大型鋼壩閘控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言
隨著我國(guó)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(yùn)用。由于橡膠壩運(yùn)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(dòng)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(jì)體會(huì)，該系統(tǒng)具有很好的可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，符合控制系統(tǒng)危險(xiǎn)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(shí))過水高度最大值為40 cm，以形成瀑布景觀效果。行洪時(shí)閘門以上設(shè)計(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng)，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)分兩側(cè)布置，其中右岸一側(cè)啟閉機(jī)控制2孔閘門，左岸一側(cè)啟閉機(jī)控制3孔閘門。正常工況下運(yùn)行速度可達(dá)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(shí)能及時(shí)泄洪。示意圖見圖1。

鋼壩閘控制系統(tǒng)按“少人值守”要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)配置和設(shè)備選型充分利用了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的先進(jìn)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(kuò)充性，也便于運(yùn)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(gè)子系統(tǒng)，不單設(shè)監(jiān)控中心(中控室)，在左、右岸液壓?jiǎn)㈤]機(jī)房設(shè)2個(gè)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(duì)象是液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸的行程控制，以防止在鋼壩閘啟閉時(shí)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?fù)浣Y(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(jī)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(jī)冗余熱備工作方式，任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)故障，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，保證系統(tǒng)的高可用性。工程師站可進(jìn)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(cè)、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(yùn)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(tái)為控制核心，主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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。控制層網(wǎng)絡(luò)采用TCP／IP網(wǎng)絡(luò)以及環(huán)形拓?fù)浣Y(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(jī)構(gòu)成帶寬為100 Mb／s的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)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(gè)光纖斷點(diǎn)時(shí)，通訊仍能夠正常進(jìn)行。同時(shí)作為樞紐的控制主干網(wǎng)，光纖環(huán)網(wǎng)能在任何節(jié)點(diǎn)在線增加或刪除任意一個(gè)設(shè)備，也不會(huì)影響到其他設(shè)備的運(yùn)行和通訊，充分考慮了樞紐工程系統(tǒng)管理的方便性。控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(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(duì)MCC柜中的軟起動(dòng)器和其他智能儀器進(jìn)行多點(diǎn)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)離散設(shè)備和PLC之間的數(shù)據(jù)數(shù)字化傳輸?shù)耐瑫r(shí)，將成本費(fèi)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。