大型鋼壩閘控制系統(tǒng)設(shè)計

0 引言
隨著我國城市用水、景觀建設(shè)及環(huán)境整治和灌溉、發(fā)電的需要，在水利水電建設(shè)中水閘和橡膠壩得到廣泛的運用。由于橡膠壩運行管理較復(fù)雜、安全性差、橡膠易老化等弊端，質(zhì)量事故發(fā)生率高。而鋼結(jié)構(gòu)閘門是一種新型可調(diào)控溢流壩，它由土建結(jié)構(gòu)、帶固定軸的鋼性壩體、驅(qū)動裝置設(shè)備等組成。這種構(gòu)筑物適合于河道孔口較寬(20～300 m)而水位差比較小的工況(2～8 m)，由于可以立壩蓄水，臥壩行洪排澇，還可以利用壩頂過水，形成人工瀑布的景觀效果，因此在越來越多的水利建設(shè)工程中得到應(yīng)用。本文介紹了黃山新安江大型鋼壩閘控制系統(tǒng)的設(shè)計體會，該系統(tǒng)具有很好的可靠性、穩(wěn)定性和實時性，符合控制系統(tǒng)危險分散的原則。

1 系統(tǒng)介紹
黃山新安江鋼壩閘共有5孔，每孔寬度為46 m，擋水高度為4．8 m。鋼壩閘門向下游一側(cè)傾倒，臥倒后行洪。門頂(站立時)過水高度最大值為40 cm，以形成瀑布景觀效果。行洪時閘門以上設(shè)計水深為7．78 m。閘門最大轉(zhuǎn)角不小于90°，并可以在任意設(shè)定角度使閘門處于鎖定狀態(tài)。鋼壩閘門采用啟閉機驅(qū)動，液壓啟閉機分兩側(cè)布置，其中右岸一側(cè)啟閉機控制2孔閘門，左岸一側(cè)啟閉機控制3孔閘門。正常工況下運行速度可達3～5 m／min，一般不超過10 min即可完成升壩和塌壩，可有效保證突發(fā)洪水時能及時泄洪。示意圖見圖1。

鋼壩閘控制系統(tǒng)按“少人值守”要求進行設(shè)計，以“分層管理、集中控制”為原則組成控制中心、現(xiàn)地控制和設(shè)備三層拓撲結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)配置和設(shè)備選型充分利用了計算機領(lǐng)域的先進技術(shù)，軟硬件均采用全開放、分布式模塊化結(jié)構(gòu)，使之有良好的擴充性，也便于運行管理的智能化。鋼壩閘控制系統(tǒng)作為新安江水利樞紐工程的一個子系統(tǒng)，不單設(shè)監(jiān)控中心(中控室)，在左、右岸液壓啟閉機房設(shè)2個現(xiàn)地控制站(PLC01站、PLC02站)。其中PLC01站控制2孔閘門，PLC02站控制3孔閘門。系統(tǒng)最關(guān)鍵的控制對象是液壓啟閉機液壓缸的行程控制，以防止在鋼壩閘啟閉時液壓缸行程偏差過大造成閘門扭曲變形甚至損壞。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
新安江鋼壩閘控制系統(tǒng)為三層拓撲結(jié)構(gòu)。
第一層為控制中心層。以樞紐控制中心網(wǎng)管型交換機為核心，通訊協(xié)議為TCP／IP，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐率為100 Mb／s?？刂浦行牟僮鲉T站采用雙機冗余熱備工作方式，任何一臺計算機故障，不會影響系統(tǒng)的正常運行，保證系統(tǒng)的高可用性。工程師站可進行上下位軟件編程及調(diào)試。該層完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測、控制、通信及管理調(diào)度等功能，顯示鋼壩閘工作過程中的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)、設(shè)備運行狀態(tài)(工作／停止／故障)和閘門開度等。
第二層為現(xiàn)地控制層。以施耐德Unity平臺為控制核心，主要完成對現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、順序控制流程、邏輯控制流程以及與系統(tǒng)中其他裝置的數(shù)據(jù)交換等?？刂茖泳W(wǎng)絡(luò)采用TCP／IP網(wǎng)絡(luò)以及環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)，以單模光纖為通信介質(zhì)，通過以太環(huán)網(wǎng)交換機構(gòu)成帶寬為100 Mb／s的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)控制信號的高速傳輸。該網(wǎng)絡(luò)為自愈性環(huán)網(wǎng)，當(dāng)環(huán)網(wǎng)發(fā)生一個光纖斷點時，通訊仍能夠正常進行。同時作為樞紐的控制主干網(wǎng)，光纖環(huán)網(wǎng)能在任何節(jié)點在線增加或刪除任意一個設(shè)備，也不會影響到其他設(shè)備的運行和通訊，充分考慮了樞紐工程系統(tǒng)管理的方便性?？刂葡到y(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

第三層為設(shè)備層。利用Unity PLC上MB通訊接口對MCC柜中的軟起動器和其他智能儀器進行多點通訊。這種不用傳統(tǒng)I／O模塊而直接采用總線電纜連接的通訊方式，在實現(xiàn)現(xiàn)場離散設(shè)備和PLC之間的數(shù)據(jù)數(shù)字化傳輸?shù)耐瑫r，將成本費用減少到最小。這種用于底層設(shè)備的低成本、高效率信息集成模式，已經(jīng)逐漸成為控制領(lǐng)域的主流。