PLC技術(shù)在馬河水庫(kù)閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

閆偉

滕州市馬河水庫(kù)管理服務(wù)中心 山東滕州 277533

閘門作為水利工程的特種設(shè)備，肩負(fù)著防洪、供水、灌溉、蓄水等艱巨任務(wù)，如何保證閘門安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)精確控制，以提高其科學(xué)調(diào)配水量的能力，是對(duì)水利工程運(yùn)行管理工作提出的一項(xiàng)新要求。早在2004年，馬河水庫(kù)便設(shè)計(jì)了基于PLC S-200為主控件的閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)，用以替代原繼電器式閘控系統(tǒng)。2018年，我們又采用新一代PLC S-1200替換S-200，組建起局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了PLC控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制與中控室遠(yuǎn)程控制的結(jié)合，進(jìn)一步優(yōu)化了自控系統(tǒng)[1]。

1 PLC閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)概述

1.1 可編程控制器（PLC）簡(jiǎn)述

作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的主控器件，可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC），是以微處理器為基礎(chǔ)的通用的工業(yè)控制裝置。通過(guò)向其可編程存儲(chǔ)器裝入不同的應(yīng)用程序，就可以應(yīng)用于不同的工業(yè)控制系統(tǒng)，完成不同的控制任務(wù)。

1.2 PLC閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）安全可靠、精確度高。傳統(tǒng)的繼電器式閘門控制系統(tǒng)，機(jī)械故障率高、維修復(fù)雜，閘門開(kāi)度、過(guò)閘流量都需人工測(cè)算，難免存在較大誤差。采用PLC技術(shù)則可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置的自動(dòng)、精確控制，再加上故障自診和保護(hù)電路設(shè)置，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的安全性[2]。

（2）靈活適用和可擴(kuò)展性。當(dāng)被控設(shè)備的結(jié)構(gòu)或工藝發(fā)生改變時(shí)，PLC自控系統(tǒng)只需修改內(nèi)置的應(yīng)用程序，就能滿足新的控制要求。此外，PLC只需通過(guò)簡(jiǎn)單的組合擴(kuò)展元器件，便可靈活地拓展控制系統(tǒng)的規(guī)模，給生產(chǎn)帶來(lái)很大的方便。

（3）工作效率高。繼電器式閘門控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平低，存在相當(dāng)大比例的人工操作。采用PLC技術(shù)可減少調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)工作的強(qiáng)度，只需用戶設(shè)置好目標(biāo)參數(shù)，所有控制動(dòng)作均由系統(tǒng)自動(dòng)完成。

2 馬河水庫(kù)東放水洞閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)

東放水洞是馬河水庫(kù)灌區(qū)灌溉、工業(yè)和城市生活供水共用的主要輸水通道。放水洞為鋼筋砼有壓圓管結(jié)構(gòu)，斷面直徑1.4米，最大泄流量22立方/秒，通過(guò)啟閉機(jī)帶動(dòng)升降輥升/降閘門的方式來(lái)調(diào)節(jié)泄流量。

2.1 系統(tǒng)組成及功能

控制系統(tǒng)由西門子PLC、旋轉(zhuǎn)編碼器、觸摸屏等核心部件，以及交流接觸器、中間繼電器、閘位傳感器、斷路保護(hù)器等附屬部件構(gòu)成。

（1）PLC。PLC控制器使用前，需先由用戶（PLC系統(tǒng)的使用者）根據(jù)控制要求，使用PLC廠商提供的編程語(yǔ)言編寫計(jì)算機(jī)程序。其作用相當(dāng)于對(duì)控制系統(tǒng)的繼電器設(shè)備的硬件接線線路進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而設(shè)定PLC的動(dòng)作，也就是實(shí)現(xiàn)所謂的“可編程”。

本次改造采用西門子PLC S7-1200替換S7-200作為主控器。S7-1200配有RJ45標(biāo)準(zhǔn)通訊端口，可通過(guò)網(wǎng)線同水庫(kù)中控室計(jì)算機(jī)連接，組建基于以太網(wǎng)協(xié)議的局域網(wǎng)，達(dá)到既可在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)閘門自動(dòng)控制，也可由中控室進(jìn)行集中控制的目的[3]。

當(dāng)控制任務(wù)改變時(shí)，還可通過(guò)西門子公司STEP7Basic工具軟件，對(duì)S-1200進(jìn)行在線編程。而且系統(tǒng)所有模塊（包括網(wǎng)絡(luò)通信）均支持帶電插拔，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)十分便捷。

（2）旋轉(zhuǎn)編碼器。系統(tǒng)采用400線增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，并對(duì)其進(jìn)行4倍頻，即：編碼器旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生1600個(gè)脈沖信號(hào)（400×4=1600），進(jìn)一步提高了閘位計(jì)量精度。具體為：因升降輥每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈閘門升/降1米，因此，閘位控制精確度達(dá)到0.000625米（1米/1600脈沖=0.000625米）。

編碼器的安裝也十分方便。將400增量式旋轉(zhuǎn)編碼器通過(guò)固定式支架與放水洞閘門鋼索升降輥同軸連接，以使升降輥與編碼器的旋轉(zhuǎn)同步。編碼器通過(guò)信號(hào)線將旋轉(zhuǎn)輸出的脈沖送至PLC高速計(jì)數(shù)器專用通道，PLC根據(jù)脈沖數(shù)量和相位，得出閘門變動(dòng)方向及實(shí)時(shí)位置。

需要說(shuō)明的是，因增量式編碼器無(wú)法檢測(cè)電動(dòng)機(jī)軸的絕對(duì)角度，系統(tǒng)意外斷電后，升降輥若發(fā)生人為轉(zhuǎn)動(dòng)，再加電后，需對(duì)編碼器執(zhí)行回零操作，以重新確定位置參數(shù)的起點(diǎn)，而這無(wú)形中增加了額外工作量。為此，本次改造中，我們專門配置了24V備用電瓶（也可稱之為“保持電瓶”），在外電中斷時(shí)為PLC控制系統(tǒng)供電。

（3）觸摸屏。作為人機(jī)交互裝置，KTP600觸摸屏可設(shè)參數(shù)多，且數(shù)據(jù)、圖形兼?zhèn)?，形象直觀。用戶可運(yùn)用西門子公司STEP7Basic編程應(yīng)用軟件，對(duì)KTP600進(jìn)行組態(tài)（Configure）。流程是：在計(jì)算機(jī)上打開(kāi)STEP7Basic應(yīng)用軟件，用軟件中提供的工具、方法，以圖形化的方式逐一定義按鍵相對(duì)應(yīng)的連接地址（PLC內(nèi)部元器件的地址）。組態(tài)完成后通過(guò)RJ45通訊端口下載至觸摸屏,再用網(wǎng)線將觸摸屏與PLC進(jìn)行連接，這樣觸摸屏就可以向PLC發(fā)送指令和接受來(lái)自PLC的反饋，用戶只需要通過(guò)操作觸摸屏就可以控制PLC的動(dòng)作了。

綜上所述，本系統(tǒng)根據(jù)用戶指令要求，以西門子PLCS-1200為主控核心，通過(guò)運(yùn)行預(yù)置的應(yīng)用程序，控制閘門升降輥的運(yùn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門升/降的精確控制。

2.2 安全保障技術(shù)

考慮到升、降、停的快速切換及誤操作等可能導(dǎo)致系統(tǒng)出錯(cuò)，本系統(tǒng)線路采用了互鎖保護(hù)。

PLC有監(jiān)視定時(shí)器等自檢功能，當(dāng)檢測(cè)出異常時(shí)，輸出的控制信號(hào)全部關(guān)閉。自檢異常信息主要包括：閘門卡滯，閘門運(yùn)行失速，以及閘門開(kāi)度過(guò)大引起的上升越限和下降過(guò)度引起的下越限等。

3 結(jié)語(yǔ)

馬河水庫(kù)放水洞閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)，以PLCS-1200替換S-200作為主控器，保留了原控制系統(tǒng)附屬部件，其投資成本低、可靠性高。S-1200良好的通訊互聯(lián)功能，為實(shí)現(xiàn)閘門的遠(yuǎn)程控制提供了可能。自控系統(tǒng)的成功應(yīng)用，為水利工程自動(dòng)化建設(shè)提供了參考借鑒，具有一定的推廣價(jià)值。