基于PLC的渠首樞紐測控系統(tǒng)

李善欽

四川某渠一處灌區(qū),幅員面積1811平方公里,灌溉面積達(dá)200多萬畝,是四川平原重要的水利工程之一。該渠一處渠首樞紐工程由5孔進(jìn)水閘、7孔節(jié)制閘組成。節(jié)制閘主要用于擋水并兼汛期泄洪,而整個灌區(qū)的用水調(diào)度則通過進(jìn)水閘實現(xiàn)。改造前,整個渠首樞紐工程操作控制方式均為常規(guī)的人工操作控制,已不能適應(yīng)現(xiàn)代化管理和依法治水、提高有限的水資源的利用率的現(xiàn)實需求,因此提出了對渠首樞紐工程進(jìn)行信息化和自動化改造,以提高信息化和自動化管理水平,從而實現(xiàn)對水資源更加有效的管理利用,提高整個灌區(qū)的綜合效益的方案。

一、設(shè)計概述

閘門控制系統(tǒng)對于系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性要求都比較高。尤其是在閘門(群)控制系統(tǒng)中,各類閘門眾多,閘門操作運(yùn)行可靠性直接關(guān)系到工程和人民生命財產(chǎn)的安全,在閘門控制的設(shè)計中充分考慮技術(shù)先進(jìn)性和操作安全可靠性。為此該渠首樞紐控制采用工控計算機(jī)、可編程邏輯控制器、通信網(wǎng)絡(luò)、自動化元件等來組成完整控制系統(tǒng),該閘門控制系統(tǒng)不僅要進(jìn)行現(xiàn)地啟閉控制和遠(yuǎn)方啟閉控制,同時還要對這些閘門的工作狀態(tài)以及其它參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視,并與水情調(diào)度系統(tǒng)等進(jìn)行信息交換。

在該渠首樞紐閘門控制系統(tǒng)中,采用由上位機(jī)系統(tǒng)(主控級)及基礎(chǔ)自動化級系統(tǒng)(可編程控制器和現(xiàn)地執(zhí)行控制器)組成的分層分布式控制系統(tǒng)。主控級采用雙機(jī)互為熱備用方式,通信網(wǎng)絡(luò)采用單總線以太網(wǎng),若某處設(shè)備出現(xiàn)故障,就不影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行,會在硬件上確保整個系統(tǒng)簡單、安全、可靠。主控級可設(shè)多套操作員工作站。

每套操作員工作站由計算機(jī)、外圍設(shè)備以及不間斷電源(UPS)等組成。主控級采用雙工控計算機(jī)系統(tǒng),以一主一備的方式運(yùn)行,能夠?qū)崿F(xiàn)無間隔切換?；A(chǔ)自動化級系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器PLC和電機(jī)啟動、停止、保護(hù)等控制模塊(器件)互聯(lián),構(gòu)成現(xiàn)地控制箱,并布置在每臺啟閉機(jī)旁。現(xiàn)地控制箱通過profibus總線與主控級進(jìn)行通訊。

二、設(shè)計原則

1.安全可靠和先進(jìn)實用的原則

采用工控機(jī)作為該渠首樞紐過程控制信息集中管理上位機(jī),可使控制危險分散,提高系統(tǒng)的可靠性?，F(xiàn)場各種數(shù)據(jù)通過PLC采集,并通過高速總線傳送到中央控制室集中監(jiān)視和管理;同樣中央控制室主機(jī)的控制命令也通過上述profibus總線傳送至PLC的測控終端,實施對各單元的分散監(jiān)測和控制。

2.集散型分布式構(gòu)架方案設(shè)計

采用分布式遠(yuǎn)程群閘控制系統(tǒng),是針對渠首閘門開啟、運(yùn)行實施實時控制,對監(jiān)視閘門實現(xiàn)實時圖像傳輸和狀態(tài)數(shù)據(jù)(包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)和控制命令)傳輸。要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩浴⒁恢滦?圖像傳輸?shù)膶崟r性及控制策略實施的可靠性,必須采用可靠的傳輸構(gòu)架。對于該渠首樞紐遠(yuǎn)程的,分散的監(jiān)視系統(tǒng)采用總站一分站構(gòu)架。建立渠首樞紐控制中心,與水情調(diào)度中心通過ADSL或光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

3.信息分層管理和控制權(quán)限分級的原則

按照安全可靠、經(jīng)濟(jì)實用原則,將該渠首樞紐閘門控制系統(tǒng)設(shè)計成一個綜合了計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、圖像顯示技術(shù)一體的全分布開放型集散控制管理系統(tǒng)。在邏輯結(jié)構(gòu)上采用分層式的結(jié)構(gòu),一般整個控制系統(tǒng)分為三層:第一層為生產(chǎn)調(diào)度層,第二層為中間監(jiān)視管理層,第三層為現(xiàn)場測量控制層。各層之間通過專有的工業(yè)以太網(wǎng)或者租用其他通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸和資源共享。

(1)生產(chǎn)調(diào)度層。生產(chǎn)調(diào)度層具有實時參數(shù)查詢,報表統(tǒng)計功能,同時給生產(chǎn)調(diào)度層授予了現(xiàn)場組態(tài)畫面監(jiān)視權(quán)限和視頻圖像瀏覽權(quán)限,在該系統(tǒng)中生產(chǎn)調(diào)度層不具備設(shè)備控制權(quán)限和操作權(quán)限,在整個系統(tǒng)中具有最低的訪問權(quán)限,生產(chǎn)調(diào)度層主要由站相關(guān)生產(chǎn)單位和站領(lǐng)導(dǎo)的電腦終端組成。

(2)中間監(jiān)視管理層。中間監(jiān)視管理層主要是提供系統(tǒng)的宏觀控制,協(xié)調(diào)各分站的運(yùn)行和處理局部發(fā)生的事故和緊急狀態(tài),維護(hù)系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)。它集中于控制中心內(nèi),主要由工作站(工控機(jī))、操作站、視頻監(jiān)視終端、視頻圖像監(jiān)視器、視頻圖像分割器、硬盤錄像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、服務(wù)器、UPS等設(shè)備組成。在現(xiàn)地控制層授權(quán)允許的情況下,中間監(jiān)視層具有遠(yuǎn)端設(shè)備監(jiān)視權(quán)限和實際參數(shù)設(shè)定權(quán)限,在系統(tǒng)中具有中級訪問操作權(quán)限,中間監(jiān)視管理層設(shè)置在該渠首樞紐控制中心。

(3)現(xiàn)場測量控制層。現(xiàn)場測量控制層也稱就地自動控制層主要是通過現(xiàn)場PLC的邏輯控制功能實現(xiàn)設(shè)備的自動控制(聯(lián)動及連鎖控制)。根據(jù)各站的控制要求不同,該控制層的控制方法,策略也有所不同?，F(xiàn)場測量控制層具有較高級的操作控制權(quán)限,能給中央控制層授予操作控制權(quán)。現(xiàn)場測量控制層也能下發(fā)操作控制命令和設(shè)備參數(shù)設(shè)定,并且優(yōu)先于中央控制層或者互斥于中央控制層。在系統(tǒng)中具有高級訪問操作權(quán)限。

(4)系統(tǒng)的開放性和可擴(kuò)展性原則。渠首樞紐控制中心主站的工控機(jī)通過通信控制器及相關(guān)的通信設(shè)備與各分站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。分站由具有邏輯控制功能的PLC和遠(yuǎn)程通訊終端、儀表、控制器件組成。它主要完成對現(xiàn)場工藝數(shù)據(jù),電氣數(shù)據(jù)的采集和對電氣設(shè)備的控制,同時負(fù)責(zé)向主站傳送采集的數(shù)據(jù),報告分站的運(yùn)行情況。充分考慮到以后的擴(kuò)展,軟硬件的配置采用開放式結(jié)構(gòu),并在系統(tǒng)資源方面增加適當(dāng)?shù)娜哂?以便今后新建項目時,實現(xiàn)可靠的無縫對接。

4.閘門現(xiàn)地控制單元

每臺閘門現(xiàn)地控制單元安裝在相應(yīng)閘門啟閉機(jī)旁,由可編程控制器、閘門開度儀、控制電器、邏輯保護(hù)電路、操作按鈕、狀態(tài)指示燈、電流電壓顯示表等組成,成套于一臺機(jī)柜內(nèi),通過線端子與閘位傳感器、荷重傳感器、機(jī)械限位、閉鎖保護(hù)、啟閉機(jī)電機(jī)、三相交流電源進(jìn)線等連接。具有以下功能:

(1)顯示功能。數(shù)字顯示閘位、荷重、行程設(shè)定值、荷重兩極報警設(shè)定值、電網(wǎng)電壓、運(yùn)行電流等參數(shù);提升、降落等各種運(yùn)行狀態(tài)指示。

(2)參數(shù)設(shè)定。通過按鍵設(shè)定行程值、上下限位值、荷重兩級報警設(shè)定值等參數(shù)。

(3)操作閘門。通過按鍵可提升、降落閘門到指定位置。

(4)安全保護(hù)。具有數(shù)字電子限位、機(jī)械限位、負(fù)載過荷、工作超時、閘門啟閉機(jī)過電流、缺相、方式閉鎖等多重保護(hù)功能,確保閘門運(yùn)行安全可靠。

(5)通訊功能。遠(yuǎn)程修改參數(shù),遵循最后一次有效原則;實時過程參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)上傳;接收并執(zhí)行遠(yuǎn)程遙控控制命令,精確提升、降落閘門到指定位置。通訊方式:現(xiàn)場總線、無線、光纖、電話線

(6)多種控制方式。手動控制:在智能閘門測控儀、PLC計算機(jī)等設(shè)備發(fā)生故障的情況下,可手動提升、降落閘門。

自動控制:預(yù)置閘門行程設(shè)定值,可精確提升、降落閘門到指定位置。

遠(yuǎn)程控制:接收并執(zhí)行遠(yuǎn)程遙控命令,精確提升、降落閘門到指定位置。

三種控制方式的優(yōu)先級依次是手動控制、自動控制、遠(yuǎn)程控制。

系統(tǒng)于2006月通過驗收,改造后的渠首樞紐控制系統(tǒng)運(yùn)行良好,各項功能指標(biāo)均達(dá)到項目要求,實現(xiàn)了自動監(jiān)控、故障報警、數(shù)據(jù)處理、報表打印、遠(yuǎn)程通訊的功能,自動化、信息化水平大大提高,有效地提高了水資源的利用率。

(作者單位:廣東省中山市技師學(xué)院)