基于PLC的閘門自控系統(tǒng)研究

常 成

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 230005)

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基于PLC的閘門自控系統(tǒng)研究

常 成

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 230005)

閘門是水工建筑物的重要組成部分，隨著自動(dòng)控制、通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)對閘門和水情的遠(yuǎn)程監(jiān)控.從系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性角度考慮，針對某一大型水利閘門控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，根據(jù)系統(tǒng)遠(yuǎn)程和現(xiàn)地控制的要求，提出了分層分布式閘門控制方式.在生產(chǎn)現(xiàn)場，系統(tǒng)按被控對象設(shè)置4套現(xiàn)地控制單元，在監(jiān)控中心使用組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)對閘門的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并對相應(yīng)的電氣主系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究.研究結(jié)果表明，可以通過主控室對閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并能及時(shí)把收集到的河道信息送往主控室，真正實(shí)現(xiàn)了河道“無人值班，少人值守”的控制模式，提高了河道的管理能力.

閘門自控系統(tǒng)；PLC；組態(tài)；計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

水利工程實(shí)時(shí)監(jiān)測的信息是防洪安全、水利調(diào)度的基礎(chǔ)信息，也是水利工程實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理、發(fā)揮工程綜合效益的關(guān)鍵.河道閘門自控系統(tǒng)的目的是在河道上建立一套快速及時(shí)、準(zhǔn)確可靠、先進(jìn)實(shí)用、高度自動(dòng)化的流域水雨情信息、工程安全信息、閘門監(jiān)控信息、實(shí)時(shí)圖像信息的采集、監(jiān)測(控)與管理自動(dòng)化系統(tǒng)[1]，為治理洪水、旱澇，實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化等提供充足的技術(shù)支持，并在充分利用現(xiàn)有的工程設(shè)施的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高工程管理的速率和程度，提高工程的運(yùn)行效果.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

某工程共有7孔閘門，采用一機(jī)一門的運(yùn)行方式，每孔配有卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，配套電機(jī)容量為7.5 kW.供電電源接附近10 kV線路，到該閘門10 kV變壓器距離約為1 km，線路導(dǎo)線為LGJ-70.配設(shè)主變1臺(tái)，并配1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組做備用電源.采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)控制方式.系統(tǒng)由主控制級(jí)和現(xiàn)地控制單元2部分組成.

1.1 電氣主系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1.1 閘門動(dòng)力箱電路設(shè)計(jì)

閘門動(dòng)力箱電路主要由一次控制回路、二次控制回路組成，如圖1和圖2所示.

由圖1知，電路需要設(shè)置必要的聯(lián)鎖環(huán)節(jié)，目的是為防止電路電源短路故障.接觸器KM1控制閘門上升和下降，若系統(tǒng)為合閘，且處于非故障、非全開狀態(tài)，當(dāng)按下正向起動(dòng)按鈕SA1時(shí)，KM1的主觸點(diǎn)和自鎖觸點(diǎn)閉合，即可實(shí)現(xiàn)閘門現(xiàn)地上升，同時(shí)將上升信號(hào)傳送給PLC.如果系統(tǒng)為故障狀態(tài)，熱繼電器KH1斷開，同時(shí)與PLC相連的KH1閉合，將故障信號(hào)傳送給PLC.如果系統(tǒng)為全開狀態(tài)，常閉輔助觸點(diǎn)1SP斷開，同時(shí)與PLC相連的1SP閉合，將全開信號(hào)傳送給PLC.在遠(yuǎn)程控制中，當(dāng)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)(主控級(jí))發(fā)出上升指令，同時(shí)現(xiàn)場滿足一定的條件(如無故障、非全開)時(shí)，將“1#啟閉機(jī)遠(yuǎn)程控制上升”信號(hào)通過PLC輸送到現(xiàn)地控制單元，便可以實(shí)現(xiàn)對閘門的遠(yuǎn)程上升控制.由此可以實(shí)現(xiàn)對閘門的現(xiàn)地和遠(yuǎn)程控制.

由圖2知，閘門動(dòng)力箱內(nèi)有1#和2#啟閉機(jī)，每個(gè)啟閉機(jī)的功率為7.5 kW，斷路器QF1和QF2控制各啟閉機(jī)的合閘.啟閉機(jī)可以通過接觸器KM1～KM4實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制.KH1和KH2為熱繼電器，起到了過載保護(hù)的作用[2].以1#閘門(啟閉機(jī))為例，分析其現(xiàn)地控制和遠(yuǎn)程控制過程.

現(xiàn)地控制信號(hào)需要輸入到PLC，如圖3所示，并在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)(主控級(jí))上顯示，主控級(jí)向現(xiàn)地控制單元發(fā)送的遠(yuǎn)程控制指令也要輸送到PLC，通過PLC實(shí)現(xiàn)對閘門的遠(yuǎn)程控制.

圖1 二次控制回路圖

圖2 一次控制回路電路圖

圖3 端子連接圖

1.1.2 總配電電路設(shè)計(jì)

總配電電路如圖4所示.由圖4知，10 kV電源經(jīng)過戶外真空斷路器與變壓器相連，降壓至0.4 kV后，引至該系統(tǒng)的低壓配電屏，供該系統(tǒng)和管理處用電.電氣主接線10 kV電源側(cè)為線路-變壓器單元接線形式，低壓側(cè)為單母線接線.同時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源，系統(tǒng)電源和備用電源相互閉鎖.該系統(tǒng)用電由配電室低壓配電屏引4回供電線路至4臺(tái)閘門動(dòng)力箱，每臺(tái)閘門動(dòng)力箱向1—2臺(tái)閘門啟閉機(jī)供電，共設(shè)4臺(tái)現(xiàn)地控制柜.

1.2 閘門現(xiàn)地控制單元

閘門的控制方式可分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制2種.

圖4 總配電電路圖

現(xiàn)地控制單元要實(shí)現(xiàn)的功能有數(shù)據(jù)采集和出力、安全運(yùn)行監(jiān)測、控制和調(diào)節(jié)、事件檢測和發(fā)送、數(shù)據(jù)通信和系統(tǒng)診斷.

1.2.1 PLC選型

PLC由電源、中央處理單元(CPU)、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路和編程器組成.PLC的工作周期可分為自診斷、采樣輸入、執(zhí)行用戶程序、輸出刷新和通信5個(gè)階段[3].PLC可以實(shí)現(xiàn)邏輯、順序、過程、定時(shí)/計(jì)時(shí)控制，還可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理[4].根據(jù)設(shè)計(jì)要求和各種型號(hào)PLC的性能比較，選用西門子公司生產(chǎn)的S7-300型PLC.S7-300 PLC中各模塊都是獨(dú)立的，能夠通過總線把各模塊固定在西門子S7-300的軌道上[5].

電源模塊選用PS307：2A(6ES7 307-1BA80-0AA0)；數(shù)字量輸入模塊選用SM321：DI32×24VDC(6ES7 321-1BLOO-0AA0)；數(shù)字量輸出模塊選用SM 322：DO16×24 VDC/0.5A(6ES7 322-1BH01-0AA0)；模擬量輸入模塊選用SM 331：AI 8 × 12 位(6ES7 331-7KF02-0AB0).

1.2.2 PLC控制程序設(shè)計(jì)

采用STEP7V5.5的編程軟件來對PLC的控制程序進(jìn)行編程，如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)主程序

由圖5可以看出，組織塊OB1調(diào)用4個(gè)功能FC，分別為:FC1實(shí)現(xiàn)動(dòng)力箱內(nèi)的閘門控制；FC2實(shí)現(xiàn)水位監(jiān)測(顯示)；FC3實(shí)現(xiàn)閘門開度監(jiān)測(顯示)；FC4實(shí)現(xiàn)閘門荷重監(jiān)測(顯示).FC1實(shí)現(xiàn)的是閘門升、降、停控制，分為單動(dòng)控制和聯(lián)動(dòng)控制2種方式，其控制上升的程序如圖6所示.

圖6 FC1程序

FC2—FC4分別實(shí)現(xiàn)對河道水位、閘門開度及荷重的測量，并將測得的數(shù)據(jù)在主控級(jí)計(jì)算機(jī)上顯示.其FC2水位顯示程序如圖7所示.

圖7 FC2程序

1.3 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)地控制單元1LCU,2LCU,3LCU分別監(jiān)控1#—6#閘門啟閉機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)監(jiān)測對應(yīng)閘門的開度和荷重信號(hào).現(xiàn)地控制單元4LCU監(jiān)控7#閘門啟閉機(jī)的運(yùn)行并監(jiān)測7#閘門的開度及荷重信號(hào).現(xiàn)地控制單元(1LCU—4LCU)通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與控制室內(nèi)的工作站進(jìn)行通信.

低壓配電系統(tǒng)中的智能表計(jì)經(jīng)過RS485通信線接至串口服務(wù)器，經(jīng)串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換，由以太網(wǎng)工作站實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)閘門監(jiān)控中心對配電信息進(jìn)行遠(yuǎn)程集中監(jiān)測.

該系統(tǒng)留有接口，可與主控級(jí)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行工業(yè)以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對閘門的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控.

監(jiān)控中心工作站負(fù)責(zé)接受和處理來自現(xiàn)場控制站LCU(PLC)和智能儀表的數(shù)據(jù)和信息.根據(jù)現(xiàn)場發(fā)來的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息完成對生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視，并提供有關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、報(bào)表、趨勢曲線、數(shù)據(jù)入庫等功能.

1.3.1 組態(tài)軟件的選取

組態(tài)軟件從總體上看，一般都是由系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境(或稱組態(tài)環(huán)境)與系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境2大部分組成[6].采用北京亞控公司生產(chǎn)的組態(tài)王軟件(Version 6.53).

1.3.2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能

1)數(shù)據(jù)采集與處理：監(jiān)控中心主動(dòng)從各現(xiàn)地控制單元和多功能測量儀表采集各種實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，掌握各設(shè)備的工作情況，采集報(bào)警信息.

2)狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控及在線修改數(shù)據(jù)：值班人員通過液晶顯示器對系統(tǒng)內(nèi)各主要設(shè)備的工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，并可根據(jù)要求對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行在線修改.

3)監(jiān)控系統(tǒng)異常狀態(tài)：監(jiān)控系統(tǒng)的某些硬件或軟件部分發(fā)生事故則立刻發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并在液晶顯示器及打印機(jī)上顯示、記錄，指示故障發(fā)生的部位.

4)報(bào)警顯示：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，主控級(jí)的操作人員可以觀察到報(bào)警點(diǎn)、報(bào)警類型、報(bào)警時(shí)間等多種信息，由操作人員進(jìn)行確認(rèn)，同時(shí)可瀏覽歷史報(bào)警.歷史報(bào)警的內(nèi)容包括各種報(bào)警信息、報(bào)警是否經(jīng)過確認(rèn)、確認(rèn)報(bào)警的用戶、確認(rèn)報(bào)警的時(shí)間等.

5)趨勢分析：對諸如閘門開度、閘門荷重、上下游水位等參數(shù)的變化進(jìn)行趨勢分析，為制定合理的決策提供依據(jù).

6)報(bào)表處理：系統(tǒng)自動(dòng)記錄各類運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將所有數(shù)據(jù)經(jīng)歸納整理后形成報(bào)表，報(bào)表可進(jìn)行打印，操作人員也可以進(jìn)行實(shí)時(shí)查看.

7)實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)：監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)啟閉機(jī)此刻的運(yùn)行控制方式和預(yù)定的計(jì)劃參數(shù)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，以滿足對系統(tǒng)7孔閘門啟閉機(jī)的實(shí)時(shí)控制要求.

8)記錄報(bào)告：對所有監(jiān)控對象的操作信息、報(bào)警信息及實(shí)時(shí)參數(shù)報(bào)表等進(jìn)行記錄，并能以中文形式在液晶顯示器上顯示，同時(shí)在打印機(jī)上進(jìn)行打印.

9)屏幕顯示：畫面顯示是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能之一，畫面調(diào)用能通過主動(dòng)和喚起2種方式實(shí)現(xiàn)[7].主動(dòng)方式是指當(dāng)有事故發(fā)生或進(jìn)行某些操作時(shí)有關(guān)畫面能夠自動(dòng)彈出.喚起方式則指操作某些功能鍵或以菜單方式調(diào)用所需的畫面.畫面種類包括曲線、表格、提示語句等.

1.3.3 監(jiān)控界面

經(jīng)過組態(tài)后，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有如圖8所示的主界面.

圖8 閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主界面

監(jiān)控工業(yè)控制計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后即進(jìn)入監(jiān)控主界面，該界面顯示該閘門控制系統(tǒng)7孔閘的總貌和有關(guān)實(shí)時(shí)揚(yáng)壓力、上下游水位等數(shù)據(jù)，并具有“閘門”到“閘門”操作畫面切換按鈕及實(shí)時(shí)趨勢曲線、歷史曲線、報(bào)警信息查詢等畫面的切換按鈕等.

通過點(diǎn)擊主畫面上的某閘門按鈕就可以顯示并在運(yùn)行操作的情況下對閘門進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制，通過點(diǎn)擊“返回”按鈕可以切換到主界面.

2 結(jié) 語

閘門是水利工程中的重要設(shè)施，在防洪、抗旱、水資源合理利用等諸多方面都發(fā)揮了非常大的作用.文中基于PLC將計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)用于閘門控制系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)合理、有效地利用水資源.

[1]鄭小平，熊增生．四川橫江萬年橋水電站泄洪、沖砂閘門制造及施工技術(shù)[J]．華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2011，32(1):23-26.

[2]陳琳.三門峽超臨界鍋爐撈渣機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制策略[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，34(6)：122-125.

[3]漆漢宏．PLC電氣控制技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4]朱雪凌，張娟.基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，34(2)：87-90.

[5]邢珂，黃民改.基于S7-300PLC的水庫測流監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，32(5)：89-91.

[6]馬國華．監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[7]李曼娜.基于PLC的水電站閘門監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，2012.

(責(zé)任編輯:杜明俠)

Research on Automatic Control System of Water Gates with PLC

CHANG Cheng

(College of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang 230005, China)

Water gate is one of the most important parts of hydraulic structures. With the rapid development of automatic control, communication and computer technology, water level and gate can be remotely monitored. According to the economy and practicability of the system, a large water gate was chosen to research its control system. According to the design requirements of remote and site control, the control mode of hierarchical distribution was proposed in this article. At the production site, the system was set 4 sets of field control units by control objects, in the monitor center, the remote monitor for water gate was realized using Configuration software, and these systems were designed and researched, such as the power main system, PLC control system and computer monitor system. The research results show water gate can be monitored at the main control room, then the channel information can be sent to the main control room timely. So it can realize the control mode with no one on duty and less people on guarding, and raise the ability of channel management.

automatic control system of water gate; PLC; Configuration; computer monitoring system

2014-09-24

常 成(1991—)，男，遼寧盤錦人，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.016

TV664；TP273

A

1002-5634(2015)01-0076-05