长江三峡水利枢纽永久船闸、大坝和左岸电站厂房二期工程——之闸门控制系统

('长江三峡水利枢纽永久船闸、大坝和左岸电站厂房二期工程----之闸门控制系统北京机械工业自动化研究所1．工程概况1.1建筑工程概况工程名称：长江三峡水利枢纽永久船闸、大坝和左岸电站厂房二期工程建设单位：中国长江三峡开发总公司建筑功能类型：防洪、发电、通航建设项目工程总投资：1800亿元1.2建筑基本概况长江三峡水利枢纽工程（简称三峡工程），因位于长江干流三峡河段而得名。水库正常蓄水位175m（相对吴淞基面，以下均同），初期蓄水位156m，大坝坝顶185m，汛期防洪限制水位145m，枯季最低水位155m，相应的总库容、防洪库容和兴利库容分别为393亿m3、221.5亿m3和165亿m3。工程建成后，防洪方面可将荆江河段的防洪标准由目前的约10年一遇提高到100年一遇，遭遇大于100年一遇特大洪水时，辅以分洪措施可防止发生毁灭性灾害。发电方面，可安装单机容量70万kW的水轮发电机组26台，总装机容量1820万kW，年发电量847亿kW·h，对缓和华中、华东、川东地区能源紧张状况有重要作用。航运方面：可改善长江特别是川江渝宜段（重庆至宜昌）的航道条件，对促进西南与华中、华东地区的物资交流和发展长江航运事业具有积极作用。此外，还具有巨大的养殖、旅游等方面的效益，是一个条件优越、效益显著的综合利用水利枢纽，是治理开发长江的一项关键工程。三峡工程由大坝、水电站厂房、通航建筑物等主要建筑物组成。选定的枢纽布置方案是：泄流坝段位于河床中部，即原主河槽部位，两侧为电站坝段及非泄流坝段（亦称非泄洪、非溢流、非溢洪坝段）：水电站厂房位于电站坝段坝后，另在右岸留有将来扩机的地下厂房位置；通航建筑物均位于左岸。大坝为混凝土重力坝，最大坝高175m，大坝轴线总长2309.47m。泄流坝段总长483m，设23个7m×9m（宽×高）的深孔和22个宽8m的表孔，深、表孔底高程分别为90m及158m。左厂房安装14台水轮发电机组，右厂房安装12台。永久船闸为双线5级连续梯级船闸，闸室有效尺寸为280m×34m×5m（长×宽×闸坎上水深），可通过万吨级船队：升船机为单线1级垂直升船机，承船厢有效尺寸为120m×l8m×3.5m，可通过1条3000t级的客货轮；另设施工期临时通航船闸1座，闸室有效尺寸为240m×24m×4m。按1993年审定的初步设计方案，三峡工程土石方开挖约1亿m3，土石方填筑约3000万m3，混凝土浇筑约2800万m3，金属结构安装约26万t。结合施工期通航的要求，经比较研究采取分三期导流的方式施工。计划总工期17年（包括施工准备工期），第1批机组发电工期11年，即1993年开始施工准备，1997年汛后大江截流，2003年开始发电、通航；2009年工程竣工。1.3建筑智能化系统集成设计概况三峡工程由大坝、水电站厂房、通航建筑物等主要建筑物组成。建筑智能化系统主要包括三大部分：闸门控制系统、船闸控制系统、电厂控制系统等，此外还有许多辅助控制系统，总投资约300亿元。以下内容仅就闸门控制系统进行描述。1.4系统运行、验收、维护概况系统开通时间：2003年7月1验收单位：中国长江三峡开发总公司验收时间：2003年7月验收情况：优良系统运行情况：导流底孔，泄洪深孔的电控设备从2001年8月第一台底孔电控设备进入现场安装调试，到2003年5月最后一道深孔闸门完成调试并通过验收，整个泄洪坝段47台套的电控设备顺利移交电厂管理。在将近2年的时间里这些电控设备在大坝内经历了夏季的高温潮湿和安装时的大量粉尘，体现出良好的质量品质，全部装置运行可靠无故障。从2002年5月至2005年3月导流底孔设备已无故障运行1年，导流底孔闸门安全启闭260余次，顺利保障了长江大江截流，以及库区安全蓄水，得到了三峡电厂领导对设备的肯定，称闸门控制设备为精品设备。2．工程需求分析2．1建设项目工程总体建设目标及功能需求分析长江的治理开发对中国社会经济发展具有重大的影响。长江流域是中华民族的发祥地之一，流域内资源丰富，土地肥沃，特别是中下游地区，是中国社会和经济最发达的地区之一。但由于河道行洪能力不足，洪水高出两岸地面数米至十几米，这一地区也是洪水灾害频繁而严重的地区。据历史记载，自汉初至清末2000年间（公元前185年至公元1911年），长江曾发生大小洪灾214次，平均约十年一次。本世纪以来，长江发生过1931年、1935年、1954年三次严重的洪水灾害，每次洪灾都造成了极其惨重的损失。1998年长江遭遇了百年以来仅次于1954年的特大洪水，国家动用了大量人力物力，进行了近三个月的抗洪抢险，全国各地调用130多亿元的抢险物资，高峰期有670万群众和数十万军队参加抗洪抢险，才避免了长江中下游人民生命财产的巨大损失。长江流域水系庞大，干支流纵横交汇，河川径流丰沛，落差达5400m，蕴藏着巨大的水能资源。其理论蕴藏量为2.68亿kW，约占全国水能资源的40%。可开发的水能为1.97亿kW，占全国可开发水能资源的53.4%，年均可发电10270亿kW·h，相当于年产原煤5.6亿t。而闸门系统是整个建筑物重要的组成部分，无论蓄水发电、还是防洪抗洪调节水位，全部都离不开闸门控制系统。2．2建筑智能化系统建设目标及在行业应用中的共性和个性需求分析本项成果目标应用于水利行业，是水利设施的关键设备，其主要价值在于与整体水利设施共同产生社会效益。应用的目的主要在于合理利用自然资源、保护环境和生态平衡、节约能源、防洪、发电，如在“三峡工程”中的应用就是调节水位抗洪、保护发电机组等；又如该成果在“淮河入海水道近期工程淮安枢纽工程计算机监控系统”的应用，其功能就是防洪，抗击百年一遇的洪水，2003年就成功保证了淮河20年来的最大洪水顺利入海，保护了广大人民群众的财产。3.智能化系统设计3.1设计思想和原则先进技术：应用国际上最先进的自动化技术，体现出我国水利工程自动化的最高水准。在考虑采用先进技术的同时还要考虑技术的成熟性。成熟的技术是可靠性的基础，正确地选择使用先进技术也是增强系统可靠性的有效途径。因此要仔细权衡利弊，在选择先进性与成熟性上达到平衡。鉴于该项目为世界第一的水电工程，要求所采用的技术必须是目前世界上最先进的，保证20年不落后。高可靠性：水利工程可靠性问题至关重要。系统的可靠性是我们设计中遵守的第一或最高原则。三峡工程不接收有缺陷的产品，全都是优质设备和精品。“千年大计、国运所系”，“三峡的成败，关键在于质量”。系统的易操作性和易维护性：工程经验说明，成功的项目，系统使用和维护必须都是成功的。从设计角度出发，系统必须是易操作和易维护的。系统的可靠性保证了系统在正2常条件下可以长期可靠无故障运行（平均无故障时间）。另一方面，系统在异常条件下发生故障后，应能够在尽可能短的时间内修复（平均修复时间），这就是系统的易维护性。可靠性与易维护性指标的综合就是系统的可用性，应使可使用率接近100%。系统的开放性：参与整个工程建设的厂家、设计、技术来自不同的国家、地区。而整个工程将成为一个系统运行，不同设备、技术上的连接是非常重要的。因此，系统的开放性为不同厂家设备连接提供可能。采用国家及国际有关标准是系统互联及开放的一个有效措施。3.2系统总体方案设计、系统总体拓扑结构、各子系统系统图3第六标段：泄洪坝段的23个泄洪深孔弧形门第五标段：泄洪坝段的22个底孔弧形门2个排漂孔弧形门ASCIIPrinterASCIIPrinter操作员工作站集中控制工作站光纤、以太网、TCP/IPPROFIBUS-DP开度仪绝对编码器4ASCIIPrinterASCIIPrinter操作员工作站集中控制工作站：I/O电缆光纤、以太网、TCP/IPPROFIBUS-DP56个泄洪深孔电气控制站中一个控制站的系统配置图三峡电厂计算机监控系统本地控制单元LCU19用于泄洪工程14个PLC站的网络通信配置图63.3系统设置概述总体结构分为三层：现场设备层、现地控制层、集中控制层。现场设备层：是现场设备或远程I/O站与现地控制器（PLC）之间的现场总线网络。现场设备指开度仪绝对编码器、操作面板HMI等。其他传感器、电磁阀等通过I/O连线与就近的远程I/O站连接；远程I/O站及所有现场设备作为从站，通过现场总线（PROFIBUS-DP）与现地控制器PLC连接。现地控制层：现地控制层由液压泵站现地控制器（PLC）、操作台、操作员面板HMI组成。现地控制器（PLC）作为现场设备层现场总线主站。主站之间连接采用光纤传输介质的TIC/IP。集中控制层：集中控制层由集中控制工作站、操作员工作站、集中控制操作台组成。集中控制层通过光纤传输介质的TIC/IP网络与现地控制层连接；向上留有接入广域或INTERNET互联网接口，可实现远程通讯功能。高层网络为100Mbit/sEthernet网，传输媒质为光纤环网，导流底孔和泄洪深孔各有6个S7-400PLC站，排漂孔有2个S7-400PLC站，在坝顶集孔室也有一台S7-400PLC站，每个PLC站通过通信模板CP443-1（TCP/IP）模板及OSM光连接模块，连接成一个光纤环网拓扑结构。上位计算机采用服务器—客户机模式（Server—ClientMode），服务器选用冗余结构，组态软件选用SIEMENS的WinCC组态软件，因此，在上位计算机上能实现工程师工作站和操作员工作站的功能，计算机选用SIEMENS的工控机，安装有WindowsNT操作系统和SQL数据库。在NT操作系统上的Server—Client，最多可带16个Client，这样除了坝顶集控室之外，在发电站厂房中央控制室（包括左岸和右岸中控室）。水工梯级调度室均可安置Client系统，进行监视，在WinCCServer—Client结构上，配置的Router接口为将来的远程访问及IT（信息技术）预留了接口。3.4工程项目的特点、亮点基于现场总线技术的控制系统集成技术；系统总体方案；“一泵多机”的分散控制技术；系统的可靠性设计及测定；系统组态及功能的模拟仿真；高温、高湿、多灰尘等恶劣工况环境下的电控设备防护技术；同步控制算法与水利应用软件研究。过程精品：组织、设计、采购、装配、安装调试、试验与检验、培训等售后服务、文件资料图纸的编辑---强调项目在研制全过程中必须严格贯彻我所“质量体系程序文件”的要求，整个实施过程严格按程序、规范化、标准化操作。接口的复杂性：除了与配套的2个主机厂和1个液压厂协调好外，还需满足三峡外聘的各方面专家，及设计院、监造、2家现场监理、3家安装单位、业主各职能管理建设部门、运行单位等众多方方面面的人，从不同角度的监督及意见。五道质量保证体系（“4＋1”质量控制监督机制）：施工单位的自检、监理单位的监督控制、三峡总公司项目部的统筹协调、三峡总公司质量总监办按专业把关，再加上国务院三峡工程建设委员会枢纽工程质量检查专家组的最终检查指导。审查验收的次数之多、验收的项目之细、之严格程度均达到了空前的程度。如每次参加验收的专家都有20～30人。每个单项都进行28大类78小类300多项检查和试验，同时提交数十种“工厂竣工文件”供审查。4．投资回报总结4.1直接经济效益已为项目完成单位创造近2000万元产值。4.2间接效益：为研制项目实施的标准化、产品化、系列化，摸索出一套经验，锻炼了队伍。对我单位的项目管理、电气设备制造水平，有了较大提高；该项目具有政治意义、品牌工程效应；在2002年的大江截流，2003年的蓄水、通航、发电过程中，发挥了重要的作用，得到7了各方面的一致好评，创造了巨大的社会效益。同时为三峡三期工程打下了良好的基础（目前三峡工程已顺利完成）；该产品技术水平先进，性能可靠，具有较大的推广价值，为产业化打下坚实的基础。基本已标准化、系列化，并已在浙江紧水滩水电站浅孔及中孔闸门、石塘水电站溢洪道闸门、淮河入海水道近期工程淮安枢纽工程计算机监控系统、三峡二期工程大坝及左岸电站、三峡三期右岸工程、广西金鸡滩水利枢纽等工程上成功应用，运行良好。5．项目获奖情况北京机械工业自动化研究所科技成果一等奖及样板工程奖中国机械工业联合会科技成果三等奖中国首届铝业杯银奖8',)