基于PLC的水文測流系統(tǒng)研究及設(shè)計

(1.長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局，湖北 武漢 430010;2.長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010)

目前，水文測流儀器正在向遙測、遙控、全自動、智能化、存貯式、走航式方向發(fā)展，流速儀也同樣如此。如今，幾乎所有水文測流儀器都與計算機聯(lián)接，測量數(shù)據(jù)由計算機處理、繪制、打印，這是一種必然趨勢?，F(xiàn)有的可編程邏輯控制器(PLC)控制研究多應(yīng)用于工業(yè)控制，而水文測流設(shè)備的控制系統(tǒng)發(fā)展相對較為單一。本文將PLC和觸摸屏引入水文測流控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)得到更好擴展，并將PLC和觸摸屏技術(shù)與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及微電腦控制相結(jié)合。

現(xiàn)有的水文測流系統(tǒng)，其設(shè)備和控制部分都是通過按鈕加繼電器的線路連接實現(xiàn)的，或采用人工放ADCP探頭入水的方式，存在以下不足。

(1)可靠性低。制造過程中復雜的線路連接和回路通斷連線使設(shè)備的可靠性大大降低，操作臺上同時有多達30個按鈕占用了大量空間，易造成水文測流人員點擊錯誤或操作失誤，從而釀成設(shè)備損壞或安全事故。

(2)測量易受干擾。每次測流，需要手動將ADCP多普勒測流聲納安裝于測船船舷邊，安裝人員面臨隨船跌入江中的危險，同時船的走水擾流也對ADCP多普勒聲納測流精度產(chǎn)生干擾。

(3)現(xiàn)有系統(tǒng)的可擴展空間非常小，如要更改設(shè)計滿足其他客戶要求或增加功能，操作復雜和繁瑣，同時也不易掌握設(shè)備的延時和時間控制。

(4)制作、安裝、調(diào)試一套微機測流系統(tǒng)，工作量大、時間周期長。

因此，迫切需要引入自動化、模塊化、機械化的系統(tǒng)，將取沙器下降到相應(yīng)的測深深度，ADCP多普勒探頭可自動伸入水中，并與船舷保留一定距離，實現(xiàn)更準確、高效的測量，實現(xiàn)自動測流，同時能提高功能的擴展性，加大擴展空間。

1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計概述

1.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計流程

(1)明確控制對象。被控對象包括：液壓電磁閥12個，施耐德ATV71HU40N4變頻器2臺，380 V異步電機2臺，380 V油泵電機1臺。

(2)PLC選型。根據(jù)輸入輸出設(shè)備以及整個系統(tǒng)I/O數(shù)量和設(shè)備所需信號的具體要求，選定合適的PLC型號。該系統(tǒng)選擇三菱FX3U-32MT可編程控制器和擴展模塊FX2N-8EX、模擬量輸出模塊FX2N-2DA。

(3)明確每個輸入和輸出點的地址，并且制定I/O構(gòu)成圖。明確輸入輸出設(shè)備以及PLC機型，繪制關(guān)于輸入輸出設(shè)備和PLC的I/O點的地址分配表。整個設(shè)計總共需要16個輸入，20個輸出，另加2個DA轉(zhuǎn)換輸出。

(4)確定軟件與硬件分工?？刂葡到y(tǒng)的部分功能可用硬件和軟件實現(xiàn)，除了必要的應(yīng)急控制測流，取沙器的電機上升、下降和停止按鈕，電機和油泵的動力輸入按鈕，手動自動切換、變頻速度控制手動自動切換按鈕之外，系統(tǒng)控制盡量通過軟件實現(xiàn)。

(5)設(shè)計PLC的硬件和軟件。硬件設(shè)計主要包括設(shè)計電氣線路，繪制輸入輸出接線圖、電氣控制結(jié)構(gòu)圖、電氣設(shè)備安裝圖等。軟件設(shè)計的主要內(nèi)容有制作梯形圖、狀態(tài)表、指令表等，設(shè)計控制程序是整個PLC系統(tǒng)中最核心的內(nèi)容。在此之前，要把控整個生產(chǎn)工藝流程、明確系統(tǒng)的控制目標，通過控制目標的具體特性把握整個PLC系統(tǒng)的控制要求。①確定基本控制方法，包括速度控制、電流電壓控制等；②確定需要完成的動作，包括控制變頻器正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電機升降、電磁閥的點動開閉；③確定操作方式，包括手動(手動點動)，液壓疊臂的聯(lián)鎖、互鎖、延時，現(xiàn)場顯示，故障診斷等。

(6)進行總裝統(tǒng)調(diào)。首先，通過調(diào)試檢驗不帶有輸入輸出模塊的指示燈是否正常。發(fā)現(xiàn)問題可及時解決，直至排除故障。然后聯(lián)機試運行，在確保各輸出設(shè)備正常工作之后，讓系統(tǒng)攜帶負載運行，一直到認為系統(tǒng)無誤為止?？赏ㄟ^修改或調(diào)整軟硬件設(shè)計，使之符合設(shè)計的要求。

(7)完成PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計，投入實際使用?？傃b統(tǒng)調(diào)后，還要經(jīng)過一段時間的試運行，以檢驗系統(tǒng)的可靠性。

水文測流PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 水文測流PLC控制系統(tǒng)

1.2 PLC供電方式選擇及輸入輸出模塊選型

PLC供電方式為同時需24 V直流和220 V交流兩種。I/O設(shè)備的直流供電應(yīng)當采用獨立的直流電源供電，以減少輸出設(shè)備，主要是感性負載對輸入的干擾。

(1)PLC控制系統(tǒng)I/O點數(shù)估算。①控制電磁閥所需的12個I/O點數(shù)全部為輸出口，控制對應(yīng)的12個電磁閥。②控制三相380 V電動機所需的10個I/O點數(shù)，其中6個輸入口用來讀取按鈕信號，4個輸出口用來輸出，以控制2臺變頻器對應(yīng)控制的2臺電機動作。8個I/O負責限位開關(guān)和垂線自動信號的輸入檢測和判別。

各控制按鈕(應(yīng)急上升，應(yīng)急下降、應(yīng)急停止，油泵電源通斷和變頻電源通斷)共8個輸入按鈕信號口、4個外部信號(測流限位開關(guān))輸入口，電氣連接如圖2所示；FX2N-8EX輸入模塊上的4個外部輸入I/O信號(取沙限位開關(guān))電氣連接如圖3所示；限位開關(guān)、垂線自動信號與PLC電氣連接如圖4所示；垂線自動的控制與PLC電氣連接如圖5所示。

(2)輸入模塊選擇FX2N-8EX。輸入模塊的功能主要是檢測來自限位開關(guān)和垂線自動的輸入信號，選取電壓為24 V的直流電作為輸出模塊電流鏡輸入信號，轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部處理的電平信號。然后將電平信號轉(zhuǎn)換成可以與外部負載繼電器匹配的線圈通電信號。

圖2 按鈕與PLC電氣連接部分

圖3 外部控制信號與PLC連接部分

圖4 限位開關(guān)、垂線自動信號與PLC的連接

圖5 PLC控制液壓臂繼電器

三菱PLCFX3U-32MT和臺達觸摸屏DOP-B07S411都以24 V直流為電源，同時電磁閥和繼電器也以24 V直流為驅(qū)動電源，而PLC的交流電源為220 V。

2 PLC組成的動力控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理與要求，系統(tǒng)采用的PLC型號為FX3U_32MT，D/A模擬量輸出功能模塊為FX2N-2DA，施耐德變頻器型號是ATV71HU40N4，電動機是普通三相異步電動機，歐姆龍360轉(zhuǎn)編碼器(型號為E6B2CWZ6C)直接與電動機通過蝸輪蝸桿帶動的滾筒鋼絲繩轉(zhuǎn)向輪軸相連接。

經(jīng)過變換并根據(jù)功能需求，在原有基礎(chǔ)上加入油泵電機驅(qū)動的液壓伸展臂，可實現(xiàn)4組8個動作，以及動作中疊臂鎖緊和解鎖的延時控制，并預留了取沙動作中的擴展空間，同時通過PLC模擬量擴展模塊和觸摸屏控制變頻器的速度調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)工作時，PLC通過D/A功能模塊輸入設(shè)定值，再與旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋值進行比較，根據(jù)差值按照一定的算法給定變頻器的控制量，然后由變頻器控制電動機運行。編碼器的脈沖頻率顯示電動機的轉(zhuǎn)速值。限位開關(guān)采用施耐德滾輪式接近開關(guān)，型號為XCKP2118G11。電位器產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的電壓值作為系統(tǒng)的給定信號，即給定速度或位移值。PLC輸出控制量使變頻器擁有兩種方式：①用開關(guān)量控制；②用模擬量控制，系統(tǒng)工作只能按其中一種方式運行。

變頻器控制電動機運行有3種方式：變頻器面板鍵盤控制、外部模擬輸入端AVI控制和標準通信485接口控制。PLC輸出為模擬量控制，變頻器運行狀態(tài)由外部模擬輸入端AVI控制，頻率由電位器RW1來控制，調(diào)節(jié)RW1可以改變變頻器的輸入頻率，從而改變電動機轉(zhuǎn)速。由外部模擬輸入信號控制電動機的運行和停止。

觸摸屏選用臺達的DOP-B07S411，將屏幕分為3個切換界面，分別控制鉛魚上升下降按鈕和各電氣狀態(tài)顯示界面、液壓臂的伸出收回操作按鈕界面以及變頻器速度控制的設(shè)置界面，觸摸屏通過RS232轉(zhuǎn)AVI接口與PLC通訊。PLC與觸摸屏的電氣連接如圖6所示。

圖6 PLC與液晶觸摸屏的連接

3 各項特殊功能的實現(xiàn)

3.1 ADCP自動化機械伸展液壓臂電路設(shè)計

通過PLC輸出口的電壓控制繼電器24V電源的通斷，實現(xiàn)對應(yīng)電磁閥電源的通斷，從而實現(xiàn)測流和取沙兩個液壓臂的伸縮，以及ADCP折疊臂4組對應(yīng)動作。

該部分是PLC的輸出口，分別輸出控制繼電器，然后前4個繼電器分別控制測流和取沙變頻器的正反轉(zhuǎn)端口。后面8個繼電器分別控制測流和取沙2個液壓臂的伸出收回以及ADCP變形臂主臂的伸出收回、疊臂打開收回、疊臂鎖緊解鎖和底臂伸出收回。

3.2 PLC+觸摸屏控制變頻器變速程序

第三界面通過設(shè)置變頻器0～50Hz的數(shù)值或者觸摸屏點擊增速、減速按鈕控制PLC模擬量輸出模塊，從而控制變頻器0～50Hz電機的速度。

若FX2N-2DA模擬量輸出模塊位于2號模塊位置，CH1設(shè)定為電壓輸出，CH2設(shè)定為電流輸出，并要求當PLC從RUN轉(zhuǎn)為STOP狀態(tài)后，最后的輸出值保持不變。FX2N—2DA模擬量輸出模塊位于2號模塊位置上，由I/O口擴展模塊來實現(xiàn)對模塊FX2N-2DA編號的識別。

3.3 液壓臂控制測試效果

PLC控制變頻器調(diào)速和運轉(zhuǎn)流程如圖7所示，首先控制測流液壓臂伸出，然后控制液壓主臂伸出并打開折疊臂，控制液壓底臂伸向水面，最后伸入水中，控制效果見圖8。

4 結(jié) 語

由于時間和實驗條件的限制，本文還存在以下不足，有待進一步完善。

(1)將PLC系統(tǒng)與計算機或通信處理單元、通信轉(zhuǎn)換單元相連構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)信息的交換，并構(gòu)成“集中管理、分散控制”的多級分布式控制系統(tǒng)，以滿足自動化 (FA)系統(tǒng)發(fā)展的需要。

圖7 PLC控制變頻器調(diào)速和運轉(zhuǎn)流程圖8 液壓臂控制效果

(2)將PLC和觸摸屏技術(shù)與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、微電腦控制技術(shù)相結(jié)合。中心控制站通過網(wǎng)絡(luò)通信控制計算機和PLC實現(xiàn)聯(lián)機控制，再加入遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程遙控纜道測流系統(tǒng)和船測系統(tǒng)控制機械設(shè)備的無人自動化測流，真正實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”在水文監(jiān)測中的應(yīng)用。

(3) 引入遠程監(jiān)控系統(tǒng)和廣域網(wǎng)，在“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下，實現(xiàn)纜道站無人監(jiān)測。通過攝像頭遠程觀測纜道斷面情況，利用互聯(lián)廣域網(wǎng)、PLC聯(lián)機和移動APP實現(xiàn)手機端遠程觀測斷面情況，控制纜道站鉛魚的上升、下降、前進、后退，也可通過控制中心遠程控制纜道站測流。