大型鋼壩閘控制系統設計

0 引言
隨著我國城市用水、景觀建設及環境整治和灌溉、發電的需要，在水利水電建設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雜、安全性差、橡膠易老化等弊端，質量事故發生率高。而鋼結構閘門是一種新型可調控溢流壩，它由土建結構、帶固定軸的鋼性壩體、驅動裝置設備等組成。這種構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工程中得到應用。本文介紹了黃山新安江大型鋼壩閘控制系統的設計體會，該系統具有很好的可靠性、穩定性和實時性，符合控制系統危險分散的原則。

1 系統介紹
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。行洪時閘門以上設計水深為7．78 m。閘門最大轉角不小于90°，并可以在任意設定角度使閘門處于鎖定狀態。鋼壩閘門采用啟閉機驅動，液壓啟閉機分兩側布置，其中右岸一側啟閉機控制2孔閘門，左岸一側啟閉機控制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，可有效保證突發洪水時能及時泄洪。示意圖見圖1。

鋼壩閘控制系統按“少人值守”要求進行設計，以“分層管理、集中控制”為原則組成控制中心、現地控制和設備三層拓撲結構。系統配置和設備選型充分利用了計算機領域的先進技術，軟硬件均采用全開放、分布式模塊化結構，使之有良好的擴充性，也便于運行管理的智能化。鋼壩閘控制系統作為新安江水利樞紐工程的一個子系統，不單設監控中心(中控室)，在左、右岸液壓啟閉機房設2個現地控制站(PLC01站、PLC02站)。其中PLC01站控制2孔閘門，PLC02站控制3孔閘門。系統最關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 系統結構
新安江鋼壩閘控制系統為三層拓撲結構。
第一層為控制中心層。以樞紐控制中心網管型交換機為核心，通訊協議為TCP／IP，通信網絡數據吞吐率為100 Mb／s。控制中心操作員站采用雙機冗余熱備工作方式，任何一臺計算機故障，不會影響系統的正常運行，保證系統的高可用性。工程師站可進行上下位軟件編程及調試。該層完成系統的數據分析、監測、控制、通信及管理調度等功能，顯示鋼壩閘工作過程中的工藝參數、電氣參數、設備運行狀態(工作／停止／故障)和閘門開度等。
第二層為現地控制層。以施耐德Unity平臺為控制核心，主要完成對現場設備的數據采集、順序控制流程、邏輯控制流程以及與系統中其他裝置的數據交換等。控制層網絡采用TCP／IP網絡以及環形拓撲結構，以單模光纖為通信介質，通過以太環網交換機構成帶寬為100 Mb／s的工業以太網絡，實現控制信號的高速傳輸。該網絡為自愈性環網，當環網發生一個光纖斷點時，通訊仍能夠正常進行。同時作為樞紐的控制主干網，光纖環網能在任何節點在線增加或刪除任意一個設備，也不會影響到其他設備的運行和通訊，充分考慮了樞紐工程系統管理的方便性。控制系統拓撲結構如圖2所示。

第三層為設備層。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I／O模塊而直接采用總線電纜連接的通訊方式，在實現現場離散設備和PLC之間的數據數字化傳輸的同時，將成本費用減少到最小。這種用于底層設備的低成本、高效率信息集成模式，已經逐漸成為控制領域的主流。