基于一體化平臺(tái)技術(shù)的閘門(mén)控制系統(tǒng)改造

曹三順，王非

（廣東粵海飛來(lái)峽水力發(fā)電有限公司，廣東韶關(guān)512200）

1 引言

隨著新一輪信息化浪潮席卷全球，新一代信息技術(shù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)深度融合，智慧城市、智慧電網(wǎng)等概念正在由理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，真真切切地影響、改變著社會(huì)生活。水利部黨組歷來(lái)高度重視水利信息化建設(shè)，2017年2月陳雷部長(zhǎng)在水利部科技委年會(huì)上指出，智慧水利建設(shè)相較于相關(guān)行業(yè)的智慧行業(yè)建設(shè)還有相當(dāng)差距，與支撐水利現(xiàn)代化要求還有較大差距。傳統(tǒng)水利數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)僅局限于各系統(tǒng)使用，各專(zhuān)業(yè)融合性差，效率低，導(dǎo)致“信息孤島”現(xiàn)象的存在，決策效率低下。智慧水利建設(shè)已成為水利現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。

泄水閘承擔(dān)汛期飛來(lái)峽水利樞紐洪水調(diào)控的重要任務(wù)，是樞紐防汛抗洪的最重要設(shè)備。飛來(lái)峽水利樞紐泄水閘門(mén)啟閉機(jī)控制系統(tǒng)從建成到現(xiàn)在已有20 a的時(shí)間，現(xiàn)地控制系統(tǒng)及其上位機(jī)監(jiān)控軟硬件暴露出越來(lái)越嚴(yán)重的老化與兼容性問(wèn)題，通過(guò)常規(guī)維護(hù)檢修已難以取得滿意的效果。為了響應(yīng)水利部對(duì)智慧水利建設(shè)的新要求，搶占智慧水電廠建設(shè)的新陣地，同時(shí)為了消除樞紐防汛設(shè)備功能隱患，科學(xué)優(yōu)化控制流程，提高生產(chǎn)建設(shè)效率，盡責(zé)履行溢流壩調(diào)峰調(diào)洪、保一方平安的社會(huì)責(zé)任，溢流壩電控系統(tǒng)建設(shè)作為搭建一體化信息平臺(tái)中的首要業(yè)務(wù)被提上日程。

2 原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及存在問(wèn)題

2.1 原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

飛來(lái)峽水利樞紐溢流壩由15孔泄洪孔和1孔排漂孔組成，閘門(mén)為潛孔式弧形鋼閘門(mén)。啟閉設(shè)備為雙吊點(diǎn)斜吊式固定卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)，容量為2×1 250 kN，揚(yáng)程為16.5 m，吊點(diǎn)距8.4 m，起升速度1.16 m/min。左右側(cè)2套起升機(jī)通過(guò)中間同步軸連接，電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YZR250M1-835 kW，制動(dòng)器為4套YWZ5-315/50電液塊式制動(dòng)器，減速器型號(hào)為JZQ750-48.57。配置高度傳感器、主令控制器、荷重傳感器等安全裝置。每臺(tái)弧形鋼閘門(mén)均由對(duì)應(yīng)的啟閉機(jī)來(lái)操作。

溢流壩泄水閘承擔(dān)汛期樞紐洪水調(diào)控的重要任務(wù)，是飛來(lái)峽水利樞紐最重要的防汛設(shè)備。溢流壩泄水閘門(mén)的啟閉，是通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)閘門(mén)啟閉機(jī)的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。泄水閘門(mén)啟閉機(jī)控制系統(tǒng)分常規(guī)控制及PLC控制，從建成到現(xiàn)在已運(yùn)行20 a時(shí)間。目前閘門(mén)運(yùn)行方式有現(xiàn)地常規(guī)、現(xiàn)地PLC、遠(yuǎn)方PLC和試控4種方式，其中閘門(mén)的常規(guī)動(dòng)力控制回路為閘門(mén)最基礎(chǔ)的控制方式。

泄水閘門(mén)啟閉機(jī)控制系統(tǒng)控制對(duì)象主要為：溢流壩16孔溢洪孔閘門(mén)（其中15孔為帶胸墻的泄洪孔、閘門(mén)為潛孔式弧形鋼閘門(mén)，另1孔為排漂孔）以及溢流壩1#墩及中墩排水泵和3#副壩平板鋼閘門(mén)。飛來(lái)峽泄水閘門(mén)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 飛來(lái)峽泄水閘門(mén)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 存在問(wèn)題

（1）由于運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、啟閉機(jī)又處于寬闊的江面上，空氣潮濕、環(huán)境溫度變化大的惡劣運(yùn)行環(huán)境等因素影響，近年來(lái)設(shè)備已陸續(xù)出現(xiàn)器件氧化、老化和技術(shù)性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象，導(dǎo)致汛期常發(fā)生因常規(guī)控制回路或動(dòng)力回路出現(xiàn)問(wèn)題而無(wú)法啟閉閘門(mén)或動(dòng)力電源跳閘等技術(shù)故障，甚至出現(xiàn)控制柜內(nèi)線路自燃冒煙的現(xiàn)象，由此引發(fā)的后果不堪設(shè)想。

（2）上位機(jī)系統(tǒng)由于主機(jī)等硬件設(shè)備運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，已經(jīng)出現(xiàn)較多硬件故障，更換主機(jī)后在Win7系統(tǒng)上無(wú)法運(yùn)行原有的上位機(jī)組態(tài)軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)，需要降級(jí)為WinXP操作系統(tǒng)才能使用。目前WinXP操作系統(tǒng)已停止安全更新，屬于淘汰操作系統(tǒng)，不能滿足電網(wǎng)考核要求，為此需要升級(jí)上位機(jī)軟硬件。

（3）閘門(mén)電氣控制系統(tǒng)分立元件較多，采用常規(guī)繼電器較多，而且設(shè)備選型比較落后，設(shè)備質(zhì)量比較差，在運(yùn)行中出現(xiàn)設(shè)備老化、工作很不穩(wěn)定，繼電器之間的動(dòng)作配合不好，經(jīng)常出現(xiàn)繼電器接點(diǎn)粘接、卡住，動(dòng)作不可靠或跳動(dòng)現(xiàn)象，引起控制電源和電機(jī)動(dòng)力電源跳閘并有閘門(mén)操作失敗現(xiàn)象，從而造成閘門(mén)無(wú)法正常操作和影響了設(shè)備的安全運(yùn)行。

（4）泄水閘門(mén)的GP-1312開(kāi)度儀工作不穩(wěn)定，零點(diǎn)漂移和開(kāi)度檢測(cè)誤差現(xiàn)象較普遍，從而使得監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)閘門(mén)無(wú)法操作（開(kāi)度在10 s內(nèi)無(wú)變化時(shí)，系統(tǒng)對(duì)閘門(mén)停止操作）或閘門(mén)關(guān)不到位的情況。荷重儀容易保護(hù)誤操作，導(dǎo)致無(wú)法操作閘門(mén)。

（5）閘門(mén)下降至全關(guān)位置時(shí)，限位行程開(kāi)關(guān)下限節(jié)點(diǎn)提前動(dòng)作，造成閘門(mén)關(guān)不到位、出現(xiàn)漏水的現(xiàn)象。

（6）原有的通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，時(shí)常出現(xiàn)溢流壩監(jiān)控系統(tǒng)黑屏故障。

（7）分散的業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)流無(wú)法滿足智慧水利背景下的智慧電廠建設(shè)要求，急需搭建一體化平臺(tái)，對(duì)樞紐繁多的生產(chǎn)業(yè)務(wù)進(jìn)行信息化整合，消除“信息孤島”現(xiàn)象。

3 系統(tǒng)改造目標(biāo)及方案

3.1 改造目標(biāo)

飛來(lái)峽水利樞紐按照在同一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)樞紐泄水閘、發(fā)電廠、船閘的監(jiān)控、監(jiān)測(cè)、監(jiān)視等不同業(yè)務(wù)的統(tǒng)一協(xié)同管理目標(biāo)要求，利用此次溢流壩電控系統(tǒng)改造完成樞紐智慧電廠一體化平臺(tái)初步搭建工作。

3.2 改造方案

此次只針對(duì)15孔泄洪孔潛孔式弧形鋼閘門(mén)的啟閉控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，擬采用的方法及內(nèi)容如下。

（1）拆除15孔弧形閘門(mén)啟閉機(jī)原有的30臺(tái)35 kW繞線式電動(dòng)機(jī)，按設(shè)計(jì)更換成30臺(tái)37 kW重載變頻電動(dòng)機(jī)。

（2）拆除15孔弧形閘門(mén)啟閉機(jī)原有的常規(guī)控制柜、PLC控制柜和加速電阻箱，按設(shè)計(jì)更換成重新配置組裝的變頻啟動(dòng)柜、PLC控制柜和變頻器制動(dòng)電阻柜，包括控制柜基礎(chǔ)安裝及電纜防火封堵。

（3）拆除1面泄水閘公用PLC控制柜，按設(shè)計(jì)更換成重新配置組裝的PLC控制柜，包括控制柜基礎(chǔ)安裝及電纜防火封堵。

（4）拆除15孔弧形閘門(mén)啟閉機(jī)原有的荷重傳感器、閘門(mén)限位主令控制器和閘門(mén)位置傳感器，更換成新型閘門(mén)荷重開(kāi)度傳感器。

（5）拆除原有的電纜，重新敷設(shè)15孔弧形閘門(mén)啟閉機(jī)的動(dòng)力和控制電纜。

（6）更換溢流壩1#墩及中墩排水泵PLC控制柜中的PLC控制器。

（7）按設(shè)計(jì)完成泄水閘所有現(xiàn)地控制設(shè)備的組網(wǎng)，采用星型以太網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)。

（8）泄水閘監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面組態(tài)開(kāi)發(fā)。

（9）對(duì)所有更換的PLC設(shè)備進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)改造亮點(diǎn)

（1）換裝重載變頻電動(dòng)機(jī)。相比于繞線式電動(dòng)機(jī)，重載變頻電動(dòng)機(jī)具備啟動(dòng)功能，采用電磁設(shè)計(jì)，可以減少電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的內(nèi)阻值，減少了熱消耗，提升了電機(jī)效率，在一定程度上節(jié)能，并可以適應(yīng)不同工況條件下的頻繁變速要求。

（2）采用變頻啟動(dòng)控制方式。變頻啟動(dòng)控制方式可以大大簡(jiǎn)化控制回路元器件的投入，充分合理設(shè)計(jì)柜內(nèi)控制元件的布置；可以實(shí)現(xiàn)低壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)電壓適應(yīng)范圍寬泛，降低啟動(dòng)電流，減少對(duì)廠用電系統(tǒng)的沖擊；多重保護(hù)使變頻器高度智能化，如集成閘門(mén)雙臂測(cè)重、過(guò)載保護(hù)、“防溜車(chē)”等功能，不僅能保護(hù)自身的安全正常使用，而且大大保護(hù)了前后級(jí)設(shè)備的安全運(yùn)行。

（3）增設(shè)移動(dòng)式應(yīng)急變頻柜。在現(xiàn)場(chǎng)增加1套移動(dòng)式應(yīng)急變頻柜作為緊急備用措施，能較好地滿足泄水閘門(mén)啟閉可靠性要求。移動(dòng)式應(yīng)急變頻柜包含與2臺(tái)37 kW變頻電機(jī)匹配的90 kW重載變頻器和斷路器，變頻器輸入輸出端配長(zhǎng)3 m的電纜及接線頭和長(zhǎng)3 m的變頻器制動(dòng)電阻應(yīng)急接入電纜及接線頭，柜面配急停、上升、下降按鈕以應(yīng)急操作閘門(mén)。

（4）新裝控制柜及啟動(dòng)柜等進(jìn)行特別定制設(shè)計(jì)，穩(wěn)固且通風(fēng)性能良好，具備防鼠功能，并配有防潮、防腐、散熱裝置，可以有效解決潮濕江面及鼠蟲(chóng)害對(duì)閘門(mén)控制設(shè)備的危害，消除惡劣環(huán)境對(duì)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的隱患。

（5）系統(tǒng)監(jiān)控及通信結(jié)構(gòu)改進(jìn)。泄水閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用星形冗余以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，工作站、現(xiàn)地LCU以雙以太網(wǎng)口接入這2臺(tái)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。系統(tǒng)由現(xiàn)地各LCU與中控層工作站組成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)雙以太網(wǎng)接口設(shè)備與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相連組成星型雙光纖冗余100 M/1 000 Mbps Ethernet交換網(wǎng)絡(luò)。雙網(wǎng)互為熱備用。

圖2 泄水閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

（6）雙冗余設(shè)計(jì)?，F(xiàn)地LCU采用冗余設(shè)計(jì)，對(duì)PLC電源、CPU、通信模塊采用冗余配置，實(shí)現(xiàn)了雙光纖網(wǎng)絡(luò)冗余、雙服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)冗余配置、每套LCU交直流2種供電方式，光纖電纜均重新選型、重新拉接，系統(tǒng)面貌煥然一新，可靠性大大增強(qiáng)。

（7）一體化平臺(tái)的初步搭建。一體化平臺(tái)為水電廠運(yùn)行和管理提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、服務(wù)以及界面定制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、集中管控與協(xié)同互動(dòng)的軟硬件平臺(tái)。溢流壩泄水閘門(mén)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著統(tǒng)一、開(kāi)放的原則，在一體化平臺(tái)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，支持IEC61850、IEC61970標(biāo)準(zhǔn)，基于面向服務(wù)構(gòu)架（SOA）。操作系統(tǒng)采用成熟安全的適合于開(kāi)放環(huán)境的實(shí)時(shí)多任務(wù)多用戶操作系統(tǒng)。軟件支持跨平臺(tái)，支持在Unix/Linux及Windows操作系統(tǒng)上統(tǒng)一部署。這為整個(gè)樞紐構(gòu)建統(tǒng)一開(kāi)放協(xié)同的信息系統(tǒng)平臺(tái)，建設(shè)和諧、智慧的水利樞紐工程打下一體化平臺(tái)基礎(chǔ)。

泄水閘門(mén)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用一體化平臺(tái)設(shè)計(jì)，分布在安全Ⅰ區(qū)，配置1臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器，能采集閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)外，還能采集將來(lái)的電站監(jiān)控系統(tǒng)或其他部署在安全Ⅰ區(qū)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；配置1臺(tái)歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器和2臺(tái)工作站，工作站部署泄水閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用，完成泄水閘監(jiān)控系統(tǒng)的所有功能，其中至少1臺(tái)工作站具有編輯功能。系統(tǒng)能與將來(lái)的Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)實(shí)現(xiàn)跨區(qū)數(shù)據(jù)同步。Ⅲ區(qū)配置1臺(tái)歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器，部署與Ⅰ區(qū)統(tǒng)一的一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)與管理，為設(shè)備或系統(tǒng)接入以及應(yīng)用組件運(yùn)行提供標(biāo)準(zhǔn)接口。

5 系統(tǒng)試運(yùn)行情況

據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行及檢修人員反饋，泄水閘門(mén)電控系統(tǒng)完成改造、運(yùn)行一段時(shí)間以來(lái)，總體運(yùn)行平穩(wěn)，現(xiàn)地、遠(yuǎn)方操作閘門(mén)流程順暢，閘門(mén)啟閉既可中控室選孔走全流程控制也可現(xiàn)地循序漸進(jìn)式完成，自動(dòng)化元器件動(dòng)作可靠，監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)關(guān)鍵設(shè)備報(bào)警、跳閘故障信息報(bào)送，事件日志可循、可查，報(bào)表數(shù)據(jù)打印準(zhǔn)確。更為重要的是完成一體化平臺(tái)的初步搭建工作，劃分了生產(chǎn)與管理信息大區(qū)，為樞紐相關(guān)生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入預(yù)留數(shù)據(jù)接口，為未來(lái)飛來(lái)峽智慧水電廠的建設(shè)鋪平了道路。

6 結(jié)語(yǔ)

飛來(lái)峽水利樞紐是北江流域綜合治理和開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵性工程，是廣州市及珠江三角洲重要的防洪屏障，防洪設(shè)備的安全就是人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，防汛工作一定要做好，不容半點(diǎn)馬虎。做好泄水閘門(mén)的運(yùn)行保障工作，為做好防汛工作邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。本文淺析了基于一體化平臺(tái)的飛來(lái)峽水利樞紐泄水閘門(mén)的控制系統(tǒng)改造技術(shù)難點(diǎn)、亮點(diǎn)，希望對(duì)相關(guān)行業(yè)及單位的技術(shù)改造工作有一定的幫助與借鑒意義。