井式进出水塔闸门同步运行装置及控制方法

摘要

本发明提供一种井式进出水塔闸门同步运行装置及控制方法，闸门与启闭机连接，所述的启闭机中，主控制器通过总线与分布式I\O控制器连接，分布式I\O控制器与分控制器连接，分控制器与变频电动机的变频器连接；在变频电动机中设有增量编码器，增量编码器与分布式I\O控制器连接，减速器的低速轴设有绝对值编码器，绝对值编码器与分布式I\O控制器连接。当开启闸门时，设置其中一台启闭机为主机，其他为从机；主机从机同步起升，当关闭闸门时，将相对称的两个闸门的启闭机设置为一组，设置其中一台启闭机为主机，另一台为从机；同组的闸门同步关闭，各组之间间隔30秒关闭。以上方案，有效的保护了井式进出水塔和发电机组。

权利要求

1.一种井式进出水塔闸门同步运行装置，包括设置在进出水塔（10）沿放射状分布的多个孔口（11）的闸门，其特征是：在各个闸门中，闸门与启闭机连接，所述的启闭机中，变频电动机通过制动联轴装置与减速器的输入轴连接，减速器的输出轴通过连接机构与卷扬装置连接，卷扬装置通过滑轮组与闸门连接；

在变频电动机中设有增量编码器，增量编码器与分布式I\O控制器（14）连接，减速器的低速轴设有绝对值编码器，绝对值编码器与分布式I\O控制器（14）连接；

主控制器（12）通过总线（16）与第一闸门（1）的分布式I\O控制器连接，第一闸门（1）的分布式I\O控制器与第一闸门（1）的分控制器连接，第一闸门（1）的分控制器与第一闸门（1）的变频电动机的变频器连接；

第一闸门（1）的分布式I\O控制器与第二闸门（2）的分布式I\O控制器连接，第二闸门（2）的分布式I\O控制器与第二闸门（2）的分控制器连接，第二闸门（2）的分控制器与第二闸门（2）的变频电动机的变频器连接；

以此类推，将各个闸门以总线（16）互相连接；

所述的启闭机设有两台变频电动机，分别位于闸门的两端，两台变频电动机之间采用机械同步轴连接；两台变频电动机之间采用主从力矩控制。

2.根据权利要求1所述的一种井式进出水塔闸门同步运行装置，其特征是：所述的分布式I\O控制器采用西门子ET200。

3.一种采用权利要求1 2任一项所述的井式进出水塔闸门同步运行装置的控制方法，~其特征是包括以下步骤：

一、当开启闸门时，设置其中一台启闭机为主机，其他为从机；

根据绝对值编码器获得主机和从机所控制闸门的高程，计算两个闸门的高程差Z，与设定值进行比较;当|Z|≤设定值时，不调节；

当|Z|＞设定值时，将该值作为从机启闭机调节值，通过主控制器（12）控制从机启闭机的变频器（15），再控制从机启闭机的变频电动机转速，调节从机所控制闸门的升降速度，从而达到主机和从机所控制闸门的高程一致；

二、当关闭闸门时，将相对称的两个闸门的启闭机设置为一组，设置其中一台启闭机为主机，另一台为从机；

根据绝对值编码器获得主机和从机所控制闸门的高程，计算两个闸门的高程差Z，与设定值进行比较；

当|Z|≤设定值时，不调节；

当|Z|＞设定值时，将该值作为从机启闭机调节值，通过主控制器（12）控制从机启闭机的变频器（15），再控制从机启闭机的变频电动机转速，调节从机所控制闸门的升降速度，从而达到主机和从机所控制闸门的高程一致；

其他组的闸门控制以此类推；各组的闸门间隔30±5秒再启动；

通过以上步骤，实现闸门的同步运行。

4.根据权利要求3述的的控制方法，其特征是：变频电动机的转速通过增量编码器反馈至当前变频电动机所连接的分控制器（17），实现闭环控制。

5.根据权利要求3述的的控制方法，其特征是：主机和从机所控制的闸门的高程差值控制在100mm之内。

6.根据权利要求3述的的控制方法，其特征是：在孔口以上启闭速度按2.4±0.4m/min控制，孔口以下启闭速度按1.2±0.2m/min控制。

说明书

井式进出水塔闸门同步运行装置及控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及抽水蓄能电站领域，特别是一种井式进出水塔闸门同步运行装置及控制方法。

背景技术

[0002] 随着我国用电负荷的不断增加，电网的用电结构和负荷曲线在不断变化，调峰问题日渐突出，作为电网调峰功能的水电站--高水头大容量抽水蓄能电站的建设也不断增多，以满足电网调峰要求。抽水蓄能电站一般由上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库及地面开关站等建筑物组成。通常上、水库设1个或多个井式进/出水塔，每个水塔分隔成多个孔口，设置有多孔闸门。每个水塔的启闭机有单吊点和双吊点控制，按水塔的直径大小，选择启闭机吊点数，直径大则闸门宽选择双吊点启闭机，直径小则闸门窄选择单吊点启闭机。原有的启闭机多靠人工调节，对闸门及发电设备造成一定的隐患。

[0003] 中国专利文献CN2753794Y即记载了一种抽水蓄能电站的井式进出水口结构，井式进出水口位于水库中，结构呈竖井式，顶部设有顶盖，进出水口分有若干个孔洞，呈放射状布置，每个孔洞两端设有闸墩，其尾部收缩成尖角，相邻两闸墩之间设有阶梯状分布的防涡梁。每扇闸门在一侧闸墩处设有门轴并在该侧的闸墩内开有储门槽。但是该结构的阻力较大，一般仅能适用于小型的水塔。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种井式进出水塔闸门同步运行装置及控制方法，能够控制多个闸门按设定的方式的自动同步启闭。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种井式进出水塔闸门同步运行装置，包括设置在进出水塔沿放射状分布的多个孔口的闸门，在各个闸门中，闸门与启闭机连接，所述的启闭机中，变频电动机通过制动联轴装置与减速器的输入轴连接，减速器的输出轴通过连接机构与卷扬装置连接，卷扬装置通过滑轮组与闸门连接；

[0006] 主控制器通过总线与分布式I\O控制器连接，分布式I\O控制器与分控制器连接，分控制器与变频电动机的变频器连接；

[0007] 在变频电动机中设有增量编码器，增量编码器与分布式I\O控制器连接，减速器的低速轴设有绝对值编码器，绝对值编码器与分布式I\O控制器连接。

[0008] 主控制器通过总线与第一闸门的分布式I\O控制器连接，第一闸门的分布式I\O控制器与第一闸门的分控制器连接，第一闸门的分控制器与第一闸门的变频电动机的变频器连接；

[0009] 第一闸门的分布式I\O控制器与第二闸门的分布式I\O控制器连接，第二闸门的分布式I\O控制器与第二闸门的分控制器连接，第二闸门的分控制器与第二闸门的变频电动机的变频器连接；

[0010] 以此类推，将各个闸门以总线互相连接。

[0011] 所述的分布式I\O控制器采用西门子ET200。

[0012] 所述的启闭机设有两台变频电动机，分别位于闸门的两端，两台变频电动机之间采用机械同步轴连接。

[0013] 两台变频电动机之间采用主从力矩控制。

[0014] 一种采用上述的井式进出水塔闸门同步运行装置的控制方法，包括以下步骤：

[0015] 一、当开启闸门时，设置其中一台启闭机为主机，其他为从机；

[0016] 根据绝对值编码器获得主机和从机所控制闸门的高程，计算两个闸门的高程差Z，与设定值进行比较；

[0017] 当|Z|≤设定值时，不调节；

[0018] 当|Z|＞设定值时，将该值作为从机启闭机调节值，通过主控制器控制从机启闭机的变频器，再控制从机启闭机的变频电动机转速，调节从机所控制闸门的升降速度，从而达到主机和从机所控制闸门的高程一致；

[0019] 二、当关闭闸门时，将相对称的两个闸门的启闭机设置为一组，设置其中一台启闭机为主机，另一台为从机；

[0020] 根据绝对值编码器获得主机和从机所控制闸门的高程，计算两个闸门的高程差Z，与设定值进行比较;

[0021] 当|Z|≤设定值时，不调节；

[0022] 当|Z|＞设定值时，将该值作为从机启闭机调节值，通过主控制器控制从机启闭机的变频器，再控制从机启闭机的变频电动机转速，调节从机所控制闸门的升降速度，从而达到主机和从机所控制闸门的高程一致；

[0023] 其他组的闸门控制以此类推；各组的闸门间隔30±5秒再启动；

[0024] 通过以上步骤，实现闸门的同步运行。

[0025] 变频电动机的转速通过增量编码器反馈至当前变频电动机所连接的分控制器，实现闭环控制。

[0026] 主机和从机所控制的闸门的高程差值控制在100mm之内。

[0027] 在孔口以上启闭速度按2.4±0.4m/min控制，孔口以下启闭速度按1.2±0.2m/min控制。

[0028] 在运行过程中，申请人经过观测发现，闸门不能同时关闭时，由于水头的压力变化，使闸门和发电机组容易被损坏。具体为井式进出水塔闸门是对称布置的，要求对称布置的闸门开启时同步运行，两端进入的水流平衡，以实现消能，如果不能同时开启，两端水流不平衡会给对面的胸墙造成冲击，长久冲击将影响井式进出水塔的使用寿命。尤其是发电机组出现问题时，该状况更为严重。

[0029] 本发明提供的一种井式进出水塔闸门同步运行装置及控制方法，通过采用分布式I\O控制器连接主控制器和分控制器的方案能够实现各个启闭机的同步控制，使启闭机的启闭同步，且该方案也容易布线，并且能够保证启闭机运行的响应速度和通讯一致性，容错性高。采用本发明的闸门同步控制的方法，有效的保护了井式进出水塔和发电机组。并使闸门的运行高度保持和设定为主机的启闭机一致，从而闸门可以按照设定要求同步起升、同步运行、同步关闭。本发明的实验结果达到了的设计要求。并且能够同时兼顾效率和安全。

附图说明

[0030] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

[0031] 图1为本发明的横截面示意图。

[0032] 图2为本发明的电气结构示意图。

[0033] 图3为本发明的PLC网路结构示意图。

[0034] 图中：第一闸门1，第二闸门2，第三闸门3，第四闸门4，第五闸门5，第六闸门6，第七闸门7，第八闸门8，进出水孔9，进出水塔10，孔口11，主控制器12，触摸屏13，分布式I\O控制器14，变频器15，总线16，分控制器17。

具体实施方式

[0035] 实施例1：

[0036] 如图1 3中，一种井式进出水塔闸门同步运行装置，包括设置在进出水塔10沿放射~状分布的多个孔口11的闸门，在各个闸门中，闸门与启闭机连接，所述的启闭机中，变频电动机通过制动联轴装置与减速器的输入轴连接，减速器的输出轴通过连接机构与卷扬装置连接，卷扬装置通过滑轮组与闸门连接；

[0037] 主控制器12通过总线16与分布式I\O控制器14连接，分布式I\O控制器14与分控制器17连接，分控制器17与变频电动机的变频器15连接；本例中的总线16采用Profibus-DP总线。

[0038] 在变频电动机中设有增量编码器，增量编码器与分布式I\O控制器14连接，减速器的低速轴设有绝对值编码器，绝对值编码器与分布式I\O控制器14连接，并通过分布式I\O控制器14与主控制器12连接。由此结构，实现对各个闸门的自动启闭控制，以便于实现同步的升降启闭，且布线结构具有一定的容错性，即便线路出现故障，仍不会影响各个闸门自行的自动控制，提高了稳定性。

[0039] 主控制器12通过总线16与第一闸门1的分布式I\O控制器连接，第一闸门1的分布式I\O控制器与第一闸门1的分控制器连接，第一闸门1的分控制器与第一闸门1的变频电动机的变频器连接；

[0040] 第一闸门1的分布式I\O控制器与第二闸门2的分布式I\O控制器连接，第二闸门2的分布式I\O控制器与第二闸门2的分控制器连接，第二闸门2的分控制器与第二闸门2的变频电动机的变频器连接；

[0041] 以此类推，将各个闸门以总线16互相连接。由此结构，实现对各个闸门的自动启闭控制，以便于实现同步的升降启闭，同时，整个PLC网络布局更为简单，布线更为方便。

[0042] 所述的分布式I\O控制器采用西门子ET200。由此结构，使布线更为简单，大幅降低通讯线路的布设成本。

[0043] 所述的启闭机设有两台变频电动机，分别位于闸门的两端，两台变频电动机之间采用机械同步轴连接。由此结构，便于实现双吊点的控制。

[0044] 两台变频电动机之间采用主从力矩控制。即以主变频电动机的变频器的输出扭矩为基础，调节从属的变频电动机的变频器的输出扭矩，以使两台变频电动机输出的扭矩相同。

[0045] 一种采用上述的井式进出水塔闸门同步运行装置的控制方法，包括以下步骤：

[0046] 一、当开启闸门时，设置其中一台启闭机为主机，其他启闭机为从机；

[0047] 根据绝对值编码器获得主机和从机所控制闸门的高程，计算两个闸门的高程差Z，与设定值进行比较；

[0048] 当|Z|≤设定值时，不调节；

[0049] 当|Z|＞设定值时，将该值作为从机启闭机调节值，通过主控制器12控制从机启闭机的变频器15，再控制从机启闭机的变频电动机转速，调节从机所控制闸门的升降速度，从而达到主机和从机所控制闸门的高程一致；

[0050] 二、当关闭闸门时，将相对称的两个闸门的启闭机设置为一组，设置其中一台启闭机为主机，另一台为从机；

[0051] 根据绝对值编码器获得主机和从机所控制闸门的高程，计算两个闸门的高程差Z，与设定值进行比较;

[0052] 当|Z|≤设定值时，不调节；

[0053] 当|Z|＞设定值时，将该值作为从机启闭机调节值，通过主控制器12控制从机启闭机的变频器15，再控制从机启闭机的变频电动机转速，调节从机所控制闸门的升降速度，从而达到主机和从机所控制闸门的高程一致；

[0054] 其他组的闸门控制以此类推；各组的闸门间隔30±5秒再启动；

[0055] 通过以上步骤，实现闸门的同步运行，保护发电机组的安全，且本发明的控制方法兼顾控制的精确程度和控制效率。

[0056] 变频电动机的转速通过增量编码器反馈至当前变频电动机所连接的分控制器17，实现闭环控制。

[0057] 主机和从机所控制的闸门的高程差值控制在100mm之内。

[0058] 在孔口以上启闭速度按2.4±0.4m/min控制，孔口以下启闭速度按1.2±0.2m/min控制。由此方法，提高启闭控制的效率。

[0059] 变频电动机的转速通过增量编码器反馈至当前变频电动机所连接的分控制器17，实现闭环控制。

[0060] 实施例2：

[0061] 在实施例1的基础上，某水蓄能电站上水库上水库共设2个井式进出水塔10，进出水塔10横截面是圆形的，进出水塔10的中间设有进出水孔9，每个进出水塔10分隔成8个与进出水孔9连通的孔口11，每个孔口11设有闸门和控制闸门升降的启闭机。水库的水经过水塔至输水管道再到地下发电机组，进水时要求水塔上的闸门同时开启并同步运行。本例共计16孔门槽及16套事故检修闸门，事故检修闸门图中未示出。本例采用固定卷扬式启闭机，启闭机的持住力：4500kN，启门力：2000kN，起升高度：55.0m，起升速度：0.24m/min～2.4m/min，孔口以上启闭速度按2.4m/min控制，孔口以下启闭速度按1.2m/min控制，吊点距：单吊点，工作级别：Q2-轻。每8台启闭机有一台控制操作台控制，安装在各自的进出水塔10启闭机房内，每台启闭机控制柜安装在机旁。井式进出水塔10闸门布置见图1。

[0062] 水库的水经过水塔至输水管道再到地下发电机组，进水时要求水塔上的闸门同时开启并同步运行，一旦机组出现问题，进进出水塔10相对对称的两扇闸门要同时启动关闭，每隔30秒钟再启动相对对称布置的另两扇闸门，每对同时下放的闸门在孔口范围内的不同步误差要求控制在100mm以内。这就要求相对的2台启闭机具有很好的同步控制性能。

[0063] 设置1个集中控制台，内装PLC上位机作为主控制器12，每台启闭机机旁柜设置一个PLC下位机作为分控制器17，PLC之间采用分布式I\O控制器14进行通信控制，以降低布线难度。本方案采用了西门子S7-300PLC控制器及ET200系列远程分布式I\O控制器。

[0064] 开启闸门：应先打开闸门充水阀充水，充水阀行程250mm，确认闸门前后平压后，即水位差≤5m，再进行闸门全程开启至上限位置。

[0065] 开启闸门时：设一台启闭机的变频器为主机，即1号启闭机，其他启闭机的变频器设置为从机。根据绝对值编码器获取A1=1号启闭机卷筒的转角值，换算成闸门高度值，以下均简称为卷筒高度值。A2=2号启闭机卷筒高度值，A3=3号启闭机卷筒高度值，依次类推，最后一个启闭机卷筒高度值为X。运算Z=A1-A2,Z=A1-A3,……Z=A1-AX。当|Z|≤设定值时，不调节；当|Z|＞设定值时，将该值作为2至X号启闭机卷筒调节值，通过分控制器17的PLC控制变频器，再控制变频电动机的转速，调节2-X号启闭机卷筒的运转速度，达到启闭机运行一致性，确保闸门的高程误差在允许的范围内。通过上述的方法，可以实现所有启闭机提起闸门的运行高度一致。

[0066] 关闭闸门：当隧洞或球阀发生事故时，闸门在自重和水柱压力作用下，动水关闭闸门，动水闭门时，相对对称的两扇闸门同时启动，每隔30秒钟再启动相对对称布置的另两扇闸门，每对相对对称下放的闸门在孔口范围内的不同步要求在100mm以内。闸门及启闭机按顺序编号，关闭时顺序示例为1-5、3-7、2-6、4-8。正常工况下静水关闭闸门。

[0067] 将相对称的两个闸门的启闭机设置为一组，例如设第一闸门1的启闭机为主机，另1台第五闸门5的启闭机为从机。根据绝对值编码器获取A1=1号启闭机卷筒高度值，A2=2号启闭机卷筒高度值,A3=3号启闭机卷筒高度值，A4=4号启闭机卷筒高度值,A5=5号启闭机卷筒高度值，A6=6号启闭机卷筒高度值,A7=7号启闭机卷筒高度值,A8=8号启闭机卷筒高度值,A9=9号启闭机卷筒高度值,依次类推，最后一个启闭机卷筒为AX。按相对称闸门进行控制。所以运算如下：Z=A1-A5，,Z=A2-A6,Z=A3-A7，Z=A,4-A8 …… Z=A9-AX。当|Z|≤设定值时，不调节；当|Z|＞设定值时，作为相对称的另1台启闭机的变频器的调节值，通过PLC控制变频器，再控制变频电动机的转速，调节相对称的另1台启闭机卷筒的运转速度，达到启闭机运行一致性。

[0068] 本例中，变频器采用施耐德ATV71系列产品，增量编码器选用宜科EC58H41024，实行闭环调速。主回路电气：见附图2。

[0069] 启闭机主控装置采用变频调速的控制方式。主控制器12采用西门子S7-300。与主控制器12连接的触摸屏13选用TP270-10，绝对值编码器采用德国倍加福AVM58系列。PLC网络配置见图3。

[0070] 上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。