大型钢坝闸控制系统设计

0 引言
    随着我国城市用水、景观建设及环境整治和灌溉、发电的需要，在水利水电建设中水闸和橡胶坝得到广泛的运用。由于橡胶坝运行管理较复杂、安全性差、橡胶易老化等弊端，质量事故发生率高。而钢结构闸门是一种新型可调控溢流坝，它由土建结构、带固定轴的钢性坝体、驱动装置设备等组成。这种构筑物适合于河道孔口较宽(20～300 m)而水位差比较小的工况(2～8 m)，由于可以立坝蓄水，卧坝行洪排涝，还可以利用坝顶过水，形成人工瀑布的景观效果，因此在越来越多的水利建设工程中得到应用。本文介绍了黄山新安江大型钢坝闸控制系统的设计体会，该系统具有很好的可靠性、稳定性和实时性，符合控制系统危险分散的原则。

1 系统介绍
    黄山新安江钢坝闸共有5孔，每孔宽度为46 m，挡水高度为4．8 m。钢坝闸门向下游一侧倾倒，卧倒后行洪。门顶(站立时)过水高度最大值为40 cm，以形成瀑布景观效果。行洪时闸门以上设计水深为7．78 m。闸门最大转角不小于90°，并可以在任意设定角度使闸门处于锁定状态。钢坝闸门采用启闭机驱动，液压启闭机分两侧布置，其中右岸一侧启闭机控制2孔闸门，左岸一侧启闭机控制3孔闸门。正常工况下运行速度可达3～5 m／min，一般不超过10 min即可完成升坝和塌坝，可有效保证突发洪水时能及时泄洪。示意图见图1。

    钢坝闸控制系统按“少人值守”要求进行设计，以“分层管理、集中控制”为原则组成控制中心、现地控制和设备三层拓扑结构。系统配置和设备选型充分利用了计算机领域的先进技术，软硬件均采用全开放、分布式模块化结构，使之有良好的扩充性，也便于运行管理的智能化。钢坝闸控制系统作为新安江水利枢纽工程的一个子系统，不单设监控中心(中控室)，在左、右岸液压启闭机房设2个现地控制站(PLC01站、PLC02站)。其中PLC01站控制2孔闸门，PLC02站控制3孔闸门。系统最关键的控制对象是液压启闭机液压缸的行程控制，以防止在钢坝闸启闭时液压缸行程偏差过大造成闸门扭曲变形甚至损坏。

2 系统结构
    新安江钢坝闸控制系统为三层拓扑结构。
    第一层为控制中心层。以枢纽控制中心网管型交换机为核心，通讯协议为TCP／IP，通信网络数据吞吐率为100 Mb／s。控制中心操作员站采用双机冗余热备工作方式，任何一台计算机故障，不会影响系统的正常运行，保证系统的高可用性。工程师站可进行上下位软件编程及调试。该层完成系统的数据分析、监测、控制、通信及管理调度等功能，显示钢坝闸工作过程中的工艺参数、电气参数、设备运行状态(工作／停止／故障)和闸门开度等。
    第二层为现地控制层。以施耐德Unity平台为控制核心，主要完成对现场设备的数据采集、顺序控制流程、逻辑控制流程以及与系统中其他装置的数据交换等。控制层网络采用TCP／IP网络以及环形拓扑结构，以单模光纤为通信介质，通过以太环网交换机构成带宽为100 Mb／s的工业以太网络，实现控制信号的高速传输。该网络为自愈性环网，当环网发生一个光纤断点时，通讯仍能够正常进行。同时作为枢纽的控制主干网，光纤环网能在任何节点在线增加或删除任意一个设备，也不会影响到其他设备的运行和通讯，充分考虑了枢纽工程系统管理的方便性。控制系统拓扑结构如图2所示。

    第三层为设备层。利用Unity PLC上MB通讯接口对MCC柜中的软起动器和其他智能仪器进行多点通讯。这种不用传统I／O模块而直接采用总线电缆连接的通讯方式，在实现现场离散设备和PLC之间的数据数字化传输的同时，将成本费用减少到最小。这种用于底层设备的低成本、高效率信息集成模式，已经逐渐成为控制领域的主流。

3 控制系统设计
3．1 技术要求
    对控制系统的技术要求如下：
    (1)由于钢坝闸控制水平要求高，模件的负荷率必须小于50％；
    (2)I／O点余量为15％；
    (3)内部存储器占用容量小于等于50％，外部存储器占用容量小于等于40％；
    (4)在满足高稳定性的控制要求前提下，提高性能价格比；
    (5)当系统发生故障时，维护人员可以根据还原的历史记录迅速消除故障。
3．2 控制站PLC的硬件构成
    系统设计选用施耐德Unity系列PLC，电源为冗余配置，Unity模件全部支持带电热插拔功能，通过模块故障自检功能可以使模块的故障瞬间反应在上位机系统上，大大方便了钢坝闸控制系统运行、检修和维护人员。以左岸PLC01站为例，开关量输出54点、开关量输入152点、模拟量输出5点、模拟量输入11点，右岸PLC02站相同。模块配置时在实际统计的点数上还需留有15％的余量。PLC01站硬件配置如表1所示。

3．3 上位监控系统
    上位监控系统承担着对钢坝闸控制、系统管理及PLC编程、上位组态和调试等工作。编程软件使用施耐德Unity Pro软件，上位监控软件采用Wonderware公司的Intouch 10．O，操作系统为Window XP Professional。Unity Pro编程软件完成对硬件组态、子站地址的分配，编写整个系统程序的控制逻辑。该编程软件采用国际标准的IEC6113l-3编程语言，通俗易懂、直观简单，强大的编程环境基本可以满足一切工业逻辑要求。Intouch 10．0监控软件是一套工业自动化组态软件，为系统提供了一个“过程化的窗口”和实时数据，为操作员提供了功能强大操作方便的人机界面。Intouch通过现地PLC实现数据采集、设备控制、记录、故障报警等功能，并以图形或报表的方式进行实时显示及事件记录、打印等。
3．4 控制模式
    钢坝闸控制系统操作运行设有“远程自动”、“远程手动”、“现地手动”三种工作模式。“远程自动”模式为正常的主要运行方式，根据钢坝闸自动顺序运行的条件，在操作员站上操作完成整个工作流程。在程序编写中注意自动顺序执行期间，出现任何故障或运行人员中断信号，都能使正在运行的程序中断并回到安全状态，使程序中断的故障或运行人员的指令都将在画面实时显示。“远程手动”模式为运行人员在画面上点操作被控对象。在远程手动模式下，系统提供了丰富的操作指导和反馈信息，指引操作人员的操作，以防止误操作。“现地手动”模式是运行人员通过现地控制柜上按钮操作被控对象。

4 主要控制功能的实现
    新安江钢坝闸每孔闸门宽度为46 m，两侧液压启闭机液压缸微小的行程偏差都会产生较大的扭力造成闸门在开启过程中的偏转、卡堵甚至损坏，因此在钢坝闸运行中液压缸的行程控制是关键。为防止出现在钢坝闸启闭过程中液压缸行程偏差过大，各闸门启闭机上均设置有闸门开度(行程)检测装置，现地PLC可接受检测装置中绝对型编码器发送的闸门开度数据(分辨率为1／4 096)，控制中心可据此数据对现地各孔闸门的运行进行严密监控。其中行程检测装置及行程开关是关键的检测部件，要求选用具有高可靠性、技术先进的产品。通过行程检测装置可顺利实现钢坝闸的主要控制功能：
    (1)液压缸同步控制。在闸门启闭过程中，行程检测装置全程连续检测同一孔闸门2只液压缸的行程偏差，当偏差值大地等于20 mm时，液压系统自动调整相应液压缸的进、出油量，使液压缸同步。当2只液压缸的行程偏差大于等于40 mm时，液压系统自动停机并发出报警信号。
    (2)闸门复位控制。闸门开启到预定的工作开度时，系统能自动监控闸门的实际开度，当闸门因系统泄漏引起闸门自开启工作位置下滑达150 mm时，控制系统应自动指令液压泵电动机组启动，将闸门提升恢复原位。若闸门继续下滑至200 mm时，控制系统应自动指令备用液压泵电动机组启动，将闸门提升恢复原位，同时发出报警信号。
    (3)极限位置控制。闸门全开位置测量：当闸门到达全开位置后，通过行程开关给出一个开关量信号，停止闸门开启操作；闸门全关位置测量：当闸门到达全关位置后，通过行程开关给出一个开关量信号，停止闸门关闭操作。
    (4)液压系统主要回路压力测量。系统能自动测量闸门操作压力油源的压力、油缸两腔的压力，以及油路中主要阀、管中油的压力，控制系统检测并诊断液压系统工作状态，以便及时采取保护措施。
    (5)电机及油泵运行状态测量。检测电机投入命令是否执行和油泵是否正常运行。

5 结语
    黄山新安江钢坝闸是我国目前在建第二大钢坝，其控制系统要求先进、可靠、安全。在钢坝闸项目论证和实施过程中，选用以施耐德Un-ity PLC为平台，充分利用当前工控领域的一些先进的、成熟的技术，使系统具有高可靠性、高稳定性以及灵活的可扩展功能，为钢坝闸的少人值守管理模式提供了良好的技术支持。本系统于2009年1月开始设计以来组织了多次水利工程专家进行图纸设计的审查，与会专家对控制系统的设计非常满意。目前该系统正在调试中，预计年底正式投运，投运后将在黄山市城市水利建设中发挥巨大作用而获得可观的经济效益，更重要的是美化了黄山城市的水环境建设，将取得显著的社会效益。