāi)關(guān)給出一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)，停止閘門(mén)開(kāi)啟操作;閘門(mén)全關(guān)位置測(cè)量：當(dāng)閘門(mén)到達(dá)全關(guān)位置后，通過(guò)行程開(kāi)關(guān)給出一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)，停止閘門(mén)關(guān)閉操作。

　　(4)液壓系統(tǒng)主要回路壓力測(cè)量。系統(tǒng)能自動(dòng)測(cè)量閘門(mén)操作壓力油源的壓力、油缸兩腔的壓力，以及油路中主要閥、管中油的壓力，控制系統(tǒng)檢測(cè)并診斷液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)，以便及時(shí)采取保護(hù)措施。

　　(5)電機(jī)及油泵運(yùn)行狀態(tài)測(cè)量。檢測(cè)電機(jī)投入命令是否執(zhí)行和油泵是否正常運(yùn)行。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　黃山新安江鋼壩閘是我國(guó)目前在建第二大鋼壩，其控制系統(tǒng)要求先進(jìn)、可靠、安全。在鋼壩閘項(xiàng)目論證和實(shí)施過(guò)程中，選用以施耐德Un-ity PLC為平臺(tái)，充分利用當(dāng)前工控領(lǐng)域的一些先進(jìn)的、成熟的技術(shù)，使系統(tǒng)具有高可靠性、高穩(wěn)定性以及靈活的可擴(kuò)展功能，為鋼壩閘的少人值守管理模式提供了良好的技術(shù)支持。本系統(tǒng)于2009年1月開(kāi)始設(shè)計(jì)以來(lái)組織了多次水利工程專家進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的審查，與會(huì)專家對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常滿意。目前該系統(tǒng)正在調(diào)試中，預(yù)計(jì)年底正式投運(yùn)，投運(yùn)后將在黃山市城市水利建設(shè)中發(fā)揮巨大作用而獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是美化了黃山城市的水環(huán)境建設(shè)，將取得顯著的社會(huì)效益。