PLC在閘門自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

［摘 要］目前，水庫閘門管理已進(jìn)入自動化時(shí)代，通過電氣工程技術(shù)，可以最大程度上提高水庫閘門的管理效率，降低對人力資源的消耗，提高水庫工作質(zhì)量。文章探討了PLC 技術(shù)在閘門自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)用的先進(jìn)性，闡述了PLC 技術(shù)在閘門自動化控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用情況，以期為PLC 在閘門自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供參考。

［關(guān)鍵詞］水庫；閘門；PLC ；自動化控制系統(tǒng)

［中圖分類號］TM76 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0008–03

PLC（可編程邏輯控制器）是一種依托計(jì)算機(jī)編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動化控制的電氣系統(tǒng)控制裝置。為實(shí)現(xiàn)水利工程的自動化發(fā)展目標(biāo)，可引入PLC，為相關(guān)水利設(shè)施賦能，讓水利設(shè)施實(shí)現(xiàn)自動化、自主化運(yùn)行，同時(shí)響應(yīng)人工管理訴求，推動我國水利工程事業(yè)朝著信息化、智能化、自動化的方向發(fā)展，由以往依靠人工、粗放的管理模式，向精簡人力負(fù)擔(dān)、精細(xì)化的管理模式過渡。

1 PLC在閘門自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)用的先進(jìn)性

1.1 PLC具備良好的抗干擾能力

PLC 采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，擁有良好的生產(chǎn)制造工藝，可保障其內(nèi)部電路的穩(wěn)定性、可靠性。 PLC 元器件內(nèi)部融合了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，如在電源變壓器、中央處理器、編程器等主要部件上，使用導(dǎo)電、導(dǎo)磁性良好的材料進(jìn)行屏蔽處理，這在PLC 元器件運(yùn)行過程中，可以保障良好的抗干擾性。PLC 電源還采用了隔離電源設(shè)計(jì)，在電網(wǎng)供電的大環(huán)境下，經(jīng)由多級濾波處理和集成電壓調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整，PLC 元器件可以較好地適應(yīng)交流電網(wǎng)的波動，消除過電壓、欠電壓影響。另外，動力線、控制線、電源線及I/O 線均分別配線，有效減少了電路之間的相互干擾。

1.2 PLC具備良好的適用性

PLC 本身具備良好的工業(yè)適用性，如對特定溫濕度、振動、電磁干擾等具備良好的適應(yīng)能力。PLC 上的I/O 模塊可以根據(jù)不同的生產(chǎn)需求，選擇與之相配的工作模塊，并與生產(chǎn)現(xiàn)場各種器件、設(shè)備相連，滿足電氣系統(tǒng)的自動化運(yùn)行需求。PLC 還擁有數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和通訊聯(lián)網(wǎng)功能等，具備良好的擴(kuò)展性，可滿足不同規(guī)模的工業(yè)控制需求。PLC 的可編程特性使得其可以實(shí)現(xiàn)自動化功能，如根據(jù)內(nèi)嵌的編程內(nèi)容操作電氣系統(tǒng)中的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自檢或特定操作，讓設(shè)備管理變得更加高效、簡單。

1.3 PLC具備良好的可升級性

PLC 中的CPU 模塊、I/O 模塊、通信模塊等可以獨(dú)立更換、升級，這一過程可以日?；M(jìn)行，無需對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模改造，減少了自動化控制系統(tǒng)的升級改造時(shí)間。另外，編程人員通過對PLC 自動化控制系統(tǒng)的編碼進(jìn)行升級，也能夠在一定程度上賦予PLC 自動化控制系統(tǒng)新的功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級。PLC系統(tǒng)還能夠和其他設(shè)備、系統(tǒng)進(jìn)行集成，搭建新的自動化控制平臺，滿足新的工業(yè)生產(chǎn)需要。PLC 系統(tǒng)亦支持各種通信協(xié)議和接口（如以太網(wǎng)等），滿足系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的流通需求，也為后續(xù)系統(tǒng)的信息化升級奠定了基礎(chǔ)。

2 PLC在閘門自動化控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 基于控制面板獲取水庫閘門信息和發(fā)出控制指令

閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)通過控制面板實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和對外輸出。以鄭州達(dá)川自動化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的MCGS-PLC 水庫閘門自動化控制系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)的控制面板上整合有諸多重要的操控信息，如閘門的開度值、左荷重值、右荷重值等閘門數(shù)據(jù)，以及閘門開度上限、開度下限、荷重超載等閘門狀態(tài)指示燈，可以較直觀、完整地展示水庫閘門的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。其中還整合了對各種功能的說明，以便于操作人員可以較直觀、輕松地掌握水庫閘門的運(yùn)行概況，從而做出更精準(zhǔn)的決策。另外，通過該人機(jī)交互控制面板，操作人員只需通過簡單的操作，就可以直接下達(dá)閘門啟閉指令?？刂泼姘逯羞€集成有歷史記錄功能，可回溯歷史記錄、查看過往水庫閘門操作信息。通過該控制面板，可以啟動水庫閘門PLC自動化控制系統(tǒng)的“自動診斷”功能，對整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行全面巡檢，一旦檢測到軟硬件故障問題或隱患，會立即發(fā)出警報(bào)，確保問題得到及時(shí)處理。該操作平臺還提供了USB 接口，可以通過該接口將工作站電腦與設(shè)備進(jìn)行連接，從而對水庫閘門PLC 自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和升級，確保系統(tǒng)始終保持在最佳狀態(tài)。

2.2 經(jīng)由閘門監(jiān)控設(shè)備獲取閘門狀態(tài)信號

（1）閘門監(jiān)控裝置的應(yīng)用。在閘門動力來源中，集成高精度的旋轉(zhuǎn)式編碼器，可精準(zhǔn)捕捉電動機(jī)轉(zhuǎn)軸的啟閉位置，反映閘門的實(shí)時(shí)位置，并將這些位置信息通過編碼器轉(zhuǎn)換為格雷碼，向控制面板回輸數(shù)據(jù)?？刂泼姘逯屑傻淖詣踊刂葡到y(tǒng)核心PLC 元件接收到格雷碼后，可精確定位閘門位置，采集位置數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)反饋這些信息。在閘門PLC 自動化監(jiān)控系統(tǒng)中，傳感部件、信道、遠(yuǎn)程控制單元系統(tǒng)等均發(fā)揮著不可替代的作用。傳感部件主要負(fù)責(zé)收集狀態(tài)信號，但因傳感器種類、功能的差異，最終收集到的狀態(tài)信號也有所不同，包括但不限于壓力信號、位置信號等。這些傳感部件為整個(gè)系統(tǒng)提供了全面且精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

（2）狀態(tài)信號采集。水庫閘門PLC 自動化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，離不開對閘門運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)信號的精確采集。該系統(tǒng)前端密布有各種傳感元件（，如壓力傳感器、位置傳感器等），這些傳感器通過實(shí)時(shí)捕捉、反饋閘門的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將其中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)經(jīng)由高效的通信模塊定期傳輸回終端控制設(shè)備，便于系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需求智能地發(fā)送相應(yīng)控制指令。指令一旦發(fā)出，PLC 自動化控制系統(tǒng)會立即啟動狀態(tài)信號采集功能，以便于對發(fā)出的各項(xiàng)水庫閘門啟閉指令進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控，了解PLC 編程指令的執(zhí)行情況。以閘門閉合為例，當(dāng)PLC 發(fā)出閉合指令時(shí)，系統(tǒng)會持續(xù)接收閘門的狀態(tài)信號，確保閘門依照PLC 指令完成閉合。只有當(dāng)控制面板中對應(yīng)的狀態(tài)信號明確顯示“閘門已完成閉合”，系統(tǒng)才會發(fā)出終止指令，確保整個(gè)過程的精確控制與安全執(zhí)行。

2.3 經(jīng)由通信傳輸裝置實(shí)現(xiàn)信息傳輸

在水庫閘門PLC 自動化控制系統(tǒng)中，前端各種傳感器為保證采集到實(shí)時(shí)的閘門啟閉信息，需要集成高效的通信傳輸模塊，以確保水庫閘門的啟閉運(yùn)行數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確無誤地回傳PLC 自動化控制系統(tǒng)，并以可視化的狀態(tài)展現(xiàn)在控制面板上。PLC 技術(shù)具備起無線功能，其相較于傳統(tǒng)的有線傳輸方式，精簡了通信傳輸?shù)膹?fù)雜性問題，可以提供更快的信號傳輸速率，確保閘門狀態(tài)參數(shù)的即時(shí)同步。同時(shí)無線傳輸方式也具備良好的抗干擾能力，極大地提升了系統(tǒng)在復(fù)雜、惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。PLC 無線傳輸模式的廣泛應(yīng)用，為水庫閘門PLC 自動化控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控、狀態(tài)監(jiān)測等訴求夯實(shí)了基礎(chǔ)。

2.4 實(shí)現(xiàn)水庫閘門的自動化遠(yuǎn)程控制

遠(yuǎn)程控制是水庫閘門PLC 自動化控制系統(tǒng)中的核心功能，其通過PLC 預(yù)設(shè)的程序指令，結(jié)合各種傳感器傳回的閘門工作狀態(tài)來自動操控水庫閘門，實(shí)現(xiàn)自動化的遠(yuǎn)程控制。例如，在日常水庫管理中，當(dāng)水位傳感器檢測到水庫水位超出預(yù)設(shè)的安全閾值時(shí)，遠(yuǎn)程控制模塊會立即啟動PLC 預(yù)設(shè)的程序指令，PLC 自動化控制系統(tǒng)將評估當(dāng)前水位數(shù)據(jù)，并與歷史數(shù)據(jù)、天氣預(yù)測等其他因素進(jìn)行綜合判斷，若判斷結(jié)果為“需要調(diào)整閘門開度以控制水位”，系統(tǒng)會授權(quán)遠(yuǎn)程控制模塊自動發(fā)送控制信號，這些控制信號將傳遞給執(zhí)行的PLC 端口（如閘門電機(jī)組），由其向閘門提供開閉動力，閘門調(diào)整開度，以控制水位始終處于預(yù)設(shè)的安全閾值。PLC 遠(yuǎn)程控制模塊支持C++、Java等編程語言，可以滿足編程員基于水庫閘門管理實(shí)際需求完善編程信息的特定管理需求，靈活調(diào)整及優(yōu)化程序，從而實(shí)現(xiàn)對閘門的精準(zhǔn)控制。為應(yīng)對PLC 故障或其他意外情況，水庫閘門PLC 自動化控制系統(tǒng)還同時(shí)配備有手動控制模式，以確保在必要時(shí)能夠迅速切換為人工操作，并保證人工操作指令始終處于第一優(yōu)先級，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

2.5 對閘門自動化控制系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與診斷

一般而言，水庫閘門PLC 自動化控制系統(tǒng)需要全天候保證運(yùn)行。隨著電子元器件運(yùn)行時(shí)間的累積，加之水庫閘門PLC 自動化控制系統(tǒng)復(fù)雜的工作環(huán)境，使得部分電子元器件或設(shè)備出現(xiàn)老化，甚至發(fā)生故障，導(dǎo)致水庫閘門PLC 自動化控制系統(tǒng)停運(yùn)，或部分功能出現(xiàn)異常，影響水庫閘門自動化管理效率與品質(zhì)。上述問題是水庫閘門PLC 自動化控制系統(tǒng)亟需解決的關(guān)鍵問題。為此，水庫需要加強(qiáng)對PLC 自動化控制系統(tǒng)的維護(hù)工作，在水庫閘門PLC 自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，優(yōu)先考慮系統(tǒng)的可維護(hù)性，在系統(tǒng)中集成狀態(tài)監(jiān)測和自動診斷功能，重點(diǎn)加強(qiáng)對材料老化、故障問題的自動排查。

狀態(tài)監(jiān)測功能采用即時(shí)監(jiān)控模式，經(jīng)由前端對應(yīng)的監(jiān)控設(shè)備持續(xù)采集閘門電氣設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，并將這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)果同步傳遞回監(jiān)測終端。PLC 會將這些實(shí)測參數(shù)與數(shù)據(jù)庫中存儲的正常狀態(tài)下電氣設(shè)備運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行精確對比，生成可視化對比圖表，一旦實(shí)測參數(shù)超過正常范圍，系統(tǒng)將判斷為“閘門電氣設(shè)備運(yùn)行異?！?，并立即觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，由控制面板發(fā)出警報(bào)。

自動診斷功能則定期對水庫閘門PLC 自動化控制系統(tǒng)的整體運(yùn)行工況作周期性、全面性的系統(tǒng)評估。當(dāng)自動診斷功能檢測到系統(tǒng)中存在異常情況，系統(tǒng)將啟動深入診斷流程，以迅速定位并識別系統(tǒng)軟、硬件層面的故障問題或隱患。通過自動診斷功能，前瞻性地對PLC 自動化控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行周期性排查，有助于水庫閘門PLC 自動化控制系統(tǒng)始終維持良好、安全的功能性，為系統(tǒng)維護(hù)決策提供參考，最終減少水庫損失，提高閘門自動化管理效能。同理，當(dāng)自動診斷功能識別到系統(tǒng)中存在故障或潛在問題時(shí)，會立刻通過控制面板發(fā)送報(bào)警提示，并經(jīng)由控制面板進(jìn)一步展示故障詳情，以便快速響應(yīng)故障維修訴求，確保系統(tǒng)的安全性。

3 結(jié)束語

PLC 可賦予電氣系統(tǒng)智能化、自動化屬性，提高工業(yè)管理水平，減少不必要的資源占用和浪費(fèi)現(xiàn)象?？刂泼姘迨荘LC 自動化控制系統(tǒng)人機(jī)交互的最前端，需要具備可視化功能，能夠?qū)LC 自動化控制系統(tǒng)中，關(guān)于水庫閘門工作狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)，以可視化的方式呈現(xiàn)，并可滿足操作人員的操作需求。經(jīng)由操作面板發(fā)起指令，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟閉閘門的目的。PLC自動化控制系統(tǒng)可經(jīng)由閘門監(jiān)控設(shè)備獲取閘門狀態(tài)信號，經(jīng)由通信傳輸裝置實(shí)現(xiàn)信息傳輸，并將關(guān)鍵信息呈現(xiàn)在控制面板上，為制訂操作決策提供可視化參考。PLC 賦予水庫閘門自動化遠(yuǎn)程控制條件，為水庫閘門的高質(zhì)量管理夯實(shí)基礎(chǔ)。PLC 自動化控制系統(tǒng)具有狀態(tài)監(jiān)測與自我診斷功能，可以及時(shí)反饋PLC 系統(tǒng)中的故障問題，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

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