杭州西溪液压升船机集控系统设计-.pdf

杭州西溪液压升船机集 车晓杰， 华电电力科学研究院 ， 控 系 吕 科 浙江 杭州3 1 0 0 3 0 水利水电技术第4 5卷2 0 l 4年第 1期 统设计 摘要通过分析杭州 I 西溪液压升船机的特点，确定 了液压升船机集控 系统的设计思路和设计原则， 提出了采用分层分布式结构的集控系统方案。经长期运行证明，该系统可靠、安全、实用，为今后类 似设计提供 了参考。 关键词 液压升船机 ；集控 系统；电气传动 中图分类号U 6 4 2 文献标识码B 文章编号1 0 0 0 0 8 6 0 2 0 1 4 0 1 ． 0 0 6 5 0 4 De s i g n o f c o nc e nt r a t e d c o nt r ol s y s t e m f o r hy dr a u l i c s hi pl i f t o f Xi x i Ri v e r i n Ha ng z h o u C H E X i a o j i e ，L U K e H u a d i a n E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e ，H a n g z h o u 3 1 0 0 3 0，Z h e j i a n g ， C h i n a Ab s t r a c t T h r o u g h t h e a n a l y s i s ma d e o n t h e c h a r a c t e ris t i c s o f t h e h y d r a u l i c s h i p l i fl o f Xi x i Ri v e r i n Ha n g z h o u，t h e c o n c e p t a n d p ri n c i p l e f o r t h e d e s i g n o f t h e c o n c e n t r a t e d c o n t r o l s y s t e m f o r t h e h y d r a u l i c s h i p l i f t a r e d e t e r mi n e d h e r e i n，a n d t h e n t h e s c h e me o f t h e c o n c e n t r a t e d c o n t r o l s y s t e m w i t h t h e l a y e r e d a n d d i s t rib u t e d s t r u c t u r e i s p r o p o s e d a s w e l 1 ． I t i s d e mo n s t r a t e d t h r o u g h a l o n g t e r m o p e r a t i o n t h a t t h e s y s t e m i s r e l i a b l e ，s a f e a n d p r a c t i c a l ，a n d t h u s c a n p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r t h e s i mi l a r d e s i g n ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s h i p l i fi；c o n c e n t r a t e d c o n t r o l s y s t e m ；e l e c t ri c d r i v e 1 引言 升船机作 为一种过坝设 施 ，运行效率 高 ，耗水 量低 ，在一些发电为主的高坝枢纽得到 了广泛 的应 用 。 目前 国内升船机多应用于水 电站 附近 ，上下游 落差大，过船吨位重，一般采用卷扬提升结构。近 几年旅游行业兴起，游船业务发展较快，对小型过 坝设施提 出了要求。这种 过坝设施应用于城市水 利 改造和旅游风景区，上下游水位落差小 ，过船多以 小型游船为主 。因此 ，笔者提 出了液压式升 船机 的 过坝方式 ，能够很 好地适用于这种应用场合 ，集控 系统作 为整个升船机正常运行 的核心 ，对升船 机运 行的安全可靠起着关键作用。如何安全，高效，可 靠 ，经济的实现整个系统的监控 ，是液压式升船 机 的难 点之一[ 卜 。 2 西溪液压升船机特性 杭州西溪天堂升船机工程位于国家湿地公园东南 角西溪休闲度假酒店群项 目中，主要用于沟通 内外水 W a t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r o po w e r En g i n e e r i n g V o l 4 5 No ． 1 系的通航建筑物。升船机等级为Ⅶ级。 2 ． 1 主要技术指标 1 通航保证率 9 0 ％； 2 全年通航时间 3 2 5 d ； 3 日 使用时数 1 0～1 2 h ； 4 每天运行次数 ≥6 0 次； 5 每次通过船只2艘 ； 6 游船型尺寸7 ． 5 m x 2 ． 0 m 长 宽 ； 7 游船最大吃水深 0 ． 5 1 T I ； 8 载 客人数 6 人／ 船 ； 9 日通过游客流量 ≥1 6 0人 双 向 ； 1 0 上游最高通航水位 3 ． 9 0 i n ； 1 1 上游最 低通航水位 3 ． 7 0 in； 1 2 下游设计通航水位 1 ． 6 0 1 13 ； 1 3 下游最低通航水位 1 ． 0 0 1T I 。 2 ． 2运行要求 1 承船厢内设置水位检测装置，使得在承船 厢升起 时 ，厢 内水 位在 与上 游水 位差 小 于 0 ． 0 5 In 时 自动停止 ；在承船厢下放时 ，厢 内水位在与 下游 水位差小于 0 ． 0 5 In时 自动停止。 2 各卧倒门液压 缸运行时要求动作 互锁 。 3 承船厢 上 、下 游 防撞 收稿 日期 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 4 作者简介 车 晓杰 1 9 7 5 一 ，男 ，工程师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 车晓杰， 等∥杭州西溪液压升船机集控系统设计 链 的升 、降与同侧 的承船厢 卧倒 门的关 、开 同时进 行。 4 承船厢下降速率要求控制精确。 5 承船 厢在升 降过程 中，4根主顶 推液压缸 的不 同步误 差 应小 于 2 0 mm。 6 卧倒 门或防撞链 的两液压缸 同 步运行 。 7 承船厢 与上游 对接过 程 中，加紧装 置 的加紧与松开 ，顶 紧装置 的顶 紧与退 回，密封 框推 出及回收 ，间隙的充水及 泄水等需 依次执 行。 8 承船厢上下行均按 照给定 的速 度运行 。 9 有 完善 可靠的过载 、超速及 事故应 急处 理的保护措施 ，确 保升船机安全运行。 1 0 有完善、先进 的通信设 施 ，监视 系统。 2 ． 3 升船机运转控制程序 升船机以承船厢下降或上升为一个循环，双 向运 行 1 次总耗时问约 1 6～ 2 0 rai n 。其运转 、控制过程如 下 。 1 下行 。①发 出进厢令 声光信 号，提升下 游 防撞链 ，下行船进入承船厢 、系缆 ，发出船舶到 位信号 。②提升上游 防撞链 ，关闭上游 卧倒 门 ，提 升厢前下沉 门。③ 打开运行排水蝶 阀。④发 出下 降 信号。⑤承船厢按设计速度下降运行至厢内水位与 下游水位平齐。⑥打开下游卧倒门，放下下游防撞 链，关闭运行排水蝶阀。⑦发出厢令 声光信号 ， 下行船 出厢。 2 上行。① 发进厢令 声光信 号 ，上行船 入 厢 、系缆提升上游防撞链 ，发出船舶到位信号。②提 升下游防撞链，关闭下游卧倒门。③发出上升信号。 ④承船厢按设计速度上升运行至厢 内水位与上游水位 平齐。⑤降低下沉门并充水，厢内水位与上游水位平 齐 。⑥打开上游卧倒门，放下上游 防撞链。⑦发 出厢 令 声 、光信号 ，上行船出厢。 3 升船机集控系统设计 在充分考虑了杭州西溪天堂液压升船机的特点 ， 借鉴了目前建成的一些卷扬提升式升船机电气控制系 统 的先进技术后 ，研究人员设计并采用了分层分布式 开放系统 。 3 ． 1 集控 系统结构 升船机集控系统从功能上分为主控层和现地控制 层 ，如图 1所示 。 1 主控层。①主控层设于 中控室操作 台上， 由两个操作员工作 站及 视频服务器组成 ，用作人机 接 口设备 。② 主控层 是升船机 站 的实 时集控 中心 。 负责采集和处 理来 自现地控 制层 的各种运行 参数 ， 制作运行 报表 、完成 人机 对话 设 备 的运 行 监视 ， 国 囤⋯ ‘ 摄像头 摄像头 摄像头 一 工业交换机 工业以太网 I 醚换 机 热备 触摸屏 I 面 皿 一 RI Ol R1 02 主机房L C U 图1 计算机监控系统 事故和故 障报警 ，对运行设备 的人工干预及集控 系 统各种参数的修改和设置 等 、通航 自动调度指挥 、 视频监控多画面分割 ，实现 与现地控制层 和上 级调 度部 门的通信。 2 现地控制层 。①现地控制层设 于电气设备房 的 P L C控制柜 ，采用双 C P U硬件冗余方案。通信协 议选用百兆工业以太网和 T C P ／ I P协议 。冗余 P L C之 间通过光纤通信 ，P L C与现地子站之间通过同轴电缆 通信，实现远程控制。②现地控制单元对所管辖的生 产过程进行完善的监控。现地控制单元能脱离主控层 独立完成生产过程的实时数据采集及预处理、本单元 设备状态监视和控制等功能。 3 ． 2工业电视监视系统结构 工业电视监视系统采 用“ 数字 ” 的配置方式 ，采 用摄像机输出视频信号进入计算机数字视频压缩、 存 储和网络传输技术方案。客户端主机对现场的所有监 视点进行实时全程录像 ，其监视流程如图 2所示 。 全站设 8个监视点 ，全 面提供 升船 机的实时 图 像。视频信号输入视频服务器，显示并保存。 3 ． 3 交通指挥系统 交通指挥系统由通航信号灯等组成。通航信号灯 采用双色信号灯 ，每组灯柱上 同杆安装分别面 向上 、 下游的红 、绿 的双色灯 。 3 ． 4 自动广播系统 升船机配置一套广播指挥系统 ，在上闸首 、主机 水利水电技术第4 5 卷2 0 1 4年第1期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 车晓杰， 等∥杭州西溪液压升船机集控系统设计 图 2监控 系统 监视 流程 房和下闸首等部分安装喇叭 ，用 以安全宣传及指挥运 行。 4 电气控制系统先进性 西溪升船机电气控制系统在硬件和软件两方面采 用了 目前先进的 电气技术 ，主要体现在如 下几 个方 面 。 4 ． 1 先进的硬件架构 借助于最新的 MO D I B U S T C P ／ I P工业 以太 网 I ／ 0 的电气集成技术 ，使灵活性 、安全性、通用性和可扩 展性等特点融合在一起。MO D I B U S T C P ／ I P网络和总 线系统是基于工业 以太 网解决方案构建而成的，实现 “ 透明” 地访 问从 现场级 到企业级 的信息 。作为面 向 未来 的网络技术 ，工业 以太网可以为用户 的控制系统 提供具有极强容错性和自愈性的以太网冗余环，主控 层和现地层以太网提供融可靠性和经济性于一体的环 网拓扑结构 ，支持通过多种总线实现与智能仪表设备 的互联。 4 ． 2 模块化的软件设计 控制系统 以可编程控制器 P L C 为核心 ，P L C及 水利水电技术第4 5卷2 0 1 4年第 l期 上位机程序直接关联执行动作，编写时根据总体设计 要求 、各个分系统信息共享要求 、中央集 中控制与现 地子站的通讯接口要求和现地子站间通讯接 口要求， 将各项控制功能做到模块化设计。 软件模 块 主要 分 为 主控 层 和 现地 层 两 部 分。 主控层 模 块 结 构 主 要 有 控制 指 令 表 选 择 模 块 、 通信 接 口模块 、信号采 集模块 、卡尔曼 滤波模块 、 运行参 数 处 理模 块 、速 度 控制 模 块 、主 提升 四缸 同步控制 、运行 状 态 显示 模块 、逻辑 闭 锁条 件模 块 、故障处 理 模 块 、扩 展 功 能 模 块 和其 他 模 块。 现地层模块结构主要有四缸同步比例阀调节控制 模块 、主提升上升下 降控制模块 、主提升油缸 速度 给定模块、上下游水位对接控制模块 、各子系统状 态信息显示报警 、其他辅助设备控制模块 和其他 模 块 。 4 ． 3最优控制理论 在主提升油缸上 升、下降过程 中，分不 同阶段 上升时为出水一慢速一快速一慢速一对接 ，下降时 为出水一慢速一快速一慢速一对接 ，分别采用不 同 控制方式控制比例阀阀口开度，确保同步控制的快速 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 车晓杰， 等∥杭州西溪液压升船机集控系统设计 性 、精确性与稳定性。闭环反馈控制程序的 P I D参数 经过实践不断调整 ，使 同步控制达到最佳状态 ，保证 了乘客乘坐时的舒适平稳。 4 ． 4 卡尔曼滤波 借鉴并引用了卡尔曼滤波，把每次采样的实际油 缸行程测量值和对下个采样周期油缸行程预测值作为 重要因素来进行滤波 ，对随机产生的误差干扰信号有 效过滤，改善噪声对位移传感器数据的影响，使同步 控制更加精确、稳定，承船厢在升降过程中更加平 稳。 4 ． 5 安全冗余控制技术 升船机属于特种设备 ，且有载人需求 ，故在安全 性上必须做到万无一失。液压升船机的安全控制有许 多种类 ，如液压管路安全防爆裂技术属于纯液压动作 的安全反馈控制技术。在电气 、计算机等领域采用了 以下几种安全冗余控制技术。 1 双线路供电、自 动切换技术。采用两路 1 0 k V 配电系统，两个独立电源互为备用运行方式。4 0 0 V 配电系统设置双 电源 自动切换装置 ，正常时由常用电 源供电。当常用 电源失电 故 障或检修 后 ，电源 自 动切换装置将负荷切换到备用电源供电。 2 油泵电机组采用两用一备的运行模式 。采用 三组 A C 3 8 0 V、4 5 k W 高性能油泵 电机组 ，实际工作 中使用两组，另一组作为紧急情况备用。 3 主提升油缸动态实时纠偏控制与超差保护 。 本项 目所用到的同步纠偏控制技术是在实时监控基础 上建立的一套先进可靠 的电液联调控制技术 。设计要 求主提升 4只油缸最大行程误差不能超过 2 0 m m，当 行程超差 2 0 m m 时，P L C程序关 闭相应 电磁 阀，当 行程超差 2 5 m m时 ，上位机发 出指令 ，关 闭所 有油 泵电动机组及相应电磁 阀。实际运行后显示 ，同步误 差不超过 8 mm。 4 三种运行操作模式。整个 系统设 置三种运行 模式 ，即全 自动集 中控制 、子站 独立控制 和手 动控 制 ，并通过计算机图形界面，为操作人员实现三种模 式的便捷切换与操作。这种组合既能够满足不同层次 的操作要求 ，又能够保证不同情况下的安全性能。 5 结语 杭州西溪液压升船机是 目前 国内较少应用的液压 式升船机 ，目前 已顺利完工并验收。长期运行表明， 该升船机监控系统设计合理 ，系统运行稳定 、可靠 、 操作简便，具有完善的安全保护功能，为今后相关行 业的液压升船机提供了借鉴作用 。 参考文献 [ 1 ] 郑朝 印 ．升 船机 监控 系 统研 究 [ D] ．大 连 大 连海 事 大学 ， 2 o 0 4 ． 【 2 ] 刘红兵 ．升船机主拖动系统性能研究 [ D ] ．哈尔 滨哈尔滨工 程大学 ，2 0 0 3 ． [ 3 ] 黄建平，易春晖．丹江口大坝升船机监控系统设计[ J ] ．人民 长江 ，2 0 1 2 ，4 3 5 3 9 - 4 1 ． 责任编辑郭利娜 七 电- 6“ 七 - 6“ - 6 “ 电- 6 七- 6 “ 4- “ - 6 “ 女 - 6“ - 4 -“ - 6“ 4- “ 上接第 6 4页 围岩的受力状态 。 4 隧道受地 震加 速度 值影 响较大 。随着地震 加速度的增加 ，隧道围岩的各项力学指标也逐渐增 加 。 参考文献 [ 1 ] 郑永来 ，杨林德 ，李文艺 ，等 ．地 下结构抗震 [ M] ．上海 同 济大学出版社 ，2 0 0 5 ． [ 2 ] Wa n g W L ，Wa n g T T，S u J J ．A s s e s s m e n t o f d a m a g e i n m o u n t a i n t u n n e l s d u e t o t h e T a i w a n C h i - C h i E a r t h q u a k e [ J ] ．T u n n e l i n g U n d e r g r o u 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