乌江渡发电厂泄洪闸门监控系统改造.docx
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乌江渡发电厂泄洪闸门监控系统改造
乌江渡发电厂泄洪闸门监控系统改造
邹德洪李箭飞
摘要：
泄洪闸门是防洪泄洪的执行部件，是十分重要的水工机械设备，其可靠性直接关系着大坝、厂房以及下游人民生命财产的安危，历来受到高度重视。
特别是压力大、重量大、泄洪量大，且有一定隐蔽性的深孔弧形闸门更是如此。
本项目是对乌江渡发电厂的深孔弧形闸门如何实现远方监视与控制、如何以全自动的控制流程完成以往人工现地进行的一系列操作所作的大胆尝试。
近几年，乌江渡发电厂为了跨入一流水电厂的行列，实现“无人值班（少人之守）”的管理目标，先后进行了水情自动测报系统、办公自动化系统、计算机监控系统、工业电视监控系统等一系列计算机控制信息化网络的建设,并都取得了丰硕的成果。
在这样的形势下，为了早日实现“无人值班（少人之守）”的整体目标，针对泄洪闸门控制技术落后而制约企业发展这一现实，提出了开展大型深孔弧形闸门实现远程集中监视与控制的科技项目研究。
关键词：
深孔弧形闸门；远方监视；控制
1概述
泄洪闸门是防洪泄洪的执行部件，是十分重要的水工机械设备，其可靠性直接关系着大坝、厂房以及下游人民生命财产的安危，历来受到高度重视，特别是压力大、重量大、泄洪量大，且有一定隐蔽性的深孔弧形闸门更是如此。
乌江渡发电厂共有八个闸门可用于正常情况下的库区洪水泄洪，这八个闸门分别是：
左泄洪洞闸门、右泄洪洞闸门、1～6号表孔闸门。
所有闸门均为弧形闸门，其中左泄洪洞闸门和右泄洪洞闸门为深孔弧形闸门。
两种闸门的主要技术参数见表1。
表1两种闸门的主要技术参数
闸门位置
左、右泄洪洞闸门技术参数
1＃－6＃泄洪闸门技术参数
闸门型式
深孔弧形门
弧形闸门
孔口净高
10.436m
18.5m
孔口净宽
9.00m
13.00m
荷重高度
13.20m
19.596m
荷重宽度
9.00m
12.18m
支承间距
5.40m
13.00m
吊点间距
5.40m
11.2m
支臂半径
20.00m
―――――
设计水头
40.636m
21.36m
总水压力
3933T
2914T
闸门重量
229.6T
157T
操作机械
固定式启闭机
固定式启闭机
操作方式
动水启闭
动水启闭
启闭容量
2×150T
2×150T
配用电机容量
2×60kw
2×60kw
本项目是对乌江渡发电厂的深孔弧形闸门如何实现远方监视与控制、如何以全自动的控制流程完成以往由人工现地进行的一系列操作所作的大胆尝试。
乌江渡发电厂泄洪闸门的控制系统过去曾经进行过技术改造，也有过实现远程监控的构思，但限于当时的技术条件，这样的构思难以付诸实施，因此仍然采用传统的现地控制方式，对闸门的操作只能在现地完成。
而且，由于闸门庞大，操作时的安全顾及面广，控制技术又相对落后，操作时需要较多的人员配合，所以每到汛期，为了闸门及时、可靠动作，都要安排较多的人员在现场值班，造成大量人力资源浪费。
同时，由于老的控制系统在闸门位置测量指示上采用的是机械指针式，测量指示精度较差，给水库调度对下泄流量的计算造成较大误差，不利于水库运行的科学调度。
近几年，乌江渡发电厂为了跨入一流水电厂的行列，实现“无人值班（少人之守）”的管理目标，先后进行了水情自动测报系统、办公自动化系统、计算机监控系统、工业电视监控系统等一系列计算机控制信息化网络的建设,并都取得了丰硕的成果。
在这样的形势下，为了早日实现“无人值班（少人之守）”的目标，针对泄洪闸门控制技术落后而制约企业发展这一现实，提出了开展大型深孔弧形闸门实现远程集中监视与控制的科技项目研究。
本项目在进行初期研究时，曾经多次组织工程技术人员对老的控制系统在以往的实际操作中存在的问题、缺陷、和不安全的因素进行了充分的讨论、总结，借鉴了我厂过去在《PLC-I型机组进水口闸门控制系统研制》这一科技成果的经验和国内许多大型水电厂在闸门控制应用中的先进经验，根据目前世界上在自动控制和计算机应用领域硬件设备发展的情况，充分结合我厂的现场条件和实际需要，提出了对系统硬件设置和软、硬件功能的基本要求，形成了初期的设计方案。
初期设计方案对系统的基本要求是：
1）设置两个以工控机构成的工作站，一个设置在水调中心作为远方监控的操作员工作站（后台机），另一个设置在坝顶计算机房作为现地监控的主机操作员工作站（前台机），两个工作站配置相同，并以同样的监控功能、同样的监控程序实现对闸门启闭的全过程、全状态监控，但前台机优先于后台机。
2）工作站具有清晰、完整的人机界面，并具有语音报警的功能。
3）各个闸门分别设置一个现地单元（LCU）,LCU以可编程控制器（PLC）为控制核心。
在LCU上可以进行自动操作和手动操作。
自动操作时可通过显示屏设置控制参数，自动完成闸门启闭（包括电机绝缘监测）的全过程控制；手动操作时应完全避开任何涉及PLC控制输出的回路或元件，同时在手动操作的回路中又必须加入必要的保护性控制元件，使闸门操作时具有较高的安全性。
4）各LCU与现地上位机通过PUROFIBUS工业控制总线进行组网联接；而两台上位机之间则通过光纤联接。
5）PLC设置A/D转换模块，分别采集动力电源的电压、电流量，在欠压、过压、过流、缺相等情况下停止（禁止）闸门动作，形成完善的电气保护。
6）PLC还必须对抱闸电磁铁的状态和频敏变阻器的投切状态、投切时间进行检测，其结果进入控制流程中，影响控制流程的执行结果。
7）在各LCU中分别配置一台用于自动检测电动机绝缘情况的微机型电机绝缘监测装置，该装置与PLC进行通讯，既能上送信息，又能接受命令，通过上位机发令，就能完成对两台电机定、转子四个测点绝缘电阻的全过程自动检测。
8）闸门的位移测量采用旋转编码器，极限位置检测采用具有IP65以上防护级的接近开关。
9）现地单元以液晶显示器显示闸门实时位置和控制、保护参数、以及LCU中各主要元器件的工作状态等。
有硬件配置的性能质量和软件设计结构应该符合当前技术的发展水平。
10）本系统与计算机监控系统、水调中心计算机系统实现数据通讯，传输实时数据及控制指令。
11）借助工业电视监视系统的优势资源，将工业电视的测点合理分布到各个闸门的最佳视点，在水调中心设置一个工业电视监控遥测站，实现水调中心对闸门的远程遥视，保证远方操作时对闸门现场的实时监视。
2001年3月，我厂邀请国内几家在计算机监控领域有较强实力和较好业绩的厂家，以上述初期设计方案为蓝本，进行了实现方案要求的技术论证，根据对系统及软、硬件各种功能的要求，对系统硬件进行了具体的选型配置，对软件模式、数据采集方式、数据采集范围等进行了相应定义，明确了系统应该实现的功能及实现的方式、方法，形成了技术性、操作性都较强的可执行方案，并最终选择南京南瑞集团自动控制分公司作为此次研究项目在实施阶段的合作伙伴。
2监控系统设计原则
2.1乌江渡发电厂闸门监控系统工程本着技术先进、安全可靠、经济实用的原则，按计算机控制系统为主的指导思想进行总体设计和系统配置。
系统投运后可满足“无人值班（少人值守）”的要求。
2.2系统采用先进、成熟的全分布开放式系统。
软硬件安全可靠，能在水利枢纽及水电厂环境下长期连续安全运行。
有全系统成功运行的经验，性能价格比高。
2.3闸门控制系统高度可靠，各项技术性能指标满足相应各项标准及规程的要求，并且与计算机技术当前的发展水平相适应。
2.4系统配置和设备选型符合计算机技术发展迅速的特点，既便于功能和硬件设备的扩充，又能充分保护用户投资。
2.5软件采用模块化、结构化的设计，使监控系统更适应功能的增加和规模的扩充。
2.6人机接口功能强，操作方便，显示的画面和打印的文件清晰醒目。
2.7控制系统与计算机监控系统、水调自动化系统等实现数据通讯，传输实时数据及控制命令。
2.8实时信号，抗干扰能力强。
2.9标准和规程
水力发电厂自动化设计技术规范
水力发电厂计算机监控系统设计规定
DL/T578-95水电厂计算机监控系统基本技术条件
GB3453-82数据通讯基本型控制规程
GB3454-82数据终端（DTE）和数据电路终端设备（DCE）之间的接口定义
IEC国际电工技术委员会标准
IEEE电气和电子工程师协会标准
ISO国际标准化组织
DL476-92电力系统实时数据通信应用层协议
水电厂计算机监控系统试验验收规程（征求意见稿）
GB7450-87电子设备雷击保护导则
GB7260-87不间断电源设备
GB2887-89计算机场地技术要求
GB50171-92电气装置安装工程盘、柜及二次回路线路施工及验收规范
NEMA国家电器制造商业协会
3系统结构及配置说明
3.1系统结构
我们为用户推荐符合开放系统国际标准的先进的、可靠的、有成功经验的开放式计算机监控系统。
控制系统由主控机和现地控制单元组成，主控机设有一台主机操作员工作站、远方操作员工作站、UPS电源等。
主控机除完成对被控对象的监视控制外，还与计算机监控系统实现信息传输，远方操作员工作站实现与水调自动化系统的通信，主控机是整个监控系统的控制核心。
现地单元级设4套现地控制单元（LCU），直接面向生产过程，负责对现场数据的采集和处理，能够独立或按主控机的命令完成对所有被控对象的监视和控制；操作员工作站与现地单元级各控制单元均采用开放的工业标准的PROFIBUS总线直接联接；主控机与水调中心操作员工作站之间采用光纤连接，传输速率高，安全稳定性高。
3.1.1主机操作员工作站
本工作站功能包括对整个控制系统的管理、计算和处理、数据库管理、综合计算、事故故障信号的分析处理等，同时供运行值班人员使用，具有图形显示、运行监视、发操作控制命令、设定与变更工作方式、记录、报表、通信控制、系统诊断、修改定值，增加和修改数据库、画面和报表，并可作一定的软件维护工作。
所有的操作控制都可以通过鼠标器及键盘实现；通过彩色显示器可以对全系统及所有被控对象的生产、设备运行作实时监视，并取得所需的各种信息。
3.1.2网络与通讯
上位机系统操作员工作站与现地控制单元均采用开放工业标准的PROFIBUS总线直接联接；主控级与水调中心操作员工作站之间采用光纤连接；主控级与厂级监控系统通过光电隔离器485方式通讯，现地单元与电机绝缘监测装置通过串行口通讯。
3.1.3打印机
系统配置一台A3幅面彩色喷墨打印机，用于事件顺序记录及各种报表打印机画面拷贝。
3.1.4现地控制单元（LCU）
现地控制单元4套，每套配有中文版本液晶显示器作为人机接口界面，控制核心设备为PLC，LCU中同时配有动力系统。
LCU主要完成对各生产对象的数据采集处理及显示与安全监视、控制、数据通讯、系统自诊断等，其设计能保证当它与主控级系统脱离后仍能在当地实现对有关设备的监视和控制功能。
当其与主控级恢复联系后又能自动地服从上位机系统的控制和管理。
在现地控制单元中针对每一扇门设有一套常规控制及闸门开度及荷重测控仪，使运行人员能独立于PLC直接对闸门进行操作。
3.1.5闸门开度显示传感器
闸门开度传感器采用德国HEIDENHAIN公司的ROQ425编码器为核心的闸门开度仪，显示仪将ROQ425编码器输出的信号直接接入PLC采集模块。
机械部分可用编码器与卷筒直接相连。
3.2特点
3.2.1采用全开放系统结构，上位机系统各计算机等都使用符合开放系统国际标准的操作系统，网络软件为TCP/IP、工作站图形系统符合PM标准。
上述操作员工作站都直接接入网络，可获得高速通讯和共享资源的能力。
3.2.2网络上接入的每一设备都具有自己特定的功能，实现功能的分布，既保证了某一设备故障只影响局部功能，又有利于今后功能的扩充和分批投运。
3.2.3系统先进、可靠。
冗余化的设计和开放式系统结构，使系统既可靠使用，又便于扩充，整个系统性能价格比高。
3.2.4监控系统可配有远程诊断的功能。
3.3硬件配置说明
3.3.1主机操作员工作站
机型：
美国ICSPⅢ800工控机2套
配制：
CPU：
IntelPentiumⅢ800MHz
内存：
128MB
硬盘：
15GB
软驱：
3.5-inch,1.44MB
光驱：
32XCD-ROM
CRT：
21″高密度彩色监视器＋高密度显示卡1个
通用键盘及鼠标
3.3.2外围设备
HP1125彩色喷墨打印机（A3）幅面1台
3.3.3UPS系统
美国山特1KVA/2小时UPS1台
3.3.4网络设备
光纤收发器1对
光纤电缆500m
双绞屏蔽电缆100m
光电隔离器1对
PROFIBUS网络设备
PROFIBUS网络电缆500m
PROFIBUS网络适配器1个
PROFIBUS网络适配器电缆1根
CP5611网络接口卡1个
网络其它耗材1套
3.3.5现地控制单元（LCU）
在现地设4套现地控制单元LCU，当LCU与上位机脱机时，可独立运行使用。
现地LCU上设有独立与上位机的中文版本液晶显示器，方便闸门控制，但在进行预设开度操作同时，设有常规控制按钮，以便PLC故障时仍可控制闸门启闭。
1）LCU的人机界面部分。
中文版本液晶显示器。
2）LCUI/O部分。
模件选用德国SIEMENS公司的S7—300系列可编程控制器，配以PROFIBUS总线网专用模块，是个PLC直接连接PROFIBUS总线网,保证数据高速可靠地传输。
在本方案中PLC的I/O点数量为常规估算量，并且具有20%左右的裕量，可在具体实施时作调整。
3）LCU常规控制。
各LCU屏上设有独立于PLC针对每扇闸门的常规控制按钮及切换把手，使运行人员在PLC发生故障时仍能对所有闸门进行方便可靠的操控。
4）现地控制单元动力系统。
在4套现地控制单元内同时设有动力系统，配置由接触器、频敏变阻器等用于电动机的启停控制。
5）闸门开度传感器。
采用德国HEIDENHAIN公司生产的ROQ425（EnDat）编码器，输出信号直接接入PLC，同时配有上下位极限开关。
闸门位置开度传感器（编码器）德国海德汉绝对型多转总线式编码器:
ROQ425（EnDat）每转8192线，连续4096转，防护等级IP67（电气及外壳），IP64（转轴）（均为防水等级），数据传输方式：
同步串行输出。
传感器分辨率计算：
每转约3～3.5m为8192线，分辨率＜0.5mm。
4系统功能
4.1数据采集和处理
4.1.1模拟量的采集与处理
模拟量分为电气模拟量、非电气模拟量及温度量。
本工程主要以电气模拟量为主,电气模拟量指电压、电流及功率等电气信号量，模拟量采集方式为定时扫查。
对模拟信号量的处理包括回路断线检测、数字滤波、误差补偿、数据有效性合理性判断、标度换算、梯度计算、月浮现判断及越限报警，最后经格式化处理后存入实时数据库。
4.1.2开关量的采集
开关量采集保罗事件顺序记录（SOE）型开关量和普通型开关量两种。
SOE型开关量信号至事故信号、断路器分合及重要继电保护的动作信号。
监控系统采用中断方式迅速响应这些信号并进行记录优先传递。
普通型开关量信号试制SOE型开关量信号以外的那部分开关量信号，包跨各类故障信号、隔离开关的位置信号、设备运行状态信号、手动自动方式选择的位置信号等。
控制系统对这些信号的采集为扫查方式。
对开关量信号的处理包括光电隔离、硬件及软件滤波、基准时间补偿、数据有效哦性和理性判断、启动相关量处理功能（如起动时间顺序记录、发事故报警、画面自动推出、以及自动停机等），最后经格式化处理后存入实时数据库。
4.1.3信号量值及状态设定
对于控制系统暂时无法采集到的信号，或某些由于设备原因而造成的信号出错，以及在必要时要进行人工设定量值作分析处理的信号量，监控系统允许运行值班人员和系统操作员对其进行人工设定，并在处理是把它们与其它正常采集到的信号等同对待。
监控系统可以区分它们并给出相应标志。
4.1.4综合量计算
对多种类型的输入数据进行综合计算后得到的结果。
4.2安全监视及事件报警
4.2.1运行实时监视
运行值班人员可以通过监控系统的大屏幕监视器对系统内各主设备运行状态和运行参数，例如闸门升降过程等进行实时监视。
4.2.2参数越复限报警记录
控制系统将对某些参数以及计算数据进行范围监视，有些量如上下游水位、泄洪量等可以进行趋势分析、梯度监视。
对这些参数量值及梯度值可预先设定其限制范围，当他们越限及复限时要作相应的处理。
这些处理包括越限报警，越复限时的自动显示、记录和打印、启动相关量分析功能等。
4.2.3事故顺序记录
当设备工作异常或控制系统硬件或软件发生故障时，监控系统立即以中断方式响应予以记录；自动显示报警语句；自动推出相关画面；作事故原因分析并提示处理方法。
控制系统能将发生的事故及设备的动作情况按其发生的先后顺序记录下来，以便查询与分析。
4.2.4故障及状便显示记录
监控系统定时扫查个故障及状态信号，一旦发生状变将予以记录并显示故障状变名称及其发生时间。
4.3运行指导
4.3.1工况转换过程监视
在操作过程中均有事先提示，闸门位置实时反映，当闸门上升或下降指令下达后，控制系统能自动显示相应的设备操作监视画面。
画面能以流程框图的形式实时显示全部工况执行过程中每一步骤及执行情况，提示在工况执行过程受阻时的部位及其原因，进行开环运行指导甚至闭环自动控制操作。
4.3.2一次设备操作指导
当系统内一次设备要进行操作时，控制系统将根据当前的运行状态及相应闭锁条件，判断该设备在当前是否允许操作并给出相应的标志。
如果操作时不允许的，则提示其闭锁原因，防止人为的误操作发生。
4.3.3事故和故障处理指导
控制系统在设备出现故障征兆或发生事故时，除要对各事故和故障进行显示和记录外，还能进行相关分析，找出并提示事故和故障发生的原因及相应的解决办法。
对象包括闸门开度传感器、卷扬机电动机、闸门控制系统、配电系统等。
4.4控制与调节
4.4.1控制权
控制权分主控级及现地控制单元和手动共三级，可以通过现地控制单元上的转换开关进行切换。
控制权选择在LCUU实现。
同时主控机还可以接收远方水调中心工作站的指令进行控制。
控制级别现地控制第一，主控机控制第二，远方水调中心第三。
这些控制具有严格的安全闭锁逻辑。
4.4.2控制与调节
控制系统能根据当前运行情况和主控级及当地的控制命令按预定的步骤对闸门升降等进行控制及调节。
在没有控制级命令或脱离主控级的情况下现地控制单元能独立完成对所有设备的闭环控制，保证闸门的安全运行。
现场操作人员能根据现地控制单元触摸屏上的信号显示、闸门开度指示等对控制的闸门进行上升、下降、中途停止等远方操作。
现地控制单元通过网络接收主控机命令，自动完成闸门的开启或关闭。
4.5统计记录及生产管理
监控系统将能对各设备的运行情况进行统计记录，某些信息还将自动提示给操作值班人员。
统计的类型包括设备正常及非正常投切次数、设备运行时间等。
对于各设备状态还将进行变位及变位时间的统计，必要时还可产生报警。
另外，闸门控制系统还将对参数越复限及定植变更等情况作统计记录，并可以自动生成各类报表、日志，自动生成和打印操作票等。
打印方式及打印报表的格式可修改。
这些功能可以分为以下几类：
4.5.1主要电气设备动作及运行记录
控制系统可以对各主要电气设备的动作次数和运行时数、事故和故障次数、检修次数、以及相应的时间等加以统计和记录，以便考核并合理安排运行和检修计划。
4.5.2操作运行记录
控制系统能对各种操作运行进行记录，其中包括各种工况转换，断路器和隔离开关的合闸、跳闸闸门的启闭等。
记录内容包括时间、操作内容、成功与否、失败原因等。
4.5.3定值变更记录
控制系统将能对所有的定值（设定值、线直至等）变更情况作记录，并存入数据库以备随时查询。
4.5.4事故及故障统计记录
控制系统对当班、当日、当月、当年的各类事故及故障的内容和次数进行统计记录，作为资料保存。
4.5.5参数越复限统计记录
控制系统可以自动地对当班、当日、当月、当年的参数越复限情况进行统计，并把它们记录下来。
4.5.6主要设备和装置运行统计记录
对重要动力设备运行工况进行统计，对继电保护及自动装置动作情况进行统计，作为其使用情况和寿命以及运行安全性、可靠性判断的依据。
统计值可由运行人员以人工对话方式进行初始设置或修改。
4.5.7运行日志及报表打印
控制系统将能按照运行操作人员的管理和要求打印运行日志和报表。
打印内容以及打印格式可以事先设定。
打印方式将有定时自动打印、随机召唤打印等形式。
4.6数据库
控制系统数据库采用网络型开放式数据库，所有数据共享都通过透明的网络通讯来实现。
数据库包括：
实时数据库、计算数据库、图形数据库、报表数据库、历史数据库、统计数据库、汉字库、图形符号库等，这些数据库构成了监控系统数据资源中心。
实时数据库主要存放LCU采集送上来的所有实时数据，它是控制系统数据库中最主要的数据库，其采用按LCU单元存储的结构。
1）计算数据库用于存放有各种计算功能得到的数据。
2）图形数据库存放各种图形画面。
3）报表数据库存放各种打印报表。
4）图形符号库用于存放系统及用户画面中常用的图形符号。
4.7人机联系
操作人员可通过彩色监视器、键盘、鼠标器以及打印机等实行对全部受监控对象运行的监视、控制、调节、在线修改定值、画面调度、报表显示和打印等功能。
利用交互式人机对话方式实现各种监视和控制功能，使用起来非常简单、方便、灵活。
人机接口还具有权限管理功能。
不同的权限有不同的使用范围，以保证系统的安全性。
现地控制单元已配有触摸式工业显示器，脱离指控即同样可具备以上所述功能。
4.8系统通信
4.8.1与外系统的通信
1）控制系统主控级可实现与计算机监控系统的通讯，实现数据交换。
2）水调中心操作员工作站还可实现与水调中心自动化系统的通讯，实现数据交换。
4.8.2监控系统内部主机与各设备的数据通信
由设计的系统结构及配置所决定。
计算机之间的数据通信，是通过网络实现的，其基本原则是速度快、数据处理能力强、安全可靠性高；主机与LCU的通信是按工业标准的PROFIBUS网络协议来实现的。
4.9自诊断和自恢复
完善的系统自检、诊断与自恢复功能是实现“无人值班（少人值守）”的重要条件。
本部分功能包括主机自检、软件任务潮湿处理机通道故障检测。
故障电能诊断到模块。
当诊断到外围设备故障时，能自动将其切除并发信号。
软件超时还能实现部分功能的故障自启动功能。
通道检测包括对网络、通信通道、I/O过程通道在线自动检测，检测的内容有通道数据有效性和理性判断、故障点自动查找及故障自动报警等功能。
4.10远程诊断
监控系统可具有远方在线诊断的功能。
可通过电话拨号方式联通远方计算机与本地控制系统，进行在线诊断。
5软件说明
5.1概述
计算机监控系统软件在开发、应用的发展上大体经历了以下三个阶段，这三个阶段也与计算机软件在其它各个领域发展上基本相同。
5.1.1面向功能的软件
早期的计算机监控系统在设计目标上是针对某个用户的某些监控功能而实现的，计算机软件旨在完成实现这些功能。
面向功能的软件为计算机监控系统及在应用研究上取得经验是一个必要的历史发展阶段。
但由于应用范围的扩大，应用要求呼唤计算机监控系统软件产品出现时，这种设计方法显得力不从心。
修改、增加功能都需要院研制厂家修改软件的这种方法，显然不能
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