丹江口水电站进水口闸门控制系统的设计与应用

刘燕 陈琳

摘 要：进水口闸门控制系统改造是南水北调中线丹江口大坝加高工程的重点项目。原进水口闸门控制系统无论是硬件还是软件都不能适应现代自动化技术要求且故障率逐年上升，改造后的闸门控制系统采用集中控制与分散操作相结合的方案，大大提高了自动化水平。

关键词：闸门；PLC；设计；应用

概述

丹江口水电站装设有6台混流式水轮发电机组，每台机组对应1台快速闸门。原快速闸门控制系统装置由中控室闸门控制盘和坝顶闸门控制盘组成，通过光纤通讯实现中控室和坝顶信息的交换，6台快速闸门共用2台油泵，一台为主用泵，当闸门下滑250MM时启动打油提门，一台为备用泵，当闸门下滑300MM时启动提门。油泵的启停由交流电机固态控制器（SGK）来实现。当机组转速逸速至150%Ne时，系统将紧急落闸门；当机组进行检修时，将进水口闸门关至全关，给检修增加一道安全屏障。因此，进水口闸门控制系统性能的优良以及设备的健康水平，将直接影响到机组的安全稳定运行。

1 原快速闸门控制系统存在的主要问题

1.1 原快速闸门控制系统已经运行十多年，元器件出现不同程度老化，工业控制计算机不定时出现死机或自动重启现象，无法进行远方自动监控等操作。

1.2 六台机组闸门控制回路共用一套系统，无法对系统元件进行校验、检修，而且一个局部故障会对整个系统造成影响。

1.3 事故落门回路仅由一个电磁阀控制，一旦电磁阀发卡或者锈蚀，不能正常动作，将会造成严重后果，单一的电磁阀控制回路可靠性较低。

1.4 单一一路光纤通讯模式，无冗余机制，稳定性差

综上所述，无论是在性能结构、配置、控制方式上，还是可靠性方面，该控制系统都已不能满足安全生产需求，必须进行全面改造。

2 快速闸门的设计原則

鉴于原快速闸门控制系统存在的问题，改造后的快速闸门主要设计原则是每台机组进水口快速闸门控制回路独立，可随机组大修进行检修和维护，沿用PLC控制方式，利用现代计算机技术构建远程集中控制和现地控制相结合的结构模式。经过多层面研究讨论最后确定每台机组配置1套进水口快速闸门，共6套。每2套快速闸门由1套液压泵站驱动，共3套液压泵站。每套液压泵站设置1套现地控制站，在中控室设置1套闸门集控站，与三套现地控制站组成一个环形网络，实现对6台闸门的远方控制与监视。

2.1 系统方案

丹江口水电站6套进水口快速闸门设置一套闸门计算机监控系统，其监视与控制对象为6套进水口闸门液压启闭机现场机电设备。

新闸门计算机监控系统采用集中控制与分散操作相结合的监控系统方案。系统由闸门集控站、通讯网络、现地控制站三大部分组成。

闸门计算机监控系统集控站和现地控制站采用西门子S7-300系列PLC作为控制核心，工业级以太环网组网，网络通讯模块采用西门子S7-300系列以太网通信模块，网络交换机采用台湾摩莎MOXA工业以太网交换机EDS-405系列产品，集控站的彩色图形操作面板通过以太网络与集控PLC相连，实现集控站人机接口功能。

2.2 系统功能

2.2.1 控制功能

新闸门控制系统可以选择三种方式控制闸门的操作，分别是手动、程控、集控控制方式。

（1）快速事故闭门：当水轮发电机组发生飞逸事故或引水管破裂事故时，闸门需要迅速关闭。在集控站通过触摸屏操作，发出快速闭门命令，由现地控制站执行快速闭门命令，闸门靠自重迅速关闭。

（2）停机：集控站通过触摸屏操作，发出停机命令，由现地控制站执行停机命令。需要特别指出停机是指停油泵电机而不是停水轮机组。

（3）慢速闭门：正常检修时，集控站通过触摸屏操作，发出慢速闭门命令，由现地控制站执行慢速闭门命令，将闸门下腔压力油引入启闭机上腔，采用差压慢闭的方式缓慢关闭，油泵不启动。

（4）平压启门（平压前）/启门（平压后）：当未平压时，集控站通过触摸屏操作，发出平压启门命令，通过网络将命令发给进水口闸门现地控制站，此时1号油泵立即启动，5秒后2号油泵启动，双泵空载10秒后开始提充水阀，提升闸门到充水位置240毫米后停泵，压力钢管开始充水。平压后，集控站通过触摸屏操作，发出启门命令，通过网络将命令发给进水口闸门现地控制站，油泵启动提升闸门至全开位置11.75米时停泵。

2.2.2 监视功能

集控站和现地控制站设置闸门位置、设备故障、电源指示等指示灯方便运行人员监视闸门状态。集控柜配置1台12英寸的触摸式彩色图形操作面板，用于集控及现地设备的运行状态显示、故障记录显示，以及在线帮助显示。

2.2.3 闭锁功能

当现地机电设备发生液压故障或电气故障时，对事故闭门以外的其他动作进行闭锁；当存在事故闭门时，对提门动作进行闭锁。

3 主要硬件配置

3.1 供电电源

电源的稳定性、可靠性对设备的安全运行起着至关重要的作用，所以电源回路要遵循设计合理、智能监控的思路。闸门控制系统供电采用交直流双重供电加UPS模式。

3.1.1 UPS电源

闸门现地控制盘和闸门集控站的220VAC控制电源系统选用山特1KVA/h在线式不间断电源供电，UPS断电工作时间不小于0.5小时。

3.1.2 直流24V供电电源模块

系统采用2套直流稳压电源互为备用的工作方式，由两个供电系统分别供电，1套输入电源取自UPS；另外1套输入电源取自直流220V控制电源，大大提高了控制系统工作电源的可靠性。

3.2 S7-300可编程序控制器

PLC因其抗干扰能力强、可靠性高、构成灵活、易扩展等众多优点已成为现代工业控制领域的主流，我厂从选型统一，便于维护作为出发点，选用西门子S7-300型PLC作为整个闸门控制系统的核心部件。

3.3 网络交换机

闸门现地控制盘和闸门集控站网络交换机选用台湾摩莎MOXA工业以太网交换机EDS-405系列产品，遵循TCP/IP标准通信规约。该交换机具备冗余电源机制，提供了2路电源输入接口，当一路输入电源出现故障时，另一路自动为交换机提供工作电源，同时相应继电器动作，输出报警信息。

4 在实际应用中需改进的方面

4.1 新快速闸门控制系统电源部分设计冗余性较好，但是2台机组共用1套泵站的工作方式，使得两台机组的工作电源是共用的。如果需要对其中1台机组某个元件进行停电检查或者更换，就会影响到在运行机组的正常工作。建议用空气开关作为断点，将2台机组的工作电源进行分离，便于正常检修和日常维护。

4.2 闸门“关终位”和“上极限位”检测选用的是接近开关，接近开关采用无接点输出方式，寿命长，但是受相邻传感器的干扰，输出不稳定，另外其对检测距离的精准性要求较高，一旦出现故障需要更换，对检测距离的调整比较困难，需要反复提门和落门，直到找到最合适的检测距离。建议将接近开关更换为限位开关，限位开关是接触式开关，只要操作的接触力达到一定值，就会触发开关，输出稳定，也便于更换。

5 结束语

丹江口水电站闸门控制系统更换安装从2010年5月开始，至2013年4月结束。经过实际运行，新的闸门控制系统不仅在硬件上进行了更新，在软件上也得到了质的飞跃，实时、准确、有效地完成了正常启/闭门工作，设计理念和安装质量得到了全面检验。

参考文献

[1]武汉迈科机电新技术有限公司.丹江口电厂进水口快速闸门集中控制系统技术协议[Z].