自动化系统在橡胶坝工程中的应用.docx
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自动化系统在橡胶坝工程中的应用
自动化系统在橡胶坝工程中的应用
一节、建设橡胶坝自动控制系统的目的
齐齐哈尔市橡胶坝工程是一座现代化的水利控制工程,是黑龙江省内最大、最现代化的橡胶坝工程。
其自动化控制系统是体现其整个项目先进科技水平核心部分,因此,在自动化控制系统的设计过程中,采用最先进的、最可靠的、最实用技术,主要体现在自动控制技术、无线网络通信技术、视频压缩传输技术等方面:
自动控制技术:
采用闭环系统全自动可视控制,支持人机对话、支持二次开发并具有良好的兼容性。
各控制变量(如水位、闸门高度、阀泵状态)可进行动态实时检测。
各监测数据可实现仪表独立、实时显示,且上位机同时并行显示处理。
各类监测、控制数据能够自动保存、并整理分析。
根据齐齐哈尔橡胶坝充排水系统调度管理的要求,编写出支持各控制过程的自动运行程序。
自动控制系统的应用将有效地提高工作效率,并保障控制流程准确、避免操作失误。
监控数据的自动记录及整理对今后胶坝控制运行的方式调整提供了重要依据。
如滤定参数的校正,流量控制范围的选择修改。
无线网络通信技术:
采用先进的无线ETHERNET网10M宽带通信技术,实现了主副坝数据通信,以及现地控制中心网络与水务局办公网络的高速连接。
为主副坝远程联合控制;远程视频监控、自动控制数据信息的远程监控提供了保证。
由于采用的是独立的无线网络系统,而没有使用电信部门收费的、带宽有限的数据线路(如ADSL、DDN),因此能够确保通信。
视频压缩传输技术:
视频数字式录像,图像采用MPEGI压缩格式。
支持无线传输,支持历史数据查找。
上诉各项技术的应用,实现了橡胶坝整体远程视频监控及运行自动控制。
使该水利工程自动化程度达到了国内先进水平。
二节、自动控制系统的控制任务
根据橡胶坝充排水系统调度管理的要求,齐齐哈尔橡胶坝自动控制系统的控制任务将有以下几个方面组成:
主副坝联合控制、闸坝联合控制、闸门单独调控、坝袋单独调控。
1、主副坝联合控制
齐齐哈尔橡胶坝主副坝设计壅水位145.50m,坝顶高程145.40m。
在向坝袋充水时,主副坝袋应同时充水升至设计坝高。
并且按照主副坝分流比——Q-e曲线(见图1.1),调节主副坝闸门高度开启度e,过闸流量为Q副;在上下游水位差≤3.3m情况下(以后可根据实际运行情况调整水位差)逐步调节闸门开启度,使坝上水位逐渐升高,然后进入到下一个控制任务—闸坝联合控制。
坝袋排水时,也将遵循主副坝分流比——Q-e曲线,调节主、副坝的坝袋、闸门。
然后也将进入到下一个控制任务—闸坝联合控制。
在编写上位机主副坝联合控制程序时主要考虑:
(1)上游流量的输入与计算;
(2)主副坝分流比——Q-e曲线的计算;(3)上下游水位的监测;(5)主副坝间的网络通信与数据共享。
图1.1
2、闸坝联合控制
对主、副坝而言,它们的基本组成均是4跨坝袋、2孔泄水闸。
对主坝或副坝的控制就是对他们的4跨坝袋和2孔泄水闸的联合控制。
充坝袋时分为三种情况:
(1)当第一次充水时、
(2)当嫩江流量逐渐增加,但Q总≤1250m3/s时、(3)当嫩江流量逐渐减小时
塌坝袋时根据嫩江流量Q总采取不同调度方案:
(1)、当嫩江流量:
1250≤Q总<2200m3/s时,分别将主副坝各塌1孔,或主副坝只塌1孔与闸共同调节,保证坝上正常水位。
(2)、当嫩江流量2200≤Q总<2700m3/s时,主副坝分别塌2孔,或主副坝共塌3孔,与闸调节,保证坝上正常水位。
(3)、当嫩江下游2700≤Q总<2900m3/s时,主副坝分别塌3孔,或主副坝共塌5孔,与闸调节,保证坝上正常水位。
(4)、当Q总>2900m3/s时,主副坝分塌,闸全开。
在编写上位机闸坝联合控制程序时应考虑:
(1)上下游水位的监测;
(2)闸门的启闭高度监测;(3)坝袋高度的监测;(4)水泵状态检测;(5)各阀门状态检测;(6)闸门控制柜、阀门控制柜、泵控制柜等与上位机的通信;(7)上位机闸门、阀门、泵的控制程序。
3、闸门单独调控
在橡胶坝的自动控制过程中,经常需要对闸门的单独调控(如闸门检修),这时就需要建立闸门单独调控程序。
在编写上位机闸门单独调控程序时应考虑:
(1)上下游水位的监测;
(2)闸门的启闭高度监测;(3)闸门控制柜、与上位机的通信。
4、坝袋单独调控
在橡胶坝的自动控制过程中,也经常会需要对坝袋进行单独调控(如过船),这时就需要建立坝袋单独调控程序。
在编写上位机坝袋单独调控程序时应考虑:
(1)上下游水位的监测;
(2)各坝袋高度的监测;(3)阀门控制柜、泵控制柜等与上位机的通信;(4)上位机阀门控制程序、水泵控制程序。
三节、橡胶坝自动控制系统的程序设计及硬件组成
齐齐哈尔橡胶坝自动控制系统的程序设计将按以下几个方面设计:
主副坝联合控制程序、闸坝联合控制程序、闸门单独调控程序、坝袋单独调控程序。
自动化控制系统的硬件组成将包括:
控制主机、数显仪表、水位传感器、智能控制箱、视频监控主机、摄像头、无线网桥等。
一、自动控制系统的程序流程设计
(一)、主副坝联合控制程序
1、程序设计:
为保证主副坝设计壅水位145.50m,坝顶高程145.40m。
必须进行主副坝联合控制
坝袋充水时,主副坝袋应同时充水升至设计坝高。
并且按照主副坝分流比——Q-e曲线调节主副坝闸门高度开启度e,过闸流量为Q副;在上下游水位差≤3.3m情况下(以后可根据实际运行情况调整水位差)逐步调节闸门开启度,使坝上水位逐渐升高,然后进入到下一个控制任务—闸坝联合控制程序。
坝袋排水时,也将遵循主副坝分流比——Q-e曲线,调节主、副坝的坝袋、闸门。
然后也将进入到下一个控制任务—闸坝联合控制程序。
2、程序框图:
根据主副坝河槽分流比Q-e曲线,计算得出主副坝流量Q
3、开发与语言:
主程序采用组态软件编写,通信程序采用vc/vb编写
(二)、闸坝联合控制程序
主、副坝的基本组成均是4跨坝袋、2孔泄水闸。
闸坝联合控制程序的设计就是对主副坝的坝袋充排水控制和泄水闸启闭控制的设计。
其具体分为3个子程序:
充坝运行调度子程序、正常运行调度子程序、塌坝运行调度子程序。
闸坝联合控制程序实现的目的是:
结合(水利工程)流量计算公式进行流量Q、H、h的计算,通过自动调节闸门开启高度H、坝袋充涨高度h,来实现胶坝的恒定泄水流量控制。
流量计算公式的部分系数,需要经过滤定测试以及实际胶坝控制开始并使用一段时间后,进行统计、校整,才能达到理想的自动控制运行状态。
·操作员根据上下游水文信息给出目标写水流量;
·橡胶坝恒定流量自动控制程序依据流量计算公式计算出闸门开启高度、坝袋充涨高度;
泄水闸正常运用时不同开启度流量计算方法:
当闸门开启度e<3.9m时,按孔流计算,e>3.9m时,按堰流计算,孔流计算公式为:
式中:
he—孔口高度(m);
μ—孔流流量系数;
φ—孔流流速系数,采用0.95;
ε’—孔流垂直收缩系数;
λ—计算系数;
r—胸墙低圆弧半径(m);
σ’—孔流淹没系数。
橡胶坝的流量计算
流量计算采用宽顶堰公式:
m—堰流流量系数,采用0.4;
ε—堰流侧收缩系数;
σ—淹没系数。
·通过智能控制箱将计算出来的闸门开启高度传递给闸;
·根据计算出来的胶坝充涨高度分别对蝶阀控制柜、水泵控制柜、压力及液位传感器进行控制检测。
1、充坝运行调度子程序设计:
(1)程序设计:
第一步:
判断拦冰坎前水位
●如充坝前水位高于拦冰坎(主坝拦冰坎高程142.60m,副坝拦冰坎高程142.60m),则程序执行至第三步。
●如充坝前水位低于拦冰坎,则程序执行至第二步。
第二步:
使坝前水位高于拦冰坎
●逐步下落主副坝闸门,使闸前水位升至拦冰坎(注意:
水位不能超过拦冰坎)。
第三步:
主副坝袋充水升至设计坝高:
●按设计要求:
主副坝设计壅水位145.50m,坝顶高程145.40m。
(2)充坝运行调度子程序框图:
(见图3.1)
技术说明:
1。
闸门高度定义为H;
2.四个坝袋顺序定义为NO1,NO2,NO3,NO4;
3.NO1(NO2,NO3,NO4)=1,为该坝袋被选中;
4..NO1(NO2,NO3,NO4)=0,为该坝袋未被选中;
5.主坝流量记为Q
2、正常运行调度子程序设计:
(1)程序设计:
第一步:
判断流量Q总值:
根据上游同盟站及齐齐哈尔水位站的资料,判断嫩江水流量Q总值:
分A、B两种情况
情况A当嫩江流量为Q总<200m3/s时,橡胶坝需降坝运行:
1)首先调闸门单独调控程序--调节副坝闸门,按照副坝Q-e曲线(见附图)调节开启度e,过闸流量为Q副;
2)然后调闸门单独调控程序--调节主坝闸门高度,在上下游水位差≤3.3m情况下(以后可根据实际运行情况调整水位差)逐步调节闸门开启度,使坝上水位逐渐升高,一直调至上游水位稳定24小时不变;
3)调坝袋单独调控程序--降低主坝高度,使坝顶溢流水深为0.2m;
4)调坝袋单独调控程序--降低副坝高度,使坝顶溢流水深为0.2m;
5)调闸门单独调控程序--微调主副坝闸门开启度,保持坝顶溢流水深0.2m。
情况B:
当嫩江流量为200≤Q总<1250m3/s时,橡胶坝正常运行:
1)首先调闸门单独调控程序--调节副坝闸门,按照副坝Q-e曲线(见附图)调节开启度e,调至闸过流量为Q副;
2)然后调闸门单独调控程序--调节主坝闸门开启度e,使坝上水位逐渐升高,水位达到设计水位145.60m;
3)调闸门单独调控程序--微调主副坝闸门开启度e,保持坝顶溢流水深0.2m。
第二步:
判断流量Q总变化值△Q总>0:
(当流量增加△Q总>0,执行此步程序)
根据上游同盟站及齐齐哈尔水位站的资料,判断嫩江水流量的变化
值△Q总,分为△Q总≤50m3/s和△Q总≥50m3/s两种情况:
△Q总≤50m3/s时:
(流量增加值以50m3/s为限,小于50m3/s)
流量增加值以50m3/s为限,小于50m3/s,不进行调整,增加流量由增加坝顶溢流水深解决。
△Q总≥50m3/s时:
1)当初始条件为第一步情况A,且△Q总增加后的Q总未达到200m3/s时:
调用坝袋单独调控程序---在保证主坝上下游水位差≤3.3m情况下,升高主副坝坝袋,重复第一步情况A;
2)当初始条件为第一步情况A,且△Q总增加后的Q总超过200m3/s时:
分别调用闸门单独调控程序、坝袋单独调控程序---重复第一步情况B,使主副坝水位达到设计水位(主坝设计水位145.60m,副坝设计水位145.40m)。
3)当初始条件为第一步情况B,分别调用闸门单独调控程序、坝袋单独调控程序----重新调节主副坝闸门开启度e,保证水位达到设计水位。
第三步:
判断流量Q总变化值△Q总<0:
(当流量增加△Q总<0,执行此步程序)
当嫩江流量逐渐减小且坝顶溢流水深为0.05m时,应进行调节,分别降低坝高和调节闸开启度e,使坝顶溢流水深0.2m。
调节坝堤高和闸门开启度时,保证主坝上下游水位差≤3.3m。
1)当初始条件为情况A时,降低主副坝坝高,重复情况A。
2)当初始条件为情况B时,降低主副坝闸门开启度e,保证位达到设计水位。
(2)正常运行调度子程序框图:
见(图-3.2)
3、塌坝运行调度子程序设计:
(1)程序设计:
当Q总≥1250m3/s时,根据嫩江流量Q总的不同采取不同调度方案,
分别调用闸门单独调控程序、坝袋单独调控程序----完成以下调度条件
1)、当嫩江流量:
1250m3/s≤Q总<2200m3/s时,分别将主副坝各塌一孔,或主副坝只塌一孔与闸共同调节,保证坝上正常水位。
时
2)、当嫩江流量2200≤m3/sQ总<2700m3/s时,主副坝分别塌2孔,或主副坝共塌3孔,与闸调节,保证坝上正常水位。
3)、当嫩江下游2700m3/s≤Q总<2900m3/s时,主副坝分别塌3孔,或主副坝共塌5孔,与闸调节,保证坝上正常水位。
4)、当Q总>2900m3/s,主副坝分塌,闸全开。
<正常运行调度子程序框图>:
(图-3.2)
步骤一、〈判断流量Q总保持坝顶溢流水深0.2m〉
开始运行
判断流量Q总值
200≤Q总<1250m3/s
判断流量Q总值
Q总<200m3/s
副坝_闸门单独调控程序
副坝_闸门单独调控程序
情况A情况B
主坝_闸门单独调控程序
主坝_闸门单独调控程序
上下游水位差≤3.3m
稳定24小时不变水位达到设计
水位145.60m
主坝_坝袋单独调控程序
降低主坝高度
使坝顶溢流水深
为0.2m
副坝_坝袋单独调控程序
降低主坝高度
使坝顶溢流水深
为0.2m
主、副坝_闸门单独调控程
主、副坝_闸门单独调控程
微调主副坝保持坝顶溢流微调主副坝保持坝顶溢流
闸门开启度水深0.2m闸门开启度水深0.2m。
去_步骤二
去_步骤二
步骤二:
判断流量Q总变化值△Q总>0:
(当流量增加△Q总>0,执行此步程序)
步骤一:
流量Q总值
Q总<200m3/s
步骤一:
流量Q总值
Q总<200m3/s
情况A情况B
判断流量Q总变化值△Q总值(减少or增加)
流量减少流量减少
△Q总<0NN△Q总<0
YY
主、副坝
闸门单独调控程序
主、副坝
坝袋单独调控程序
降低主副坝坝高降低主副坝
闸门开启度e
返回步骤一
开始
返回步骤一
开始
Y
返回步骤一
开始
YN不调整Y
主、副坝
闸门单独调控程序
主、副坝
坝袋单独调控程序
调整闸门开度
主、副坝
坝袋单独调控程序
升高主副坝坝袋步骤一
B情况
返回步骤一
开始
返回步骤一
开始
考虑塌坝调整
返回步骤一
开始
三、闸门单独调控程序
1、程序设计:
通过上位机与闸门控制柜通过RS485方式建立通信连接。
闸门单独调控程序可以从闸门控制柜上读取闸门升降高度H,
并且通过PLC指令对其进行升降操作。
2、程序框图:
(见图3.2)
3、开发与语言:
主程序采用组态软件编写,通信程序采用vc/vb编写
四、坝袋单独调控程序
1、程序设计:
上位机通过智能控制箱与阀门控制柜、泵控制柜方式建立通信连接。
并且通过C51指令对其进行开阀、关阀操作,从而控制了各坝袋的高度。
包括坝袋单独调控程序、坝袋启停充水子程序。
2、程序框图:
坝袋单独调控程序(见图3.3)
坝袋启停充水子程序(见图3.4)
3、开发与语言:
主程序采用组态软件编写,通信程序采用vc/vb编写
第二节自动控制系统的软件功能设计
一、数据采集和处理模块
1、通过智能控制箱,可以实时接收传感器及各控制柜的状态数据,定时或随时向智能控制箱、各控制柜发出指令。
实现数据检错、合理性检查、纠错等功能,并自动存入历史数据库;
2、实时采样功能;
3、通过智能控制箱、数显仪表、485总线巡检传感器及各控制柜运行状态;
4、泵运行参数处理;
5、电动蝶阀运行参数处理;
6、闸门数据处理功能;
7、数据越限告警;
8、数据打印。
二、报表统计模块
1、各水位、闸门平均时段、日报表;
2、橡胶坝各坝段操作统计:
各坝段充排状态、压力指数;
3、各电动蝶阀启闭状态统计和制表:
4、自动计算统计功能;
5、水位日、月、年统计表;
6、闸门操作统计:
动作次数、闸门开度:
7、故障统计:
名称、等级、时间。
三、查询检索模块
1、通过图表形式查询、检索、实时、历史、水位;
2、查询检索设备工作状态、告警记录信息:
3、查询、检索各传感器及各控制柜的工作状态。
5.4告警模块
1、报警的报警画面自动推出;并可以同时进行告警通知相关人员:
2、闸门控制柜、水泵控制柜、电动蝶阀控制柜发生故障时,可实时查询告警信息。
5.5泵站、闸门实时远程控制模块
1、通过无线微波通信设备、网络版组态软件保证实现各橡胶坝段及电动蝶阀的远程控制;
2、可实现在水利局办公楼对各橡胶坝段及电动蝶阀、水泵的远程控制
5.6中控系统软件其他功能
1、具备多级安全设置,操作员号、密码可修改:
2、具备开机自检流程和系统故障提示功能;
第三节自动化控制系统的硬件组成
一、坝袋充排水管压力传感器
用于检测从排水管的压力,计算坝袋内的水位,确定坝袋的高度。
·特点:
1、316不锈钢隔离膜片,全不锈钢外壳,有卓越的抗腐蚀性能
2、激光调阻温度补偿,使用温域宽+
3、
采用进口扩散硅芯片,长期稳定性好
4、标准的变送器连接器或航插接口
·主要技术指标:
测量范围:
0-150kpa内各量程
输出信号:
4-20mA供电电压:
24VDC
工作温度:
0-50℃
测量精度:
B级≤±0.5%
二、集水井、调压井、上下游水位传感器
用于检测集水井、调压井内、上下游的水位确保水泵工作的安全;
保证坝袋充排水系统的有序进行。
·主要技术指标:
测量范围:
0-15m
输出信号:
4-20mA
供电电压:
18-36VDC
工作温度:
0-50℃
测量精度:
B级≤±0.5%
·特点:
全不锈钢密封结构;投入或引压测量方式;
防浪涌电压、防极性反向,电缆连接耐油、耐水。
三、数显仪表
·安装在主控台面板上,直接仪表数显坝袋内水位、上下游水位、集水井调压井水位;
·向上位机(中央控制系统)传送压力、水位数据;
·当上位机出现故障时,仍可以显示压力、水位情况,为紧急情况下的手动控制操作提供参考数据。
·用途
与各类传感器、变送器配合,完成对温度、压力、液位、容量、力等的测量显示、告警控制、数据采集、记录。
·特点
0.2%F.S高精度,自校准和人工校准功能。
克服长时间使用和环境温度变化引起的误差;
多重保护、隔离设计,抗干扰能力强、可靠性高;
丰富的软件功能及方便的操作界面;
完善的网络通讯功能;与计算机进行高速、高效的的双向数据交换。
具备远程调试、诊断、数据采集能力;
良好的软件平台,具备二次开发能力,以满足特殊的功能要求。
·主要技术参数
精度:
测量控制周期:
0.2s;显示范围:
-1999至9999
测量精度:
±0.2%F.S±1个字,自动对温漂、时漂进行补偿
测量分辨率:
1/16000,14位A/D转换器
告警方式:
告警方式、灵敏度可设置;
告警输出接点容量:
AC250V、2A(阻性负载)
传感器故障继电器输出(扩展功能)
变送输出:
4~20mA、0~10mA、0~20mA可通过设置选择。
其它信号输出
需在订货时注明。
精度:
±0.3%F.S
外供电源:
大于30mA
电源电压:
V0:
AC187~242V,耗电量5VA以下,
V1:
DC20V~28V,耗电量4VA以下,
工作环境:
温度:
0~50℃湿度:
20~90%RH
四、智能控制箱
智能控制箱作为下层电气的执行控制机构,承担各受控对象的数据采集、控制、传输等任务.是各受控对象(传感器、控制柜)与中央控制系统(上位机)的传输及控制中枢。
其功能如下:
·接收中央控制系统(上位机)自动控制程序指令,并向电动蝶阀控制柜、
水泵控制柜、闸门控制柜发送启、停等控制指令
·自动采集设备运行状态,并向中央控制系统发送信息
·具备数字量、模拟量输入输出回路隔离保护功能:
五、电动蝶阀控制柜
·安装手动、自动旋钮,接智能控制箱的控制;
·用于控制各管道的通、闭
·工作原理、方法祥见阀门生产单位说明资料。
六、水泵控制柜
·安装手动、自动旋钮,接受智能控制箱的控制;
·用于控制水泵电机的启、停
·工作原理、方法祥见水泵生产单位说明资料。
七、闸门控制柜
·安装手动、自动旋钮,接受智能控制箱的控制;
·用于泄水闸门的启、闭控制;
·可以显示闸门当前的启、闭高度;
·接受远控启、闭高度操作。
八、中央控制系统操作平台
·安装有工控计算机、视频计算机服务器、控制仪表。
·是综合控制系统的硬件平台。
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