水利閘門自動化控制中PLC技術(shù)的應(yīng)用探析

左毅軍

(昌吉市榆樹溝鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)畜牧業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，新疆 昌吉 831100)

1 PLC技術(shù)簡介

20世紀(jì)70年代，PLC技術(shù)在汽車工業(yè)中得到了應(yīng)用。隨著我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和水利事業(yè)的快速發(fā)展，PLC技術(shù)也得到了空前的創(chuàng)新與應(yīng)用，已廣泛應(yīng)用于水電站、水庫、泵站等設(shè)備中[1]。作為重要的水利樞紐設(shè)備，水利閘門控制也普遍采用了PLC技術(shù)。PLC是以計算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)等為基礎(chǔ)的一種智能化的控制設(shè)備[2]，其硬件部分主要包括輸入輸出單元、CPU、儲存器、擴(kuò)展接口、通信接口以及電源等。此外，PLC控制系統(tǒng)采用存儲邏輯，其控制系統(tǒng)以程序方式存儲于內(nèi)存中，要改變控制邏輯，僅需改變程序方式即可。PLC控制技術(shù)反應(yīng)速度快，可達(dá)到微秒級，其工作可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)[3]，同時采用模塊化設(shè)計，設(shè)備體積小，功能強(qiáng)大，功耗低，擴(kuò)展能力強(qiáng)，較適用于工業(yè)環(huán)境。

近年來，閘門開關(guān)自動化控制在水利工程中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。開關(guān)是指對指定設(shè)備工作的開始及結(jié)束下達(dá)命令的控制部件，在水利閘門出現(xiàn)緊急情況時，閘門開關(guān)的作用尤為顯著，其能否快速準(zhǔn)確下達(dá)命令，直接決定著事態(tài)的嚴(yán)重程度。目前，部分舊式開關(guān)對緊急故障的反應(yīng)時間長，下達(dá)命令遲緩，極易導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，水利閘門開關(guān)中PLC技術(shù)的應(yīng)用，既能夠優(yōu)化對設(shè)備的控制，減少事故的發(fā)生，同時極大地促進(jìn)了水利事業(yè)的發(fā)展。

2 PLC技術(shù)的工作原理和特點

2.1 PLC技術(shù)的工作原理

PLC是利用計算機(jī)編程而形成的一種設(shè)備工具，由軟件部分和硬件部分組成，當(dāng)前廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[4]。PLC技術(shù)主要工作內(nèi)容是基于用戶需求，通過相關(guān)軟件進(jìn)行需求分析，為用戶設(shè)計程序，實現(xiàn)控制的目的。由于整個過程不存在復(fù)雜的內(nèi)容，完全可以由軟件代替完成，因此，控制命令的運行路線簡單，反應(yīng)速度極快，設(shè)備更加便攜。

2.2 PCL技術(shù)的特點

a.強(qiáng)大的運算功能。強(qiáng)大的運算功能是PLC設(shè)備的核心技術(shù)，其處理主任務(wù)的時間控制在10～20ms之內(nèi)，并且能識別五種IEC語言，能快速進(jìn)行整數(shù)及浮點的計算，保證一些任務(wù)在毫秒級的時間內(nèi)完成，共計支持64個可優(yōu)先完成的任務(wù)。

b.超大的內(nèi)存。PLC系統(tǒng)內(nèi)部的處理器為RAM，內(nèi)存4MB，帶有特定的SD卡，可用于日常的程序備份，同時，設(shè)備中的CPU均帶有USB插口，并可集成CANopen等的通信接口使用。

c.高性能的計數(shù)功能。PLC系統(tǒng)擁有32位的技術(shù)性能，主要通道為2通道或8通道，刷新時間周期約1ms，捕捉寄存器共2個，動作的反應(yīng)時長不大于200μs。如此高配置的通道設(shè)置和技術(shù)模式，決定了其可方便快捷地實現(xiàn)各種類型用戶的要求。

d.位置控制系統(tǒng)。位置控制系統(tǒng)是PLC設(shè)備提供可操作性且靈活方案的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)置。其原理主要是通過控制變頻器和電機(jī)，利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)功能庫中的指令，直接實現(xiàn)速度控制，不需要增添新的軸控模塊。另外，還可以通過控制同步電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)位置控制需求，實現(xiàn)復(fù)雜機(jī)械的位置控制應(yīng)用。

e.儲存功能。PLC系統(tǒng)擁有可插可卸載的存儲卡，操縱SD卡時，不僅不會影響正在運行的程序，還能在插卡后，將最新的數(shù)據(jù)傳輸至儲存器中，除此之外，SD卡還具有自動備份的功能，可以將應(yīng)用程序備份到內(nèi)部的閃存中，必要時，還可以利用相關(guān)功能模塊，開啟數(shù)據(jù)追蹤等管理功能。

f.良好的穩(wěn)定性。PLC系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中可以運轉(zhuǎn)自如，其可在-40～70℃的環(huán)境中正常運行，除此之外，還具有抗結(jié)露、防灰塵、抗腐蝕等功能。

3 PCL技術(shù)在水利閘門自動化控制中的應(yīng)用

水利閘門自動化控制系統(tǒng)是指通過計算機(jī)監(jiān)控檢測閘門的啟閉狀態(tài)、閘門的開度和水利相關(guān)數(shù)字信息的自動化采集與傳輸[5]。同時，在計算機(jī)上以實時將圖像或者數(shù)字以人機(jī)界面的形式傳輸出來，可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控界面直觀地了解閘門設(shè)備的運行情況，實現(xiàn)在計算機(jī)上遠(yuǎn)程控制閘門的啟閉。此外，通過PLC系統(tǒng)編輯器編輯預(yù)定程序，在規(guī)定的時間點或者發(fā)生其他事件時自動控制水利閘門，實行水利閘門自動化控制(見圖1)。下面以引黃濟(jì)青工程為例，分析PLC技術(shù)在水利閘門中的應(yīng)用。

圖1 PLC系統(tǒng)在水利閘門中的應(yīng)用

3.1 引黃濟(jì)青工程概況

引黃濟(jì)青工程是從黃河打漁張閘引水保證青島市社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的大型調(diào)水工程[6]。輸水渠全長252.5 km，為確保水質(zhì)良好，輸水渠均采用倒虹或渡槽的立體交叉型式。但是，沿途各閘站的電氣設(shè)備大部分都是20世紀(jì)80年代產(chǎn)品，經(jīng)過幾十年的運行，大量設(shè)備故障頻繁，維修所需更換的零部件大部分早已停產(chǎn)，難以購置。大部分電氣設(shè)備無法滿足節(jié)能要求，屬于國家規(guī)定中禁止使用的淘汰產(chǎn)品。為此，結(jié)合工程現(xiàn)狀和存在的問題，對引黃濟(jì)青工程沿途各閘站的變配電設(shè)備進(jìn)行更新改造。其中東營段小清河下節(jié)制閘需更換門槽預(yù)埋件、鋼制閘門及與之配套的電氣控制部分。小清河分洪道下節(jié)制閘閘門為10×7.5-7/4.8m露頂式平面定輪鋼閘門，孔口寬度10m，孔口數(shù)量3孔，閘門數(shù)量3扇，閘門支承型式為懸臂式滾輪支承，設(shè)計水頭7m，啟閉機(jī)為2×400kN固定卷揚式啟閉機(jī)。

3.2 PLC系統(tǒng)應(yīng)用情況

東營分局所轄小清河分洪道下節(jié)制閘采用雙吊點固定卷揚啟閉機(jī)，電氣配置啟閉機(jī)機(jī)旁箱、閘門開度傳感器、閘門荷重傳感器和閘門開度荷重顯示儀等設(shè)備。該啟閉機(jī)的電氣部分，采用性能先進(jìn)的PLC控制、觸摸屏 “人機(jī)界面”，旋轉(zhuǎn)編碼器為精確定位的反饋元件。升降電機(jī)采用交流變頻器調(diào)速。操作方便、靈活和人性化。完善的報警功能，大大提高了工作效率，具有質(zhì)量可靠、控制先進(jìn)、操作簡便、定位精度高等優(yōu)點。該齒桿機(jī)控制核心為施耐德公司M340 PLC，人機(jī)對話窗口為威綸通公司產(chǎn)品TK6071觸摸屏，位置反饋元件為徐州海河開度儀及配套編碼器，驅(qū)動核心為NIDEC EV1000變頻器?？刂葡到y(tǒng)見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

PLC系統(tǒng)的主要組成包括CPU、數(shù)字量輸入輸出模塊、通信模塊、模擬量輸入模塊、電源模塊和底板。其控制流程為：選擇現(xiàn)地自動控制→觸摸屏設(shè)置閘門指定的預(yù)置高度→觸摸屏點擊按鈕發(fā)出升降命令→PLC系統(tǒng)接收控制命令，通過采集開度儀表的開度信息，與設(shè)置的預(yù)置高度進(jìn)行對比→對比后如閘門開度不到預(yù)置開度，PLC發(fā)送命令給輸出模塊，控制變頻器開始全速度進(jìn)行閘門的升降，當(dāng)PLC通過預(yù)制開度與開度反饋值對比后發(fā)現(xiàn)接近預(yù)置開度時，PLC自動控制變頻器降速運行，以達(dá)到精準(zhǔn)停車的目的→閘門達(dá)到預(yù)置高度時自動停止→閘門運行過程中，可隨時通過觸摸屏控制閘門停止。遠(yuǎn)程控制流程與現(xiàn)地一樣，只不過需選擇遠(yuǎn)程控制方式，且開度預(yù)置及升降控制在遠(yuǎn)程計算機(jī)上進(jìn)行操作。

4 PLC系統(tǒng)在2019年“利奇馬”臺風(fēng)調(diào)度中應(yīng)用效果分析

水利閘門是水利工程的主要設(shè)施之一，在抗旱、防洪、水資源合理配置等方面均具有重大的作用。2019年8月10日，“利奇馬”臺風(fēng)由浙江登陸我國大陸，最大風(fēng)力16級，是1949年以來登陸我國大陸的第五強(qiáng)臺風(fēng)。受“利奇馬”臺風(fēng)影響，2019年8月10日9時—12日11時，山東省東營全市平均降水322mm，降水總量超過5億m3。小清河分洪道子槽段除承接本地雨水排澇外，上游淄博等地河道洪水也進(jìn)入子槽河段，“暴雨+風(fēng)暴潮”造成河道排水緩慢，導(dǎo)致小清河子槽段下節(jié)制閘前水位高達(dá)5.5m，存在漫堤的威脅，現(xiàn)場抗洪搶險工作舉步難行。

小清河分洪道子槽段下節(jié)制閘安裝了PLC自動控制系統(tǒng)，面對險情，調(diào)度人員通過遠(yuǎn)程控制開啟閘門。為防止開啟閘門后出現(xiàn)沖刷下游堤岸情況，首先開啟中孔閘門0.5m，待閘門下游水流鋪滿河床后，再開啟兩側(cè)閘門0.5m，按照這個順序逐漸開啟閘門，每次開啟高度控制在0.5m以內(nèi)。最終閘門高度達(dá)到5m。洪水順利排出閘門，既保證了閘門及時、準(zhǔn)確的開啟和調(diào)度人員的安全，也保護(hù)了堤壩和沿途村莊的生命財產(chǎn)安全。此次事件表明PLC系統(tǒng)在水利閘門中的應(yīng)用對防洪具有重要的作用，主要體現(xiàn)在：自動監(jiān)測水位變化，預(yù)測險情；在惡劣環(huán)境下，通過遠(yuǎn)程操控控制水利閘門的啟閉；通過程序編碼，及時準(zhǔn)確地發(fā)布指令，極大提高了工作效率；實時監(jiān)測系統(tǒng)運行情況，實現(xiàn)“早報警、早防控”的效果；操作簡單方便，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

PLC系統(tǒng)在小清河分洪道閘門中的應(yīng)用仍處于探索階段，隨著水利事業(yè)的發(fā)展，對PLC技術(shù)將提出更高的要求。因此，需要在不斷的實踐應(yīng)用中總結(jié)經(jīng)驗，進(jìn)一步優(yōu)化PLC技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，滿足時代發(fā)展需求。

5 結(jié) 語

隨著我國水利事業(yè)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水利工程的智能化發(fā)展成為必然趨勢。PLC具有設(shè)備體積小、功能強(qiáng)大、擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點，在水利事業(yè)中具有較好的發(fā)展前景，但其研究仍處于初期探索階段，需要根據(jù)PLC技術(shù)在實際應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行深入研究，使其朝著兼容性更強(qiáng)的方向發(fā)展。