喜河水電站中孔閘門控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

段智輝

(西安航天自動(dòng)化股份有限公司，陜西 西安 710065)

喜河水電站中孔閘門控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

段智輝

(西安航天自動(dòng)化股份有限公司，陜西 西安 710065)

喜河水電站排沙中孔閘門控制系統(tǒng)硬件方面選用施耐德M340 PLC為核心控制器、P+F絕對(duì)值多圈編碼器和閘門荷重傳感器等電氣設(shè)備。軟件方面堅(jiān)持“穩(wěn)定可靠，安全使用”的設(shè)計(jì)原則，采用模塊化編程以及友好的人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)中孔閘門的自動(dòng)啟閉控制。

閘門；模塊化；PLC控制系統(tǒng)；施耐德；喜河水電站

0 引 言

喜河水電站位于漢江上游的陜西省石泉縣喜河鎮(zhèn)下游10公里處，是漢江上游干流河段的第三個(gè)梯級(jí)電站，是以發(fā)電為主，兼有防洪、航運(yùn)、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益的水利樞紐[1]。喜河水電站中孔閘門為固定卷?yè)P(yáng)式平面閘門，通過(guò)控制鋼絲繩同步軸系統(tǒng)提升閘門。該控制系統(tǒng)共包括三套控制設(shè)備，每套控制設(shè)備均由控制柜、動(dòng)力柜以及電阻柜構(gòu)成。分別實(shí)現(xiàn)三孔排沙中孔閘門的啟閉操作，滿足電站在汛期時(shí)的泄洪和排沙要求。

核心控制設(shè)備設(shè)一套施耐德M340 PLC、施耐德操作控制器件、臺(tái)灣明緯開(kāi)關(guān)電源裝置及威綸通液晶觸摸顯示屏等，用于中孔閘門的自動(dòng)啟閉操作。整個(gè)控制系統(tǒng)同時(shí)可以顯示閘門信息，包括電機(jī)合閘、分閘和跳閘狀態(tài)，動(dòng)力和控制回路供電狀態(tài)，PLC通訊狀態(tài)，閘門實(shí)時(shí)開(kāi)度，閘門全開(kāi)全關(guān)位設(shè)定和顯示，編碼器讀數(shù)校準(zhǔn)、閘門運(yùn)行故障等有效信息。

1 控制對(duì)象

喜河水電站中孔閘門控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)三孔中孔閘門的“手動(dòng)”和“現(xiàn)地自動(dòng)”操作。并在閘門啟閉過(guò)程中通過(guò)切除不同等級(jí)電阻，實(shí)現(xiàn)閘門的變速操作(如圖1所示)。

喜河水電站中孔閘門控制系統(tǒng)采用施耐德高效能M340PLC為控制單元，接入P+F絕對(duì)值編碼器進(jìn)行閘門開(kāi)度信號(hào)的采集和換算，接入電機(jī)過(guò)載傳感器對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。

機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，利用同步軸系統(tǒng)，將二臺(tái)55 kW電機(jī)，電纜卷筒，鋼絲繩動(dòng)定滑輪等部分整體結(jié)合，滿足閘門的機(jī)械提升要求。

電氣控制方面，分為手動(dòng)控制，現(xiàn)地自動(dòng)控制和遠(yuǎn)控控制。手動(dòng)控制方面，根據(jù)設(shè)計(jì)原理，明確柜內(nèi)硬回路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制要求。自動(dòng)控制方面，根據(jù)設(shè)計(jì)流程和技術(shù)要求，編寫對(duì)應(yīng)的邏輯控制、閘門信息顯示和故障保護(hù)程序，實(shí)現(xiàn)閘門的自動(dòng)啟動(dòng)、關(guān)閉和停止操作。遠(yuǎn)控控制方面，利用施耐德用NOM0200通訊模塊，遵循Modbus鏈路通訊原則和數(shù)據(jù)交換機(jī)制與遠(yuǎn)程中控室建立通訊連接，實(shí)現(xiàn)排沙中孔閘門的遠(yuǎn)控啟閉操作,如圖1所示。

圖1 喜河水電站中孔閘門控制框圖

2 控制功能

喜河水電站排沙中孔控制系統(tǒng)共設(shè)置了三種控制方式：“現(xiàn)地手動(dòng)”、“現(xiàn)地自動(dòng)”和“遠(yuǎn)方自動(dòng)”方式。三種方式從硬件回路和軟件編程兩方面綜合閉鎖，保證可靠性。

(1) “現(xiàn)地+手動(dòng)”的工作方式下：將方式選擇開(kāi)關(guān)切換至“手動(dòng)方式”，可以在控制柜的面板上通過(guò)“啟門”和“閉門”按鈕實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉操作。

(2) “現(xiàn)地+自動(dòng)”的工作方式下：將方式選擇開(kāi)關(guān)切換至“現(xiàn)地方式”，可以在控制柜上的HMI界面預(yù)設(shè)啟閉門開(kāi)度，并點(diǎn)擊HMI上的啟閉門按鈕，現(xiàn)地向PLC發(fā)送命令，PLC按照啟閉門設(shè)計(jì)流程執(zhí)行。

(3) “遠(yuǎn)方+自動(dòng)”的工作方式下：將方式選擇開(kāi)關(guān)切換至“遠(yuǎn)控方式”，在遠(yuǎn)程中控室通過(guò)操作員站預(yù)設(shè)啟閉門開(kāi)度，并點(diǎn)擊操作員站上對(duì)應(yīng)的啟閉門按鈕，遠(yuǎn)程向PLC發(fā)送命令，PLC按照啟閉門設(shè)計(jì)流程執(zhí)行。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

圖2 喜河水電站PLC控制系統(tǒng)配置圖

根據(jù)喜河水電站中孔閘門的招標(biāo)文件、設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)和目標(biāo)要求，遵循相應(yīng)的電氣設(shè)計(jì)規(guī)范，共設(shè)計(jì)了三套控制系統(tǒng)，包括PLC控制柜、動(dòng)力柜和電阻柜。電氣設(shè)備選型上，主要選擇施耐德的產(chǎn)品，包括按鈕、指示燈、斷路器、接觸器、時(shí)間繼電器。PLC選用施耐德M340系列產(chǎn)品，包括PLC，DI，DO，SSI模塊等。HMI選用維綸通10.4寸TFT LCD ——MT6100i系列，可以與PLC無(wú)縫鏈接，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的顯示閘門信息。整個(gè)控制系統(tǒng)配置如圖2所示。

選用臺(tái)灣明緯公司生產(chǎn)的NES 350-24系列開(kāi)關(guān)電源，在開(kāi)關(guān)電源的輸入端設(shè)計(jì)了二路電源互補(bǔ)裝置。引入二路輸入電源，從而能夠保證PLC和各模塊在異常斷電情況下的正常運(yùn)行。

選用P+F的編碼器，型號(hào)為AVM58N-011AAR0GN-1213。該編碼器為多圈絕對(duì)值編碼器，其電氣特性如表1所示?？梢詫C(jī)械的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)，通過(guò)PLC進(jìn)行對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

表1 喜河水電站中孔閘門編碼器電氣特性

3.2 軟件設(shè)計(jì)

喜河水電站中孔閘門控制系統(tǒng)選用施耐德M340系列PLC。M340系列PLC是施耐德電氣自動(dòng)化推出的高性能中等PLC。實(shí)現(xiàn)了100%的緊湊設(shè)計(jì)，集各種強(qiáng)勁功能和創(chuàng)新技術(shù)于一身，可以全面滿足工業(yè)過(guò)程控制和基礎(chǔ)設(shè)施自動(dòng)化控制要求。出色的布爾處理能力，強(qiáng)大的處理速度，先進(jìn)的多任務(wù)操作系統(tǒng)，超大的RAM內(nèi)存，獨(dú)特的SD卡隨時(shí)卸下或插入等功能高效全面的保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和先進(jìn)性[2]。

綜上所述，整個(gè)閘門控制系統(tǒng)的啟閉門控制流程如圖3、圖4所示。

圖3 喜河水電站中孔閘門允許啟門條件

圖4 喜河水電站中孔閘門允許閉門條件

3.3 保護(hù)設(shè)計(jì)

對(duì)任何電氣控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，故障保護(hù)是至關(guān)重要的。喜河水電站中孔閘門控制系統(tǒng)從硬件回路閉鎖、以及啟閉流程設(shè)計(jì)，邏輯控制程序的編寫都進(jìn)行了軟件閉鎖，包括對(duì)啟閉門預(yù)設(shè)值的判斷、預(yù)設(shè)值和反饋值的一致性比較、啟閉門過(guò)程中方式誤動(dòng)的處理等。全面綜合保證邏輯控制指令的唯一性、控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性[3-4]。其主要故障內(nèi)容、判定方法如表2所示。

表2 喜河水電站中孔閘門故障統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)束語(yǔ)

喜河水電站中孔閘門控制系統(tǒng)充分響應(yīng)招標(biāo)文件中的招標(biāo)要求，遵循“性價(jià)比高、維護(hù)方便”的電氣設(shè)計(jì)原則[5-6]，完全滿足水電站閘門的控制系要求。從設(shè)計(jì)階段、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、后期培訓(xùn)、試運(yùn)行、運(yùn)行等階段，均嚴(yán)格按照業(yè)主要求，彼此及時(shí)協(xié)商溝通，保證問(wèn)題能夠快速解決，從而能夠在短時(shí)間里完成系統(tǒng)的投入和使用。從2014年11月至今，系統(tǒng)運(yùn)行良好，從而滿足了喜河水電站中孔閘門的防汛排沙要求。

[1] 石曉俊,易春輝,黃建平,等.漢江喜河水電站表孔弧形閘門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西北水利發(fā)電,2006,22(1):8-9.

[2] 賀銘康,徐偉.施耐德高端PLC-著力軟件主推M340[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化,2007,8(5):18-19.

[3] 唐元禮,婁方顯.東風(fēng)水電站中孔弧形閘門PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)改造[J].貴州水力發(fā)電,2001,15(2):29-31.

[4] 張遠(yuǎn)明,章路.托海水電廠中孔泄洪閘門自動(dòng)控制裝置的研制[J].新疆電力,2003,20(2):8-10.

[5] 王昌吉.淺談電氣控制系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)[J].科技與企業(yè),2013,37(20),151.

[6] 陳延奎.淺談PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[J].中國(guó)科技信息,2009,21(20):116-118.

Design of a Medium-hole Gate Control System for Xihe Hydropower Station

Duan Zhihui

(Xi’an Aerospace Automation Co.,Ltd., Xi’an Shaanxi 710065, China)

Xihe Hydropower Station adopts Schneider M340 PLC as core controller and P + F absolute multi-turn encoder and load sensor as electrical equipment for the hardware of its medium-hole de-silting gate control system. As for its software, in the design principle of “stable, reliable and safe”, modular programming and friendly man-machine interaction are adopted to realize automatic on-off control of the medium-hole gate.

gate; modularization; PLC control system; Schneider; Xihe Hydropower Station

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.027

TP272/278

A

1000-3886(2016)06-0087-03

段智輝(1986-)，男，陜西人，工程師，專業(yè)：控制工程。

定稿日期: 2016-02-22