亭子口水利枢纽底孔弧形工作门控制系统设计

齐向辉，张文剑

(西安航天自动化股份有限公司，陕西 西安 710065)

0 工程概况

亭子口水利枢纽位于四川省广元市苍溪县境内，是嘉陵江干流开发中唯一的控制性工程，是以防洪、灌溉及城乡供水、发电为主，兼顾航运，并具有拦沙减淤等效益的综合利用工程。工程主体建筑物从左岸至右岸依次布置有左岸非溢流挡水坝段，左岸厂房坝段、底孔坝段、表孔坝段、升船机坝段和右岸非溢流坝段等建筑物组成，在枢纽工程左右岸各设置有一座灌溉引水渠首。水库正常蓄水位458 m，死水位438 m，设计洪水位461.3 m，校核洪水位463.07 m，总库容40.67亿 m3，电站装机1 100 MW，通航建筑物为2 ×500 t级［1］。

大坝共设5孔底孔，分别布置在22～26号坝段，每孔设有底孔弧形工作门，工作门设计尺寸为6 000 mm×9 000 mm，设计水位461.3 m，工作门底坎高程 373.5 m，设计水头 88.3 m，支铰高程386.5 m，弧门曲率半径18.00 m，动水启闭。底孔弧形工作门设有两套止水系统，一套为常规止水检修门，一套为充压止水工作门，充压止水工作门宽7 m，弧门半径18 m，面板弧长12.79 m，支铰中心距3.6 m，通过安装在启闭机房内的5 000/1 600 kN单缸液压启闭机启闭［1］。

1 控制对象

嘉陵江亭子口水流枢纽底孔弧形工作门电气控制系统的控制对象为亭子口水电站5扇底孔弧形工作门及其相应液压启闭机设备和底孔充压式止水装置。每扇工作门设置1套液压泵站，每扇工作门采用1套单吊点液压启闭机启闭。

1)控制原理

底孔弧形工作门电气控制系统系统采用分布式控制系统［2］，与电站集控系统通过以太网接口通讯，实现远程监视本站系统状态和控制弧形工作门运行的功能。现地电气控制系统根据操作或指令来对液压系统进行控制，实现双作用油缸的伸出或缩回，带动弧形工作门运行。单套控制系统控制框图如图1所示。

图1 泄洪底孔工作门控制框图

2)底孔弧形工作门的组成

底孔弧形工作门的组成包括:油缸、摆动机架、固定下机架、相应埋件、检修平台和爬梯、轴承、联门轴及轴端挡板和紧固件、行程检测和指示装置、行程限位装置、液压泵站、液压管路系统、重力油箱补油回路系统、底孔充压式止水装置、电力拖动和控制系统。

3)底孔弧形工作门的主要参数

表1 泄洪底孔弧形工作门5 000/1 600 kN液压启闭机主要技术参数

2 控制功能

底孔弧形工作门每套控制系统采用可编程控制的PLC作为控制主机［3-4］，实现启闭机等设备的监视与控制，并通过以太网通讯接口与电站计算机监控系统等进行数据通讯，实现现地手动、现地自动以及远方自动操作，三种控制方式相互闭锁。

控制系统可通过“远方自动”、“现地自动”和“现地手动”三种运行方式对液压启闭机进行控制，实现工作门的开启、关闭，充压水封的充水、泄水，主要完成的功能有:

(1)工作门开启、关闭的控制功能(全程启闭或局部启闭);

(2)充泄水系统的充水操作;

(3)充泄水系统的泄水操作;

(4)工作门启闭控制与充泄水系统的电气互锁保护;

(5)工作门下滑自动回升功能;

(6)高位油箱补油控制。

具体控制要求如下:

(1)工作门开启控制:通过控制相应的液压回路，使双作用油缸缩回，带动工作门向全开位运动。首先启动油泵电机，油泵运行稳定，打开建压阀，待系统压力正常后，打开启门阀，使油缸开始缩回。工作门开启前，应确认充压水封内完全排出后，再执行工作门开启操作。

(2)工作门关闭控制:通过控制相应的液压回路，使双作用油缸伸出，带动工作门向全关位运动。首先启动油泵电机，一定时间后，打开建压阀，待系统压力正常后，打开闭门阀，使油缸开始伸出。工作门关闭到全关位后，应执行充水控制，使充压水封处于充水状态。

(3)泄水控制:工作门开启前，如在全关位，应首先将充压水封内的水完全排出，使工作门与充压水封没有受力，待充压水封内的水完全排出后，再开启工作门。首先关闭进水蝶阀，进水蝶阀关闭到位后，通过控制相应的液压回路，打开位于工作门底坎位置的液控阀，使水封内的水由液控阀排出，一定时间后，水封内的水完全排出。充压水封的泄水控制与工作门的启闭控制相互闭锁、不同时运行。

(4)充水控制:工作门关闭到全关位后，应对充压水封进行充水控制，使充压水封内完全充满水;首先控制相应的液压回路，关闭位于工作门底坎位置的液控阀，然后打开进水蝶阀，让水开始流入充压水封内，一定时间后，水完全充满充压水封。充压水封的泄水控制与工作门的启闭控制相互闭锁、不同时运行。

(5)工作门下滑回升控制:在工作门的任一开度上，当工作门液压回路因泄漏，下滑量大于200 mm时，电气控制系统自动发出报警信号，并自动启动液压启闭机将工作门重新开启至原高度。

(6)高位油箱补油控制:液压系统设置有简单可靠的、利用重力油箱向油缸上腔的补油回路，以补偿油缸和系统的泄漏，当高位油箱液位低于一定值后，自动开启补油泵向高位油箱中补油，当高位油箱液位高于一定值后，自动停止。

在现地自动或远方自动方式下，PLC站监视工作门的位置和液压系统的状态，在没有影响运行的故障出现时，当接收到现地或远方指令后，自动启、闭门到预定位置。

综合上述分析，设计底孔弧形工作门的工艺流程如图2所示。

图2 泄洪底孔弧形工作门控制流程图

3 系统设计

3.1 硬件设计

根据泄洪底孔弧形工作门的参数和控制要求，结合相应的规范标准，在总结以往项目的经验，在电气控制系统设计时，为每套电气控制系统设置1面动力柜和1面操作控制柜。设备选型根据“性能可靠，维护方便、技术先进，性价比高”的原则，在电气控制系统的设计时，PLC选用施耐德电气公司Premium系列产品，主要低压电气设备如断路器、接触器、指示灯、按钮、中间继电器、开关电源等选用法国施耐德电气公司产品，软启动器选用丹麦丹佛斯公司的MCD500系列原装进口产品，油缸行程通过数据采集精度高、准确性好的绝对型编码器进行测量，其测量值以SSI方式送入PLC进行处理。每套控制系统预留有光纤以太网通讯接口，可与电站集控系统联网通讯，实现工作门的远方自动控制。

表2 泄洪底孔工作门液压启闭机故障分类表［5］

3.2 保护设计

洪底孔弧形工作门液压启闭机电气控制系统根据严重程度将故障分为三个级别:一类故障、二类故障和三类故障。其中，一类故障最为严重，必须马上紧急停机;二类故障可以按照工艺流程顺序停机;三类故障可以坚持运行完本次启、闭门流程后再做检查处理。

一类故障为紧急停机，电机停止运行，溢流阀、启门阀或闭门阀立即停止;同时声光报警。

二类故障为正常停机，控制系统按照工艺流程控制工作门及启闭机系统顺序停机;同时声光报警。

三类故障为只声光报警。

故障内容、判定方法及故障类别如表2所示。

4 结束语

嘉陵江亭子口水利枢纽底孔弧形工作门电气控制系统的设计“安全可靠、技术先进、经济实用、操作简单”，满足水电站“无人值班，少人值守”的现代化管理要求。从2011年8月份开始进行控制系统设计，于当年10月份完成与液压系统、油缸系统的联合调试实验，于2012年2月份完成现场安装和无水调试实验，于2013年5月份完成有水调试实验，到目前为止运行良好，保证了亭子口水利枢纽对嘉陵江流量的调控工作顺利进行。

［1］胡洪浪，倪志东.亭子口水利枢纽深孔弧门安装［J］.水利发电2013，39(6):67-67.

［2］吴小平.基于PLC的中小型水电站闸门监控系统设计研究［D］.陕西:西北农林科技大学，2011.

［3］刘生建.浅谈控制系统中PLC的合理选择［J］.龙岩学院学报，2005，23(3):59-61.

［4］王平，刘复玉.PLC自动控制系统可靠性研究［J］.电气传动，2001，43(1):36-38.

［5］方炎郴，吴斌，范锴.高坝洲水电站表孔弧形闸门的自动控制［J］.水利水电快报，2002，23(5):12-12.