大型钢坝闸控制系统设计

0 引言
随着我国城市用水、景观建设及环境整治和灌溉、发电的需要，在水利水电建设中水闸和橡胶坝得到广泛的运用。由于橡胶坝运行管理较复杂、安全性差、橡胶易老化等弊端，质量事故发生率高。而钢结构闸门是一种新型可调控溢流坝，它由土建结构、带固定轴的钢性坝体、驱动装置设备等组成。这种构筑物适合于河道孔口较宽(20～300 m)而水位差比较小的工况(2～8 m)，由于可以立坝蓄水，卧坝行洪排涝，还可以利用坝顶过水，形成人工瀑布的景观效果，因此在越来越多的水利建设工程中得到应用。本文介绍了黄山新安江大型钢坝闸控制系统的设计体会，该系统具有很好的可靠性、稳定性和实时性，符合控制系统危险分散的原则。

1 系统介绍
黄山新安江钢坝闸共有5孔，每孔宽度为46 m，挡水高度为4．8 m。钢坝闸门向下游一侧倾倒，卧倒后行洪。门顶(站立时)过水高度最大值为40 cm，以形成瀑布景观效果。行洪时闸门以上设计水深为7．78 m。闸门最大转角不小于90°，并可以在任意设定角度使闸门处于锁定状态。钢坝闸门采用启闭机驱动，液压启闭机分两侧布置，其中右岸一侧启闭机控制2孔闸门，左岸一侧启闭机控制3孔闸门。正常工况下运行速度可达3～5 m／min，一般不超过10 min即可完成升坝和塌坝，可有效保证突发洪水时能及时泄洪。示意图见图1。

钢坝闸控制系统按“少人值守”要求进行设计，以“分层管理、集中控制”为原则组成控制中心、现地控制和设备三层拓扑结构。系统配置和设备选型充分利用了计算机领域的先进技术，软硬件均采用全开放、分布式模块化结构，使之有良好的扩充性，也便于运行管理的智能化。钢坝闸控制系统作为新安江水利枢纽工程的一个子系统，不单设监控中心(中控室)，在左、右岸液压启闭机房设2个现地控制站(PLC01站、PLC02站)。其中PLC01站控制2孔闸门，PLC02站控制3孔闸门。系统最关键的控制对象是液压启闭机液压缸的行程控制，以防止在钢坝闸启闭时液压缸行程偏差过大造成闸门扭曲变形甚至损坏。

2 系统结构
新安江钢坝闸控制系统为三层拓扑结构。
第一层为控制中心层。以枢纽控制中心网管型交换机为核心，通讯协议为TCP／IP，通信网络数据吞吐率为100 Mb／s。控制中心操作员站采用双机冗余热备工作方式，任何一台计算机故障，不会影响系统的正常运行，保证系统的高可用性。工程师站可进行上下位软件编程及调试。该层完成系统的数据分析、监测、控制、通信及管理调度等功能，显示钢坝闸工作过程中的工艺参数、电气参数、设备运行状态(工作／停止／故障)和闸门开度等。
第二层为现地控制层。以施耐德Unity平台为控制核心，主要完成对现场设备的数据采集、顺序控制流程、逻辑控制流程以及与系统中其他装置的数据交换等。控制层网络采用TCP／IP网络以及环形拓扑结构，以单模光纤为通信介质，通过以太环网交换机构成带宽为100 Mb／s的工业以太网络，实现控制信号的高速传输。该网络为自愈性环网，当环网发生一个光纤断点时，通讯仍能够正常进行。同时作为枢纽的控制主干网，光纤环网能在任何节点在线增加或删除任意一个设备，也不会影响到其他设备的运行和通讯，充分考虑了枢纽工程系统管理的方便性。控制系统拓扑结构如图2所示。

第三层为设备层。利用Unity PLC上MB通讯接口对MCC柜中的软起动器和其他智能仪器进行多点通讯。这种不用传统I／O模块而直接采用总线电缆连接的通讯方式，在实现现场离散设备和PLC之间的数据数字化传输的同时，将成本费用减少到最小。这种用于底层设备的低成本、高效率信息集成模式，已经逐渐成为控制领域的主流。