淺析基于PLC的閘門(mén)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)安全隱患及應(yīng)對(duì)措施

陳浩

摘要：介紹了人民渠一處灌區(qū)基于PLC的閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀和未來(lái)信息化建設(shè)的新目標(biāo)，梳理了灌區(qū)閘門(mén)自動(dòng)控制過(guò)程中4類(lèi)核心安全隱患，分別從軟硬件方面提出并論述應(yīng)對(duì)措施，對(duì)有效消除安全性隱患，提高閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)的安全性，確保閘門(mén)的運(yùn)行安全提供借鑒。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制;安全隱患;軟硬件;應(yīng)對(duì)措施

Abstract： This article introduces the current operation status of the PLC-based gate automatic control system in an irrigation area in People's Canal and the new goals of future informatization construction. It sorts out 4 types of core safety hazards in the automatic control process of gates in irrigation districts， proposes and discusses countermeasures from the aspects of software and hardware， which can effectively eliminate safety hazards， improve the safety of automatic gate control systems， and ensure the safe operation of gates.

0? 引言

本文簡(jiǎn)要介紹人民渠一處灌區(qū)閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和新的建設(shè)目標(biāo)，針對(duì)閘門(mén)自動(dòng)控制過(guò)程中閘位開(kāi)度、上下限位、數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎攸c(diǎn)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的閘門(mén)啟閉超限、卡滯、失速、下滑，閘位異常波動(dòng)、閘位失聯(lián)、通訊中斷、電機(jī)過(guò)流、防雷接地等問(wèn)題，針對(duì)性重點(diǎn)闡述了閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)中采取的諸如軟硬件雙重限位、荷載與閘速異常偵測(cè)保護(hù)、通訊雙向心跳偵測(cè)、電機(jī)保護(hù)及防雷等軟硬件方面的應(yīng)對(duì)措施。

1? 人民渠一處灌區(qū)閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

人民渠一處灌區(qū)在2008年地震災(zāi)后重建項(xiàng)目中，于17處主要樞紐處均建設(shè)安裝了閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)，但都是在就近的管理站、段實(shí)施控制，并未真正實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心遠(yuǎn)程控制閘門(mén)，統(tǒng)一調(diào)水。

2? 人民渠一處灌區(qū)未來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的建設(shè)目標(biāo)

目前，人民渠一處最新編制的《四川省都江堰人民渠第一管理處信息化建設(shè)規(guī)劃大綱》中提出了我處信息化建設(shè)新的總目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)水資源調(diào)配，可視、可量、可傳、可控。推動(dòng)處、站、段的三級(jí)管理轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨芾硖帪楹诵牡囊患?jí)管理的機(jī)制改革。

其中“可控”，就是要實(shí)現(xiàn)灌區(qū)干渠、分干渠、支渠、分水洞全部控制節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，為“一級(jí)管理”奠定基礎(chǔ)。

為此，本文就基于PLC的閘門(mén)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)存在的安全隱患，提出了針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，以供今后實(shí)踐借鑒。

3? 閘門(mén)控制過(guò)程中4類(lèi)核心安全隱患

基于PLC的閘門(mén)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要是根據(jù)PLC模塊采集的閘位信號(hào)，通過(guò)CPU周期性運(yùn)行程序來(lái)自動(dòng)控制閘門(mén)升、降、停等操作。閘門(mén)電機(jī)的功率普遍較大，如果系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)考慮不充分，閘門(mén)控制時(shí)就存在造成人身財(cái)產(chǎn)損失的安全隱患。我們必須充分考慮閘門(mén)控制中存在的安全隱患并采取應(yīng)對(duì)措施。

結(jié)合人民渠一處灌區(qū)閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況及故障案例，我們梳理出了4類(lèi)核心安全隱患：

3.1 閘門(mén)限位問(wèn)題

正常情況下，閘門(mén)運(yùn)行到上限位或下限位時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即停止，否則可能造成閘門(mén)、電機(jī)損壞等重大財(cái)產(chǎn)損失，甚至出現(xiàn)人員傷亡。比如，螺桿式升降閘門(mén)，運(yùn)行過(guò)程中，如果上下限位出現(xiàn)異常，上下限運(yùn)行到位后，電機(jī)提升或下降還在繼續(xù)，必定會(huì)造成閘門(mén)、螺桿損壞、同時(shí)，電機(jī)也會(huì)由于荷載過(guò)大而燒毀。另一方面，這類(lèi)大體積重型設(shè)備設(shè)備損壞后，更換安裝難度大、時(shí)間周期長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用也相當(dāng)巨大。

3.2 閘門(mén)卡滯、失速、隱蔽性下滑、閘位異常波動(dòng)及閘位失聯(lián)

3.2.1 閘門(mén)卡滯、失速、隱蔽性下滑

閘門(mén)升降過(guò)程中可能因異物阻擋，出現(xiàn)卡滯、升降失速、或處于停止?fàn)顟B(tài)的閘門(mén)，仍隱蔽性下滑的情況。此時(shí)，如果閘門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)沒(méi)有信號(hào)反饋及保護(hù)措施，電機(jī)、閘門(mén)、螺桿損壞、人員傷亡等危險(xiǎn)情況隨時(shí)都可能發(fā)生。

3.2.2 閘位異常波動(dòng)及閘位失聯(lián)

閘位異常波動(dòng)，在實(shí)際案例中，部分老舊閘位傳感器，采集的閘位信號(hào)會(huì)出現(xiàn)不定期的異常波動(dòng)，系統(tǒng)人機(jī)界面顯示的閘位數(shù)值在正常值與異常值間不定期跳動(dòng)，嚴(yán)重影響正常使用。

閘位失聯(lián)，一般情況下是由于閘位計(jì)與轉(zhuǎn)軸間連接不良或傳感器損壞，導(dǎo)致閘門(mén)升降過(guò)程中，閘位數(shù)據(jù)不變。

兩種情況下，如果控制系統(tǒng)沒(méi)有信號(hào)反饋及保護(hù)措施，閘門(mén)控制的安全性和準(zhǔn)確性將大大降低。

3.3 中控與遠(yuǎn)程PLC通訊中斷

在基于PLC的遠(yuǎn)程閘門(mén)控制系統(tǒng)中，通常采用分布式閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制層、網(wǎng)絡(luò)連接層、遠(yuǎn)程監(jiān)控層三層。如果網(wǎng)絡(luò)連接層核心設(shè)備，如：光纖收發(fā)器、交換機(jī)、設(shè)備電源或者線路故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通訊中斷，現(xiàn)地控制PLC就會(huì)與遠(yuǎn)程控制PLC失聯(lián)，當(dāng)失聯(lián)出現(xiàn)時(shí)，遠(yuǎn)程模式崩潰，如果控制系統(tǒng)沒(méi)有信號(hào)反饋及保護(hù)措施，現(xiàn)地閘門(mén)在操作員到達(dá)現(xiàn)地前，閘門(mén)升降狀態(tài)仍然繼續(xù)不受控制，相當(dāng)危險(xiǎn)。

3.4 電機(jī)過(guò)流及防雷問(wèn)題

3.4.1 電機(jī)過(guò)流

閘門(mén)控制電機(jī)的啟動(dòng)、工作電流較大，可以達(dá)到10A以上，而且當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，可能操作人員還來(lái)不及反應(yīng)就已經(jīng)燒壞了電機(jī)或其它控制設(shè)備。所以，為保障人員和設(shè)備安全，當(dāng)電機(jī)電流過(guò)大時(shí)，必須在電路設(shè)計(jì)時(shí)加入保護(hù)措施，出現(xiàn)異常情況，第一時(shí)間斷開(kāi)電路。

3.4.2 防雷

人民渠一處灌區(qū)閘房及管理站段中控室一般都在野外，樹(shù)木繁茂，地勢(shì)開(kāi)闊，雷雨季節(jié)容易受雷電侵襲導(dǎo)致設(shè)備損壞。因此，良好的防雷和接地措施必不可少。2017年5月13日，人民渠一處渠首樞紐閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)因雷擊造成了10余萬(wàn)元的重大經(jīng)濟(jì)損失。

4? 4類(lèi)安全隱患的應(yīng)對(duì)措施簡(jiǎn)述

4.1 軟硬件雙重限位

閘門(mén)限位問(wèn)題可采取軟硬件雙重限位的辦法提高可靠性，實(shí)際效果良好。

硬件限位較穩(wěn)定、可靠的方法是在閘門(mén)的行程上限和下限處安裝限位開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

軟件限位則是通過(guò)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)上、下限閘位的人機(jī)交互設(shè)置，通過(guò)PLC編程軟件的編程，將實(shí)時(shí)閘位與設(shè)置的閘位上、下限實(shí)時(shí)比較，將“全開(kāi)狀態(tài)”和“全關(guān)狀態(tài)”分別作為閘門(mén)升、降輸出的常閉觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)閘位到限，即停。

4.2 荷載與閘速異常偵測(cè)保護(hù)

針對(duì)閘門(mén)卡滯、失速、隱蔽性下滑、閘位異常波動(dòng)及閘位失聯(lián)的情況，可以從硬件兩方面采取措施：

硬件方面，可以設(shè)置荷載傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)荷載值，當(dāng)荷載超載時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警并停止升降閘門(mén)。

軟件方面，在系統(tǒng)程序中建立閘速異常偵測(cè)保護(hù)，通過(guò)1s脈沖信號(hào)，制造延遲，記錄下上一秒閘位，用實(shí)時(shí)閘位與上一秒閘位做減法，得出1s閘位差值，并絕對(duì)值化。從接觸器反饋判斷運(yùn)行狀態(tài)，在運(yùn)行狀態(tài)下，1s閘位差值與組態(tài)軟件提供的人機(jī)界面上人為設(shè)置的卡滯、失聯(lián)，失速界限值做比較，比較值為1持續(xù)5s（可設(shè)定）以上，卡滯、失聯(lián)，失速故障報(bào)警置位，控制中心可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。值班人員到可以立即采取應(yīng)急措施。在停止?fàn)顟B(tài)下，1s閘位差值與組態(tài)軟件提供的人機(jī)界面上人為設(shè)置的下滑界限值做比較，比較值為1持續(xù)5s（可設(shè)定）以上，下滑故障報(bào)警置位，控制中心可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。值班人員到可以立即采取應(yīng)急措施。

4.3 通訊雙向心跳偵測(cè)

針對(duì)中控與遠(yuǎn)程PLC通訊中斷的情況，可以在系統(tǒng)程序中建立通訊雙向心跳偵測(cè)，方法如下：

利用0.1s脈沖信號(hào)建立心跳脈沖，使用數(shù)據(jù)傳輸指令實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地PLC和中心PLC之間雙向傳輸，現(xiàn)地PLC接受中心PLC發(fā)出的心跳脈沖，并向中心PLC發(fā)出心跳脈沖，中心PLC接收現(xiàn)地PLC發(fā)出心跳脈沖，并向現(xiàn)地PLC發(fā)出心跳脈沖。當(dāng)現(xiàn)地PLC和中心PLC接受彼此的心跳脈沖，出現(xiàn)連續(xù)1s以上脈沖值不變，則中心和現(xiàn)地側(cè)即刻發(fā)出通訊故障的報(bào)警。

此外，程序?qū)⑼ㄓ嵐收献鳛殚l門(mén)升降輸出的常閉觸點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)一旦通訊失聯(lián)，現(xiàn)地閘門(mén)立即停止升降，最大程度保障系統(tǒng)安全。（圖1）

4.4 電機(jī)保護(hù)及防雷

4.4.1 電機(jī)保護(hù)

在電機(jī)動(dòng)力線上接入過(guò)流保護(hù)器，當(dāng)閘門(mén)出現(xiàn)過(guò)載情況時(shí)，電機(jī)電流增大，過(guò)流保護(hù)器自動(dòng)斷開(kāi)，保護(hù)電機(jī)不被燒毀，同時(shí)保護(hù)閘門(mén)及其他控制設(shè)備。

4.4.2 降低接地電阻，設(shè)置強(qiáng)弱電避雷器

中心機(jī)房、PLC控制柜要求做好接地，且必須使接地電阻的阻值達(dá)到規(guī)范要求。除了按規(guī)范做好強(qiáng)電系統(tǒng)多級(jí)防雷措施外，還可以針對(duì)弱電系統(tǒng)增設(shè)弱電防雷保護(hù)器。

4.4.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)須設(shè)置避雷器

對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，針對(duì)模擬攝像頭設(shè)置浪涌保護(hù)器，針對(duì)數(shù)字高清攝像頭設(shè)置信號(hào)避雷器，可有效保護(hù)上層設(shè)備不受雷擊損壞，縮小受災(zāi)范圍。

4.4.4 閘門(mén)控制系統(tǒng)增設(shè)信號(hào)避雷器和信號(hào)隔離器

對(duì)于閘門(mén)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通信線路應(yīng)設(shè)置信號(hào)避雷器，另一方面，由于部分老舊壓力式水位傳感器設(shè)置在河水里，很容易引雷進(jìn)入系統(tǒng)，故很有必要在傳感器與IO模塊間增設(shè)信號(hào)隔離器。

5? 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了基于PLC控制系統(tǒng)在閘門(mén)控制過(guò)程中的四類(lèi)安全因素，針對(duì)性闡述了四種提高閘門(mén)安全性的方法。做好這些重點(diǎn)環(huán)節(jié)安全隱患的應(yīng)對(duì)措施，能有效提高閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，確保閘門(mén)的安全運(yùn)行。

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