基于PLC雙傳式清污機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)探究

秦新風(fēng) 賀三清

[摘 ? ?要 ]為減少河道廢物對(duì)機(jī)組的出力影響，提升水電站發(fā)電效率，同時(shí)杜絕采用人工清污方式產(chǎn)生的安全隱患，確保清污過(guò)程的可靠性，提出完善雙傳式清污機(jī)設(shè)計(jì)工作的建議。介紹該系統(tǒng)的主要構(gòu)成、工作原理，提供一組經(jīng)典的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)分析研究后，認(rèn)為雙超聲波液位傳感器的安裝過(guò)程簡(jiǎn)單，檢查結(jié)果的精準(zhǔn)性處于較高水平，配合使用PLC能明顯提升清污機(jī)運(yùn)作過(guò)程的可靠性，延長(zhǎng)其使用年限，創(chuàng)造出更多的效益。

[關(guān)鍵詞]PLC;清污機(jī);自動(dòng)化控制;水位差

[中圖分類(lèi)號(hào)]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）06–00–02

[Abstract]In order to reduce the impact of river waste on the output of the unit， improve the power generation efficiency of hydropower stations， and at the same time eliminate the hidden safety hazards caused by the use of manual cleaning methods， and ensure the reliability of the cleaning process， a proposal to improve the design of the dual-pass cleaning machine is proposed. The article introduces the main composition and working principle of the system， and provides a set of very classic test data. After analysis and research， it is believed that the installation process of the dual ultrasonic liquid level sensor is simple， and the accuracy of the inspection results is at a high level. The use of PLC can significantly improve the reliability of the operation process of the cleaning machine， extend its service life， and create more Benefits.

[Keywords]PLC; cleaning machine; automatic control; water level difference

清污機(jī)是消除發(fā)電廠進(jìn)水前池、泵站等其他水工建筑物附著在攔污柵上的樹(shù)技、枯葉、雜草、城市垃圾、浮冰等常見(jiàn)裝置之一，其功能以清除地表水中的雜物為主，減少發(fā)電站水頭損失，提升水的流速進(jìn)而確保發(fā)電機(jī)組、泵組等設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的安全、穩(wěn)定、高效。近年，國(guó)內(nèi)工業(yè)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，與之相比的是白色污染程度不斷加劇，特別是在汛期，地表水內(nèi)懸浮雜物成倍增加，很可能堵塞攔污柵的網(wǎng)孔，以致攔污棚前后形成較大的水位差，影響水工建筑物正常功能的發(fā)揮，嚴(yán)重時(shí)造成設(shè)備停運(yùn)。本課題介紹了一款PLC構(gòu)成的清污機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其最大的特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)對(duì)水位差及PLC的雙重調(diào)控，進(jìn)而保障系統(tǒng)運(yùn)行安全性。

1 系統(tǒng)主要構(gòu)成與工作原理

本系統(tǒng)投用階段，先利用2個(gè)測(cè)深傳感器依次測(cè)得柵前、柵后水位信號(hào)，利用輸入電路濾波、隔離放大以后測(cè)算出差值，獲得攔污柵前后的水位差信號(hào)，標(biāo)定該信號(hào)后將其送進(jìn)PLC內(nèi)，通過(guò)觸摸屏以厘米為單位清晰地呈現(xiàn)出柵前、柵后的真實(shí)水位差，為值班人員監(jiān)測(cè)工作開(kāi)展過(guò)程提供可靠信息。并且，還對(duì)比分析了該水位差值和啟動(dòng)、停止、越限設(shè)定值，這樣便能順利地生成一組完整的啟動(dòng)、停止、越限報(bào)警信號(hào)，由PLC控制清污機(jī)自動(dòng)啟停。一旦設(shè)備運(yùn)行階段突發(fā)故障問(wèn)題，則會(huì)強(qiáng)制停止清污，并且會(huì)對(duì)外傳送出聲光報(bào)警信號(hào)，呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)設(shè)備的故障類(lèi)型。如果沒(méi)有故障異常，則按照清污機(jī)設(shè)定的作業(yè)流程自動(dòng)控制設(shè)備。真實(shí)水位差若抵達(dá)啟動(dòng)設(shè)定值時(shí)，就先開(kāi)啟皮帶輸送機(jī)，間隔適宜時(shí)間后，開(kāi)啟清污機(jī)耙斗電機(jī)。等到清污機(jī)運(yùn)作一個(gè)完整的循環(huán)以后，控制系統(tǒng)智能檢測(cè)當(dāng)下水位差是否低于停止值，如果在停止值之下，則需要按照設(shè)定程序?qū)⑶逦蹤C(jī)停在預(yù)置位，這樣便順利地落實(shí)一次清洗任務(wù)。如果大于停止值，那么系統(tǒng)會(huì)再運(yùn)作一個(gè)循環(huán)，隨后控制系統(tǒng)再次檢測(cè)當(dāng)下水位差，直至水位差達(dá)到停止值之下，才停止該次清污。PLC還能實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制，等同于水位差在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)法抵達(dá)啟動(dòng)閥值時(shí)，那么系統(tǒng)按照定時(shí)控制程序設(shè)定各清污設(shè)備的啟、停動(dòng)作時(shí)間對(duì)清污機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，這是其發(fā)揮定時(shí)控制功能的重要基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)與試驗(yàn)

水位差顯示范疇、精度分別是±150 cm、±0.1 cm;系統(tǒng)自身控制的精準(zhǔn)性±0.2 cm;測(cè)量盲區(qū)小于40 cm，工作溫度-20～+60 ℃。

表1是一組測(cè)試系統(tǒng)檢查及控制精準(zhǔn)度的經(jīng)典試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄情況，具體是把2只超聲波液位計(jì)安裝在高度5 m的水渠中，標(biāo)定好液位計(jì)量程，而后把柵后液位計(jì)每間隔5 cm遮擋1次，并精準(zhǔn)地記錄下實(shí)際呈現(xiàn)情況，連續(xù)遮擋10次以后再降到原位。

現(xiàn)實(shí)操作中，啟動(dòng)值20.00 cm、停止值15.00 cm、越線(xiàn)報(bào)警值35.00 cm，分析表1內(nèi)的數(shù)據(jù)，不難看出檢測(cè)值和真實(shí)水位差之間形成了良好的線(xiàn)性關(guān)系，測(cè)算得水位差值和真實(shí)水位差值兩者的最大誤差被控制在±0.2 ㎝，啟、停及越限報(bào)警動(dòng)作點(diǎn)位和其對(duì)應(yīng)的設(shè)定值尚不完全靠近，對(duì)其成因進(jìn)行分析，主要是由于各個(gè)比較電路均統(tǒng)一應(yīng)用了滯環(huán)量為1 cm的滯環(huán)比較器。故而，當(dāng)水位差提高時(shí)，實(shí)際動(dòng)作點(diǎn)位是“設(shè)定值+1 cm”;當(dāng)水位差降低時(shí)，動(dòng)作點(diǎn)是“設(shè)定值-1 cm”，采用以上設(shè)置方法的目的主要實(shí)際減少水浪對(duì)系統(tǒng)形成的干擾程度。

3 清污機(jī)電氣控制系統(tǒng)分析

3.1 總體要求

清污機(jī)選用了交流傳動(dòng)系統(tǒng)，參照實(shí)際運(yùn)行工況要求及電動(dòng)機(jī)種類(lèi)、容量、通電頻次等諸多條件設(shè)定，電氣設(shè)計(jì)應(yīng)符合DL/T5167和GB3811內(nèi)設(shè)定的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。建議電氣元件選擇進(jìn)口或合資企業(yè)制造出的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，PLC選擇施耐德、西門(mén)子等知名品牌。以上所有電氣元件都應(yīng)耐極端最低氣溫-11.3 ℃、相對(duì)濕度85%及冷表層結(jié)露的作業(yè)環(huán)境條件。

柜體由國(guó)內(nèi)知名廠家引進(jìn)，柜體自身帶有底座，采用螺栓固定，柜體的規(guī)格尺寸要和電氣元件布置所需空間相匹配，為操控及監(jiān)視創(chuàng)造便利條件。柜體自身的結(jié)構(gòu)是封閉式，前后依次設(shè)置鉸鏈密封門(mén)，啟動(dòng)、閉合過(guò)程靈敏，開(kāi)啟角≥90°，柜門(mén)要實(shí)現(xiàn)安全接地。柜中應(yīng)布置接地銅母線(xiàn)，接地銅排規(guī)格要在5 mm×40 mm之上，且要帶有接地端子，同樣要實(shí)現(xiàn)可靠接地。燈與插座的電源都是單相交流220 V，建議應(yīng)用屏蔽方法，減少電磁干擾及局部設(shè)備損壞等情況，這樣電氣控制系統(tǒng)在設(shè)定的環(huán)境條件下更能安全、有效運(yùn)作。在實(shí)踐中，要求保護(hù)等級(jí)均要在IEC標(biāo)準(zhǔn)IP43之上。

3.2 介紹清污機(jī)的電氣方案

供電、主電控、PLC控制及安全保護(hù)系統(tǒng)等是電氣系統(tǒng)的主要構(gòu)成。其中，主電控內(nèi)置了起升傳動(dòng)控制、輸送帶行走傳動(dòng)系統(tǒng)、耙斗控制系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)應(yīng)用當(dāng)下我國(guó)流行的方案，即“觸摸屏+PCL+電氣傳動(dòng)”。其中，觸摸屏是人機(jī)交換單元，操作運(yùn)維人員用其監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及對(duì)相應(yīng)故障進(jìn)行分析診斷;PLC是整個(gè)機(jī)組的邏輯控制中心;電氣傳動(dòng)對(duì)設(shè)備各個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程能提供較大的驅(qū)動(dòng)力。

PLC作為本系統(tǒng)的控制核心，清污機(jī)全部控制均是由該系統(tǒng)完成的。為了能使清污機(jī)系統(tǒng)布線(xiàn)形式更具簡(jiǎn)潔性，確保電氣性能的安穩(wěn)性，推薦使用由SIEMENS公司生產(chǎn)的S7-200系PLC產(chǎn)品，利用串行或以太網(wǎng)通信接口與變頻器、上位機(jī)、云平臺(tái)等設(shè)備連接，這是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的重要基礎(chǔ)。SIEMENS公司的S7-200PLC自身具備如下性能特征：模塊化小型PLC，能較好地滿(mǎn)足中小規(guī)模的性能要求;各性能模塊對(duì)自動(dòng)化控制任務(wù)執(zhí)行過(guò)程均表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性;分布式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用且應(yīng)用過(guò)程十分靈活;當(dāng)執(zhí)行的控制任務(wù)量增加時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)自由擴(kuò)展;大范疇的集成功能有助于增強(qiáng)其使用功能。

3.3 安全保護(hù)功能

保護(hù)在動(dòng)作發(fā)出以后，要確保設(shè)備的安全性，規(guī)避出現(xiàn)卡滯等險(xiǎn)況。

緊急切斷開(kāi)關(guān)，控制箱上布置斷電按鈕，這樣在突發(fā)工況下，技術(shù)人員能十分快捷地?cái)嚯x系統(tǒng)總動(dòng)力與控制電源。以上過(guò)程的控制按鈕信號(hào)會(huì)統(tǒng)一傳送至PLC設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)視與動(dòng)作記錄功能。

實(shí)現(xiàn)超載限制保護(hù)，主要是把超載限制器安置在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，在檢測(cè)到實(shí)際載荷抵達(dá)額定起重量的90%時(shí)，便會(huì)對(duì)外傳送出預(yù)警信號(hào);當(dāng)載荷抵達(dá)105%時(shí)，則會(huì)延時(shí)停機(jī);若載荷是額定起重量的1.1倍時(shí)，則要快速斷離總動(dòng)力電源，發(fā)出禁止操作的報(bào)警信號(hào);若荷載不足額定起重量的10%之內(nèi)，則要快速斷離總動(dòng)力電源，此時(shí)發(fā)出的報(bào)警信號(hào)告知值班人員系統(tǒng)出現(xiàn)了欠載。

4 清污機(jī)自控系統(tǒng)的主要功能

（1）將厘米設(shè)定為單位，持續(xù)呈現(xiàn)出柵前、柵后水位差值。

（2）具備傳統(tǒng)人工手動(dòng)/智能化兩種作業(yè)形式。在傳統(tǒng)手動(dòng)作業(yè)形式中，可以采用調(diào)控面板上的啟動(dòng)、停止按鈕，有針對(duì)性地啟、停清污系統(tǒng)內(nèi)置的傳送帶、耙斗等各個(gè)裝置。在采用智能化作業(yè)方式時(shí)，可以依照水位差及定時(shí)時(shí)間設(shè)定情況同步調(diào)控清污系統(tǒng)，可以結(jié)合控制面板上的定時(shí)選擇開(kāi)關(guān)選擇適宜的定時(shí)時(shí)間，，在選擇的時(shí)間間隔中，如果水位差始終沒(méi)有抵達(dá)到預(yù)設(shè)的啟動(dòng)值，那么PLC就會(huì)定時(shí)開(kāi)啟清污系統(tǒng)，運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間以后（默認(rèn)值：10 min），按照一定順序停止。

（3）當(dāng)檢測(cè)到水位差越限時(shí)，則會(huì)啟動(dòng)聲光報(bào)警功能。通常來(lái)說(shuō)，啟動(dòng)設(shè)定值始終是在停止設(shè)定值之上的，而低于越限設(shè)定值。當(dāng)實(shí)際水位差抵達(dá)到啟動(dòng)設(shè)定值時(shí)，就會(huì)開(kāi)啟清污機(jī)進(jìn)入到清污工序，在這樣的工況下，柵前、柵后的水位差通常會(huì)跌落，但如果出現(xiàn)沒(méi)有減小反卻增加至越限設(shè)定值時(shí)，那么就會(huì)傳送出聲光報(bào)警信號(hào)，借此方式警示值班人員系統(tǒng)運(yùn)行階段發(fā)生了異常狀況。在具體實(shí)踐中，可以采用面板上的靜音按鈕消解聲報(bào)警信號(hào)。

（4）具備設(shè)備故障自檢功能。如果系統(tǒng)運(yùn)行階段突發(fā)旋轉(zhuǎn)鏈條卡頓、鏈條從原位上疏松、電機(jī)過(guò)力矩及熱過(guò)載時(shí)，則均會(huì)對(duì)外傳送出相應(yīng)的故障聲光報(bào)警信號(hào)，整個(gè)清污系統(tǒng)同步停止，在故障消解以后，復(fù)位鈕進(jìn)行復(fù)位操作以后才可以運(yùn)轉(zhuǎn)。

（5）智能呈現(xiàn)出清污系統(tǒng)各個(gè)內(nèi)置設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)作狀態(tài)，并且可以將該狀態(tài)及對(duì)應(yīng)的故障和信號(hào)傳輸至遠(yuǎn)處。

5 結(jié)束語(yǔ)

由PLC構(gòu)成的清污機(jī)控制系統(tǒng)有控制精準(zhǔn)度高、動(dòng)作精準(zhǔn)、運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定性?xún)?yōu)良、操作過(guò)程簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。安裝超聲波液位計(jì)，能進(jìn)一步提升該系統(tǒng)安裝操作的便捷性，可以用其取代人工手動(dòng)控制的方式，當(dāng)下已用在國(guó)內(nèi)數(shù)家水電站、泵站，具備十分廣袤的應(yīng)用前景。

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