段智辉

(西安航天自动化股份有限公司，陕西 西安 710065)

喜河水电站中孔闸门控制系统的设计

段智辉

(西安航天自动化股份有限公司，陕西 西安 710065)

喜河水电站排沙中孔闸门控制系统硬件方面选用施耐德M340 PLC为核心控制器、P+F绝对值多圈编码器和闸门荷重传感器等电气设备。软件方面坚持“稳定可靠，安全使用”的设计原则，采用模块化编程以及友好的人机交互，实现中孔闸门的自动启闭控制。

闸门；模块化；PLC控制系统；施耐德；喜河水电站

0 引 言

喜河水电站位于汉江上游的陕西省石泉县喜河镇下游10公里处，是汉江上游干流河段的第三个梯级电站，是以发电为主，兼有防洪、航运、养殖、旅游等综合效益的水利枢纽[1]。喜河水电站中孔闸门为固定卷扬式平面闸门，通过控制钢丝绳同步轴系统提升闸门。该控制系统共包括三套控制设备，每套控制设备均由控制柜、动力柜以及电阻柜构成。分别实现三孔排沙中孔闸门的启闭操作，满足电站在汛期时的泄洪和排沙要求。

核心控制设备设一套施耐德M340 PLC、施耐德操作控制器件、台湾明纬开关电源装置及威纶通液晶触摸显示屏等，用于中孔闸门的自动启闭操作。整个控制系统同时可以显示闸门信息，包括电机合闸、分闸和跳闸状态，动力和控制回路供电状态，PLC通讯状态，闸门实时开度，闸门全开全关位设定和显示，编码器读数校准、闸门运行故障等有效信息。

1 控制对象

喜河水电站中孔闸门控制系统主要实现三孔中孔闸门的“手动”和“现地自动”操作。并在闸门启闭过程中通过切除不同等级电阻，实现闸门的变速操作(如图1所示)。

喜河水电站中孔闸门控制系统采用施耐德高效能M340PLC为控制单元，接入P+F绝对值编码器进行闸门开度信号的采集和换算，接入电机过载传感器对电机进行保护。

机械结构方面，利用同步轴系统，将二台55 kW电机，电缆卷筒，钢丝绳动定滑轮等部分整体结合，满足闸门的机械提升要求。

电气控制方面，分为手动控制，现地自动控制和远控控制。手动控制方面，根据设计原理，明确柜内硬回路结构，实现手动控制要求。自动控制方面，根据设计流程和技术要求，编写对应的逻辑控制、闸门信息显示和故障保护程序，实现闸门的自动启动、关闭和停止操作。远控控制方面，利用施耐德用NOM0200通讯模块，遵循Modbus链路通讯原则和数据交换机制与远程中控室建立通讯连接，实现排沙中孔闸门的远控启闭操作,如图1所示。

图1 喜河水电站中孔闸门控制框图

2 控制功能

喜河水电站排沙中孔控制系统共设置了三种控制方式：“现地手动”、“现地自动”和“远方自动”方式。三种方式从硬件回路和软件编程两方面综合闭锁，保证可靠性。

(1) “现地+手动”的工作方式下：将方式选择开关切换至“手动方式”，可以在控制柜的面板上通过“启门”和“闭门”按钮实现闸门的启闭操作。

(2) “现地+自动”的工作方式下：将方式选择开关切换至“现地方式”，可以在控制柜上的HMI界面预设启闭门开度，并点击HMI上的启闭门按钮，现地向PLC发送命令，PLC按照启闭门设计流程执行。

(3) “远方+自动”的工作方式下：将方式选择开关切换至“远控方式”，在远程中控室通过操作员站预设启闭门开度，并点击操作员站上对应的启闭门按钮，远程向PLC发送命令，PLC按照启闭门设计流程执行。

3 系统设计

3.1 硬件设计

图2 喜河水电站PLC控制系统配置图

根据喜河水电站中孔闸门的招标文件、设计联络会和目标要求，遵循相应的电气设计规范，共设计了三套控制系统，包括PLC控制柜、动力柜和电阻柜。电气设备选型上，主要选择施耐德的产品，包括按钮、指示灯、断路器、接触器、时间继电器。PLC选用施耐德M340系列产品，包括PLC，DI，DO，SSI模块等。HMI选用维纶通10.4寸TFT LCD ——MT6100i系列，可以与PLC无缝链接，实时准确的显示闸门信息。整个控制系统配置如图2所示。

选用台湾明纬公司生产的NES 350-24系列开关电源，在开关电源的输入端设计了二路电源互补装置。引入二路输入电源，从而能够保证PLC和各模块在异常断电情况下的正常运行。

选用P+F的编码器，型号为AVM58N-011AAR0GN-1213。该编码器为多圈绝对值编码器，其电气特性如表1所示。可以将机械的输入信号转换为电气信号，通过PLC进行对应的数据处理。

表1 喜河水电站中孔闸门编码器电气特性

3.2 软件设计

喜河水电站中孔闸门控制系统选用施耐德M340系列PLC。M340系列PLC是施耐德电气自动化推出的高性能中等PLC。实现了100%的紧凑设计，集各种强劲功能和创新技术于一身，可以全面满足工业过程控制和基础设施自动化控制要求。出色的布尔处理能力，强大的处理速度，先进的多任务操作系统，超大的RAM内存，独特的SD卡随时卸下或插入等功能高效全面的保证了控制系统的稳定性和先进性[2]。

综上所述，整个闸门控制系统的启闭门控制流程如图3、图4所示。

图3 喜河水电站中孔闸门允许启门条件

图4 喜河水电站中孔闸门允许闭门条件

3.3 保护设计

对任何电气控制系统来说，故障保护是至关重要的。喜河水电站中孔闸门控制系统从硬件回路闭锁、以及启闭流程设计，逻辑控制程序的编写都进行了软件闭锁，包括对启闭门预设值的判断、预设值和反馈值的一致性比较、启闭门过程中方式误动的处理等。全面综合保证逻辑控制指令的唯一性、控制系统运行的可靠性和安全性[3-4]。其主要故障内容、判定方法如表2所示。

表2 喜河水电站中孔闸门故障统计表

4 结束语

喜河水电站中孔闸门控制系统充分响应招标文件中的招标要求，遵循“性价比高、维护方便”的电气设计原则[5-6]，完全满足水电站闸门的控制系要求。从设计阶段、现场调试、后期培训、试运行、运行等阶段，均严格按照业主要求，彼此及时协商沟通，保证问题能够快速解决，从而能够在短时间里完成系统的投入和使用。从2014年11月至今，系统运行良好，从而满足了喜河水电站中孔闸门的防汛排沙要求。

[1] 石晓俊,易春辉,黄建平,等.汉江喜河水电站表孔弧形闸门控制系统设计[J].西北水利发电,2006,22(1):8-9.

[2] 贺铭康,徐伟.施耐德高端PLC-着力软件主推M340[J].可编程控制器与工厂自动化,2007,8(5):18-19.

[3] 唐元礼,娄方显.东风水电站中孔弧形闸门PLC自动控制系统改造[J].贵州水力发电,2001,15(2):29-31.

[4] 张远明,章路.托海水电厂中孔泄洪闸门自动控制装置的研制[J].新疆电力,2003,20(2):8-10.

[5] 王昌吉.浅谈电气控制系统自动化设计[J].科技与企业,2013,37(20),151.

[6] 陈延奎.浅谈PLC控制系统的设计方法[J].中国科技信息,2009,21(20):116-118.

Design of a Medium-hole Gate Control System for Xihe Hydropower Station

Duan Zhihui

(Xi’an Aerospace Automation Co.,Ltd., Xi’an Shaanxi 710065, China)

Xihe Hydropower Station adopts Schneider M340 PLC as core controller and P + F absolute multi-turn encoder and load sensor as electrical equipment for the hardware of its medium-hole de-silting gate control system. As for its software, in the design principle of “stable, reliable and safe”, modular programming and friendly man-machine interaction are adopted to realize automatic on-off control of the medium-hole gate.

gate; modularization; PLC control system; Schneider; Xihe Hydropower Station

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.027

TP272/278

A

1000-3886(2016)06-0087-03

段智辉(1986-)，男，陕西人，工程师，专业：控制工程。

定稿日期: 2016-02-22