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产品描述
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闸门控制在水利工程中多采用现地控制方式，根据小浪底工程水工建筑物布置格局和调水调沙运用的特殊要求，研究开发了水库闸门集中远方监控系统，该系统1998年开始安装，2000年投入正常运行。经过一年多的实际运行，系统操作正常、，达到了研究与开发的目标。
小浪底水利枢纽的开发目标是防洪（包括防凌）、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电，蓄清排浑，综合利用。小浪底水库在黄河水量调度、保证下游不断流、河床不抬高等方面的作用十分重要，调水调沙是小浪底水库的主要运用方式。这就决定了枢纽运用以水调为主，电调为辅，正常运行时以发电流量保下游供水，当出现缺额时开启相应闸门泄水水量。为了好地发挥小浪底水利枢纽的作用，我们对水库闸门控制系统进行了较长时间的研究与开发，1999年9月水库下闸蓄水后现地控制设备投入运行，2000年系统投入正常运行。
1 问题的提出
小浪底水库闸门控制系统开发经历了两个过程，即采用常规继电器逻辑控制和采用可编程逻辑控制器（PLC）控制。用于小浪底这样被控对象分散的系统，如采用早期的PLC作为控制其投入大、性尚无法保证。随着微电子技术的飞速发展，计算机越来越多地运用于工业控制，PLC也逐渐开发出开放的上网产品，在1995年以后着重研究采用PLC取代常规继电器控制逻辑的方案，并展开设备招标及施工详图设计。1997年小浪底水库闸门控制系统招标采购，1998年开始陆续供货并安装。
2 系统特点
小浪底水库闸门控制系统适应水库运用的特点，操作方便，运行。主要特点如下：
(1)枢纽洞群系统复杂，各类闸门众多，闸门操作运行性关系水库运用的和效益的发挥，在闸门控制系统的设计中充分考虑技术性和操作性。
(2)黄河水沙条件复杂，为保证泄水洞不被淤堵，平时泄洪排沙洞经常由进水塔内事故闸门下闸挡水，泄水时需先充水平压，然后提事故门，再开工作门，在布置上有一洞两门、一门两（启闭）机等形式及其组合，操作程序相对复杂。
(3)设备布置分散，环境条件差，大尺寸、高水头闸门分别布置在进口、中部和出口处，由设在坝控制楼的控制室进行集中控制，控制范围2 km，高差100多m。闸门启闭机有些在洞内，有些在露天，要求现地控制装置有良好的防护性能。
(4)设置了充水平压控制系统，对进水塔内上下左右贯通的充水平压管路中18个进水电动闸阀和72个分水电动蝶阀进行集中操作。
(5)闸门控制系统是包括1个控制、25地控制装置，集中控制32扇闸门和90个电动阀门，采用计算机、可编程逻辑控制器、通信网络、自动化元件等组成的完整的控制系统。闸门监控系统不仅要进行现地和远方启闭控制；同时还要对这些闸门和阀门的工作状态及其参数进行监视，并与电站计算机监控系统、水库调度系统进行信息交换。
(6)闸门开度采集采用德国Ifm公司的型多圈光电编码器，为控制系统提供了准确的闸门位置信息，使远方控制成为可能，提高了闸门运行的性和性。
(7)在系统开发方面，上位机应用UNIX操作系统下的C语言程序，现地控制单元采用PLC梯形图语言。梯形图语言具有简单易用、方便直观的优点，既可进行离线程序开发，也可进行在线的显示、改。
3 监控对象
闸门系统监控对象包括10座进水塔、孔板洞中间闸室、排沙洞出口、溢洪道的工作闸门和事故闸门共计32扇以及闸门充水平压系统电动阀门90个，其具体分布如下：
3.1 进水塔
(1）明流洞事故闸门控制。4台卷扬启闭机，分别控制1号明流洞2扇平面闸门和2、3号明流洞各1扇平面闸门。
(2）孔板洞事故闸门控制。6台卷扬启闭机，分别控制3条孔板洞6扇平面闸门。
(3）排沙洞事故闸门控制。6台卷扬启闭机，分别控制3条排沙洞6扇平面闸门。
(4）明流洞工作闸门控制。3台油压启闭机，分别控制3条明流洞3扇弧形闸门。
(5）灌溉洞事故闸门控制。1台卷扬启闭机控制1扇灌溉洞平面闸门。
3.2 孔板洞中间闸室
孔板洞工作闸门为偏心铰弧形闸门，每扇闸门配主、副油压启闭机各一台，主机操作闸门的升降，副机操作偏心铰带动闸门前进或后撤，2台油压启闭机共用1套蓄能器。共有3个孔板洞中间闸室，每个中间闸室布置2套油压启闭机，控制2扇工作闸门。
3.3 排沙洞出口闸室
排沙洞工作门布置在排沙洞出口闸室，有3个出口闸室，每个出口闸室布置1套油压启闭机，控制1扇工作闸门。排沙洞工作闸门为偏心铰弧形闸门。
3.4 溢洪道
3条溢洪道分别设置3扇弧形闸门，每扇闸门配置1套油压启闭机。
3.5 充水平压系统
平面闸门运行要求静水开启，为此，设置了1套充水平压系统，即在开启事故门或检修门之前需向门后洞内充水，待闸门前后水位差达到设计允许值时才能开启闸门。本系统9个进水塔(除灌溉塔)内均设置了阀门室。其发电塔在两个高程设置阀门室，其余为1个阀门室，共计12个阀门室。每个发电塔阀门室有2个进水口，其他为1个进水口。进水管采用电动闸阀控制，每扇平面闸门后配置1个出水口，出水管采用电动蝶阀控制。为了防止进水口淤堵，在相邻阀门室间配置了旁通管及旁通阀。该充水平压系统共计需监控的电动闸阀为18个，电动蝶阀为72个。
4 系统结构及功能
4.1 系统结构
由于枢纽闸门布置较分散，且距离较远，为了减轻运行人员的劳动强度、实现电站无人值班，水库闸门控制系统的设计，能够在闸门控制室对现场各闸门进行远方监控，同时还能监视各闸门的位置以及运行情况，当出现闸门故障时系统能及时报警。为便于现场的调试、维护和紧急情况处理，系统还能就地对闸门进行控制。
水库闸门控制系统采用由上位机系统（主控级）及现地控制单元（LCU）组成的分层分布式控制系统。主控级采用双机互为热备用方式，通信网络采用单总线以太网，做到了“控制分散，信息集中”，如某处设备出现故障，并不影响其他设备的正常运行，在硬件上确保整个系统简单、、。其系统的结构如图1所示。
主控级设2套操作员工作站，操作员工作站由计算机、外围设备以及不间断电源（UPS）等组成。操作员可通过操作员工作站，对监控对象进行控制。主控级采用双计算机系统，以主、备方式运行，能够实现无间隔切换。主控级所有的设备均布置在坝控制楼内的闸门控制室。
现地控制单元（LCU）采用以可编程逻辑控制器为控制装置，布置在启闭机旁。闸门的控制要求，对1条洞有2扇事故门(或工作门)的，在动水中2扇门同时启闭，故闸门现地控制装置按1条洞的事故门和工作门分别配置1套控制装置，即孔板洞、排沙洞、明流洞各设2套控制装置(共计18套)，溢洪道3套，灌溉洞1套，充水平压系统3套，整个现地控制层设置25套控制装置。这些LCU根据闸门的不同地理位置，分成5组，每组LCU通过工控机与通信网相联，实现与主控级的通信。闸门控制系统主控级与现地控制单元之间通过单总线网络进行通信，并设有与电站计算机监控系统以及水库调度系统之间的通信接口，以便与这两个系统进行数据交换。现地控制装置与闸门启闭机同时安装、调试和投运。
4.2 基本功能
4.2.1 上位机层
(1)数据采集和处理。事故闸门、工作闸门的位置；闸门上升或下降接触器状态；充水平压阀门开启或关闭状态；闸门启闭机机械和电气保护装置状态；主电源和控制电源状态；有关操作状态。
(7)操作保护。当出现下列情况时，控制系统切断电源，电机停止运行：①主机提门时，油缸下腔的油压过设计油压的10%；②主机下门时，油缸上腔的油压过设计油压的10%；③副机提升时，油缸下腔的油压过设计油压的10%；④副机下压时，油缸上腔的油压过设计油压的10%；⑤主机和副机在运行过程中，系统油压过大油压的10%。
液压保安系统由速、危急遮断、挂闸、试验等部分组成。工作原理：当操作员单击DEH主控画面上“挂闸”按钮，复位电磁阀4YV、开主汽门电磁阀2YV带电；挂闸电磁阀1YV带电，危急遮断器的撑钩在复位油的作用下挂上，油压建立；挂闸电磁阀1YV和复位电磁阀4YV失电，危急遮断油门上腔失压，恢复至备用状态。挂闸完成后，由操作员点画面中的“运行”按钮，开主汽门电磁阀失电，启动油建立，主汽门开启。当打闸回路发出动作指令时，遮断电磁阀3YV和原磁力断路油门5YV均带电泄去油，且开主汽门电磁阀2YV和电磁阀6YV均带电动作又泄掉启动油及二次脉动油，使所有主汽阀和调节阀快速关闭，调门开度关至零。
遮油电磁阀为一双向带机械位置锁紧的二位四通电磁阀。机组启动前（高压电动油泵开启前）左侧电磁阀带电，阀芯处于左侧位置，油压接通排油。需要建立油压时，右侧电磁阀带电，阀芯处于右侧位置，压力油通过节流孔建立起油压。该电磁阀是带位置锁紧式，正常运行时，电磁阀不需要长期通电。停机电磁阀通电时油压接通排油，泄去油压，使主汽门关闭。速限制电磁阀在通电时二次油压接通排油，泄去二次脉动油，使调速汽门关闭。
DEH遮断电磁阀与原系统ETS的停机电磁阀并接在油路上，发生紧急停机信号时，两电磁阀同时带电，组成冗余配置，使性得以提高。
3 汽机保护回路改造
3．1 DEH打闸保护：
DEH打闸保护有以下动作条件：
A：手操盘打闸；B：ETS动作；C：速110％；D：脱网状态下，测速通道全故障；E：脱网状态下，油动机到紧急手动；F：整定时，转速大于100rpm。
当以上任意一套保护动作后，主汽门关闭遮油电磁阀和速限制电磁阀动作，关闭主汽门和调速汽门，使机组紧急停机，并向ETS系统发出DEH打闸保护动作指令。当汽机已跳闸信号发出时，将DEH打闸保护动作指令复位，使关闭主汽门遮油电磁阀失电复位。该电磁阀是带位置锁紧式，能保持失前状态，确保油压的释放。
3．2 电速保护（OPC）
DEH系统设计时，具有转速控制功能，并增加了三只测速探头，测量转速信号，所以将电速保护设计在DEH系统为合理。
动作原理：当机组甩负荷时，为避免速，DEH中设有接受油开关跳闸信号和103％n0转速信号的OPC回路。当上述信号发生时，发出OPC信号，通过硬接线使关调速汽门电磁铁带电，关闭调节阀，并同时使伺服板的输入置0，维持汽机转速在3000r／min，防止汽机速。当OPC信号恢复后，电磁阀失电，二次脉动油又恢复受电液伺服阀控制。
3．3 汽机本体保护（ETS）改造
原微机保护系统采用PLC可编程控制器，控制功能较，所以汽机本体保护仍采用原保护系统，取消原本体保护电速保护回路，电速保护功能由DEH系统实现。增加一套DEH打闸保护，机组本体保护共有八套。
A、速保护；（14％）；B、轴向位移及推力轴承回油温度保护；C、高压缸相对膨胀保护；D、低真空保护；E、支持轴承回油温度保护；F、润滑油压低保护；G、发电机差动保护；H、DEH打闸保护。
动作原理：当以上任意一套保护动作后，主汽门关闭电磁阀和电速电磁阀动作，关闭主汽门和调速汽门，使机组紧急停机。并向DEH发出本体保护（ETS）动作指令。
当甲乙两侧主汽门、甲乙两侧中联门关闭（采用四取二）和DEH系统汽机已跳闸信号发出时，延时3秒后，PLC内接受主汽门关闭指令，本体保护动作指令复位，使关闭主汽门和关闭调速汽门电磁阀失电，并向DCS系统发出联动指令和报警信号。
3．4 ETS与DEH打闸逻辑功能
ETS与DEH打闸逻辑图见2。为实现ETS与DEH之间相互联系，在ETS打闸信号回路接入DEH打闸动作指令，在DEH打闸信号回路接入ETS打闸动作指令，只要其中之一回路动作时，均能实现二路电磁阀同时带电，实现紧急停机。
原ETS动作回路设计是，当本体保护动作后，电磁阀带电，释放油压，启动阀内排油空接通油压，主汽门关闭后，本体保护动作指令复位，电磁阀失电，能满足原系统要求。
保安系统改造后，当ETS系统动作由动作到复归，停机电磁阀失电，将排油口关闭，此时，如果DEH遮断电磁阀还未来得及动作，会重新建立油压，系统仍认为是在开机状态，这样当主汽门关闭后会出现自动开启，严重威胁机组。所以保护考虑对ETS系统改进，增加本体保护ETS动作指令复归条件，采用主汽门关闭和汽机已跳闸条件相与，并延时3秒，汽机已跳闸信号取DEH系统油压未建立判断条件。原本体保护内设有保护信号自保持功能，当本体保护动作时，如果主汽门关闭和汽机已跳闸条件其中之一未满足时，本体保护动作指令信号一直向DEH系统发出，确保油压的释放。
由于主汽关闭的时间经测试为2S，所以本体保护动作指令从发出到复归，正常情况下有5S的时间，足以使DEH遮油电磁阀动作。由于主汽门关闭后联跳发电机，取的是延时3秒后的信号，在原本体保护（ETS）内实现，所以主汽门关闭后延时时间不能太长，保证主汽门关闭后发电机及时跳闸。
ETS与DEH之一回路动作时，都会使关调速汽门电磁铁带电动作，能快速关闭调速汽门。为实现本体保护ETS与DEH保护打闸联动逻辑的功能，在PLC内部进行组态修改，同时也考虑了硬接线连接方式，使得保护系统加。
由于原本体保护未设计上位机数据管理，运行人员通过操作台进行监视操作，本次改造取消原微机保护操作台，在DCS系统操作员站设有本体保护画面进行显示。保护投入、切除通过微机保护控制柜内投入、切除开关实现。
在MACS—Ⅱ系统在线运行画面上，单击“本体保护”按钮，即进入ETS的“主控画面”；ETS的操作画面包括主控画面、试灯按钮、汽机辅联锁。操作员通过单击菜单，可方便地进行画面切换。
主汽门关闭联动：主汽门关闭后，联跳发电机，在原本体保护（ETS）内实现。联跳给粉机在SCS系统实现。并向DCS系统发出主汽门关闭信号。
＃1—＃5水控抽汽逆止门控制，＃1—＃2水控抽汽逆止门控制，后缸喷水控制、发电机断水保护由SCS系统实现，其操作画面在本体保护画面内。
本体保护动作信号进入DCS系统SOE事故记忆画面。
5 干扰信号隔离
主保护回路的发电机差动信号和发电机油开关跳闸信号因距离太长（约180米），PLC查询电压为24V，容易误发信号。改进方法是通过在中间增加220V的隔离继电器，提高抗干扰能力。
6 结束语
改造后的汽机保护系统具有管理集中、分散度强、冗余配置的特点，汽机保护以CRT为进行运行监控，具有友好的人机界面，运行人员可以在DCS系统在线运行画面上进行监视操作，减轻了运行人员的劳动强度，提高了控制水平。
汽机保护系统的动作信号DI、DO点接入DCS系统SOE事故记忆，在机组故障时为运行人员准确快速处理事故和事故的分析提供了重要的依据，提高了机组的运行小时及等效可用系数。
保护系统在设计时充分考虑ETS、DEH、DCS之间的联系，系统性大大提高，避免了保护系统出现误动和拒动的可能，确保了机组的运行。
1前言
在目前的城市供水系统和小区高楼供水系统中还有很多采用高位水塔或直接水泵加压供水方式，在这种供水方式中由于扬水较高且电机一直高速运行造成较大的电能消耗，目前的水费成本中，电费比例达50%以上。
本文针对黑龙江东部地区某大型泵站供水系统的实际情况，采用PLC和变频器组成恒压供水系统，取代了原来的手动调节方式，实现对供水压力的自动控制。而且在原系统基础上只用了少的投资即完成了项目的改造，该系统可以明显节约电能并使管网水压波动较小，从而降低了设备运行的故障率和工人的劳动强度，具有良好的经济效益和社会效益。
2水泵特性分析及节能原理
泵是一种平方转矩负载，其转速n与流量Q、扬程H及泵的轴功率N的关系如下式所示：
式(2—1)表明，泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比，泵的轴功率与其转速的立方成正比。当电动机驱动泵时，电动机的辅功率P(kW)可按式(2—2)计算：
图2—1是泵的流量Q与扬程H的关系曲线。图中，曲线①为泵在转速n1下的扬程—流量(H—Q)的特性；曲线⑤为泵在转速n2下的扬程—流量(H—Q)的特性；曲线②为泵在转速n1下的功率—流量(P—Q)的特性；曲线③、④为管阻特性。
设泵的标准工作点A点的效率，输出流量Q为**，此时轴功率P1与Q1、H1的乘积面积AH1OQ1成正比。根据生产工艺要求，当流量从Q1减小到Q2时，如果采用调节阀门方法(相当于增加管网阻力)，使管阻特性从曲线③变到曲线④，系统由原来的工作点A变到新的工作点B运行。此时，泵扬程增加，轴功率P2与面积BH2OQ2成正比。如果采用变频器控制方式，泵转速由n1降到n2，在满足同样流量Q2的情况下，扬程H3大幅降低，轴功率P3与面积CH3OQ3成正比。轴功率P3与P1、P2之和相比较，将显著减小，节省的功率损耗ΔP与面积BH2H3C成正比，节能效果十分显著［1］。
3模糊变频恒压供水系统
恒压供水是指用户段不管用水量大小，总保持管网水压基本恒定，这样，既可满足各部位的用户对水的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费。为实现上述目标，利用PLC根据给定压力信号和反馈压力信号，通过模糊推理运算，控制变频器调节水泵转速，从而达到控制管网水压的目的。变频恒压供水系统如图3—1所示。根据供水压力要求，采用一用一备变频恒压供水系统。
3.1系统主电路
一用一备变频器恒压供水系统就是一台水泵供水、另一台水泵备用，当供水泵出现故障或需要定期检修时，备用泵马上投入，不使供水中断。两台水泵均为变频器驱动，并且当变频器故障时，可自动实现变频/工频切换。主电路如图3—2所示。图中，M1为主泵电机，M2为备用泵电机，QF为低压断路器，KM0，KM1，KM2，KM3，KM4为接触器，FR1，FR2为热继电器［2］。
3.2控制系统硬件设计
该系统主要由S7200、CPU214的PLC一台及TD200文本显示器，台达VFD220A23A变频器，D150型压力变送器，流量计及检测水箱液位的差压变送器，V/F转换电路，两台22kW笼型三相异步电动机。控制电路如图3—3所示。当PLC控制变频器启动后压力表出管网压力为0～10V模拟电压信号，经由LM331组成的V/F转换电路转换为0～2kHz的频率信号，送入PLC的高速输入端口作为实际压力值。PLC接收到压力值后与给定压力进行比较，然后通过模糊推理运算，控制变频器的多段速输入端子M11、M12、M13的通断，变频器依据事先的设定频率，控制水泵进行调速运行，从而控制供水压力。
PLC同时还完成控制变频器启动和接收变频器故障报警信号，通过水池内的差压变送器自动监测水池中的水位，使变频器控制水泵电动机在无水后自动停机。另外变频器本身具有过压、过流、断相、过热保护和故障显示等功能。TD200文本显示器主要用来完成模糊控制量化因子、采样周期的设定，实时供水压力显示，压力设定值显示等功能。
3.3水压模糊控制系统软件设计
在改造之前，该系统采用人工手动调节控制，操作人员根据管道压力表的读数，手动调节变频器的给定频率，从而提高或降低管网水压，达到恒压供水的目的。由于用户较多并且用水时间不确定，管网水压波动较大，数学模型很难确定，而模糊控制不需要的数学模型，因此本系统控制算法采用模糊控制方式进行设计。
模糊控制器的设计主要包括以下3部分［3］：
(1)选择输入输出变量
压力的给定值设为p，管道的实测压力值为p(k)，则误差为e(k)=p-p(k)作为模糊控制器的输入变量，输出变量为控制变频器的给定频率值u，这里采用多段速端子控制来实现。
(2)确定各模糊变量的隶属函数
描述输入e及输出变量u的语言值的模糊子集为｛负大，负小，0，正小，正大｝简记为｛NB，NS，O，PS，PB｝，设误差e的论域为X，并将误差大小量化为7个等级，即X=｛－3,－2,－1,0,1,2,3｝,控制量u的论域为Y，也量化为7个等级，即Y=｛－3,－2,－1,0,1,2,3｝。误差的隶属函数采用三角形，而控制量的隶属函数采用单点形。
(3)建立模糊控制规则
根据现场操作人员手动调节供水压力的经验，控制规则用语言描述如下：
若压力给定值则提高变频器输出频率，低得越多频率提得越多；若压力给定值则降低变频器输出频率，高得越多频率降得越多；若压力等于给定值则变频器输出频率不变。根据上述的手动控制规则得到模糊控制规则如下：
(4)离线计算模糊控制表
由上述的模糊控制规则采用minmax法推算出实际应用的模糊控制表及对应变频器输出频率如表3—1所示。
在实时压力控制过程中，上述控制表存在PLC的内存中，PLC的高速输入端口接收管网中的压力值，并与给定值进行比较，计算偏差e，乘以相应的量化因子并经取整处理变换成模糊变量E。根据对应的E通过查找控制表得到控制量U，然后控制多段速端子M11，M12，M13的不同接通组合，从而改变电机转速达到控制水压的目的。在实际运行中由于泵的特性，在转速很低时泵的效率下降损耗增加，所以在PLC控制变频器启动后，当电机转速达到额定值的30%时模糊控制器开始工作，即调节过程中电机的转速为额定值的30%。
4结论
该系统充分利用S7200自身资源，利用高速输入口来完成A/D转换，利用变频器的多段速输入端子实现D/A，大地降低设计成本。该系统设计是在原系统的基础上进行的，因此，原系统的硬件都换，只加上了控制器PLC和自行设计的由LM331组成压频转换器。采用模糊控制方式设计调试十分方便，在现场只要合适的设定多段速频率值，即可获得满意的控制效果，另外该系统联网能力强，PLC和变频器都具有标准的通讯接口，可方便的和各种通用组态软件连接，进行现场状态监控。该系统投入运行半年来一直十分稳定，故障率低，而且操作容易，节能效果十分明显。
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