水庫閘門集控系統(tǒng)PLC及程序分析

馬運(yùn)彬

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆伊寧 835400)

新疆山口水庫肩負(fù)著發(fā)電、泄洪、灌溉三大重任，壩長963.1 m，由粘土心墻壩和混凝土壩組成，具有1號、2號、3號、4號四個表孔、一個底孔，孔口上均安裝為弧形工作閘門，其中表孔弧門尺寸為8×12，閘門最大開度均為12 m，底孔尺寸為6×6，最大開度7 m。在這五個防洪閘門的作用下控制蓄水庫，河流，堤壩的水流量，弧形閘門的安全可靠運(yùn)行是關(guān)系到大壩安全，下游灌區(qū)安全和百姓生命財(cái)產(chǎn)安全的重大問題。因此，為了增加閘門啟閉可靠性，實(shí)時采集每個閘門現(xiàn)地控制單元的運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)，操作人員不去啟閉機(jī)現(xiàn)場，單個、分組提升、降落閘門，實(shí)現(xiàn)閘門的集中群控，提高泄洪弧形閘門啟閉的自動化程度，減少工作人員的勞動強(qiáng)度，逐步實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)化。2011年對山口閘門控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造升級，與西安航天科技公司合作，安裝了閘門集控系統(tǒng)。同時為了實(shí)現(xiàn)多地非現(xiàn)場遠(yuǎn)方對閘門進(jìn)行控制監(jiān)視，分別在兩處水調(diào)值班室安裝了上位計(jì)算機(jī)實(shí)時圖形模擬系統(tǒng)，一處作為服務(wù)器控制機(jī)，另外一處作為客戶機(jī)通過訪問服務(wù)器控制機(jī)來操作閘門。通過這次對山口水庫的五孔泄洪閘門控制系統(tǒng)的改造，經(jīng)過這兩年來的運(yùn)行考驗(yàn)，特別是2012年汛期數(shù)次的特大洪水，系統(tǒng)動作可靠，取得了較為理想的改造效果。

1 PLC結(jié)構(gòu)組成

PLC實(shí)質(zhì)上是工業(yè)計(jì)算機(jī)，是一種專為工業(yè)環(huán)境下而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它通過數(shù)字量，模擬量的輸入和輸出完成各種機(jī)械或生產(chǎn)過程的控制，具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動能力，其硬件根據(jù)實(shí)際需要配置，本次升級改造中主要由中央處理單元(CPU)、輸入輸出單元(I/O單元)、存儲器、電源等組成。其中CPU是PLC的核心，存儲器是存放程序和數(shù)據(jù)的地方，I/O單元是PLC與工業(yè)現(xiàn)場連接的接口。電源既可以為CPU供電，又可為各類模塊以及外部的各類傳感器供電。

2 模塊選型與設(shè)置

根據(jù)本工程實(shí)際情況采用施耐德的S7-300PLC，模塊位置設(shè)置如圖1所示，其中從左二起至右依次為0槽位～8槽位。

圖1 S7-300PLC

第一個槽位為電源模塊，型號TSX PSY1610M，用于將交流220 V電源轉(zhuǎn)換為直流24 V電源，為PLC其他模塊及外部傳感器供電。

0號槽位為CPU模塊，其型號為TSX P57 104M。CPU模塊作為整個PLC系統(tǒng)的核心。在本次升級改造中編程梯形圖所占用的內(nèi)存過大，CPU自帶的用戶程序存儲器內(nèi)存無法滿足使用要求，在CPU內(nèi)存插槽內(nèi)插入型號為TSX MPR P 128K內(nèi)存卡一塊(該款CPU模塊含有兩種存儲卡插槽)。

1號、2號、7號槽位上為數(shù)字輸入模塊，3號、4號槽位上為數(shù)字輸出模塊，5號槽位上為模擬量輸入模塊，6號槽位上為模擬量輸出模塊，8號槽位為以太網(wǎng)模塊(在這里特別指出，槽位號只是相對的，實(shí)際上不存在物理槽位，每個模塊用背部總線相連接。任何一個槽位上模塊位置均可互相調(diào)換，例如7號槽位上的數(shù)字輸入模塊可調(diào)換到3號槽位，但電源模塊必須緊靠CPU模塊)。1號、7號模塊型號為TSX DEY 32DK，其輸入信號通道為0～31，共計(jì)32個通道。2號模塊型號TSX DEY 16DK，其輸入信號通道為0～15，共計(jì)16個通道。這些模塊的輸入量包括電器系統(tǒng)的閘門開度傳感器、閘門全開/全關(guān)行程開關(guān)，電動機(jī)和油泵運(yùn)行狀態(tài)傳感器，電磁閥、各類交流接觸器、繼電器運(yùn)行狀態(tài)等開關(guān)量;液壓系統(tǒng)上的油溫傳感器、液位傳感器、液壓管路及液壓缸上關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的壓力信號等開關(guān)及模擬量。

3號、4號、5號模塊功能相似，其功能已在上面講明，不再贅述。8號為以太網(wǎng)模塊，其作用是與上位機(jī)電腦相連接，使PLC直接連入Internet，工程師可以通過網(wǎng)絡(luò)直接給PLC下程序和實(shí)時狀態(tài)檢測，顯示人機(jī)交換的信息。本次改造升級中網(wǎng)絡(luò)是這樣構(gòu)成的;2號，3號，4號表孔閘門，底孔閘門的每間閘房放一根四芯光纜集中到1號表孔閘房，1號表孔閘門放一根24芯光纜到電廠二樓通訊室。五個閘門控制柜內(nèi)，各有一臺烽火光端機(jī)(將光信號轉(zhuǎn)為電信號)，接續(xù)盒(光纜轉(zhuǎn)接盒)，電源插座(給光端機(jī)供電)。其中1號表孔閘門還有網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜一臺，ODF配線架一臺。在電廠二樓通訊室內(nèi)設(shè)置五個光端機(jī)，思科24口交換機(jī)一臺，電信公司遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，完成五個閘門數(shù)據(jù)的交換信息網(wǎng)絡(luò)。其通信方式采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，TCP/IP協(xié)議，符合IEEE802.3國際標(biāo)準(zhǔn)，通過網(wǎng)關(guān)來連接遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)。

3 PLC梯形圖設(shè)計(jì)編程

3.1 控制方式轉(zhuǎn)換

閘門控制系統(tǒng)分為手動控制與自動控制、遠(yuǎn)方控制三部分(本節(jié)均以1號表孔程序?yàn)槔?，遠(yuǎn)方控制就是上位機(jī)通過組態(tài)軟件Intouch10.1獲取閘門的開度、閘門泄流量等信息后，發(fā)出控制信號給PLC，再通過PLC的程序?qū)崿F(xiàn)閘門的升、降、?？刂啤Ｊ謩涌刂剖菓?yīng)急操作用的，正常情況下不使用，此方式不通過PLC程序，通過控制柜上的開關(guān)按鈕直接進(jìn)行閘門的升降停控制;現(xiàn)地自動控制是指工程師通過現(xiàn)地控制單元的觸摸屏上的控制面板，發(fā)出控制信號給PLC，達(dá)到控制閘門的目的，這種控制方式的實(shí)質(zhì)還是利用了PLC的程序。三種控制方式互相屏蔽，即只能同時允許一種控制方式處于有效方式，體現(xiàn)在梯形圖中即互鎖回路。

3.2 閘門啟門/閉門控制

閘門的啟門及閉門控制是閘門最基本的控制要求，當(dāng)閘門需在水調(diào)值班室開啟閘門時，首先在上位機(jī)啟門開度值上設(shè)定開度值。通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)，PLC即接到閘門上升的控制信號，在沒有事故或報(bào)警時，啟門信號得電，延時3 s后液壓系統(tǒng)中的啟門電磁閥得電。系統(tǒng)建壓10 s后，閘門上升，到達(dá)設(shè)定開度以后停止信號首先失電，繼而啟門信號失電，閘門開啟到位。閘門在上升或下降過程中，必須有閘門同步糾偏及自動防下滑的報(bào)警控制，見圖2。糾偏控制，首先讓閘門左右開度相比較，圖2中B01是閘門左缸開度值，B02是右缸開度值，B01－B02得到閘門開度的差值B22，如果比較結(jié)果B22在0～20之間，糾偏程序不啟用也就是說閘門實(shí)際運(yùn)行過程中允許20個毫米的差值;當(dāng)閘門的左邊開度大于右邊的開度時，A110得電，左右缸差值B22在50和20之間，A108得電，PLC進(jìn)行左糾偏;當(dāng)閘門右邊開度大于左邊開度時，A111得電，左右缸差值 B22在50和20之間，A108得電，PLC進(jìn)行右糾偏。糾偏以后進(jìn)行再比較，如果左右開度仍不相等，則再次跳回糾偏程序;如果左右開度相等，則糾偏結(jié)束;如果經(jīng)過糾偏以后，B22的值大于50即閘門左右相差在50 mm，這時閘門有可能出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，機(jī)械系統(tǒng)有可能出現(xiàn)故障，那么閘門超差立即失電，發(fā)出故障報(bào)警，繼而啟門信號、閉門信號失電閘門啟閉動作立刻停止，這時檢修人員需至工地現(xiàn)場進(jìn)行故障排查檢修。

自動防下滑控制也是閘門控制中必須注意的問題，閘門因自身重力的作用或者液壓管路液壓油的泄露，均會導(dǎo)致閘門產(chǎn)生不同程度上的下滑，使閘門開度與預(yù)先的設(shè)定值有所偏差，影響閘門啟閉的精度，進(jìn)而導(dǎo)致泄流量不準(zhǔn)確造成水資源的浪費(fèi)。當(dāng)PLC檢測到下滑位移大于設(shè)定值時，首先發(fā)出下滑報(bào)警信號，同時啟動PLC程序自動提升閘門，直到回到原來位置。在本次改造升級中把閘門下滑分成三個階段(本節(jié)PLC梯形圖程序不予詳細(xì)給出)，當(dāng)下滑值ZM_SLIDE_WALUE＞100 mm時，一個油泵啟動自動提升閘門到設(shè)定值;當(dāng)下滑值ZM_SLIDE_WALUE＞150 mm時，兩個油泵同時啟動提升閘門至設(shè)定值;當(dāng)下滑值ZM_SLIDE_WALUE＞200 mm時或者ZM_SLIDE_WALUE＞150 mm時油泵啟動20 s后閘門仍無法恢復(fù)至設(shè)定開度，發(fā)出聲光報(bào)警，警告閘門維護(hù)人員即可前往現(xiàn)場排除機(jī)械、液壓系統(tǒng)故障。

圖2 閘門啟閉過程中的糾偏控制程序

4 結(jié)語

本文根據(jù)本次閘門升級改造中及目前運(yùn)行過程中的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，介紹了PLC硬件選型，閘門控制梯形圖程序。這些有用經(jīng)驗(yàn)對以后工程實(shí)踐將會起到重要的借鑒作用，PLC在以后的閘門控制中將會得到更廣泛和完善的應(yīng)用。