小浪底水利枢纽的开发目标是防洪（包括防凌）、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电，蓄清排浑，综合利用。小浪底水库在黄河水量调度、保证下游不断流、河床不抬高等方面的作用十分重要，调水调沙是小浪底水库的主要运用方式。这就决定了枢纽运用以水调为主，电调为辅，正常运行时以发电流量保证下游供水，当出现缺额时开启相应闸门泄水补充水量。为了更好地发挥小浪底水利枢纽的作用，我们对水库闸门控制系统进行了较长时间的研究与开发，1999年9月水库下闸蓄水后现地控制设备投入运行，2000年系统投入正常运行。
　　1 问题的提出
　　小浪底水库闸门控制系统开发经历了两个过程，即采用常规继电器逻辑控制和采用可编程逻辑控制器（PLC）控制。用于集控小浪底这样被控对象分散的系统，如采用早期的PLC作为控制核心其投入大、可靠性尚无法保证。随着微电子技术的飞速发展，计算机越来越多地运用于工业控制，PLC也逐渐开发出开放的上网产品，在1995年以后着重研究采用PLC取代常规继电器控制逻辑的方案，并展开设备招标及施工详图设计。1997年小浪底水库闸门控制系统招标采购，1998年开始陆续供货并安装。
　　2 系统特点
　　小浪底水库闸门控制系统适应水库运用的特点，操作方便，运行安全可靠。主要特点如下：
　　(1)枢纽洞群系统复杂，各类闸门众多，闸门操作运行可靠性关系水库运用的安全和效益的发挥，在闸门控制系统的设计中充分考虑技术先进性和操作安全可靠性。
　　(2)黄河水沙条件复杂，为保证泄水洞不被淤堵，平时泄洪排沙洞经常由进水塔内事故闸门下闸挡水，泄水时需先充水平压，然后提事故门，再开工作门，在布置上有一洞两门、一门两（启闭）机等形式及其组合，操作程序相对复杂。
　　(3)设备布置分散，环境条件差，大尺寸、高水头闸门分别布置在进口、中部和出口处，由设在坝顶控制楼的控制室进行集中控制，控制范围2 km，高差100多m。闸门启闭机有些在洞内，有些在露天，要求现地控制装置有良好的防护性能。
　　(4)设置了充水平压控制系统，对进水塔内上下左右贯通的充水平压管路中18个进水电动闸阀和72个分水电动蝶阀进行集中操作。
　　(5)闸门控制系统是包括1个控制中心、25套现地控制装置，集中控制32扇闸门和90个电动阀门，采用计算机、可编程逻辑控制器、通信网络、自动化元件等组成的完整的控制系统。闸门监控系统不仅要进行现地和远方启闭控制；同时还要对这些闸门和阀门的工作状态及其参数进行监视，并与电站计算机监控系统、水库调度系统进行信息交换。
　　(6)闸门开度采集采用德国Ifm公司的绝对型多圈光电编码器，为控制系统提供了准确的闸门位置信息，使远方控制成为可能，提高了闸门运行的安全性和可靠性。
　　(7)在系统开发方面，上位机应用UNIX操作系统下的C语言程序，现地控制单元采用PLC梯形图语言。梯形图语言具有简单易用、方便直观的优点，既可进行离线程序开发，也可进行在线的显示、更改。
　　3 监控对象
　　闸门系统监控对象包括10座进水塔、孔板洞中间闸室、排沙洞出口、溢洪道的工作闸门和事故闸门共计32扇以及闸门充水平压系统电动阀门90个，其具体分布如下：
　　3.1 进水塔
　　(1）明流洞事故闸门控制。4台卷扬启闭机，分别控制1号明流洞2扇平面闸门和2、3号明流洞各1扇平面闸门。
　　(2）孔板洞事故闸门控制。6台卷扬启闭机，分别控制3条孔板洞6扇平面闸门。
　　(3）排沙洞事故闸门控制。6台卷扬启闭机，分别控制3条排沙洞6扇平面闸门。
　　(4）明流洞工作闸门控制。3台油压启闭机，分别控制3条明流洞3扇弧形闸门。
　　(5）灌溉洞事故闸门控制。1台卷扬启闭机控制1扇灌溉洞平面闸门。
　　3.2 孔板洞中间闸室
　　孔板洞工作闸门为偏心铰弧形闸门，每扇闸门配主、副油压启闭机各一台，主机操作闸门的升降，副机操作偏心铰带动闸门前进或后撤，2台油压启闭机共用1套蓄能器。共有3个孔板洞中间闸室，每个中间闸室布置2套油压启闭机，控制2扇工作闸门。
　　3.3 排沙洞出口闸室
　　排沙洞工作门布置在排沙洞出口闸室，有3个出口闸室，每个出口闸室布置1套油压启闭机，控制1扇工作闸门。排沙洞工作闸门为偏心铰弧形闸门。
　　3.4 溢洪道
　　3条溢洪道分别设置3扇弧形闸门，每扇闸门配置1套油压启闭机。
　　3.5 充水平压系统
　　平面闸门运行要求静水开启，为此，设置了1套充水平压系统，即在开启事故门或检修门之前需向门后洞内充水，待闸门前后水位差达到设计允许值时才能开启闸门。本系统9个进水塔(除灌溉塔)内均设置了阀门室。其发电塔在两个高程设置阀门室，其余为1个阀门室，共计12个阀门室。每个发电塔阀门室有2个进水口，其他为1个进水口。进水管采用电动闸阀控制，每扇平面闸门后配置1个出水口，出水管采用电动蝶阀控制。为了防止进水口淤堵，在相邻阀门室间配置了旁通管及旁通阀。该充水平压系统共计需监控的电动闸阀为18个，电动蝶阀为72个。
　　4 系统结构及功能
　　4.1 系统结构
　　由于枢纽闸门布置较分散，且距离较远，为了减轻运行人员的劳动强度、实现电站无人值班，水库闸门控制系统的设计，能够在闸门控制室对现场各闸门进行远方监控，同时还能监视各闸门的位置以及运行情况，当出现闸门故障时系统能及时报警。为便于现场的调试、维护和紧急情况处理，系统还能就地对闸门进行控制。
　　水库闸门控制系统采用由上位机系统（主控级）及现地控制单元（LCU）组成的分层分布式控制系统。主控级采用双机互为热备用方式，通信网络采用单总线以太网，做到了控制分散，信息集中，如某处设备出现故障，并不影响其他设备的正常运行，在硬件上确保整个系统简单、安全、可靠。其系统的结构如图1所示。
　　主控级设2套操作员工作站，操作员工作站由计算机、外围设备以及不间断电源（UPS）等组成。操作员可通过操作员工作站，对监控对象进行控制。主控级采用双计算机系统，以主、备方式运行，能够实现无间隔切换。主控级所有的设备均布置在坝顶控制楼内的闸门控制室。
　　现地控制单元（LCU）采用以可编程逻辑控制器为控制装置，布置在启闭机旁。闸门的控制要求，对1条洞有2扇事故门(或工作门)的，在动水中必须2扇门同时启闭，故闸门现地控制装置按1条洞的事故门和工作门分别配置1套控制装置，即孔板洞、排沙洞、明流洞各设2套控制装置(共计18套)，溢洪道3套，灌溉洞1套，充水平压系统3套，整个现地控制层设置25套控制装置。这些LCU根据闸门的不同地理位置，分成5组，每组LCU通过工控机与通信网相联，实现与主控级的通信。闸门控制系统主控级与现地控制单元之间通过单总线网络进行通信，并设有与电站计算机监控系统以及水库调度系统之间的通信接口，以便与这两个系统进行数据交换。现地控制装置与闸门启闭机同时安装、调试和投运。
　　4.2 基本功能
　　4.2.1 上位机层
　　(1)数据采集和处理。事故闸门、工作闸门的位置；闸门上升或下降接触器状态；充水平压阀门开启或关闭状态；闸门启闭机机械和电气保护装置状态；主电源和控制电源状态；有关操作状态。
 

　　(2)实时控制。被控对象可在现地控制屏上进行现场控制或通过闸门控制室操作台计算机进行远方操作，对充水阀门还可在相应阀门室控制箱上操作。现地与远方操作互为闭锁，在现地切换，以距操作对象最近的控制点为最高优先级。控制内容有闸门提升或下降；充水阀门开启或关闭；远方成组工作闸门、充水平压阀门、事故闸门控制。
　　(3)运行监视。运行监视包括状态监视，过程监视，控制系统异常监视。①状变监视：电源断路器事故跳闸、运行接触器失电、保护动作等；②过程监视：在控制台CRT上，动态显示闸门升降过程和开度；③控制系统异常监视：控制系统任一硬件或软件故障立即发出报警信号，并在CRT及打印机上显示记录，指示报警部位。
　　(4)运行管理。运行管理包括报表打印、画面显示、人机对话等。①报表打印：闸门升降、阀门开闭情况表，事故、故障记录表等；②画面显示：以数字、文字、图形、表格等形式组织画面进行动态显示，包括闸门控制系统框图、充水平压系统图、进水塔上游侧立视图、坝区供电接线图、闸门操作流程图、上、下游水位显示、各闸门开度模拟显示、各种事故、故障统计表、闸门操作次数统计表、各种监视点上、下限值整定表等；③人机对话：由设在坝顶控制楼闸门控制室的2座(互为备用)操作计算机工作台完成，可输入各种数据，更新修改各种文件，人工置入缺漏数据，输入控制命令等，以监视和控制各闸门、阀门的运行。
　　(5)数据通信。闸门控制系统各设备间通信采用单总线结构，组网按现地单元相对集中组合成5组，通过各组某一控制屏上设置的工控机，作为通信接口与控制总线联接。系统还提供了与水库调度计算机、电站计算机监控系统的通信接口。
　　(6)系统诊断。系统诊断包括硬件故障和软件故障诊断，可在线或离线自检计算机和外围设备故障、各类基本软件和应用软件故障。
　　(7)软件开发。能方便地进行系统应用软件的编辑、调试和修改。
　　4.2.2 现地控制层
　　现地控制层由25套现地控制单元（LCU）组成，LCU的核心采用GE-90/30系列可编程逻辑控制器（PLC），PLC装置由CPU模块、输入/输出（I/O）模块、通信模块等组成。各模块都采用标准化的接口和通信格式，便于扩展和维护。现地控制屏采用IP55防护等级和加热驱潮装置，适合现场高湿度运行环境，并要求在闸门控制系统形成之前，能独立完成对相应闸门、阀门的控制。现地控制层主要完成下列功能：
　　(1)数据采集和处理。包括闸门位置、开度；闸门行程开关位置；闸门上升或下降接触器状态；充水平压阀门开启或关闭状态；启闭机机械、电气保护装置状态；主电源、控制电源状态；有关操作按钮、开关状态。
　　(2)实时控制。现场操作人员能根据触摸屏的信号显示、闸门位置指示、按钮及开关等对控制对象进行闸门提升或下降、中途停机、充水阀门的开启或关闭等操作；当现地控制屏上控制权切换开关打到远方位置时，LCU接收上位机的控制命令，自动完成闸门的提升或下降、阀门的开启或关闭。
　　(3)信号显示。在现地控制屏上设置了闸门（阀门）位置、启闭机（电动装置）电气故障、机械故障、系统故障及有关操作电源等状态信号灯、光字牌等信号指示。各输入状态和输出控制状态均可通过PLC输入／输出模块状态指示灯显示。
　　(4)数据传输。现地控制装置PLC与工控机通过RS-485总线相连，多个控制单元的PLC通过RS-485总线挂接在同一台工控机上，构成一对多的通信结构。每一台PLC可以向工控机发送数据，采用通信程序和通信规约来实现。工控机也可向每一台PLC传送数据，数据的传送目标PLC则由每台PLC特有的地址码来区分，PLC通信模块会自动识别这一地址码。LCU通过通信接口及网络将有关操作信息传送至上位机，上送信息不受控制权切换开关位置的影响。
　　(5)现地编程。LCU留有笔记本电脑的接口，可在现场对LCU控制程序进行编辑或修改。
　　4.2.3 闸门开度传感器
　　要适应高扬程、室外布置和远方操作，闸门位置检测元件选择是闸门控制系统设计的关键之一。为此，经过多方调研和收集资料，选择了德国Ifm公司的绝对型多圈光电编码器。此种编码器由绝对型编码器和SSI接口模块组成，SSI与编码器之间通过RS-422总线进行通信，采用差分信号传输，数据的转换相当可靠。SSI接口模块具有较高的抗噪声能力，减少了噪声对信号的影响。SSI接口模块连续地从编码器读取串行同步的格雷编码值，然后将它们转换为并行二进制或BCD编码值传送到PLC。通过SSI接口模块的中间连接，可以二进制或BCD编码输出信号，也可通过SSI接口模块上的开关进行编码的调整和零位的选择。编码器的转化系数也可因单圈或多圈通过SSI接口模块进行设置。同时，SSI接口模块本身具有完善的自我检测功能，如进行数据转换错误的误差显示等。作为基础元、器件，该编码器的选择、应用，是闸门控制系统安全可靠运行的保障。
　　5 系统操作
　　控制系统对所有闸门和阀门均可在现地控制或在集中控制室远方控制，控制权在现地控制屏上切换。下面以孔板洞为例说明一洞双门事故门和工作门的操作程序。
　　5.1 孔板洞事故门
　　孔板洞事故门为平面闸门，配卷扬启闭机，每台启闭机由2台绕线式电动机拖动，电动机容量为132 kW，为转子回路串接四级起动电阻的起动方式。基本操作步骤如下。
　　(1)闸门提升或下降操作之前，先按操作要求把控制开关打到相应位置。①远方操作通过位于闸门控制室的上位计算机系统及现地控制装置实现，现地操作与远方操作互为闭锁，并在现地切换；②闸门有3个操作位置供选择，即全关位置、全开位置和检修位置，检修位置仅可在现地操作实现；③单门操作仅可在现地实现，但闸门的动水关闭不允许单门操作。
　　(2)闸门在提升前打开相应进水、出水阀门，向闸门后洞内充水，待闸门前后水位差满足开门条件时，由充水平压控制装置发出允许提门信号，提升回路自动接通。
　　(3)闸门提升时，上升接触器经一定时间延时，依次接通起动电阻短接接触器，将四级起动电阻逐级切除，当闸门提升至设定位置时自动停机。闸门在上升过程中，若机械过载或电气过负荷保护动作可作用停机。
　　(4)闸门下降时，先将起动电阻短接，再接通下降接触器，当闸门下降至全关位置时自动停机。　　5.2 孔板洞工作门
　　孔板洞工作门为偏心铰弧形闸门，配2台油压启闭机，其中1台为启闭闸门油压机（主机），另1台为回转铰轴油压机（副机），每扇闸门的主机、副机共用2台油泵电动机，互为备用，电动机为鼠笼式，功率90 kW，为直接起动方式。2台启闭机共用蓄能器电动机1台，功率5.5 kW。
　　(1)在闸门操作前，先按操作要求把控制开关打到相应位置。①现地操作与远方操作互为闭锁，并在现地切换；②单门操作仅可在现地实现。
　　(2)起动。无论主机或副机操作时均需先按起动按钮，油泵电机空载起动。
　　(3)启门（全开或部分开启）。①闸门后撤，按下后撤按钮，偏心铰逆时针回转，闸门后撤脱离水封，至规定行程后，泵组停机；②闸门提升，按下启门按钮，闸门升起，达到全开位置时切断电源；部分开启时，闸门上升至所需位置后按下停止按钮切断电源，泵组停机；③闸门前移，按下前移按钮，偏心铰顺时针回转，闸门前移压紧水封，至规定行程后切断电源，泵组停机(部分开启不操作此步)。
　　(4)闭门。①闸门后撤，脱开水封；②闸门下降，按下闭门按钮，闸门下降；部分开启时，闸门下降至所需位置时按下停止按钮，切断电源；全关时，闸门下降至全关位置时切断电源，泵组停机；③闸门前移，压紧水封(部分开启不操作此步)。
　　(5)蓄能器保压。为防止由于重力以及油液泄漏引起活塞杆下沉，主、副油缸下腔的油路装有气囊式蓄能器。当主机蓄能器压力低于调定压力时，接通蓄能泵组进行充压，当压力达到规定值时，泵组自动停机；当副机蓄能器压力低于调定压力时，通过电磁换向阀动作，接通蓄能泵组进行充压，当压力达到规定值时，泵组及电磁换向阀断电复位。其蓄能器专用泵组的投入条件为：①只有在工作和备用泵组处于停机状态时，才能投入运行；②专用泵组空载起动；③当主、副机压力同时低于调定压力时，先向主机蓄能器充压，后向副机蓄能器充压。
　　(6)下沉复位。①闸门开启一段时间后，由于重力或漏油使活塞杆下沉，当主机活塞杆下沉200 mm时，工作泵组投入，闸门上升到位；②当副机活塞杆下沉200 mm时，工作泵组投入，使偏心铰顺时针回转，压紧水封；③当主机或副机活塞杆下沉200 mm，工作泵组未起动，活塞杆继续下沉至300 mm时，备用泵组投入，同时接通活塞杆上升油路，压力油进入主机或副机油缸下腔，活塞杆上升，使闸门回升到位。
　　(7)操作保护。当出现下列情况时，控制系统切断电源，电机停止运行：①主机提门时，油缸下腔的油压超过设计油压的10%；②主机下门时，油缸上腔的油压超过设计油压的10%；③副机提升时，油缸下腔的油压超过设计油压的10%；④副机下压时，油缸上腔的油压超过设计油压的10%；⑤主机和副机在运行过程中，系统油压超过最大油压的10%。
　　6 实施情况
　　小浪底水库闸门控制系统1998年开始安装，1999年9月水库下闸蓄水后现地控制设备投入运行，2000年系统投入正常运行。经过现场一年多的实际运行，系统操作正常、可靠，达到了系统研究与开发的目标。

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