PLC及比例放大板在喀麦隆曼维莱水电站主溢洪道弧门控制中的应用

2019-03-06

中国水能及电气化 2019年2期

(中国水利水电第十六工程局有限公司，福建福州 353000)

曼维莱水电站为喀麦隆在建的最大水力发电站，位于喀麦隆共和国南部大区马鞍境内的恩特母河上。它是由首部枢纽、渠道、前池、进水口、压力钢管、主厂房等多项重大工程组合而成。兴建“曼维莱首部枢纽”，主要作用是泄洪，即在洪水期用来控制堰的水位和通过堰的流量，清空库区容量以防危急情况发生，因而弧门设备电气控制系统的可靠性和控制功能具有重要作用。

1 泄洪设备简介

曼维莱水电站泄洪系统位于首部枢纽主溢洪道段。该工程主溢洪道设有5孔溢洪道泄洪闸(从左至右闸门依次为1～5号孔)和1孔冲沙闸，每孔弧门分别由双点启闭液压启闭机启闭。泄洪闸弧形门最大量程为7.0m，底坎高程381m。冲沙闸弧形门最大量程为6.6m，底坎高程379m，其底槛高程略低于泄洪闸，用于冲沙和排除堰后的杂物。弧形工作闸门具有三种工作方式，分别为全开、全关和设置开度。

为确保工程建成后每年的度汛安全及机组发电正常水头，弧门启闭的电气控制不能出任何差错。曼维莱水电站主溢洪道每扇弧门都有独立的电气控制系统，进行弧形工作闸门的启闭控制，油泵组的自动启停建压控制和工作泵与备用泵的互为切换控制，并以实现闸门在启闭过程中各工况参数的自动采集与监视等。在电气控制中应用了施耐德的PLC可编程控制器对弧门的启闭进行控制，可编程控制器由于干扰能力强、可靠性高、编程简单、性能价格比高，在工业控制领域得到广泛应用。

2 比例放大板在泄洪设备电气控制中的应用

由于曼维莱水电站泄洪闸弧形工作闸门液压启闭机液压控制系统为双吊点控制系统，为保证两支油缸的同步运行，需设置同步纠偏回路，为使闸门运行更加顺畅，在液压控制系统内设置闭环比例阀同步纠偏，将检测的两缸位置偏差信号反馈给PLC，PLC处理信号后，发出指令给比例放大板，调节比例阀的流量，以减小两缸的行程偏差，实现两缸的同步运行，确保弧门能够平稳启闭，当两只液压缸行程偏差值不小于25mm时，液压系统将自动停机发出报警信号。此闸门的电气控制部分的特点是：左缸运行速度一定，右缸跟踪左缸速度，以保证左右缸速度一致。因此在这个纠偏系统中电气原理的比例放大板起决定性作用。

现地控制柜装有一块比例放大板，可自动或手动调节比例放大板的输出电压。放大板控制原理如图1所示。

图1 放大板控制原理

当选择手动方式控制比例板电压大小时，通过旋转手动旋钮进行控制。手动旋钮旋转指定的比例越大，比例放大板的输出电压越大；手动旋钮旋转指定的比例越小，比例放大板输出电压越小。需要注意的是，手动调节完成后，需将手动旋钮旋转到0位，以保证比列放大板没有电压输出给比例阀，避免比例阀及放大板长期带电烧坏设备。

当选择使用自动调节方式时，就由PLC根据采集的左右缸行程差值来判断，由模块输出一个4～20mA电流作对比(如图2所示)，输出电压值给PLC的控制程序，根据以下控制原理来编程的设计：当闸门上升时，如果左缸行程大于右缸行程时，输入比例放大板电压为0～10V，经402和403引入比例放大板的差动放大器24c、22a 。

①-斜坡发生器；②-PID调节器；③-电流调节器；④-功率放大器；⑤-振荡器；⑥-解调器；⑦-限制放大器；⑧-断线识别；⑨-电源；⑩-感应式位移传感器；-比例电磁阀；-差动放大器图2 电路方块

差动电压进入输入口(24c-22a) 后，斜坡阶跃输入信号转变成一个斜坡信号，其中上升沿和下降沿的斜坡时间可以通过电位器R1和R2调节，所给出的斜坡时间是以100%的设定值(0～6V)为基础的，如果给斜坡发生器的设定值小于最大设定值，则斜坡时间也会相应缩短。斜坡发生器的输出信号作为设定信号传输给PID调节器，并在这里与反馈信号进行比较。振荡器将直流电压转换为交流电压信号，信号作用在位移传感器上。感应式位移传感器回传给放大器的信号与阀芯的大小有关。在解调器中，这个信号被重新转换成直流电压信号，该直流信号的大小与阀芯位置成比例。通过调节限制放大器的增益可以改变反馈值的大小，由于限值放大器的输出信号作为实际值直接传给PID调节器，因此利用电位器R3就可改变电磁铁的行程。PID调节器以及由电流调节器和功率放大器组成的自振荡输出终端，可与所控制的阀最佳匹配。PID调节器根据设定值和实际值差的大小传给自振荡输出终端一个控制信号，最后，由功率放大器输出的电流来控制电磁铁。断线识别器随时监测位移传感器的连接电缆，一旦发生故障，它会通过电流调节器使电磁铁断电，与此同时，面板上用来显示“断线”的发光二极管也开始发光，让运维人员及时发现，尽快处理故障，以保障闸门的正常工作。

3 PLC在泄洪设备电气控制中的应用

施耐德QUANTUMUM系列可编程控制器采用模块化设计，性能范围宽广的不同模板可以灵活组合，扩展拆卸方便。一个系统可以包括电源模块(PS)、中央处理单元模块(CPU)、数字量输入和输出模块(DI/DO)、模拟量输入和输出模块(AI/AO)、以太网模块等。其优点是模块化无风扇设计，坚固耐用，容易扩展及广泛简单的通信能力，易实现的分布式结构以及用户简单的编辑操作。

3.1 PLC在泄洪设备中的结构

喀麦隆曼维莱水电站主溢洪道6孔弧门液压启闭机各对应一个现地控制柜，6台弧门现地控制柜又通过MB+的方式把信号送至大坝控制室LCU，坝区LCU再通过光纤与厂房中控室上位机相连，最终在中控达到远程监视闸门的运行情况及对闸门实现控制。

该控制系统以可编程逻辑控制器PLC为核心，通过闸门开度测控仪中行程检测装置(绝对型轴角编码器测量元件)，利用SSI串接口，将开度仪测量数码量转换为4～20mA的模拟量传送至现地电气控制柜CPU上，用于闸门左右缸及门实际开度显示，再通过PLC内已编译好的程序实现闸门的控制。

3.2 PLC在泄洪设备中的结构与软件编程设计

PLC控制应用软件主要采用施耐德编程软件Unity Pro XL V8.0作为开发平台，以LAD梯形图程序设计语言编制而成。在便携计算机上编制程序后通过施耐德RCS-242及公母装换通信电缆下载至施耐德140CPU31110 CPU中。正式投运后不需要任何程序维护(除工艺变动需修改程序)。程序已下载至CPU上的EEPROM存储卡上固化。

闸门控制方式选择自动时，将两台电机和控制柜操作面板切换到自动方式，可以通过触摸屏登录系统，在触摸屏下发启门令，落门令及停门令。

PLC程序收到启门、闭门或停门命令接口，程序(KDJS)如图3所示。

图3 KDJS程序

泄洪闸门启闭门第一步都需要启动一台油泵，而且油泵两台互为备用，按次数轮换，或者当故障时会自动轮换到另一台油泵，然后再运行。油泵轮换程序如图4所示。

图4 油泵轮换程序

启动油泵如下程序如下：

油泵启动后再延时，并给比例阀开出，然后再给启门或闭门的电磁阀供电，最终实现启闭门，程序如下：

根据之前介绍的比例放大板的原理， PLC关于纠偏的控制程序是根据以下控制原理来设计编程的：当闸门上升时，如果左缸行程大于右缸行程，PLC增加输出电流，使右缸加速，追上左缸；如果左缸行程小于等于右缸行程时，PLC减小输出或不输出电流，使右缸慢下来，让左缸追上右缸。当闸门下降时，情况相反，如果右缸行程大于左缸，PLC增加输出电流，使右缸慢下来，让左缸追上右缸；如果右缸行程小于左缸行程，PLC减小输出电流，使右缸加速，追上左缸。

首先需要把闸门左缸开度仪上的值采集到PLC中，并换算成实际值(如图5所示)，通过以下程序段(KDJS)实现(右缸行程计算公式同理一样)。

算出左右缸实际值后，需要对左右缸行程差值进行分段比较(如图6所示)，为了让闸门平稳的升降，PLC程序中把左右缸的行程差值分为6段进行比较，分别为1～3mm,3～6mm,6～10mm,10～15mm,15～18mm,18～25mm,如果差值大于25mm，闸门会自动停下来。每段之间输出的电流值大小也是呈递增状态，这样在不同差值之间变换，闸门不会左右晃动，而是平稳上升或下降。

图5 开度仪换算

图6 差值比较

BLTJ_JD2, BLTJ_JD4，BLTJ_JD5，BLTJ_ZD1，BLTJ_ZD2, BLTJ_JD3这6个变量即代表着闸门上升时6段行程差值。%QW1.9.1=10000，即为输出的电流值为10mA。

图7 输出电流量比较

BLTJ_JD3, BLTJ_ZD4，BLTJ_ZD5，BLTJ_ZD6，BLTJ_ZD2, BLTJ_JD3这6个变量即代表着闸门下降时6段行程差值。同理%QW1.9.1=10000，即为输出的电流值为10mA。

因此在调试过程中只要根据现场情况调整这6段行程差值的%QW1.9.1的输出值(0～20000之间)，就可达到调整闸门左右缸的速度基本一致，保证门的平稳运行(如图6、图7所示)。

3.3 PLC控制的可靠性与保护

可编程控制器本身都具有很高可靠性，但如果输入给PLC的开关量信号出现错误，模拟量信号出现较大偏差，PLC输出口控制的执行机构没有按要求动作，这些都可能使控制过程出错，造成无法挽回的经济损失。

就电气部分而言，影响现场输出给PLC信号出错的原因主要有以下几个:

a.造成传输信号线短路或者断路(由于机械拉扯，线路自身老化，鼠害等因素)，当传输信号线出故障时，现场信号无法传送给PLC,造成控制出错。

b.机械触电抖动，现场触电虽然只闭合一次，PLC因其扫描周期短的特点，PLC却判定为闭合几次，造成计数、累加、移位等指令出错，出现错误控制结果。

c.现场变送器机械开关出现故障。因现场潮湿，电路板经常造成短路，变送器反应的现场非电量偏差较大或不能正常工作，这些故障同样会控制系统不能正常工作。

泄洪弧门是一个较为复杂的系统，其系统由液压系统、电气部分、机械部分组成，因此为了让闸门安全、可靠、稳定运行，在PLC程序中必须增加了一些保护，保护其液压、电气、机械系统。在监测故障点动作时，自动停止后续程序，避免造成不必要的事故或将事故影响降至最低。其保护程序如下：

a.左右缸偏差值超过25mm，延时25s后保护停门(偏差量过大时弧门形变保护)。

b.启闭门过程中系统压力过低、过高，延时15s后停门。

c.油温低于10℃高于50℃，延时15s后停门。

d.启闭门过程中左缸或右缸压力过低、过高，延时15s后停门。

e.回油压力过低，延时15s后停门。

f.油箱液位过低，延时15s后停门。

g.启闭门过程中左缸或者右缸在40s之内没有动作，延时15s后停门。

h.两台油泵同时有故障，直接停门。

i.油泵单次运行超过30min，直接停门(避免程序死循环使油泵运行过久，烧坏设备)。

j.闸门下滑100mm后，自动提升时油泵运行超过60s，直接停门；闸门下滑200mm后，自动提升时油泵运行超过120s，直接停门(下滑保护)。

k.现地紧急停机按钮动作，直接停门(防止紧急事故不能停门)。

在程序(STATUS)中体现如图8所示。

要提高整个系统的可靠性，必须提高输入信号的可靠性，并在PLC程序中设置对应的保护。当此故障中有一条满足条件，闸门就会停止，同时闸门控制柜上的故障灯亮起。因此在查找闸门运行故障时，可以筛查以上停机故障点，尽快排除故障，让系统安全、可靠、正确地工作。

4 泄洪设备的人机界面

在现地控制柜可以通过触摸屏上的画面进行控制，具备全开、全关、设置开度的功能，当通过智能人机界面设定闸门所需开度后，在屏幕上点击“confirm”，就弹出一个“Are you sure”的对话框，点击“yes”，PLC就会自动按程序实现闸门的启闭。同样在屏幕点击全启或全闭或停止时，屏幕会弹出一个“are you sure”的对话框，点击“yes”，PLC就会自动按程序实现闸门的启闭和停止(如图9所示)。