南水北调中线工程汉江兴隆水利枢纽泄水闸液压启闭机电气控制系统设计简介

南水北调中线工程汉江兴隆水利枢纽泄水闸液压启闭机电气控制系统设计简介

曹国锋1黄峥嵘2

(1浙江华东机电工程有限公司浙江杭州311122;2中船重工（武汉）凌久电气有限公司湖北武汉430205)

摘要：本文介绍了兴隆枢纽泄水闸液压启闭机电控系统的组成、基本功能及特点。特别是对报警信息采取了分级处理、双缸同步纠偏控制的模式方面做了一些新的探索，可供参考借鉴。

关键词：控制方式操作控制功能系统故障检测和保护功能系统故障报警及分级处理双缸同步纠偏控制

1．工程概况

兴隆水利枢纽位于汉江下游，是南水北调中线汉江中下游四项治理工程之一，同时也是汉江中下游水资源综合开发利用的一项重要工程，电站装机容量40MW。一共布置了56孔泄水闸，其中54孔为泄水闸，另两孔具备泄水和排漂双重功能。

液压启闭机2×1000kN为泄水闸弧形工作门的专用启闭设备，共设54套启闭机。液压泵站及系统总成和现地电控系统采用“二机一站”控制传动方式（布置在闸墩上的每个机房内）。

2．泄水闸液压启闭机电控系统设计

泄水闸液压启闭机现地电控系统是电站计算机监控系统的一部分，其安全可靠运行直接关系到机组和电站大坝的安全，具有很重要的作用。

2.1现地控制系统基本配置

泄水闸现地控制电控系统由动力柜、控制柜、端子箱、位移传感装置等组成。以PLC为核心控制器，配置断路器、软启动器、继电器以及相应的检测、执行器件、连接电缆等，形成功能完善的硬件系统。软件则包括：PLC通用系统软件以及根据控制功能要求编制的实时控制应用软件。

①动力柜

配置：驱动油泵电机的动力电源采用三相交流电源（AC380V，50Hz）。内装两回动力电源主回路：双电源互投装置及控制检测输出回路，断路器、接触器等。

功能：完成油泵电机控制驱动、油箱加热器驱动、提供5kwAC380V备用回路一回等。

③端子箱

在液压泵站油箱、阀组和油缸旁均设端子箱，油箱、阀组和油缸上所有电器设备的接线均采用多股软铜芯线接至端子箱，油箱、阀组旁端子箱及软芯线随液压站配套，油缸旁端子箱及软芯线随启闭机配套。

主要完成检测和输入输出功能。

④位移传感装置

本工程采用静磁栅直线位移传感装置，属数字化直线绝对位移传感器，左右油缸各安装一套；该装置由静磁栅尺、测量杆、导向套管和安装座构成；量程0mm-5600mm，分辨率为1mm，输出形式为SSI串行同步数字信号，供电电源为DC24V，全程线性度≤0.01%。由PLC的CPU进行信号处理计算，求得弧形闸门的垂直开度和双缸同步纠偏值控制油泵阀组操作，并送触摸屏上显示数据。

⑤PLC控制软件

PLC下位机软件采用Schneider电气公司面向Unity过程控制平台的全新UnityPro。闸门液压启闭机电控系统采用一套PLC独立控制，程序采用功能模块化设计。软件结构为：一个主程序、一个泵房控制程序、一个闸门控制程序、一个故障处理程序、一个数据读取程序，各个功能模块顺序循环调用、执行。同时开辟了4个数据区：故障处理数据区、HMI控制数据区、系统控制用数据区、集控用数据区。

2.2系统控制模式

电气控制系统设置三种控制方式：集中远方控制、现地控制和检修单步控制模式，三者相互联锁。

在任一方式下系统均能完成闸门启闭控制，并实时显示和传递信息，且在每种方式下均能完成全行程开、关闸过程，闸门可以停在任意位置。前两种方式下，控制系统接受指令后，控制泵站建压、加载、到位卸载、停机自动完成，只有在检修和调试阶段采用第三种方式运行，泵站电机启动建压、控制系统接受指令后，控制泵站加载和到位卸载、停机分步完成。

从系统安全性、可靠性、灵活性考虑，设计时重视系统报警分类处理，以及各种控制模式优先级处理，系统具有紧急保护操作功能。

2.6系统接口

现地站控制系统与泄水集控站网络通讯接口为100MTCP/IP工业快速以太网，实现现地控制站之间，现地控制站与泄水监控站的网络信息交换，可以由远方监控系统控制，实现闸门开、关控制。

3．系统功能及特点

3.1操作控制功能

（1）双路电源自动切换控制

切换原理：两回三相动力电源，通过自动双路互投开关的控制器、指示灯、中间继电器、接触器组成的切换控制装置，实现控制电源自动切换控制，切换时间极短。

（2）油泵电动机组切换控制

①动力回路设置

现地站动力柜中设置有两套手动变量油泵电动机组的启动回路，主要由断路器、接触器组成。两条动力回路分别接到电源切换装置的出线端，正常运行时两台电机同时工作，故障时互为备用。

②切换控制

两套油泵电动机组即操作员可通过开关选择油泵电动机组“自动”、“停止”、“手动”控制，自动方式下，PLC根据操作员对闸门启闭操作自动启停两套油泵电动机组，自动切换；手动方式下，对应油泵电动机组直接启动；停止方式，实现油泵电动机组的停机控制。正常情况下，操作开关处在“自动”位。

（3）闸门启闭控制

①开启闸门

系统接收到闸门开启指令后，空载启动液压泵电动机组，延时15秒钟左右，开闸电磁阀通电，压力油进入两支油缸有杆腔，无杆腔油液流回油箱，到位后卸载停机。

②关闭闸门

系统接收到闸门关闭指令后，空载启动液压泵电动机组，延时10秒钟左右，关闸电磁阀通电，压力油进入油缸缸旁阀块打开液控单向阀，油缸下腔压力油经节流阀和换向阀流回上腔，油缸上腔不足油液经单向阀从油箱自动补油。

采用加压关闭闸门时，为防止对底坎冲击，在接近关终位（开度控制或关终开关调整）时，程序自动改为自重关闭闸门控制。

③检修工况

活塞杆缩回：同开启闸门工况。

活塞杆伸出：同关闭闸门工况。

（4）下滑回升控制

当闸门全开或局部开启时，设有闸门下滑回升控制程序，当闸门在48小时内下滑200mm时，电气控制系统应给出声、光信号，并自动启动液压启闭机，将闸门提升至全开位置（或原开度位置），启闭机停机。如果在启泵后2min内闸门未能及时复位，停泵、报警，并向集中监控系统发出提升失败的报警信号。

如果闸门继续下滑超过300mm，发出音响报警，并向集中监控系统发出报警信号。如果闸门继续下滑，当下滑量过大时，立即发出事故紧急信号，并向集中监控系统发出严重报警信号，以防事故扩大。

3.2系统故障检测和保护功能

（1）闸门运行故障保护

系统具有完备的闸门运行状态检测，如闸门开终、关终、开极限、下滑200mm、下滑300mm、下滑至事故位等位置检测开关，系统还配置有闸门开度仪，实现行程检测和运行速度异常检测，并且系统具有闸门停止操作、紧急停机操作功能。

（2）液压系统故障检测

液压系统油位、油压、温度、水份变送器检测系统油位、油压、温度，可以在操作面板上数字显示。

电磁阀装有阀芯位置检测传感器，可以判断电磁阀工作是否正常，而且液压系统装有超压报警、失压报警、油温过高、油温过低、油位过高、油位过低、滤油器堵塞等检测接点。

（3）电气部分故障检测保护

电源检测：油泵电机主回路电压、电流显示，主回路掉电检测，控制回路进线电源检测，直流电源状态检测。

油泵电机驱动回路检测保护：启动装置状态检测，短路、过流、失压、缺相保护、过载保护等功能。

主要传感器类故障检测保护：开度仪故障判断，极限开关保护等。

运行操作类保护：命令条件不满足，闸门运行超时等。

3.3系统特点

1）系统故障报警及分级处理

系统设置了多项故障报警，对故障报警先锁定，通过报警复位解除；当操作错误或运行超时时，报警提醒操作人员；泵站一般报警在不影响系统运行时，只作声光报警，不作进一步处理；紧急报警时，系统除发出声光报警外，还需自动作出相应处理。

系统的故障报警根据上述要求大致分为以下几类：（1）致命型故障（A类故障）（2）“急停”型故障（B类故障）（3）一般性故障（C类故障）；以A类故障报警优先级最高，B类故障报警次之，C类故障报警优先级最低。

2）双缸同步纠偏控制

为保证左右液压缸同步启闭闸门，液压系统采取了两项措施，一是粗调，利用1只比例流量控制阀和1只流量控制阀，分别调节两液压缸有杆腔进、出油量，使其基本相同；二是精调，根据油缸行程检测系统输出的信号，通过PLC进行比较，当超差时，PLC发出信号给比例流量控制阀，在一段斜坡时间内，微量调整比例电磁铁给定电压，以改变流量控制阀进（出）口流量，达到调节液压缸的同步要求。

在闸门启闭过程中，左右液压缸的行程偏差≥15mm时，PLC输出控制信号至比例流量控制阀，调整相应液压缸有杆腔进/出油量，使闸门同步；当左右液压缸的行程偏差值≥30mm时，液压系统报警停机检修；当油缸行程偏差值≤5mm时，停止纠偏。

4．结束语

本工程于2012年10月通过安装、调试完成后的初步验收，验收时对全部设计功能及指标进行了试验和检查，结果完全满足设计要求和工程实际需要，因此于2016年12月底通过竣工验收。设备投运至今运行良好，取得了超预期的投入回报和良好的社会效应。