巨型水电站液压启闭机开度控制策略研究与应用

陈自然，张官祥，邓 勇，晏仁斌

（向家坝电厂，四川 宜宾644612）

0 引言

某巨型水电站具有机组进水口快速门、中/表孔弧形工作门、排沙洞进口事故门和出口工作门，其操作均由液压启闭机操作完成。闸门开度是液压启闭机的控制目标和运行监视核心，由于各套闸门系统的门体构造、油缸布置和运行方式不尽相同，其开度检测方法和控制策略也有所差别。如何制定与之相适应的开度控制策略，使各套液压启闭机控制系统对闸门开度进行有效控制和监视，保证机组和泄洪设施长期安全稳定运行是本文研究的主题。

1 液压启闭机控制系统介绍

某巨型水电站液压启闭机采用“一泵一机”的控制方式，其控制系统结构如图1所示，主要由动力配电柜和PLC操作控制柜组成，与闸门开度/行程检测装置、液压泵站压力、油位等传感器一起构成一套完整的电力拖动及控制系统。在实际运行中，操作人员通过远方监控系统或现地操作按钮对控制系统下达闸门动作指令，控制系统根据当前液压泵站和闸门状态，控制液压系统电机和阀块工作，完成闸门的启闭操作。

根据闸门控制系统对PLC处理能力、接口功能及长时间连续运行的要求，某巨型水电站液压启闭机控制系统PLC选用法国施耐德电气公司的Unity Quantum系列PLC，该系列PLC为大型可编程控制器，模块化结构，功能强大，可满足某巨型水电站各种液压启闭机的控制要求。Unity Quantum PLC具备强大的控制及通信功能，采用标准模块化结构形式，主要由背板、电源、CPU、数字量信号模块、模拟量信号模块及连接端子构成。CPU选用施耐德140 CPU65150，其存贮器容量2 M字节，CPU带实时时钟，执行位操作指令时间为0.052 5 μs，执行浮点加法指令时间为0.48 μs，数字量I/O可扩展到4 k字节，具有集成Modbus plus；Ethernet TCP/IP网络接口。

图1 液压启闭机控制系统结构示意图

2 闸门开度仪的应用

闸门开度检测、计算及信号处理是液压启闭机开度控制的重要环节，开度仪作为闸门油缸行程的测量元件，是液压启闭机中重要的传感器部件，其选型和使用对闸门开度控制至关重要。某巨型水电站各类液压启闭机所选用开度仪型号如表1所示。

表1 某巨型水电站开度仪型号

根据闸门安装形式、活塞行程及油缸所处环境特点，某巨型水电站在机组进水口快速门、泄洪中孔弧形工作门、排沙洞事故门及出口工作门中，均选用了YQX-II-4型内置式开度仪，同时在现地控制柜上安装与之相应的SMJ-Ⅱ绝对型通用位移控制仪，实现闸门开度信号的检测。该内置式开度仪密封安装于液压缸端盖上，通过与活塞杆相连接的钢丝绳带动高精度旋转编码器旋转，输出数据信号，具有检测精度高、抗干扰性好、工作寿命长等优点。

由于表孔弧形工作门采用双吊点、两端铰支方式，为满足其双缸同步精度要求，采用了集成于CERAMAX的位移测量系统CIMS。利用测量探头与陶瓷活塞杆基体的磁感应效应，可准确地测量出活塞杆的位移。CIMS传感器安装在液压缸下盖活塞杆密封后面的缸头内，不带任何移动式机械部件，具有抗干扰能力强、适用范围广、测量精度高、维护量少等优点。

3 机组快速门控制策略

3.1 闸门开度检测及信号处理

机组进水口快速门是保证水电站发电机组安全运行的重要设备，为保证所有闸门控制信号及监测信号的可靠性，某巨型水电站各机组快速门控制系统与电站计算机监控系统机组现地控制单元通过I/O方式硬线连接，传送泵站和闸门设备运行信息，并接收机组现地控制单元送来的控制命令。闸门开度信号通过开度显控仪分别输出至PLC和监控系统，保证在PLC故障情况下不影响监控系统对闸门开度的监视。

快速门液压启闭机开度检测及信号处理示意图如图2所示，控制柜上的开度显控仪接收来自绝对型编码器的输出信号（SSI串行码），经过数据处理后输出2路4～20 mA信号，1路送至PLC作为开度模拟量采集信号，另一路经LCU远程I/O子站上送至监控系统，作为远方对闸门的监视和控制信号。另外，开度仪内置式行程接点将闸门全关位、冲水位及上限位3个位置开关量信号送至PLC，配合开度模拟量信号参与闸门开度控制。触摸屏和开度显控仪均能实时显示闸门开度，以利于快速门的现地监视和操作。

图2 机组快速门液压启闭机开度检测及信号处理示意图

3.2 重要行程位置整定

由于机组快速门为平板闸门，具有静水启门、动水闭门，无局部开启的特点，其开度测量和计算方法较为简单。闸门提升高度同油缸行程为线性关系，开度仪输出位置值减去充水阀的行程即为闸门实际开度。在实际应用中，充水阀行程往往计算在闸门行程之中，即直接将油缸行程作为闸门开度参与PLC的开度计算。

快速门液压启闭机在实际工作中有3个闸门位置需要整定，分别是全关位、充水平压位和全开位，由于快速门是利用差动原理，靠自重落门，其全关位整定较为容易，将闸门在全关时的油缸行程整定为零位即可。充水平压位的整定是确保快速门静水开启的关键，整定过小充水阀门未完全打开，会造成充水时间过长；若整定过大，会使系统达到最大充水阀门开启位后，不能及时停机，造成系统冲击，故需在调试中反复试验，将其整定到较理想位置。

闸门全开位一般接近于油缸的最大行程，并留有足够余量，以保证快速门在停门前的惯性位移不至于造成撞缸。同时，可将闸门行程开关的上限位接点整定值略高于全开位开度值，作为闸门全开停门的后备保护，同液压缸的压力保护相配合，保证活塞杆在到达油缸顶部前及时停门。

3.3 快速门开度控制及下滑监视

机组快速门控制系统可根据远方或现地指令完成闸门的启门、停门、闭门及快速闭门功能。除此之外，由于快速门在机组运行中长期处于持住状态，控制系统对闸门下滑的监视及自动复位功能对机组设备的稳定运行至关重要。

某巨型水电站机组快速事故门液压启闭机设计有下滑监视、报警和下滑自动提升功能。包括：①闸门下滑200 mm发出报警信号，同时启动下滑提升控制流程，实现闸门自动复位功能；②闸门下滑300 mm发出故障报警；③闸门下滑600 mm向监控发出事故紧急信号，配合监控系统闸门下滑监视程序，对机组快速门下滑事故采取应急措施，以防止事故继续扩大损害机组设备。

如因液压启闭机系统故障，闸门不能完成自动提升，控制系统将发出声光报警信号，并向计算机监控系统发出“下滑提升失败”故障信号，提示维护人员进行现场检查、处理。同时，控制系统对单位时间闸门下滑速度进行监视，作为系统泄漏的判断依据。

4 中孔弧门控制策略

4.1 中孔弧门开度检测

根据泄洪闸门运行及控制特点，闸门控制系统与电站计算机监控系统通过光纤通信方式连接，传送泵站和闸门状态信息，并接收远方集控的控制命令。为保证开度及相关信号传递的可靠性，某巨型电站采用了双网冗余通信方式，单一网络通信故障不影响设备的运行监视和控制，从而增强了泄洪设施的安全可靠性。

中孔弧门液压启闭机开度检测及信号处理示意图如图3所示。液压启闭机控制柜上的开度显控仪接收来自绝对型编码器的输出信号（SSI串行码），经过数据处理后输出1路4～20 mA信号至PLC作为开度模拟量采集信号，同时将闸门实时开度值通过光纤通信上送至监控系统，用于泄洪中孔弧门的控制与监视。

图3 中孔弧门液压启闭机开度检测及信号处理示意图

4.2 弧门开度测算

弧门开度的测算，需将活塞杆与油缸的相对位移值转化为闸门的垂直开度，该对应关系受弧门尺寸、吊耳位置、弧门支铰和油缸支铰坐标等因素影响，为非线性关系，但在设备安装完成后其对应关系便已固定，可在系统联调过程中通过分段测量的方法得出油缸行程-弧门开度对应表，利用开度显控仪的分段线性插值计算功能，实现弧门开度的检测。

中孔弧门开度分段插值表如表2所示，根据油缸行程和开度仪编码器单圈位移量，将弧门开度曲线分成20段，开度显控仪将经过换算和线性化处理后的闸门开度值送给现地PLC参与闸门的控制。该弧门开度计算方法具有误差不会重复累计、计算实时性强、易于修正等优点，适于单缸弧门液压启闭机的控制。

表2 中孔弧门开度分段插值表

4.3 中孔弧门启闭及下滑控制

作为某巨型水电站重要的泄洪设施，中孔弧门具备动水启闭，全行程和局部开启能力，在远方集控和现地操作模式下均可实现闸门任意位置的开度控制。PLC根据开度仪行程开关及开度模拟量信号，实现弧门在开终位和关终位的限位保护功能。

当弧门在任意位置停门后，PLC将自动记录当前开度值，并对弧门下滑量进行实时监视。若因油缸内、外泄漏造成弧门下滑超过200 mm，控制系统将自动启动油泵电机，提升弧门至原开度位置。当下滑量超过300 mm和600 mm，控制系统均会发出声光报警，并将报警信号上送监控系统以提示运行人员进行相应操作。

5 表孔双吊点弧门控制策略

5.1 油缸位置检测

表孔弧门控制系统与电站计算机监控系统连接方式同中孔一致，采用了双网冗余通信方式，但在开度检测和计算方法上，与中孔存在较大区别。某巨型水电站表孔液压启闭机开度检测及信号处理示意图如图4所示，PLC上的高速计数模块140 EHC20200接收来自A/B缸CIMS位移传感器输出的位移信号（脉冲信号），经过数据处理后将闸门开度值通过光纤通信上送至监控系统，用于表孔弧门的控制与监视，同时输出1路4～20 mA开度信号至控制柜上的开度表作为闸门现地开度指示。

由于位移检测装置仅能测出油缸行程的变化量，故A/B缸的实际行程需靠PLC对此前的闸门位置进行记录并通过累加运算得出。通过对油缸行程数据的实时存储和调用，PLC具备断电重启后的数据恢复功能，从而增强了系统长期运行的可靠性。此外，操作人员可根据现场实际情况，通过现地触摸屏对A/B缸位置进行校准。

图4 表孔液压启闭机开度检测及信号处理示意图

5.2 表孔弧门开度换算

表孔弧门的开度测算需要将油缸行程换算为闸门开度。由于表孔弧门采用双吊点控制方式，为保证闸门启闭过程的对称性，各支点及铰接位置安装精度较高。可利用各点的空间坐标，通过公式计算得出弧门实际开度，其行程-开度换算示意图如图5所示。

设弧门圆心坐标：a（a_x，a_y）

油缸安装圆心坐标：b（b_x，b_y）

油缸链接点坐标：p（p_x，p_y）

底坎坐标：f（f_x，f_y）

设表孔弧门开度为H时对应油缸行程为Y，则

设弧门内半径为r，外半径为r0，根据基准点坐标可计算出图中相应线段距离：

图5 表孔弧门液压启闭机行程-开度换算示意图

根据余弦定理及图中角度关系可得：

最终可计算出弧门开度：

该计算公式充分利用了弧门各特征点的位置关系，同时考虑了门体宽度对计算结果的影响，利用PLC强大的计算功能，完成对表孔弧门开度的实时计算。

5.3 双缸同步控制特点

由于某巨型水电站泄洪表孔采用双缸液压启闭的形式，为保证2只液压缸同步启闭闸门，液压系统利用2只比例调速阀，分别调节两液压缸有杆腔进、出油量，根据油缸行程检测系统输出的信号，通过PLC进行比较，调节比例流量控制阀，使双缸行程超差保持在许可范围（5 mm）内。若由于机械问题出现同步超差大于20 mm，为保护液压系统和闸门安全，控制系统发出同步超差报警，停机停泵。此时，可通过现地控制柜上的“强制纠偏”操作把手进行单缸操作，消除偏差。

当表孔弧门在任意位置下滑超过200 mm时，控制系统将向计算机监控系统发出“下滑200 mm”报警信号，系统会自动启动并将闸门提升至原始位置。如果由于液压启闭机系统故障，闸门不能完成下滑提升，控制系统将发出声光报警信号，并向计算机监控系统发出“下滑提升失败”故障信号。

6 结束语

与传统液压启闭机控制方法相比，PLC技术的应用不仅提高了水电站闸门运行与维护的可靠性、安全性和自动化水平，而且为其不同闸门控制策略的实施提供了保障。某巨型水电站针对不同闸门的结构特点、运行方式和控制要求，设计了不同的开度检测及控制策略，利用PLC强大的处理和运算能力，实现了各套闸门液压启闭机的稳定、高效控制。同时，在系统设计、安装调试、及运行维护中对相关控制策略进行了合理优化和改进，提高了系统控制精度和运行的安全、可靠性，具有重要的现实意义。