闸门自动控制系统存在问题分析及改造措施

摘要：在水电站日常运行中，闸门自动控制系统故障在设备缺陷中占有较大比例，对水电站机组的运行会造成较大的影响。本文结合工程实例，通过分析原闸门自动控制系统的现状，重点探讨了自动控制系统的技术改造过程，并提出切实有效的改造措施，以供实践借鉴。

关键词：水电站闸门；控制系统；功能实现；改造措施

中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：

随着我国社会经济建设步伐的加快，政府加大了对城乡水利基础设施的建设力度，水利基础设施得到进一步的发展。抽水蓄能电站作为水利基础设施的重要组成部分，担负着调峰、填谷、调频、调相以及事故备用等任务，是城乡电力的重要来源。目前，国内一些水电站闸门自动控制系统自投运以来，由于受到当时设计思路、工艺技术差、环境温度变化和设备使用年限较长等因素的影响，容易出现各种类型的故障，并且维修量较大，给水电站的自动化程度以及安全运行带来了一定的压力，并严重威胁到人员的安全。因此，电站建设单位有必要对闸门自动控制系统进行必要的改造，采取科学合理的措施，以提高设备运行的安全可靠性，从而确保水电站综合效益的发挥。

1 工程概况

某电站的输水系统采用一洞二机布置，分别配置一台固定式高扬程卷扬机。启闭机安装在高程156.00m的启闭机房内，持住力3200kN，启门力1600kN，扬程50m，工作级别Q2－轻。卷扬机构滑轮组倍率为8，卷筒采用折线式绳槽，四层缠绕。电动机采用QABP型变频电机，减速箱采用QJRS型中硬齿面减速箱，钢丝绳为金属绳芯镀锌钢丝绳。启闭机设置一套工作制动器和一套安全制动器，结构均采用盘式制动器，可由中控室远程或现地操作开关闸门。

2 闸门自动控制系统存在问题分析

由于整套设备安装投运至今已有多年，有些柜内元器件已显陈旧老化，且功能结构单一，应用简单，无法适应现代水电厂运行生产的需要。加之设备运行环境湿度大，现地控制柜表面、内部接线端子有锈蚀现象；控制柜中，总电源一级开关安装了一只没有外壳保护的三相闸刀开关，部位距离总电源断路器较近，操作时容易发生触电事故；部分电缆外部绝缘已经发生老化现象，控制柜中接线凌乱，电缆芯线标牌不清，部分多股线没有采用线鼻子压紧，时间久端子松动后，容易造成相近端子间发生短路隐患；控制柜中，采用了一些老式的继电器，结构复杂，质量较差等等，给运行操作人员带来了很大的安全隐患。

为了消除设备的安全隐患，确保运行检修人员的人身安全，决定对下库尾水闸门自动控制系统进行技术改造。

3 改造后闸门自动控制系统的配置

根据设备厂家的设计方案，除原闸门启闭机设备、现地自动化元件保留外，针对尾水闸门自动控制系统作了以下技改:

3.1 更换了原来体积较大的老式变频器柜，采用AB型高性能专用交流变频器。与先前的变频器相比，它内置了动态制动电阻器，不需要额外的盘柜空间，并且能提供很大的短时制动转矩；面板上配置有通用的人机界面(便于熟悉和方便使用)，包含LCD人机界面模式和基于PC的组态软件，配有“像计算器一样”的数字键盘，用于快速简易地输入数据项。

3.2 一次回路进线开关带有失压跳闸线圈，在闸门二次操作回路电源开关未合闸的情况下，该开关无法进行合闸。

3.3 更换了原来的现地控制柜，PLC由原来的西门子S7－200更换为S7－300，不仅增加了CPU的运行速度，而且为以后能够通过总线增加开入、开出量留够了空间；配置有一个电源模块(供电采用220V交流输入，转变为24V输出)、CPU模块、接口模块、模拟量输入模块、32点数字量输入模块以及32点数字量输出模块；对DO出口均采用新型的中间继电器；与监控上位机之间采用西门子S7－200通讯模块进行通讯。

3.4 在现地控制柜中加装了触摸屏。通过触摸屏可以实时监视闸门的状态，进行闸门的控制操作，监视电流、电压、功率、频率，闸门位置、水位、系统报警状况等等。

3.5 采用型号为MCS－06开度仪替代原来高度、起重量综合显示仪。

3.6 更换了现地控制柜到现地自动化元件的全部电缆。

4 尾水闸门自动控制系统的改造过程

4.1 盘柜设备的安装

根据改造设计方案，拆除了原有的闸门控制柜和电阻箱，重新安装一套闸门现地控制柜和一套变频器柜外加一个制动电阻器柜，柜内配有由湿度控制的加热器。设备的安装符合GB50171－92《电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工及验收规范》和设计图纸要求。

4.2 尾水闸门控制系统的功能实现

4.2.1 闸门静态调试

调试过程由厂家人员现场指导。闸门静态试验，包括硬布线回路检查和DI输入点、DO输出点验证，从而验证原理及硬布线回路接线。首先，拉开闸门主回路的电源QF1，保持控制回路开关在合，只带外部辅助设备进行，检查控制逻辑的动作输出、动作信号等等，从而验证闸门逻辑关系图的完整性。

4.2.1.1 开关门条件逻辑图的验证。在闸门控制逻辑中，开关门条件中包含了闸门控制系统的故障状态，即变频器故障、电机过载热继电器动作、超载保护、总PLC复归信号、电流大于205A5秒、工作制动闸故障(见图1)。在硬布线回路中，变频器故障由变频器本体常开接点输出；电机过载信号采用热过载继电器KH1的常开接点；超载保护来源闸门超载限位；工作制动器故障信号这里采用了逻辑的中间变量，该信号反馈给DI模块中的采集点，采用限位开关的常闭点。即工作制动闸油泵启动后建压，盘式制动器动作松闸，限位开关常闭点断开。在图1中，15s内没有收到工作制动闸投入信号，将报其故障。

图1 开关门条件逻辑图

4.2.1.2 开关门中间量逻辑验证。安全制动器打开的条件为开关门中间量要满足，采用两只限位开关同时动作作为信号反馈。在开门中间量逻辑中，闸门开门命令触发后，DB5.DBX0.0为“1”。在闸门从全关到全开的过程中，首先要打开充水阀，在逻辑中设定的闸门充水高度为258mm，由开度仪输出位置接点，送入DI模块，把它的中间变量取反，用到开门中间量中，DB5.DBX1.6为“0”时，开关门中间量为“1”(见图2)。当DI中收到送来的平压信号后，开门中间量才能再次满足。在关门中间量逻辑图中，把导叶球阀全关作为满足关门条件，此信号来至地下厂房导叶球阀全关信号的反馈。

图2 开门中间量逻辑图

4.2.1.3 闸门全开、全关位的调试。在闸门逻辑中，全开、全关位有两个条件:一个是开度仪输出；另一个是机械限位动作。根据设计理念，机械限位全开、全关动作晚于开度仪输出，机械限位动作后会报“闸门超行程”信号，上、下极限动作信号，在闸门动作过程中，起后备保护作用。

4.2.1.4 机械限位的动作验证。手动开关闸门的停止回路，主要靠闸门的机械限位动作来实现，其中有一副常闭接点，分别代表闸门全开、全关，串在开关门硬布线回路中。另有一副常闭接点，串在紧停回路中，闸门提升到一定高度后，会动作，直接切断总电源。自动开关闸门的停止回路，主要靠闸门开度仪的开关量输出，送到DI模块中，写在逻辑中完成开关门的自动停止。

4.2.1.5变频器参数的设定。根据闸门电机的电压、额定电流、频率、额定转速、额定功率等等，逐步设定变频器的参数。

4.2.2 闸门通讯测试

电站1～4号尾闸之间的通讯电缆并联起来，由其中的一个闸门引到下库闸门远程I/O。通信数据先从S7－300通过MPI同时传送给S7－200和现地触摸屏，然后通过modbusRTU将数据传送到闸门现地远程I/O现地控制柜中的CP4000，通过光纤传送到下库现地控制单元LCU6，最后通过系统环网送上位机。在现场，把闸门通讯上送的信号量，在现地或者PLC中模拟，与上位机进行对点，同时检查触摸屏和闸门PLC通信是否正常。

4.2.3 闸门动态调试

通过面板按钮点动或者强制回路接触器吸合，验证工作制动闸和安全制动闸电机、启闭机启升电机的转向。

4.2.3.1 现场手动开、关闸门操作试验。根据设计，在现地纯手动控制时，完全脱离PLC控制程序。但是在手动操作时，把“控制方式选择”选择开关切换至“手动”位置后，首先要手动开启安全制动闸，开门或关门操作前，必须检查安全制动闸松闸信号有没有收到。松闸信号可以看面板上面的红色的“松闸信号”灯是否点亮，或者看触摸屏中的信号是否收到，这很重要。在安全制动闸松闸后才可以开门或关门操作，通过实际动作校验整个硬布线回路接线的正确性。

4.2.3.2 自动控制试验。自动控制时，可以通过现地触摸屏操作或者远方中控室操作进行开、关闸门。进行现地触摸屏操作时，要把“控制方式选择开关”SA1切换至“现控”位置。在整个触摸屏系统中，可以对闸门进行上升、下降、停止和紧急停止操作，点击开启的按钮按下后，会进行条件判断，条件满足后，会出现操作“确认”界面，方可进行开关闸门操作；在中控室远方操作时，S7－200与监控系统的通讯必须正常，要把“控制方式选择开关”SA1切换至“远控”位置，上位机收到的判断条件都满足后，方可操作。

4.2.4 MCS－06开度仪的整定在对开度仪进行整定时，首先要设定好闸门的全开和全关位置，根据水工图纸的高程位置和实际动作情况，闸门的全开高程整定为43.25m。尾水闸门落到全关后，为了让闸门充水阀能够充分关闭，可利用控制柜上面的手动按钮，让闸门再下降约250mm左右。

5 结语

综上所述，国内许多闸门自动控制系统容易受到环境温度变化、施工工艺等因素的影响，严重危害到设备的运行的安全性。因此，对闸门控制系统进行技术改造就显得十分有必要了。本工程从多方面对原有的自动控制系统进行全方位的改造，有效克服了温度、施工工艺等方面的影响，且进一步提高了设备运行的安全可靠性，确保了水电站的日常运作。

参考文献

[1] 陆文亮.关于水电厂自动化系统改造要点探索[J].中国新技术新产品.2011年第24期

[2] 关小刚;冯延琳;凌胜军.大侠水电站闸门及辅机控制系统改造综述[J].水电站机电技术.2011年第03期