计算机监控系统在三门峡水电厂坝顶闸门控制中的设计与应用

张哂昭 张宵晗

计算机监控系统在三门峡水电厂坝顶闸门控制中的设计与应用

张哂昭 张宵晗

介绍了三门峡水电厂坝顶闸门自动控制系统的设计思想，设备软硬件配置及实现方法。阐述了系统的网络构建，以及闸门的控制原理。

坝顶 闸门 监控系统 PLC 液压泵站 闸门开度

三门峡水电站位于河南省陕县境内的黄河上，为坝后式电站，地面厂房内装有7台水轮发电机组，单机容量1#～5#机为60 MW， 6#～7#机为75 MW。每台机组进口设有快速门及250/320 t液压启闭机1套，7套液压启闭机设置1组液压油泵站。

三门峡水电厂是老电厂，辅机系统设备陈旧，目前采用的传统的闸门控制方式自动化程度较低，需要人员到现场各个闸门室监视和操作；对闸门安全控制可靠性不高，效率较低，并且没有信息通信共享渠道，这样的控制方式不能适应闸门孔数多，控制中心距离闸门室较远的控制需求，已经无法满足实际生产和当今信息化的要求。

随着计算机监控系统在水电厂的广泛应用和日趋完善，水电厂所要求的“无人值守”(少人值守)的运行方式不但在发电机组、电站开关站控制系统中采用，同样在电站辅机系统及闸门控制系统也必须与电站计算机监控系统结合采用；因此，在水电厂整体技术提高的条件下，结合实际情况，对三门峡水电厂闸门控制系统进行改造，达到计算机监控的控制水平，以提高三门峡水电厂整体自动化运行水平及可靠性。

1 闸门监控系统网络结构与功能

三门峡水电厂坝顶闸门监控系统采用开放环境下的全分布式系统结构，如图1所示。坝顶闸门监控系统是由中控室的操作员站、厂级工作站作为上位机，液压油泵房闸门现地LCU为中间级，在7处闸门室内各设1套现地控制箱作为现地级构成。上位机作为远程操作平台对闸门进行远端控制，液压油泵房闸门现地LCU作为系统的主站，负责收集从现地控制箱上传的信息并对控制箱下达指令，闸门现地控制箱实现对坝顶闸门的机旁控制。除此之外，在电站各机组LCU盘上设置坝顶闸门的控制按钮。站级计算机与闸门现地LCU采用工业以太网连接，通信速率为自适应100/10 Mbps,网络通信介质为光纤，组成一个分层分布式的网络控制系统。系统采用3层通讯组网方式，最底层的是由各个闸门室现在控制箱组成的相互独立的现场控制单元，中间层是由闸门现地LCU上的1台SJ-500微机监控装置构成的通讯主站，上层是由上位机及服务器组成的用户层。

图1 系统结构图

闸门现地LCU按以太网IEEE802.3Ethernet标准，与上位机及工程师工作站通信，由上位机来实现对闸门启闭机的远程控制。并将闸门开度、闸门液压荷重情况以及液压油泵工作控制情况传送至上位机。由上位机根据闸门现地LCU提供的信息对闸门运行状态进行监视，并在故障发生时提供故障信息。闸门现地LCU的人机界面功能通过盘上液晶触摸屏实现。

监控系统具有以下功能：控制功能方面，系统采用两种控制方式，自动控制(远方计算机监控系统控制)和现地手动控制；监测功能方面：系统自动采集闸门位置、液压油泵运行状况及电气器件运行状态的信息；保护功能方面：判断电机过载、事故高油压、闸门上下越限及故障下滑、电源供电异常、闸门失速/卡滞等，并对故障进行实时处理。从而实现了信息自动采集、处理、处理入库、动态监测监控、远程数据传输等功能。

2 系统硬件配置与控制原理

2.1 系统硬件配置

中控室上位机集中控制层主控级设有2台操作员/工程师站、2台后台服务器、1台历史工作站、1台通信工作站及UPS电源作为闸门系统控制中枢；2台操作员/工程师站、2台后台服务器采用互为主备的切换方式，确保在任何一台操作员站、服务器发生故障的情况下，整个坝顶监控系统仍可正常运行；历史工作站主要提供运行操作记录和故障记录查询以及历史数据库备份的作用；通信工作站主要用来与电站计算机监控系统进行通信。操作员/工程师站采用SUN Solaris5.8，历史工作站采用FEDORA Linux，通讯工作站采用RedHat Linux。

设在液压泵站的闸门现地LCU由1面屏组成，屏内的核心设备PLC采用GE公司的S90-30系列可编程控制器，CPU为GE9030-350，人机界面为彩色触摸屏。为液压泵站电机启动设2面动力屏，动力屏内设有2台油泵电动机的软起动装置，软启动装置为施耐德系列产品。

现地控制级由7个现地控制箱组成。7个现地控制箱分别安装在各个闸门室内，控制对应的各扇快速闸门，控制箱面板上设有单孔闸门“手动/自动”、“现地/远方”切换把手，闸门开度智能显示仪表、闸门全开、全关状态指示灯，阀组电源监视灯，“提升/降落”闸门操作过程指示灯及闸门提升、降落操作按钮等。闸门开度智能显示仪表可以输出开关量、4～20 mA模拟量和RS485串行通信口。

2.2 系统控制原理

闸门现地LCU可采集整个闸门液压系统和7孔闸门的各种信号：包括总油管压力、油箱油位、滤油器堵塞、各闸门开度(开关量和4～20 mA模拟量)、电源监视、油泵运行状态等；闸门现地LCU通过通信模块与电厂计算机监控系统连接，接受上位机及发电机组LCU对闸门的控制指令，并在中控室及发电机旁LCU实时显示闸门的开度，实现快速闸门的远方控制。闸门液压泵站系统中的电磁阀、液位变送器、压力变送器和油管路过滤器所需的24 V电源由闸门现地LCU内的供电模块提供。

闸门现地控制箱作为现地控制终端设备可完成闸门开度现地LED显示，开度预制、闸门到位的光报警等操作。由闸门开度传感器测得的闸门开度状态编码，引至闸门现地LCU，通过译码和非线性变换后形成闸门开度值。闸门开度值送入现地控制箱操作面板LED进行数据显示，并与开度预置值进行比较，作为闸门状态变量的开入信号上送，其中包含全关和全开，闸门下滑200 mm和下滑300 mm等状态变量信息。使闸门按规定的控制命令运行。

3 控制软件设计

坝顶闸门监控系统软件部分主要由上位机操作系统软件、监控平台软件、应用软件(包括：PLC控制及通讯软件、坝顶工作闸门监控系统相关通信软件、相关的人机接口界面和文字及语言报警软件等)。

坝顶闸门监控系统上位机使用Windows 2000操作系统，上位机监控平台软件采用南瑞的NC2000系统。PLC程序采用Proficy Machine Edition 编程软件编写，梯形图方式编程。其子程序主要由_MAIN主程序、INIT_ST初始化子程序、输入/输出扫描、模拟量处理、开出管理、PLC与上位机、触摸屏通信、 闸门顺控以及压油泵切换流程等组成。

坝顶闸门监控系统上位机相关通信程序则采用C语言自行编程，做到与电站计算机系统无缝连接。人机界面和文字报警程序采用监控系统自带软件自行编程，做到人机界面友好，报警准确及时。

闸门实现多级控制的流程框图如图2所示。

图2 闸门多级控制框图

4 结 语

目前，三门峡水电厂坝顶闸门自动控制系统已正式投入运行数年。实际运行证明，该系统规划和设计合理，运行稳定，运行后完全达到了设计标准，减轻了运行人员的劳动强度，满足“少人值班”的控制要求，为三门峡水电厂的安全生产提供了一个现代化的技术保障。三门峡水电厂坝顶闸门自动控制系统可作为大、中型水电厂闸门控制系统技术改造的参考。

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1007-6980(2017)02-0044-02

2017-03-21)

张哂昭 男 工程师 三门峡水电厂 河南三门峡 472000

张宵晗 男 助理工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 200222