PLC 在南水北調(diào)弧形閘門上的應用

劉杰

摘 要：隨著PLC技術的出現(xiàn)，水利工程閘門上開始采用PLC技術實現(xiàn)遠程控制等功能。因此，本文介紹了當前 PLC 在南水北調(diào)弧形閘門上的應用情況。與傳統(tǒng)的繼電控制電路相比，PLC具有操作簡單、及時、準確，系統(tǒng)穩(wěn)定，運行維護費用低等優(yōu)勢。

關鍵詞：PLC;南水北調(diào);閘門;應用

1 自動控制系統(tǒng)總體方案

該閘站共有2孔閘門，采用一機一門運行方式，每孔配有液壓啟閉機，電路控制系統(tǒng)由I/O控制柜和現(xiàn)地控制柜2部分組成。

1.1 PLC選型

綜合考慮性能、價格、擴展性等因素，某段LCU 控制單元的控制核心選用德國西門子公司的S7-300系列 PLC。SIMATIC S7-300專業(yè)用于復雜運動控制工藝要求，可以使用現(xiàn)成的運動控制指令，實現(xiàn)復雜的運動控制任務。S7-300建立在模塊式的組態(tài)上，無需 I/O模塊的插槽規(guī)則，具有高處理速度，CPU 可以實現(xiàn)非常短的機器循環(huán)時間，現(xiàn)有豐富的模塊可用于集中組態(tài)和搭配 ET 200M 實現(xiàn)的分布式組態(tài)。集成的 PROFINET 接口可實現(xiàn)控制器的簡單網(wǎng)絡化，與其它運行管理等級方便的進行數(shù)據(jù)交換，模塊寬度窄，可實現(xiàn)緊湊式的模塊設計或者小型控制柜。集成的PROFINET 接口能夠把強大的 CPU 與工業(yè)以太網(wǎng)/PROFINET 接口、集成的工藝功能或故障防護設計集成在一起，從而避免附加投資。中央處理器采用CPU313C，集成具有用于數(shù)據(jù)通信的分散式外設 PROFIBUS-DP主/從接口和用于編程器上裝程序的多點MPI接口，具有順控、調(diào)節(jié)、過程輸入/輸出、數(shù)據(jù)處理和外部通信功能。

1.2 PLC模塊配置

PLC自帶24DI/16DO，4AI、2AO四種模塊，其性能完全滿足控制系統(tǒng)需求。PLC的I/O接口為2通道模擬量輸入模塊 SM321 用于連接標準開關按鈕、接近開關、電磁閥、接觸器、燈等。PLC控制系統(tǒng)DI、DO模塊實現(xiàn)中、底孔弧門的啟、閉門的自動控制，并對啟、閉門過程中出現(xiàn)的故障進行監(jiān)控。此外通過模擬量輸入AI模塊SM331處理閘門開度傳感器轉變的模擬量輸入信號，模擬量輸入模塊采用四線制4～20mA電流輸入。

2 PLC控制的實現(xiàn)

2.1 硬件組成

每套液壓啟閉機設一套機旁控制設備，每套機旁控制設備由機旁啟動回路柜與遠方閘站監(jiān)控系統(tǒng)（PLC），以及閘門開度檢測裝置和液壓泵站壓力、油位、溫度等傳感元件組成，具有單機應急操作、安裝調(diào)試及系統(tǒng)保護等功能，可實現(xiàn)與遠程閘站控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和聯(lián)合控制，對于節(jié)制閘可以實現(xiàn)遠程指令操作。

2.2 程序設計

S7-300 配置了CPU、以太網(wǎng)、開入、開出、模入、模出及SSI和高速脈沖等模件。開入模件測量閘門開關狀態(tài)信號，模入模件測量啟閉機動力電源電壓、電機電流、油壓、油溫等信號，模出模件通過比例放大規(guī)律控制比例糾偏閥，開出模件控制電機、電磁閥等。南水北調(diào)某段弧形閘門采用 SSI 模件通過開度儀編碼器測量閘門左右開度，以太網(wǎng)模件實現(xiàn)與上位機數(shù)據(jù)交換。

2.3 觸摸屏的設計

觸摸屏選用 MCGS 的 TPC10 觸摸屏，是一套以嵌入式低耗功 CPU 為核心的高性能嵌入式一體化工控機。采用 MPI 通訊方式連接，通過組態(tài)，畫面模擬顯示主畫面中的閘門信息，包括：I/O 柜控制方式，啟閉機柜控制方式，閘門開關狀態(tài)，閘門運行狀態(tài)，油泵運行狀態(tài)，閘門控制按鈕，閘后水深等信息。操作界面采用人性化圖形設計，為保證設備安全，軟件設計了管理員登錄功能，為每位操作人員設置了登錄賬戶，用戶可以利用軟件下達操作指令，并且在界面上看到閘門實時動態(tài)。數(shù)據(jù)屏包含水利數(shù)據(jù)、配電數(shù)據(jù)、啟閉機數(shù)據(jù) （閘門開度、油溫、油壓、目標開度等信息）。此外，數(shù)據(jù)屏包含報警信息，顯示各故障報警詳細信息，一旦出現(xiàn)警情，會立刻提示。操作人員可以通過觸摸屏觀測到所有數(shù)據(jù)，并通過用戶登錄實現(xiàn)閘門操作等功能。

2.4 控制設計

通過傳感器，采集每個閘門的運行工況，將傳感器的開關量和模擬量等信息通過以太網(wǎng)上送給遠程閘站控制系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)控。為提高數(shù)據(jù)采集的精度，實時數(shù)據(jù)的處理采用了軟件數(shù)字濾波、變化梯度檢查、數(shù)據(jù)合理性校驗等抗干擾技術。上位機根據(jù)采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，監(jiān)視運行情況，發(fā)出控制命令。根據(jù)接收的控制信號，自動完成閘門的提升或升降以及閘門的開啟或關閉輸出計算，比例調(diào)速閥按給定開度或給定流量實現(xiàn)閘門同步控制。

3 控制模式實現(xiàn)

S7-300系列PLC系統(tǒng)控制方式有3種，即遠程集中控制、現(xiàn)地自動控制、現(xiàn)地手動控制?？刂葡到y(tǒng)設有過載、短路、失壓、閘門全開全關、上升和下降卡滯報警保護功能，一旦故障報警信號發(fā)出后，必須發(fā)出故障復位信號，才能重新控制閘門，根據(jù)閘門控制回路，各信號、觸點輸入 PLC，得出閘門的控制策略。根據(jù)工作需要選擇工作方式。

3.1 手動模式下操作

圖1所示，將轉換開關 “SA01”轉到 “手動”位置，可以完成油泵啟停、啟門、閉門等。

閘門開啟時，將轉換開關“SA01”轉到 “手動”位置后，通過“SA02”手動啟動油泵，油泵運行10s后即可進行啟門（1SB1）操作。啟門過程中，需操作人員根據(jù)開度顯示來進行雙缸同步調(diào)節(jié)，雙缸流量通過面板上的調(diào)節(jié)按鈕來控制。

3.2 現(xiàn)地 （自動） 控制操作

閘門開啟時，將轉換開關“SA01”轉到“自動”位置后，只需按下 “啟門” 按鈕，即可自動進行啟泵、升壓、啟門動作、同步調(diào)節(jié)。閘門開啟過程中，如果系統(tǒng)左右開度偏差值超過糾偏啟動值10mm，系統(tǒng)將激活同步調(diào)節(jié)功能。

3.3 遠程控制操作

將控制柜工作方式選擇開關“SA01”轉換到“遠程” 位置，此狀態(tài)下，現(xiàn)地控制柜上除“緊?！卑粹o和SJ1、SJ2有效外，其他操作按鈕均無效，所有啟閉門指令均由計算機監(jiān)控系統(tǒng)的遠程I/O發(fā)出?，F(xiàn)場閘室由PLC及分布式I/O柜組成，其功能是實時采集閘門前后水位數(shù)據(jù)，根據(jù)實際情況進行預處理及報警。采集參數(shù)包括： 閘門開度，閘門左右反饋開度，閘前后水位，流量等重要參數(shù)，然后把采集到的數(shù)據(jù)傳輸至總調(diào)中心進行處理，根據(jù)實際需要可實現(xiàn)遠程操作閘門。在選擇自動模式時，PLC通過過閘流量計采集流量信息自動控制弧形閘門的升降，保證流量在設定范圍之內(nèi)。通過一個分層次，多手段的監(jiān)控系統(tǒng)，完全可以實現(xiàn)閘門現(xiàn)代化管理，這一特性對于長距離輸水調(diào)水尤為重要。

通過該PLC在南水北調(diào)弧形閘門上的應用，以其良好的系統(tǒng)兼容性、便于擴展和維護、可靠性高、易于與上級調(diào)度指揮系統(tǒng)集成等優(yōu)點，全面實現(xiàn)了閘站 “無人值守”輸水調(diào)度。為了進一步完善系統(tǒng)，可以在現(xiàn)地控制柜增設觸摸屏等設備，現(xiàn)地實時監(jiān)測閘門系統(tǒng)運行狀態(tài)，監(jiān)測系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試運行，系統(tǒng)對閘門狀態(tài)數(shù)據(jù)采集迅速可靠，控制命令下達及時準確，很好的滿足了現(xiàn)場工作要求。西門子S7-300應用在水利系統(tǒng)中大大提高了系統(tǒng)的自動化程度和設備的生產(chǎn)效率，具有較大的推廣價值。

參考文獻：

[1]張曉波.基于以太網(wǎng)的梅山水庫閘門監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用[J].江淮水利科技，2018（03）：143-145.