二堡船閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

嚴(yán) 勵(lì)

(淮安市淮安區(qū)二堡船閘管理所， 江蘇 淮安 223200)

淮安市淮安區(qū)二堡船閘位于京杭大運(yùn)河和頭溪河交匯處，被江蘇省水利廳批準(zhǔn)為省一級(jí)水利工程管理單位。船閘上、下游閘首凈寬8 m，閘室寬12 m，長(zhǎng)106 m。上游最高通航水位▽8.5 m，最低通航水位▽5.5 m，下游最低通航水位▽1.0 m。為提高船閘自動(dòng)化控制水平，采用PLC可編程控制器、變頻器、液晶觸摸屏、遠(yuǎn)程控制上位機(jī)、組態(tài)控制軟件等對(duì)傳統(tǒng)繼電器控制進(jìn)行了更新，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)地、遠(yuǎn)程2種方式對(duì)閘門啟閉機(jī)的開關(guān)及運(yùn)行速度控制。本文介紹自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 控制對(duì)象

二堡船閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的是根據(jù)調(diào)度要求及水位情況通過啟閉機(jī)對(duì)閘門的開關(guān)和運(yùn)行速度實(shí)現(xiàn)控制。船閘上、下游閘首凈寬8 m，安裝人字鋼閘門(如圖1所示)，閘首兩側(cè)各配一臺(tái)YJQ-RC200-3.0A型集成式油壓推桿啟閉機(jī)控制人字閘門開關(guān)。閘首兩側(cè)輸水廊道凈寬2 m，高1.3 m，其頂部為矢高0.5 m的拱，安裝平板鋼閘門，閘首兩側(cè)各配一臺(tái)YJQ-PZ100-2.5A型油壓?jiǎn)㈤]機(jī)控制輸水閘門開關(guān)，啟閉機(jī)布置方式(如圖2所示)。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)配YVF2-160L型變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)推桿運(yùn)動(dòng)方向及速度由齒輪油泵控制，油泵的轉(zhuǎn)向及速度由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向及速度控制，對(duì)各電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)速的控制由PLC編程及變頻器實(shí)現(xiàn)。

圖1 人字門布置

圖2 啟閉機(jī)布置

2 PLC控制系統(tǒng)

2.1 PLC配置與聯(lián)接

可編程控制器(PLC)，是一種數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程[1]。PLC主要特點(diǎn)有可靠性高、通用性好、擴(kuò)展功能強(qiáng)等。船閘分上下游左右兩側(cè)，共4個(gè)閘首，其中上游左側(cè)閘首作為主控側(cè)，主控側(cè)現(xiàn)地控制PLC采用Schneider TWDLCAE40DRF一體型控制器，其具有24路24V DC輸入通道，14路繼電器2路晶體管輸出通道，內(nèi)置100Base-TX Ethernet網(wǎng)絡(luò)端口[2]。另外配數(shù)字量擴(kuò)展輸入模塊TWDDDI16DT2塊、模擬量擴(kuò)展輸出模塊TWDAV02HT、TWDNAC485T通信適配器、模擬量擴(kuò)展輸入模塊TWDAMI8HT。其他閘首為副控側(cè)，副控側(cè)現(xiàn)地控制PLC采用Schneider TWDLMDA40DTK模塊化控制器，配數(shù)字量擴(kuò)展輸入模塊TWDDDI16DT兩塊、模擬量擴(kuò)展輸出模塊TWDAV02HT、TWDNOZ485T通信擴(kuò)展模塊。主控與副控PLC之間采用MODBUS連接協(xié)議通信。

2.2 閘門開度檢測(cè)

在PLC控制過程中需要實(shí)時(shí)讀取人字閘門和輸水閘門的開度數(shù)值，通過YQX-II型外置式閘門開度儀進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)裝置通過傳動(dòng)鋼絲繩的一端與油壓缸活塞桿吊頭部位相連接，當(dāng)活塞桿外伸時(shí)，傳動(dòng)鋼絲繩被拉出并帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，與卷筒同軸安裝的發(fā)條式板卷彈簧則被同步卷緊在芯軸上蓄力，當(dāng)活塞桿回縮時(shí)，依靠發(fā)條式彈簧的蓄力帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩被回收卷繞在卷筒上。卷筒軸的一端通過聯(lián)軸器與編碼器相聯(lián)，卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將鋼絲繩的直線位移量轉(zhuǎn)換為編碼器的輸出信號(hào)。開度的位移量信號(hào)通過不銹鋼絲繩傳遞給絕對(duì)式編碼器產(chǎn)生格雷碼(Binary Gray Code)得到旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，格雷碼傳送到PLC數(shù)字量擴(kuò)展輸入模塊TWDDDI16DT,經(jīng)PLC編程處理轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼。PLC利用轉(zhuǎn)數(shù)及每轉(zhuǎn)周長(zhǎng)計(jì)算得到人字門和輸水門的開度位移量，閘門開度計(jì)算梯形圖程序(如圖3所示)。

圖3 閘門開度計(jì)算程序

2.3 水位檢測(cè)

船閘上游、閘室、下游各安裝2臺(tái)UTG-21型超聲波液位計(jì)測(cè)量各處水位，儀表的探頭發(fā)出超聲波打到液位后反射回探頭，探頭接收到后計(jì)算發(fā)波到收波的時(shí)間，計(jì)算得到測(cè)量距離，儀表安裝高度減去測(cè)量距離將得到當(dāng)前液位。液位計(jì)測(cè)量得到的4-20MA模擬量通過模擬量擴(kuò)展輸入模塊TWDAMI8HT轉(zhuǎn)換為PLC數(shù)字量。之所以上游、閘室、下游各安裝2臺(tái)液位計(jì)，是為防止液位計(jì)故障產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)值。PLC采集到各處水位值后，首先判斷是否在有效范圍之內(nèi)，同時(shí)對(duì)相鄰水位計(jì)差值判斷是否在合理范圍內(nèi)，然后計(jì)算相鄰水位均值。在水位信息處理過程中發(fā)現(xiàn)超出合理范圍則產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。在人字鋼閘門內(nèi)外水位差小于15cm時(shí)滿足開啟條件。

2.4 變頻調(diào)速

在輸水閘門開啟過程中，考慮水位差帶來的水流速對(duì)輸水閘門及閘室的沖擊，所以在水位差較大的啟門初始時(shí)間內(nèi)，采用低速運(yùn)行，到水位差縮小后加速運(yùn)行。人字閘門運(yùn)行控制采用“慢-快-慢”的方式，以保護(hù)閘門不因慣性引起的硬性碰撞損壞。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)配YVF2-160L型變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)。定子繞組連接三相交流電時(shí)采用三角形聯(lián)結(jié)。采用VLT? Micro Drive FC 51通用變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。交流異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)速度則與三相交流電的頻率和級(jí)對(duì)數(shù)有關(guān)，即 n=60f/p(1-s), 式中：n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，f為三相交流電的頻率，p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率。通過改變交流電頻率的方式實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)速度控制的技術(shù)就叫變頻技術(shù)[3]。變頻器采用u/f控制方式，為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)的磁通不變的思想而提出的，低速時(shí)需要降低電壓，保持磁通量恒定。變頻器輸入端接PLC的模擬量擴(kuò)展輸出模塊TWDAV02HT的0-10V電壓模擬輸出信號(hào)。模擬量擴(kuò)展輸出模塊輸出電壓根據(jù)閘門開度值而改變，其PLC梯形圖程序(如圖4所示)。變頻器則相應(yīng)產(chǎn)生不同頻率與電壓的電動(dòng)機(jī)輸入電源，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

圖4 電壓輸出控制梯形圖程序

3 現(xiàn)地和遠(yuǎn)程的人機(jī)交互

3.1 現(xiàn)地控制

各閘首現(xiàn)地控制的人機(jī)交互采用Weinview TK6070iH液晶觸摸屏實(shí)現(xiàn)，觸摸屏通過Modbus RTU protocl通訊模式與PLC通信。觸摸屏設(shè)計(jì)有主控、參數(shù)設(shè)置、故障報(bào)警、系統(tǒng)說明4個(gè)窗口，利用頂部4個(gè)觸摸按鍵進(jìn)行切換。其中主控畫面(如圖5所示)有輸水門控制、人字門控制、狀態(tài)監(jiān)視3個(gè)部分。輸水門控制部分可以讀取輸水門開度值，并可在初始維護(hù)時(shí)實(shí)現(xiàn)開度清零，在輸水門處于全開或全關(guān)狀態(tài)時(shí)有閃爍提示，有實(shí)現(xiàn)輸水門開啟、停止、關(guān)閉的操作按鈕，有反映輸水門電機(jī)運(yùn)行及故障的狀態(tài)閃爍提示。人字門控制部分可以讀取人字門開度值，并可在初始維護(hù)時(shí)實(shí)現(xiàn)開度清零，在人字門處于全開或全關(guān)狀態(tài)時(shí)有閃爍提示，有實(shí)現(xiàn)人字門開啟、停止、關(guān)閉的操作按鈕，有反映人字門電機(jī)運(yùn)行及故障的狀態(tài)閃爍提示。狀態(tài)監(jiān)視部分反映系統(tǒng)目前處于自動(dòng)、遠(yuǎn)方、單側(cè)、聯(lián)動(dòng)的狀態(tài)。參數(shù)設(shè)置窗口有輸水門全開值、全關(guān)值、下滑設(shè)置，人字門全開值、全關(guān)值、糾偏值、超差值、下滑設(shè)置。故障報(bào)警窗口有報(bào)警信息時(shí)間及類型記錄。系統(tǒng)說明窗口用圖形化方式對(duì)操作運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行了講解。另外在控制柜上裝有可實(shí)現(xiàn)輸水門和人字門的開啟、停止、關(guān)閉的手動(dòng)機(jī)械按鈕，及緊急停止和故障復(fù)位按鈕，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、遠(yuǎn)方、單側(cè)、聯(lián)動(dòng)的狀態(tài)切換的機(jī)械旋轉(zhuǎn)開關(guān)。

圖5 觸摸屏主控窗口

3.2 遠(yuǎn)程控制

遠(yuǎn)控室計(jì)算機(jī)與主控閘首Schneider TWDLCAE40DRF一體型PLC控制器的內(nèi)置以太網(wǎng)接口采用Modbus TCP/IP協(xié)議通信。Modbus協(xié)議最初由Modicon公司開發(fā)出來，在1979年末，該公司成為施耐德自動(dòng)化部門的一部分，現(xiàn)在Modbus已經(jīng)是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議[4]。具有Modbus接口的PLC可以很方便地進(jìn)行組態(tài)。組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，一般英文簡(jiǎn)稱有3種，分別HMI/MMI/SCADA。二堡船閘遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)上位機(jī)組態(tài)軟件采集水位、閘首電壓、電流、各閘首人字閘門開度、各閘首輸水閘門開度等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)分為上游控制、下游控制、運(yùn)行動(dòng)畫模擬部分(如圖6所示)。上游控制部分實(shí)時(shí)顯示上游左右兩側(cè)人字閘門、輸水閘門的開度信息，上游左右兩側(cè)房機(jī)的電壓電流值，人字閘門和輸水閘門全開全關(guān)的閃爍提示，人字閘門開、停、關(guān)的操作按鈕，輸水閘門開、停、關(guān)的操作按鈕。下游控制部分實(shí)時(shí)顯示下游左右兩側(cè)人字閘門、輸水閘門的開度信息，下游左右兩側(cè)房機(jī)的電壓電流值，人字閘門和輸水閘門全開全關(guān)的閃爍提示，人字閘門開、停、關(guān)的操作按鈕，輸水閘門開、停、關(guān)的操作按鈕。運(yùn)行動(dòng)畫模擬部分實(shí)時(shí)顯示人字閘門及輸水閘門的位置動(dòng)畫模擬，上游水位、閘室水位、下游水位及其動(dòng)態(tài)模擬。遠(yuǎn)控室對(duì)閘首控制電源采用遠(yuǎn)程控制斷路器的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分合閘控制。同時(shí)采集各閘首啟閉機(jī)、人字閘門、輸水閘門、閘首現(xiàn)地控制柜、上下游及閘室各處水位的現(xiàn)場(chǎng)頻視到遠(yuǎn)控室大屏顯示，遠(yuǎn)控操作人員在進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時(shí)同時(shí)關(guān)注組態(tài)軟件采集的各種信息和現(xiàn)場(chǎng)視頻，確保信息準(zhǔn)確。

圖6 遠(yuǎn)程控制窗口

4 結(jié) 語

二堡船閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)各種操作方式之間互鎖，具有保證系統(tǒng)安全的電機(jī)聯(lián)鎖、電氣保護(hù)，操作靈活適應(yīng)各種運(yùn)行方式，力求線路簡(jiǎn)練便于維護(hù)。相較傳統(tǒng)繼電器控制方式有可靠性高、通用性好、擴(kuò)展功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，有效提升了水利工程管理單位運(yùn)行自動(dòng)化水平。