摘 要：閘門控制在水利工程中多采用現地控制方式，根據小浪底工程水工建筑物布置格局和調水調沙運用的特殊要求，研究開發(fā)了水庫閘門集中遠方監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)1998年開始安裝，2000年投入正常運行。經過一年多的實際運行，系統(tǒng)操作正常、可靠，達到了研究與開發(fā)的目標。
小浪底水利樞紐的開發(fā)目標是防洪（包括防凌）、減淤為主，兼顧供水、灌溉、發(fā)電，蓄清排渾，綜合利用。小浪底水庫在黃河水量調度、保證下游不斷流、河床不抬高等方面的作用十分重要，調水調沙是小浪底水庫的主要運用方式。這就決定了樞紐運用以水調為主，電調為輔，正常運行時以發(fā)電流量保證下游供水，當出現缺額時開啟相應閘門泄水補充水量。為了更好地發(fā)揮小浪底水利樞紐的作用，我們對水庫閘門控制系統(tǒng)進行了較長時間的研究與開發(fā)，1999年9月水庫下閘蓄水后現地控制設備投入運行，2000年系統(tǒng)投入正常運行。
1 問題的提出
小浪底水庫閘門控制系統(tǒng)開發(fā)經歷了兩個過程，即采用常規(guī)繼電器邏輯控制和采用可編程邏輯控制器（PLC）控制。用于集控小浪底這樣被控對象分散的系統(tǒng)，如采用早期的PLC作為控制核心其投入大、可靠性尚無法保證。隨著微電子技術的飛速發(fā)展，計算機越來越多地運用于工業(yè)控制，PLC也逐漸開發(fā)出開放的上網產品，在1995年以后著重研究采用PLC取代常規(guī)繼電器控制邏輯的方案，并展開設備招標及施工詳圖設計。1997年小浪底水庫閘門控制系統(tǒng)招標采購，1998年開始陸續(xù)供貨并安裝。
2 系統(tǒng)特點
小浪底水庫閘門控制系統(tǒng)適應水庫運用的特點，操作方便，運行安全可靠。主要特點如下：
(1)樞紐洞群系統(tǒng)復雜，各類閘門眾多，閘門操作運行可靠性關系水庫運用的安全和效益的發(fā)揮，在閘門控制系統(tǒng)的設計中充分考慮技術先進性和操作安全可靠性。
(2)黃河水沙條件復雜，為保證泄水洞不被淤堵，平時泄洪排沙洞經常由進水塔內事故閘門下閘擋水，泄水時需先充水平壓，然后提事故門，再開工作門，在布置上有一洞兩門、一門兩（啟閉）機等形式及其組合，操作程序相對復雜。
(3)設備布置分散，環(huán)境條件差，大尺寸、高水頭閘門分別布置在進口、中部和出口處，由設在壩頂控制樓的控制室進行集中控制，控制范圍2 km，高差100多m。閘門啟閉機有些在洞內，有些在露天，要求現地控制裝置有良好的防護性能。
(4)設置了充水平壓控制系統(tǒng)，對進水塔內上下左右貫通的充水平壓管路中18個進水電動閘閥和72個分水電動蝶閥進行集中操作。
(5)閘門控制系統(tǒng)是包括1個控制中心、25套現地控制裝置，集中控制32扇閘門和90個電動閥門，采用計算機、可編程邏輯控制器、通信網絡、自動化元件等組成的完整的控制系統(tǒng)。閘門監(jiān)控系統(tǒng)不僅要進行現地和遠方啟閉控制；同時還要對這些閘門和閥門的工作狀態(tài)及其參數進行監(jiān)視，并與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、水庫調度系統(tǒng)進行信息交換。
(6)閘門開度采集采用德國Ifm公司的絕對型多圈光電編碼器，為控制系統(tǒng)提供了準確的閘門位置信息，使遠方控制成為可能，提高了閘門運行的安全性和可靠性。
(7)在系統(tǒng)開發(fā)方面，上位機應用UNIX操作系統(tǒng)下的C語言程序，現地控制單元采用PLC梯形圖語言。梯形圖語言具有簡單易用、方便直觀的優(yōu)點，既可進行離線程序開發(fā)，也可進行在線的顯示、更改。
3 監(jiān)控對象
閘門系統(tǒng)監(jiān)控對象包括10座進水塔、孔板洞中間閘室、排沙洞出口、溢洪道的工作閘門和事故閘門共計32扇以及閘門充水平壓系統(tǒng)電動閥門90個，其具體分布如下：
3.1 進水塔
(1）明流洞事故閘門控制。4臺卷揚啟閉機，分別控制1號明流洞2扇平面閘門和2、3號明流洞各1扇平面閘門。
(2）孔板洞事故閘門控制。6臺卷揚啟閉機，分別控制3條孔板洞6扇平面閘門。
(3）排沙洞事故閘門控制。6臺卷揚啟閉機，分別控制3條排沙洞6扇平面閘門。
(4）明流洞工作閘門控制。3臺油壓啟閉機，分別控制3條明流洞3扇弧形閘門。
(5）灌溉洞事故閘門控制。1臺卷揚啟閉機控制1扇灌溉洞平面閘門。
3.2 孔板洞中間閘室
孔板洞工作閘門為偏心鉸弧形閘門，每扇閘門配主、副油壓啟閉機各一臺，主機操作閘門的升降，副機操作偏心鉸帶動閘門前進或后撤，2臺油壓啟閉機共用1套蓄能器。共有3個孔板洞中間閘室，每個中間閘室布置2套油壓啟閉機，控制2扇工作閘門。
3.3 排沙洞出口閘室
排沙洞工作門布置在排沙洞出口閘室，有3個出口閘室，每個出口閘室布置1套油壓啟閉機，控制1扇工作閘門。排沙洞工作閘門為偏心鉸弧形閘門。
3.4 溢洪道
3條溢洪道分別設置3扇弧形閘門，每扇閘門配置1套油壓啟閉機。
3.5 充水平壓系統(tǒng)
平面閘門運行要求靜水開啟，為此，設置了1套充水平壓系統(tǒng)，即在開啟事故門或檢修門之前需向門后洞內充水，待閘門前后水位差達到設計允許值時才能開啟閘門。本系統(tǒng)9個進水塔(除灌溉塔)內均設置了閥門室。其發(fā)電塔在兩個高程設置閥門室，其余為1個閥門室，共計12個閥門室。每個發(fā)電塔閥門室有2個進水口，其他為1個進水口。進水管采用電動閘閥控制，每扇平面閘門后配置1個出水口，出水管采用電動蝶閥控制。為了防止進水口淤堵，在相鄰閥門室間配置了旁通管及旁通閥。該充水平壓系統(tǒng)共計需監(jiān)控的電動閘閥為18個，電動蝶閥為72個。
4 系統(tǒng)結構及功能
4.1 系統(tǒng)結構
由于樞紐閘門布置較分散，且距離較遠，為了減輕運行人員的勞動強度、實現電站無人值班，水庫閘門控制系統(tǒng)的設計，能夠在閘門控制室對現場各閘門進行遠方監(jiān)控，同時還能監(jiān)視各閘門的位置以及運行情況，當出現閘門故障時系統(tǒng)能及時報警。為便于現場的調試、維護和緊急情況處理，系統(tǒng)還能就地對閘門進行控制。
水庫閘門控制系統(tǒng)采用由上位機系統(tǒng)（主控級）及現地控制單元（LCU）組成的分層分布式控制系統(tǒng)。主控級采用雙機互為熱備用方式，通信網絡采用單總線以太網，做到了“控制分散，信息集中”，如某處設備出現故障，并不影響其他設備的正常運行，在硬件上確保整個系統(tǒng)簡單、安全、可靠。其系統(tǒng)的結構如圖1所示。
主控級設2套操作員工作站，操作員工作站由計算機、外圍設備以及不間斷電源（UPS）等組成。操作員可通過操作員工作站，對監(jiān)控對象進行控制。主控級采用雙計算機系統(tǒng)，以主、備方式運行，能夠實現無間隔切換。主控級所有的設備均布置在壩頂控制樓內的閘門控制室。
現地控制單元（LCU）采用以可編程邏輯控制器為控制裝置，布置在啟閉機旁。閘門的控制要求，對1條洞有2扇事故門(或工作門)的，在動水中必須2扇門同時啟閉，故閘門現地控制裝置按1條洞的事故門和工作門分別配置1套控制裝置，即孔板洞、排沙洞、明流洞各設2套控制裝置(共計18套)，溢洪道3套，灌溉洞1套，充水平壓系統(tǒng)3套，整個現地控制層設置25套控制裝置。這些LCU根據閘門的不同地理位置，分成5組，每組LCU通過工控機與通信網相聯，實現與主控級的通信。閘門控制系統(tǒng)主控級與現地控制單元之間通過單總線網絡進行通信，并設有與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)以及水庫調度系統(tǒng)之間的通信接口，以便與這兩個系統(tǒng)進行數據交換。現地控制裝置與閘門啟閉機同時安裝、調試和投運。
4.2 基本功能
4.2.1 上位機層
(1)數據采集和處理。事故閘門、工作閘門的位置；閘門上升或下降接觸器狀態(tài)；充水平壓閥門開啟或關閉狀態(tài)；閘門啟閉機機械和電氣保護裝置狀態(tài)；主電源和控制電源狀態(tài)；有關操作狀態(tài)。
(2)實時控制。被控對象可在現地控制屏上進行現場控制或通過閘門控制室操作臺計算機進行遠方操作，對充水閥門還可在相應閥門室控制箱上操作?，F地與遠方操作互為閉鎖，在現地切換，以距操作對象最近的控制點為最高優(yōu)先級?？刂苾热萦虚l門提升或下降；充水閥門開啟或關閉；遠方成組工作閘門、充水平壓閥門、事故閘門控制。
(3)運行監(jiān)視。運行監(jiān)視包括狀態(tài)監(jiān)視，過程監(jiān)視，控制系統(tǒng)異常監(jiān)視。①狀變監(jiān)視：電源斷路器事故跳閘、運行接觸器失電、保護動作等；②過程監(jiān)視：在控制臺CRT上，動態(tài)顯示閘門升降過程和開度；③控制系統(tǒng)異常監(jiān)視：控制系統(tǒng)任一硬件或軟件故障立即發(fā)出報警信號，并在CRT及打印機上顯示記錄，指示報警部位。
(4)運行管理。運行管理包括報表打印、畫面顯示、人機對話等。①報表打?。洪l門升降、閥門開閉情況表，事故、故障記錄表等；②畫面顯示：以數字、文字、圖形、表格等形式組織畫面進行動態(tài)顯示，包括閘門控制系統(tǒng)框圖、充水平壓系統(tǒng)圖、進水塔上游側立視圖、壩區(qū)供電接線圖、閘門操作流程圖、上、下游水位顯示、各閘門開度模擬顯示、各種事故、故障統(tǒng)計表、閘門操作次數統(tǒng)計表、各種監(jiān)視點上、下限值整定表等；③人機對話：由設在壩頂控制樓閘門控制室的2座(互為備用)操作計算機工作臺完成，可輸入各種數據，更新修改各種文件，人工置入缺漏數據，輸入控制命令等，以監(jiān)視和控制各閘門、閥門的運行。
(5)數據通信。閘門控制系統(tǒng)各設備間通信采用單總線結構，組網按現地單元相對集中組合成5組，通過各組某一控制屏上設置的工控機，作為通信接口與控制總線聯接。系統(tǒng)還提供了與水庫調度計算機、電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的通信接口。
(6)系統(tǒng)診斷。系統(tǒng)診斷包括硬件故障和軟件故障診斷，可在線或離線自檢計算機和外圍設備故障、各類基本軟件和應用軟件故障。
(7)軟件開發(fā)。能方便地進行系統(tǒng)應用軟件的編輯、調試和修改。
4.2.2 現地控制層
現地控制層由25套現地控制單元（LCU）組成，LCU的核心采用GE-90/30系列可編程邏輯控制器（PLC），PLC裝置由CPU模塊、輸入/輸出（I/O）模塊、通信模塊等組成。各模塊都采用標準化的接口和通信格式，便于擴展和維護?，F地控制屏采用IP55防護等級和加熱驅潮裝置，適合現場高濕度運行環(huán)境，并要求在閘門控制系統(tǒng)形成之前，能獨立完成對相應閘門、閥門的控制?，F地控制層主要完成下列功能：
(1)數據采集和處理。包括閘門位置、開度；閘門行程開關位置；閘門上升或下降接觸器狀態(tài)；充水平壓閥門開啟或關閉狀態(tài)；啟閉機機械、電氣保護裝置狀態(tài)；主電源、控制電源狀態(tài)；有關操作按鈕、開關狀態(tài)。
(2)實時控制。現場操作人員能根據觸摸屏的信號顯示、閘門位置指示、按鈕及開關等對控制對象進行閘門提升或下降、中途停機、充水閥門的開啟或關閉等操作；當現地控制屏上控制權切換開關打到遠方位置時，LCU接收上位機的控制命令，自動完成閘門的提升或下降、閥門的開啟或關閉。
(3)信號顯示。在現地控制屏上設置了閘門（閥門）位置、啟閉機（電動裝置）電氣故障、機械故障、系統(tǒng)故障及有關操作電源等狀態(tài)信號燈、光字牌等信號指示。各輸入狀態(tài)和輸出控制狀態(tài)均可通過PLC輸入／輸出模塊狀態(tài)指示燈顯示。
(4)數據傳輸。現地控制裝置PLC與工控機通過RS-485總線相連，多個控制單元的PLC通過RS-485總線掛接在同一臺工控機上，構成一對多的通信結構。每一臺PLC可以向工控機發(fā)送數據，采用通信程序和通信規(guī)約來實現。工控機也可向每一臺PLC傳送數據，數據的傳送目標PLC則由每臺PLC特有的地址碼來區(qū)分，PLC通信模塊會自動識別這一地址碼。LCU通過通信接口及網絡將有關操作信息傳送至上位機，上送信息不受控制權切換開關位置的影響。
(5)現地編程。LCU留有筆記本電腦的接口，可在現場對LCU控制程序進行編輯或修改。
4.2.3 閘門開度傳感器
要適應高揚程、室外布置和遠方操作，閘門位置檢測元件選擇是閘門控制系統(tǒng)設計的關鍵之一。為此，經過多方調研和收集資料，選擇了德國Ifm公司的絕對型多圈光電編碼器。此種編碼器由絕對型編碼器和SSI接口模塊組成，SSI與編碼器之間通過RS-422總線進行通信，采用差分信號傳輸，數據的轉換相當可靠。SSI接口模塊具有較高的抗噪聲能力，減少了噪聲對信號的影響。SSI接口模塊連續(xù)地從編碼器讀取串行同步的格雷編碼值，然后將它們轉換為并行二進制或BCD編碼值傳送到PLC。通過SSI接口模塊的中間連接，可以二進制或BCD編碼輸出信號，也可通過SSI接口模塊上的開關進行編碼的調整和零位的選擇。編碼器的轉化系數也可因單圈或多圈通過SSI接口模塊進行設置。同時，SSI接口模塊本身具有完善的自我檢測功能，如進行數據轉換錯誤的誤差顯示等。作為基礎元、器件，該編碼器的選擇、應用，是閘門控制系統(tǒng)安全可靠運行的保障。
5 系統(tǒng)操作
控制系統(tǒng)對所有閘門和閥門均可在現地控制或在集中控制室遠方控制，控制權在現地控制屏上切換。下面以孔板洞為例說明一洞雙門事故門和工作門的操作程序。
5.1 孔板洞事故門
孔板洞事故門為平面閘門，配卷揚啟閉機，每臺啟閉機由2臺繞線式電動機拖動，電動機容量為132 kW，為轉子回路串接四級起動電阻的起動方式。基本操作步驟如下。
(1)閘門提升或下降操作之前，先按操作要求把控制開關打到相應位置。①遠方操作通過位于閘門控制室的上位計算機系統(tǒng)及現地控制裝置實現，現地操作與遠方操作互為閉鎖，并在現地切換；②閘門有3個操作位置供選擇，即全關位置、全開位置和檢修位置，檢修位置僅可在現地操作實現；③單門操作僅可在現地實現，但閘門的動水關閉不允許單門操作。
(2)閘門在提升前打開相應進水、出水閥門，向閘門后洞內充水，待閘門前后水位差滿足開門條件時，由充水平壓控制裝置發(fā)出允許提門信號，提升回路自動接通。
(3)閘門提升時，上升接觸器經一定時間延時，依次接通起動電阻短接接觸器，將四級起動電阻逐級切除，當閘門提升至設定位置時自動停機。閘門在上升過程中，若機械過載或電氣過負荷保護動作可作用停機。
(4)閘門下降時，先將起動電阻短接，再接通下降接觸器，當閘門下降至全關位置時自動停機。
5.2 孔板洞工作門
孔板洞工作門為偏心鉸弧形閘門，配2臺油壓啟閉機，其中1臺為啟閉閘門油壓機（主機），另1臺為回轉鉸軸油壓機（副機），每扇閘門的主機、副機共用2臺油泵電動機，互為備用，電動機為鼠籠式，功率90 kW，為直接起動方式。2臺啟閉機共用蓄能器電動機1臺，功率5.5 kW。
(1)在閘門操作前，先按操作要求把控制開關打到相應位置。①現地操作與遠方操作互為閉鎖，并在現地切換；②單門操作僅可在現地實現。
(2)起動。無論主機或副機操作時均需先按起動按鈕，油泵電機空載起動。
(3)啟門（全開或部分開啟）。①閘門后撤，按下“后撤”按鈕，偏心鉸逆時針回轉，閘門后撤脫離水封，至規(guī)定行程后，泵組停機；②閘門提升，按下“啟門”按鈕，閘門升起，達到全開位置時切斷電源；部分開啟時，閘門上升至所需位置后按下“停止”按鈕切斷電源，泵組停機；③閘門前移，按下“前移”按鈕，偏心鉸順時針回轉，閘門前移壓緊水封，至規(guī)定行程后切斷電源，泵組停機(部分開啟不操作此步)。
(4)閉門。①閘門后撤，脫開水封；②閘門下降，按下“閉門”按鈕，閘門下降；部分開啟時，閘門下降至所需位置時按下“停止”按鈕，切斷電源；全關時，閘門下降至全關位置時切斷電源，泵組停機；③閘門前移，壓緊水封(部分開啟不操作此步)。
(5)蓄能器保壓。為防止由于重力以及油液泄漏引起活塞桿下沉，主、副油缸下腔的油路裝有氣囊式蓄能器。當主機蓄能器壓力低于調定壓力時，接通蓄能泵組進行充壓，當壓力達到規(guī)定值時，泵組自動停機；當副機蓄能器壓力低于調定壓力時，通過電磁換向閥動作，接通蓄能泵組進行充壓，當壓力達到規(guī)定值時，泵組及電磁換向閥斷電復位。其蓄能器專用泵組的投入條件為：①只有在工作和備用泵組處于停機狀態(tài)時，才能投入運行；②專用泵組空載起動；③當主、副機壓力同時低于調定壓力時，先向主機蓄能器充壓，后向副機蓄能器充壓。
(6)下沉復位。①閘門開啟一段時間后，由于重力或漏油使活塞桿下沉，當主機活塞桿下沉200 mm時，工作泵組投入，閘門上升到位；②當副機活塞桿下沉200 mm時，工作泵組投入，使偏心鉸順時針回轉，壓緊水封；③當主機或副機活塞桿下沉200 mm，工作泵組未起動，活塞桿繼續(xù)下沉至300 mm時，備用泵組投入，同時接通活塞桿上升油路，壓力油進入主機或副機油缸下腔，活塞桿上升，使閘門回升到位。
(7)操作保護。當出現下列情況時，控制系統(tǒng)切斷電源，電機停止運行：①主機提門時，油缸下腔的油壓超過設計油壓的10%；②主機下門時，油缸上腔的油壓超過設計油壓的10%；③副機提升時，油缸下腔的油壓超過設計油壓的10%；④副機下壓時，油缸上腔的油壓超過設計油壓的10%；⑤主機和副機在運行過程中，系統(tǒng)油壓超過最大油壓的10%。
6 實施情況
小浪底水庫閘門控制系統(tǒng)1998年開始安裝，1999年9月水庫下閘蓄水后現地控制設備投入運行，2000年系統(tǒng)投入正常運行。經過現場一年多的實際運行，系統(tǒng)操作正常、可靠，達到了系統(tǒng)研究與開發(fā)的目標。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
