安江水电站泄洪闸门控制系统设计

何海洋,朱星宇,李正权

(国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，南京 211106)

0 前 言

安江水利水电枢纽工程位于湖南省洪江市境内沅江干流中游，是沅江干流规划中的第9级电站。该工程是一座以发电为主兼顾交通、灌溉、供水及养殖等综合效益的枢纽工程。枢纽布置为左右两汊，左汊从左至右依次为：左岸船闸、河床泄洪闸、电站厂房坝段。右汊全为泄洪闸。

安江水电站共设18孔泄洪闸门，规格均为20 m×13.5 m；18孔泄洪闸共用2套叠梁式检修门，规格为20 m×15.5 m，分4节制造安装。泄洪闸门启闭设备采用双吊点液压启闭机，若采用人工操作，需要在室外观察闸门左右侧实时开度，并与室内机旁操作者传呼配合,操作完成后，还需要安排人员定时巡视，观察闸门有无下滑。当汛期来临时，需要经常操作泄洪闸门控制上下游水位，工作十分艰苦。因此我们采用了自动控制方式和远方集中控制方式，这样在大大减少了生产人员劳动强度的同时，还保证了闸门的安全可靠运行，提高了系统的自动化水平。

1 闸门启闭系统的结构及特点

1.1 系统结构

泄洪闸门监控系统采用了全计算机控制的分层分布式系统结构[1]，安江泄洪闸门控制系统是由上位机系统(简称“主控级”)和现地控制单元(简称“LCU”)组成的分层分布式实时控制系统。主控级设置1台主机兼操作员工作站、1台交换机及配套外围设备，位于中央控制室内。主控级计算机与电站监控系统通信机通过标准104规约实现网络通信，各闸门现地LCU采用PLC为控制器，各LCU与主控级计算机之间通过以太网联网，网络介质为单模光缆(见图1)。

图1 泄洪闸门监控系统结构示意图

1.2 系统特点

图2 泄洪闸门上位机监控总图

(1) 采用了分层分布式开放系统结构，从功能上将系统分为主控级与LCU，分别入网，保证了数据传输的可靠性，提高了系统的灵活性；

(2) 网络上结点功能单一，与其他网络结点互相解耦，当某一设备故障时，将影响控制在一定范围内，便于维护；

(3) 系统可维护性强，可在线修改参数；

(4) 系统自动化程度高，可在中央控制室对每个闸门进行监测与控制。

2 控制系统功能

2.1 主控级功能

主控级可完成对各闸门的安全监测和远方控制，并具备历史数据的存档、记录、检索、运行报表的生成以及对外通信管理等功能。

(1) 数据采集和处理

数据包括：闸门极限位置、启闭机状态、故障报警、系统电源、闸门运行状态等开关量；闸门开度、系统压力、油箱油温、油箱液位等模拟量。

实时控制通过操作员人机接口，实现各闸门的远方集中操作。现场人员可根据水情信息，设置各闸门的目标开度，使各闸门达到预定位置，实现各闸门统一调度。泄洪闸门上位监控总图见图2。

(2) 安全运行监视

运行人员可在主控级的监视画面中监测各闸门LCU的基本状态信息，包括系统电源、闸门状态、液压系统状态、综合故障等信息，并可直接切换至各闸门画面查看更详细的信息。各闸门的画面里，可详细显示闸门的升降过程及闸门左右两侧的开度数据，并对液压系统的工作状态实时监视。系统可自动检测系统的软硬件故障，当发生故障时，立即报警并记录和显示故障信息,见图3。

图3 泄洪闸门上位机各闸门监控画面

图4 泄洪闸门控制操作界面画

(3) 数据通信

主控级与现地控制单元LCU之间采用以太网通信，主控级与电站监控系统采用标准104规约进行通信。

2.2 现地控制单元功能

确保汛期闸门操作的安全可靠运行是确保工程安全和防汛度汛的必备条件[4]，因此现地控制单元采用PLC控制，脱网后可独立运行，实现闸门的现地自动控制。

(1) 数据采集与处理

LCU可采集闸门位置、闸门提门或落门的电磁阀状态、液压系统保护装置的状态数据，经过处理后上送主控级。

(2) 控制权限选择

控制在现地控制屏上设有“现地/远方”方式选择开关。2种控制方式互为闭锁，且现地操作优先于远方操作，见图4。

1) “远方”控制方式：现地控制单元接收主控级的控制命令，实现闸门自动控制。

2) “现地”控制方式：由操作员根据LCU的状态显示，通过操作按钮或触摸屏控制画面，实现闸门的提门、落门、停门、目标开度动门以及编码器清零等操作。

在“现地”控制方式下，还设有2种互为闭锁的控制模式：自动控制与手动控制。自动控制时是由PLC的开出发送控制指令，而手动控制需通过把手或按钮，去控制每个设备，控制顺序应与自动控制相同。

(3) 闸门自动纠偏功能

在自动控制方式下，闸门提升或下降工程中，会根据左右两侧开度差调节液压系统比例阀的电压，控制闸门一侧的运行快慢，从而达到自动纠偏的效果。

(4) 闸门下滑回升功能

在自动控制方式下，若无控制操作，闸门下降超过指定高度后，系统会自动判定闸门下滑，并自动启动液压启闭机，使闸门提升到指定位置并报警。若下滑后无法恢复，则停门并报警。

(5) 信号显示

在现地控制屏上设有系统状态、闸门位置、电机运行状态、闸门运行状态、故障报警的信号灯，并配有触摸屏。

(6) 通 信

通过超五类屏蔽电缆、光电转换器、单模光缆、交换机及其他通信设备与主控级进行通信，实现上传数据、接收下行命令的功能。通过高速计数模块采集编码器的码值并通过程序转化为闸门开度。

3 泄洪闸门控制系统硬件及软件配置

3.1 主控级部分

主控级计算机采用美国HP公司生产的型号为 Z600型工作站，其CPU采用英特尔至强4核处理器、64位、缓存12 MB、内存为4 G、硬盘160 GB、HPSATA 蓝光刻录机。

操作系统采用Linux操作系统，Linux操作系统是近年来逐步兴起的一种操作系统，是一套免费的32位多人多工的操作系统，运行方式同UNIX系统很像，但Linux系统的稳定性、多工能力与网络功能已是许多商业操作系统无法比拟的。Linux还有一项最大的特色在于源代码完全公开，在符合GNU GPL(General Public License)的原则下，任何人皆可自由取得、散布、甚至修改源代码。

监控系统采用南京南瑞集团公司自主研发的NC2000计算机监控软件，它包含了分布式对象架构，全面支持异构平台的特性，系统提供了高效安全可靠的监控内核、功能强大的组态工具、精细美观的图形界面、实用方便的应用界面、多种符合国际标准的接口以及紧贴水利水电用户和梯级集控调度应用需求的各种常规及高级功能。

交换机采用美国MOXA公司生产的型号为EDS-518A系列工业以太网交换机，传输速率100 Mbps，组成环形以太网，每套配置16个端口。

3.2 现地控制单元

现地控制单元由控制柜和动力柜2部分组成。控制柜主要包含PLC可编程控制器、触摸屏、开关电源、继电器等；动力柜主要包含动力启停控制设备、继电器、把手/按钮等。

(1) PLC可编程控制器

控制柜的控制核心为PLC可编程控制器，采用法国Schneider公司生产的Unity Premium 系列可编程控制器作为现地单元的主控设备。

Premium在0.04 μs内执行1条逻辑指令，并且体现出带有数字指令或浮点运算结果的强大能力。它还集成了所有IEC语言作为标准语言。无论应用是哪一种类型的，都能保证最好的扫描周期。

Premium拓展了应用范围。处理器能力的提升意味着能装载整个项目源程序，储存应用程序诊断数据，处理复杂的数据结构甚至储存各种配方或生产数据。

设备的多样性通常导致高度混合的自动化系统，而创建这样的系统是复杂的，可引发停工而降低生产能力。Premium大量的专用功能能确保解决方案的整体性能。

机组辅机控制系统中PLC的CPU选用TSXP572634M型。支持离散量I/O通道数为1024；模拟量I/O通道数为80；存储器容量为160 kB。

(2) 触摸屏

在控制柜中配置了台湾Weinview公司生产的彩色液晶触摸屏，显示各设备的运行状态、运行参数、故障及事故信号等，同时电厂运行人员可在触摸屏上进行查询以及一些基本设置、控制和操作。各控制系统可以通过现场总线方式即通过通信模块RS485口与CPU进行通信。

(3) 动力启停控制设备

动力柜内部包含的动力启停控制设备主要有软启动器、断路器、接触器以及双电源切换装置等。

软启动器选用法国Schneider公司生产的Altistart48软启动器，Altistart48软启动器是由6个晶闸管组成的软起-软停单元，可控制三相异步电机的启动和停止。采用Schneider独一无二的专利转矩控制方式，性能卓越，适合重载大力矩启动。电流及其他多参数的实时监控，无须热继，保护完善可靠；操作盘参数设定，简洁明了。

断路器选用法国Schneider公司生产的NS系列断路器，该断路器性能可靠，内置过载保护，电动机热磁脱扣等保护功能。

接触器选用法国Schneider公司生产的LC1-D系列接触器。

双电源切换装置选用法国Schneider公司生产的WATSNA-250/200A/3CBRX型双电源切换装置。

4 结 语

安江水电站泄洪闸门控制系统设计思路清晰，系统结构、硬件配置及软件配置先进可靠，为安江水电站泄洪闸门自动化运行提供了基础保障。安江水电站泄洪闸门控制系统投入运行已2 a，系统运行稳定，有效地提高了闸门启闭系统设备的可靠性和自动化水平，能够实时准确地对设备参数和运行工况进行监视，消除设备运行的隐患，减轻运行和维护人员的劳动强度，实现无人或少人值班，顺应中国水电企业运行管理现代化的发展趋势，发挥枢纽最大的社会效益和经济效益。

参考文献:

[1] 方辉钦.现代水电厂计算机监控技术与试验[M].北京：中国电力出版社，2004.

[2] 张秀芝.胡汉梅.泄洪大坝弧形闸门双缸液压启闭机自动控制系统[J].中国科技信息，2006,(15):30-32.

[3] 刘国辉.基于PLC的控制系统在闸门液压自动启闭机上的应用[J].中国科技信息，2007,(4):67-68.

[4] 宫贵朝.白水峪电站闸门控制系统改造[J].湖北水力发电，2004,(4):67-69.