基于常规调度方式的闸(阀)门控制系统设计

谭兰平 杨绍辉

(1.昆明经济技术开发区建设管理有限公司，云南 昆明 650217； 2.德宏州人民医院，云南 德宏 678400)

闸(阀)门是水利基础设施的组成部分，在水资源调节、满足工农业生产需要、防洪减灾以及保护环境等方面有着举足轻重的作用。闸门控制系统能实时监测闸门开度状况，根据大坝安全状况、防洪要求、经济调度功能进行远程闸门或阀门的开启和闭合，并能根据调度要求计算并控制闸门开度，从而实现安全蓄泄和流量控制的功能。水库常规调度是根据已有的水文资料，计算和编制水库调度图和调度原则，并以此为依据控制水库运行的调度方法，根据水库前期资料，结合水库调度系统要求，从入流、泄流、水位、库容、泄流设施泄流能力等变化过程着手，提前预测产生洪水的量和级，从而合理拟定闸门开度及启闭过程，为洪水宣泄提供科学的参考依据。本文以丘北县红旗水库为例，通过对水库高涵闸门以及低涵三个阀门控制系统的应用设计，实现水库常规调度的目的。

1 项目背景

红旗水库位于云南省丘北县城西北27km处，水库径流面积为151.37km2，为年调节水库。水库设计洪水标准为100年一遇(P=1%)，相应下泄流量28.2m3/s，校核洪水标准为1000年一遇(P=0.1%)，相应下泄流量42.3m3/s。大坝为均质土坝，校核洪水位1493.43m，设计洪水位1492.01m，正常蓄水位1490.43m，死水位1474.14m，水库总库容5720万m3，兴利库容3748万m3，死库容982万m3。红旗水库是一座以灌溉为主、兼顾防洪等综合利用的中型水库，也是县内最大的蓄水骨干工程和丘北大型灌区的主要水源水库。

本系统主要涉及高位输水隧洞一个闸门的控制和低位输水隧洞出流站三个阀门的控制，采用计算机远程控制闸(阀)开启度控制，可实现高效、精确控制闸(阀)位及角度，精确控制出流量，同时可以通过远程计算机监控闸(阀)门工况和供电情况，及早发现设备及供电故障等情况。其中，高位输水隧洞闸门是平板闸门，利用卷扬机进行控制；低位输水隧洞出流站均是电动闸阀，利用螺杆方式进行控制。

2 闸门控制系统设计

2.1 系统及组网设计

红旗水库自控系统按三层DCS系统架构进行配置，由系统控制室和闸(阀)门现场监控装置两部分组成。中控室设置一个监控站，作为主控站MCU，监控中心的建设主要是系统上位机(工控机)建设、系统组态平台建设、计算机网络平台及应用软件建设。左干渠和右干渠设备室内设置两个现地监测单元LCU1和LCU2管理操控底层设备，现地监测单元主要由电源、可编程逻辑控制器(PLC)、闸位传感器、电压电流变送器、采集模块、以太网光纤交换机、控制线缆及配件等组成。系统通过闸门的开度仪(闸位计)和限位开关实现闸门开度控制和限位保护。

现场设备通过总线与本地控制站通信，而两个本地控制站则通过Ethernet/IP与主控站通信，以单模光纤作为传输介质，采用星型网络结构(见图1)。

图1 自控系统与水库分中心通信设计

2.2 闸(阀)门控制系统设计

高涵闸门启闭设备上布置了上下位限位开关、闸位计，多功能电参数仪表，仪表通过现场总线上传到LCU1，LCU1则通过硬接线和二次回路作用于闸门启闭机一次设备(三相异步电机)。

闸位计、限位开关、LCU1、电机控制回路和三相异步电机构成一个闭环，作为右干渠大闭环控制回路的内环。闸门就地控制电柜上布置多功能参数仪表，仪表返回启闭机运行过程中的电压、电流参数，参数仍通过总线上传至LCU1，方便实时监控启闭机的运行状态，防止过载、堵转等异常运行工况导致的电机烧毁或一次回路设备损毁等事故。

阀头、LCU2构成了一个闭环，作为左干渠三个分支输水管大闭环的内环。低涵出流三个支管上的电动闸(阀)启闭设备上布置了电动执行机构，该机构作为成套设备既可以接收现地控制器下达的阀芯动作信号，又可以返回阀芯位置信息至控制器。三个阀门分别编号ZZCI01000、ZZCI01001、ZZCI01002，以方便返回位置信号、执行控制和指示功能。三个电动阀头通过总线将发位信号上传至LCU2，采用硬接线可增强可靠性防止总线通信故障。闸(阀)门测控系统的布置见图2。

图2 红旗水库闸(阀)门测控系统构成

2.3 闸门启闭机执行机构设计

闸门启闭机执行机构是一个二次回路，回路原理见图3。

图3 闸门启闭设计

从一次回路上可以看出，闸门的上升下降动作由启闭机内电机的正反转实现，电机的正反转是通过两个接触器在电机固定接线端子换AC相实现的；从二次回路可以看出，启闭机设置了手自动两套控制回路，一套是由现地控制盘上急停/正反转按钮及接触器互锁接点组成，另一套则由引自控制器柜中的继电器干接点及接触器互锁接点组成；由逻辑位表征的触发条件则由接触器提供。

2.4 现场控制设计

由于高涵闸门与低涵出流阀门在控制设计上具有相似性，在实现上阀门控制相对还简单一些，在此以高涵闸门为例对闸门控制系统进行详细的设计。高涵闸门启闭设备多功能参数表与LCU1的连接方式见图4。

图4 多功能参数表与LCU1连接设计

该仪表通过电流互感器和电压互感器直接从一次回路取样三相电流和三相电压参数的，再通过总线模块直接和PLC互联，传输的信号包括电压实时测量值和电流实时测量值两个类别。

在LCU1一侧遥信、遥测和遥控信号分别接入控制器的DI模块、通信模块和DO模块，其中DI模块上反馈7个位逻辑信号；通信模块反馈电压、电流、闸位三组遥测信号；而DO模块控制闸门的上升下降及手自动转换(见图5)。

图5 PLC及I/O模块连接设计

2.5 控制系统程序设计

本项目采用组态王作为组态软件，具有控制指令下达、限位、采集、存储、显示、报表输出、参数设置、报警等功能，能实现远程及就地控制。

使用组态软件必须在组态环境下进行系统组态生成工作，然后将系统放在组态王的运行环境下运行。水库闸门控制系统主要完成与现场PLC进行实时数据交换，实现对闸门的监视和控制。系统具体组态包括四个方面：实时显示闸门开度，控制闸门的启、闭、停功能，闸门控制系统警报显示及报表输出，用户的权限管理。高涵闸门系统界面见图6。

图6 高涵闸门控制系统界面

只有闸门控制系统供电正常才能对闸门实现就地(现场)或即集中(远程)操作控制。故首先应判断闸门供电是否正常。当闸门供电正常则AB相及BC相电压会达到380V左右，故可以根据电压值来判断闸门供电是否正常。“AB相电压”“BC相电压”“电机电流”“实际闸门开度”四个指示窗口会实时显示闸门控制系统在运行时电机供电电压、流过电流以及计算出的闸门开度信息。

3 结 论

本文从常规调度手段出发对水库闸(阀)门控制系统进行了详细的分析与设计，阐述了闸(阀)门控制系统的技术组成、结构设计；详细设计了设备模块的端接和启闭电路，综合水库常规调度资料，建立降雨量、洪水预报、库水位、泄流量、闸门开度之间的一条决策链，从而达到通过控制闸门开度来实现常规调度的目的。