PLC在泄洪閘啟閉系統(tǒng)中的應用

□趙金玉 □賀玉霞（駐馬店市薄山水庫管理局）

一、PLC的基本概念

可編程控制器(Programmable Controller)是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應用而設計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍。

二、PLC的基本結構

（一）中央處理單元(CPU)

中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞，它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)。檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。

（二）存儲器

存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器；存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。

（三）電源

PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。

（四）輸入輸出接口電路

現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道?，F(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應的控制信號。

三、PLC的工作原理

（一）輸入采樣階段

在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中相應的單元內(nèi)。輸入采樣結束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。

（二）用戶程序執(zhí)行階段

在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)，或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)，或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功指令。

（三）輸出刷新階段

當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。

四、應用實例

以薄山水庫為例。薄山水庫溢洪道新閘門14m×11.8m,額定啟門力2×500kN,啟閉揚程15m，弧形工作閘門5扇,均采用PLC控制.根據(jù)水閘的運行要求,PLC控制器在水閘啟閉系統(tǒng)中對閘門進行實時監(jiān)控及管理。PLC按照工作要求執(zhí)行指令,把輔助設備采集到的數(shù)據(jù)進行運算處理,并在觸摸屏上顯示。PLC控制器執(zhí)行指令的過程是一個隨著時間而不斷重復的數(shù)據(jù)采集運算處理過程,從而實現(xiàn)閘門實時監(jiān)控。PLC控制器的運行程序是以水閘的運行要求為依據(jù),來源于電腦編程,并通過數(shù)據(jù)線下載傳輸?shù)絇LC控制器。

PLC控制器的數(shù)據(jù)采集設備包括載荷傳感器和軸角編碼器。載荷傳感器安裝在啟閉機的平衡滑輪軸的軸承處,利用壓電效應采集閘門運行中的受力數(shù)據(jù),并傳輸給變送器,由變送器把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標準電信號,最后傳輸給PLC控制器的數(shù)據(jù)模塊以此來完成載荷的實時監(jiān)控。PLC控制運行中,當荷載達到90%額定啟門力時,PLC控制器發(fā)出預警信號;當荷載達到100%額定啟門力時,PLC控制器發(fā)出延時報警信號;當荷載達到105%額定啟門力時,PLC控制器切斷主回路,啟閉機停止運行。PLC控制器的額定載荷的設定為:額定荷載=額定啟門力/鋼絲繩組數(shù)。薄山水庫弧形閘門額定荷載為500kN。

軸角編碼器安裝在鋼絲繩滾筒的軸頭處并與鋼絲繩滾筒同步運轉(zhuǎn),軸角編碼器利用光電掃描原理采集閘門運行中的開度數(shù)值,傳輸給PLC控制器的數(shù)據(jù)模塊以此實現(xiàn)開度的實時顯示。PLC控制器的數(shù)據(jù)顯示及執(zhí)行指令的設備為觸摸屏又稱顯示面板。水閘采用PLC控制器監(jiān)控是建立在傳統(tǒng)閘門控制設備基礎之上的新科技成果,且保留傳統(tǒng)閘門控制的所有功能。

五、PLC控制器的優(yōu)點

（一）技術先進、穩(wěn)定可靠

該自動化控制系統(tǒng)使用的profibus-DP現(xiàn)場總線、通訊網(wǎng)絡、可編程控制器及組態(tài)軟件均經(jīng)過嚴格測試,可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行。

（二）實現(xiàn)遠程監(jiān)控，界面直觀,操作簡單

控制中心采用全中文界面,使用觸摸屏視窗,使操作更加人性化,可在觸摸屏視窗上設定閘門開度,系統(tǒng)執(zhí)行自動運行指令。表現(xiàn)為閘門在上升、下降的過程中,觸摸屏上能夠顯示出閘門實時開度數(shù)值、載荷數(shù)值及閘門運行中的實時位置圖,便于閘門控制系統(tǒng)操作人員直觀掌握閘門啟閉狀態(tài)信息。

（三）存儲功能

PLC控制器具有系統(tǒng)的存儲功能,可通過觸摸屏視窗上的菜單指令,記憶閘門每次的運行參數(shù)。

（四）適用性強,抗干擾能力強

PLC控制器除了邏輯處理功能以外,現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力,可用于各種數(shù)字控制領域。

（五）開放性

該系統(tǒng)采用的現(xiàn)場總線是國際通用的具有開放協(xié)議的現(xiàn)場總線和接口,同時各控制站均留有I/O余量,以便于以后系統(tǒng)的改造和擴展。

（六）安全性

PLC控制器具有全面安全保護體系。如果要執(zhí)行閘門運行任務,必須先進入菜單執(zhí)行解鎖指令,輸入密碼后方可進行其他指令,同時在電腦編程中設定閘門的額定揚程值及額定啟門力值,下載到PLC控制器的運行程序中,使系統(tǒng)的電路及設備獲得故障自我診斷保護。PLC帶有硬件故障自我檢測功能,出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息，對閘門啟閉設備的安全運行提供有利保障。

六、影響PLC控制器應用的因素

PLC控制器在水利工程的應用,作為一種高新技術成果,逐漸得到人們的認同。但是,在其應用的過程中,也受到一些因素的影響,存在一定的問題。

同樣以薄山水庫為例,輸水泄洪洞的腐蝕性氣體嚴重,并且濕度較大,新閘門井與輸水泄洪洞環(huán)境相似,尤其在暑期,該情況尤為嚴重。PLC控制器和其他輔助設備在這種惡劣的工作環(huán)境下受到腐蝕,工作人員積極想辦法,并增設一些其他設施來改善環(huán)境,盡量減少對該設備的不利影響,起到了必要的維護作用。

冬季在沒有任何取暖設施的情況下,閘室內(nèi)溫度過低,會對PLC控制器的應用有一定的約束作用。作為現(xiàn)場應用的設備,周圍環(huán)境中如有粉塵、磁場、雷電等,也對PLC控制器的應用產(chǎn)生不良影響。PLC控制器在應用初期將會遇到一些問題,應當盡快采取措施,避免事故發(fā)生,使設備處在安全的待運行狀態(tài)。

七、結語

PLC控制器在薄山水庫閘門啟閉系統(tǒng)中經(jīng)過初期應用,已顯示出對閘門自動化監(jiān)控的優(yōu)勢。它使閘門運行管理工作提高了效率,降低了對閘門監(jiān)控的難度,為水務工程的安全管理提供保障。PLC控制器的種類和型號繁多,針對不同設備,根據(jù)設備的功能選用最符合要求的PLC控制器的種類和型號非常重要。在科技不斷發(fā)展的今天,PLC控制器的功能將會更加強大和完善,并在今后水務工程領域的應用將會更加普及,為水務工程電器設備的科學管理、可靠運行更好地服務。