金山水电站闸门自动化监控系统改造实践

2015-11-02徐立尉丁立大徐竞喆

小水电 2015年5期

徐立尉，丁立大，徐竞喆

(水利部农村电气化研究所，浙江杭州 310012)

1 概述

金山水电站是福建省第三大河——汀江干流上杭境内的一座梯级水电站。电站总库容0.55亿m3，为径流式日调节水库，正常蓄水位为214 m，汛限水位为211.5 m。最大坝高39.5 m，坝顶长度189 m，坝顶高程216.5 m，堰顶高程198.3 m，溢流坝全长71.5 m，设4个溢流孔，每孔设有1扇13 m×15.8 m弧形工作门;还有1扇冲沙孔门，孔口尺寸为3.5 m×6 m。大坝最大泄洪能力为7 736 m3/s，设计水头19.2 m，设计发电流量250 m3/s，装机容量2×2万kW，设计年发电量1.456亿kW·h，设计年利用小时3 640 h。枢纽主要建筑物由溢流坝、泄流冲沙孔坝段、河床式厂房、开关站和输出工程等组成，是以发电为主、防洪等综合利用功能的水利工程。

2014年11月至2015年4月1日，电站采用杭州亚太水电设备成套技术有限公司的SDJK—2000进行了监控系统改造升级。本文以其中溢洪弧门改造为例，详细阐述了闸门控制系统软硬件设计，功能实现及系统特性。相比原先人工现场观测操作、报告运行的传统方法，设备可靠性、执行效率及信息化水平得到了极大提升，改造工作获得了预期成效。

2 液压启闭系统原理

坝区溢流孔弧形闸门各配置1套液压启闭系统，作为闸门系统的操作执行机构 (见图1)。该液压启闭系统主要由油泵电动机组、弧形闸门液压缸、液压电磁阀及油箱等组成。液压缸活塞的前进、后退等动作的控制，由电磁阀 YV1、YV2、YV3、YV4、YV5和YV6共同完成。闸门提升和关闭的控制，主要是通过液压启闭机电气控制装置根据现地或远方启/闭闸门命令自动启动油泵电动机组，开启相应的电磁阀使油缸伸出或缩回。启闭机的油缸与闸门经吊头连接，从而通过活塞杆在油缸中的伸缩带动闸门关闭或开启。图1中，YV1和YV6为闸门开启电磁阀，YV2和YV5为闸门关闭电磁阀，YV3和YV4分别为闸门左＞右、右＞左纠偏电磁阀。

(1)开启闸门，空载启动主油泵电机，延时3 s，电磁阀YV1、YV6通电，压力油分经单向顺控阀P7、二通流量控制阀、单向阀进入左右液压缸有杆腔，液压缸无杆腔油液受压后经单向顺控阀P10、回油滤油器流回油箱。

(2)关闭闸门，空载启动主油泵电机，延时3 s，电磁阀YV2、YV5通电，压力油分经单向顺控阀P10进入左右液压缸无杆腔，液压缸有杆腔油液受压后经二通流量控制阀、单向顺控阀P7流回油箱。

图1 闸门液压启系统原理示意

(3)左右纠偏，在闸门启闭过程中，全程连续检测2只液压缸的行程偏差，经几何换算成闸门左右开度偏差。当闸门左右偏差≥20 mm时，经延时2 s左右信号消抖动确认，导通电磁阀YV3(左＞右)/YV4(右＞左)，调整左/右液压缸有杆腔进、出油量，使闸门同步。当闸门左右偏差值超过35 mm时，油压系统自动停机并发出报警信号。

3 闸门控制系统设计

3.1 系统配置

闸门现地控制单元，采用施耐德Medicon TSX Premium系列 PLC，中央处理器 (CPU)为TSXP571634M模块，配有以太网接口，数字量输入80点，数字量输出16点;另配以人机交互设备——台湾威纶MT8000系列12寸触摸屏，绝对式编码器解码装置，由光电交换机及交流接触器等设备组成 (见图2)。

由图2可知，闸门现地控制系统功能上包括了闸门左右开度测量，油压启闭系统压力、滤油器检测，油泵电机监控，开关闸门电磁阀、左右纠偏电磁阀控制，现地触摸屏、远方集控中心信息交互等内容，从而实现了对闸门的手自动控制、状态检测及故障报警等系统功能。

图2 闸门控制系统配置结构框图

3.2 信号采集及处理

PLC是闸门控制系统的核心，通过对控制对象的信号采集，经PLC内部逻辑程序运行处理及控制输出，实现对控制对象的有效控制。另外通过串口同人机界面触摸屏进行信息交互，提供系统有关参量显示、记录查询及现地自动操作等功能;通过以太网 (光缆)同中控室集控中心进行信息交换，实现远方对闸门现地系统的状态监视及远方操作等功能 (见图3～图5)。

图3 PLC输入1(系统状态、控制信号输入)

图3是PLC对系统状态、控制信号数字量输入采样。从上至下包括有:PLC 24 V输出电源消失信号，开关停闸门按钮指令输入信号，1号＆2号油泵控制位置、运行及故障信号，AC 220 V公用控制电源消失信号，闸门远控位置信号，油压过高信号，油压过低＆滤油器堵塞信号。

图4是PLC对左边编码器格雷码信号的采样输入。闸门两边为丹麦CANCON SSI型绝对式编码器，具体型号为 SAG—SL00G—1213—C100—CRW，25位精度，其中12位圈数，13位步进数。编码器通过SSI同步串行接口连接至编码器解码器，输出25位格雷码供PLC采样。PLC采样编码器格雷码经内部格雷码转二进制，再经过闸门几何关系换算成闸门实际开度值，实现对闸门左右两边开度的实时采样监测。

图5是PLC输出信号。PLC根据外部信号、指令及内部逻辑程序运行处理，控制输出，经中间继电器隔离输出接入控制回路，实现对电气设备的操控。

3.3 信息交换及处理

现地控制单元主要与人机界面触摸屏及中控室集控中心进行信息交换，发送闸门控制系统有关数据信息，并接收指令进行相关操作。触摸屏在现地控制单元内部与PLC采用串口通讯;PLC与中控室集控中心的通讯则是经过光电交换机，采用以太网协议，光缆物理连接至中控室服务器柜，并入局域网后与中控式工控机实现通讯，从而保证了通讯电路的安全，也提高了通讯带宽及信号稳定性。

图4 PLC开关量输入 (左编码器25位格雷码输入)

图5 PLC输出

4 现地控制系统软件设计

闸门控制系统PLC程序的设计在施耐德PLC专用软件开发平台Unity Pro XL上开发完成，其主、子程序流程图如下所示 (见图6～图8)。

图6 闸门控制系统主程序流程

图7 开/关/停闸门子程序流程

图8 自动开/关/闸门子程序流程

PLC程序是现地控制系统的核心工作内容，其好比人的大脑中枢，完成了对信息的输入采样、分析计算及控制输出。闸门开度计算、左右偏差监测、开关停闸门、自动开关闸门、故障事故监测及信息交互通讯等功能，都由PLC内部程序处理完成。

人机界面 (HMI)触摸屏程序设计主要实现现地人机信息交换功能。通过触摸屏，操作人员可以直观地查看当前设备状态量、模拟量、系统整定参数值及故障历史记录等信息，以及进行自动开关闸门、左右纠偏投/退、闸门全关初始值清零及系统参数修改等操作。

5 集控中心组态软件设计

中控室集控中心组态软件——水电站计算机监控系统SDJK—2000，是水电站信息化建设的核心部分。金山水电站采用施耐德IFIX组态软件开发，其在工业领域已得到普遍使用。闸门现地控制系统通过以太网光缆连接至中控室集控中心系统，信息交互安全、可靠、实时性强，实现了对闸门系统的远程实时状态监测及操控功能，提升了信息化水平。闸门远方操控主要有两种方式:一是开环控制，即远方开/关/停闸门控制，操作员登录后点击开/关闸门，在没有闸门全开/全关或停闸门指令情况下，闸门保持开/关闸运行;二是闭环控制，即远方自动开/关闸门控制，操作员登录后点击自动开/关闸门，并输入闸门开度目标值，闸门将自动开/关至设定开度后停闸 (见图9)。

图9 坝区闸门操作界面

6 存在不足

首先在现地控制方面，闸门全开、全关位置信号是闸门控制系统中十分重要的输入信号，当前系统只能通过编码器对闸门位置进行采样计算获得闸门全开/全关信号，如出现编码器故障，而系统未能监测出编码器故障时，有可能出现闸门超调，从而造成油压过高或其他事故。在闸门全开、全关位置安装限位开关是解决办法之一。在编码器、限位开关双重数据信号采集的情况下，闸门超调运行的可能性将基本被杜绝，系统可靠性将进一步提升。

其次是在远方监控方面，闸门信息化升级改造中，视频监控是重要的组成部分，目前电站现有视频监控未覆盖坝区闸门，这有待电站视频监控系统升级改造时对此进行补充。