南水北調(diào)興隆水利樞紐船閘控制系統(tǒng)改進(jìn)方案及實(shí)施

李強(qiáng)　張濤　朱喬航

摘 要：該文對某公司系列PLC在湖北省漢江興隆水利樞紐興隆船閘電氣系統(tǒng)中的改進(jìn)方案做出詳細(xì)描述。主要的描述內(nèi)容包括：概況，電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)改進(jìn)前存在的問題，改進(jìn)內(nèi)容，改進(jìn)現(xiàn)地主、從站PLC的程序過程，改進(jìn)完成后效果等。此方案已用于湖北省漢江興隆水利樞紐興隆船閘電氣系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：興隆船閘 電氣控制 PLC

中圖分類號：U641.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）10（a）-0038-02

漢江興隆水利樞紐船閘位于漢江下游湖北省潛江、天門市境內(nèi)，上距丹江口樞紐378.3 km，下距河口273.7 km，興隆船閘航道等級為III級，主體段由上閘首、閘室、下閘首下游消能段組成，總長268 m，閘室平面有效尺寸為180 m×23 m×3.5 m（長×寬×最小檻上水深）。漢江興隆水利樞紐工程船閘電控系統(tǒng)由2套上位操作員站、上閘首左現(xiàn)地子站、上閘首右現(xiàn)地子站、下閘首左現(xiàn)地子站、下閘首右現(xiàn)地子站組成。上位操作員站主要設(shè)備為2臺工作站，其他4個子站以Quantum PLC為核心。該電控系統(tǒng)采用開放式、分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，上位操作員站與上閘首左現(xiàn)地子站、下閘首左現(xiàn)地子站之間通過10 Mbps/100 Mbps以太網(wǎng)，上閘首左現(xiàn)地子站與上閘首右現(xiàn)地子站間通過熱備光纖及同軸電纜相聯(lián)，下閘首左現(xiàn)地子站與下閘首右現(xiàn)地子站間通過熱備光纖及同軸電纜相聯(lián)。各閘首現(xiàn)地子站主PLC與從站PLC之間為RS485協(xié)議進(jìn)行通訊，該系統(tǒng)總體運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。但隨著運(yùn)行年限的增長，該系統(tǒng)的薄弱性凸顯出來。為提高整個電控系統(tǒng)的可靠性、安全性，對該系統(tǒng)進(jìn)行局部改進(jìn)是相當(dāng)必要的。

1 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

興隆船閘電控系統(tǒng)采用開放式、分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 主要有遠(yuǎn)程RIO控制網(wǎng)絡(luò)、Modbus 485現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)。

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

興隆船閘通過以太網(wǎng)交換機(jī)系統(tǒng)把視頻監(jiān)控上位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、熱備冗余的PLC控制器、現(xiàn)地控制柜內(nèi)HMI人機(jī)界面等聯(lián)系在一起組成一個統(tǒng)一的通信系統(tǒng)。興隆船閘選擇帶有熱備冗余功能的PLC控制器，是因?yàn)闊醾淙哂嗉夹g(shù)在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛也很成熟，采用熱備冗余技術(shù)后在其中一臺PLC控制器出現(xiàn)間斷或故障時，另外一臺PLC控制器可以無間隙地完全接管全部工作，從而使系統(tǒng)運(yùn)行不受影響。

興隆船閘整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主體采用現(xiàn)代工業(yè)以太網(wǎng)，以光纜作為主通訊介質(zhì)，各單元柜內(nèi)采用電纜作為通訊介質(zhì)，組成整個網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)通訊的快速性、準(zhǔn)確性和抗干擾性能。在每個通訊單元內(nèi)設(shè)置一個光電轉(zhuǎn)換機(jī)作為鏈接分支器，實(shí)現(xiàn)通訊單元至通訊網(wǎng)絡(luò)的鏈入。整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)，以確保系統(tǒng)通訊的可靠性。

1.2 現(xiàn)地子站PLC控制說明

興隆船閘現(xiàn)地控制單元采用Quantum系列雙機(jī)熱備PLC+RIO的模式，完成對所管轄的受控設(shè)備的監(jiān)控。興隆船閘Quantum系列雙機(jī)熱備PLC選用型號為Quantum CPU-67160，它是目前法國施耐德公司生產(chǎn)的較高端的PLC控制器，該控制器數(shù)據(jù)接口豐富，它具有一個Modbus （RS232）、一個Modbus Plus（RS485）、一個USB接口、一個以太網(wǎng)接口等接口。它具有兩個內(nèi)存擴(kuò)展插槽可以根據(jù)所需容量插入內(nèi)存卡的容量大小將內(nèi)存容量擴(kuò)展，而PLC本身自帶有4 M內(nèi)存，離散量地址可到65 528 kB，寄存器地址可到64 976 kB。滿足同時它具有熱備冗余功能，兩臺PLC控制器可以通過同步光纖完成數(shù)據(jù)交換，在一臺出故障時，另一臺可以同步接管所有工作，切換工作瞬時完成，不會對控制流程造成中斷，從而對設(shè)備控制運(yùn)行沒有任何影響。RIO模塊選擇法國施耐德公司Quantum系列的配套RIO模塊140-CRP-93100模塊，該模塊的傳輸速率為1.544 MB/s，很好地滿足了興隆船閘遠(yuǎn)程RIO通信運(yùn)行需求。

2 系統(tǒng)改進(jìn)前存在的問題

（1）興隆船閘控制系統(tǒng)在油缸行程數(shù)據(jù)采集、傳輸過程中，各閘首現(xiàn)地子站主PLC（Quantum系列，負(fù)責(zé)主控程序運(yùn)行）與從站PLC（Premium系列，負(fù)責(zé)采集油缸行程數(shù)據(jù)）的串口通訊接口長時間的連續(xù)運(yùn)行容易出現(xiàn)元件老化，且有時行程數(shù)據(jù)采集、傳輸過程中不連續(xù)，導(dǎo)致發(fā)生數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，出現(xiàn)設(shè)備停機(jī)故障，影響了通航效率。

（2）上位機(jī)監(jiān)控操作界面手動操作未設(shè)活動橋頂升停止功能，工作人員需手動停止。

3 改進(jìn)內(nèi)容

基于興隆船閘控制系統(tǒng)的組網(wǎng)情況，整個控制系統(tǒng)已經(jīng)組建了光纖以太網(wǎng)，將各閘首現(xiàn)地子站主PLC與從站PLC之間的串口通訊改為以太網(wǎng)通訊，可有效防止數(shù)據(jù)交換時的丟包現(xiàn)象，也不會影響各閘首現(xiàn)地子站主PLC之間的雙機(jī)熱備功能。

該改進(jìn)方案的主要工作內(nèi)容如下。

（1）更換4塊從站PLC（Premium系列）的處理器模塊（品牌： 施耐德/SCHNEIDER處理器：TSXP571634M Unity Premium 571x4 CPU，帶Ethernet口），敷設(shè)網(wǎng)線，將其與交換機(jī)相連。

（2）開發(fā)4套從站PLC（Premium系列）的配置程序。

（3）開發(fā)2套各閘首現(xiàn)地子站主PLC（Quantum系列）的控制程序，結(jié)合興隆船閘的組網(wǎng)方式和其他特點(diǎn)，完善通訊功能、在上位監(jiān)控畫面中增加活動橋的提升高度值的預(yù)設(shè)定功能，配置相應(yīng)的通訊點(diǎn)。

4 改進(jìn)各啟閉機(jī)室現(xiàn)地主、從站PLC的程序過程

PLC程序完成的主要工作有以下幾個方面：對現(xiàn)地主站PLC的程序完善后，將開發(fā)4套從站PLC（Premium系列）的配置程序?qū)崟r數(shù)據(jù)通信，PLC通過以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時通訊，PLC將程序處理好的信號例如主提升油缸位移等信號通過寄存器上送至上位機(jī)。上位機(jī)將動作指令下發(fā)至PLC。

PLC通過DI、AI等輸入模塊實(shí)時采集來自配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等分系統(tǒng)的實(shí)時信號，工作人員對采集數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行監(jiān)視、修改、優(yōu)化，按現(xiàn)場實(shí)際情況完善程序模塊。

完善通訊功能，在上位監(jiān)控畫面中增加活動橋的提升高度值的預(yù)設(shè)定功能，配置相應(yīng)的通訊點(diǎn)，上位機(jī)發(fā)送頂升指令后，經(jīng)工作人員確認(rèn)，提升到預(yù)設(shè)高度位置后，系統(tǒng)可自動停止。

完善報(bào)警功能，PLC將采集到報(bào)警信號處理后上送至上位機(jī)和人機(jī)界面，用戶通過上位機(jī)或人機(jī)界面可以查詢系統(tǒng)中的報(bào)警信息。

5 改進(jìn)完成后效果

改進(jìn)前后的處理器見圖1、圖2。

將原來4個啟閉機(jī)室內(nèi)從站PLC（Premium系列）的處理器模塊TSXP57104M更換4塊PLC（Premium系列）的處理器模塊（帶以太網(wǎng)通訊接口）TSXP571634，可有效防止數(shù)據(jù)交換時的丟包現(xiàn)象，不會影響主PLC的雙機(jī)熱備功能。

改進(jìn)前各閘首現(xiàn)地子站主PLC與從站PLC通訊方式為通過RS485協(xié)議進(jìn)行通訊，從站通訊時傳送速度為9 600位/s，瞬間延遲23 ms，通訊時具有一定的時間間隔，且有時交換數(shù)據(jù)時不連續(xù)，改進(jìn)后各閘首現(xiàn)地子站主PLC與從站PLC通訊方式為以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議通訊，通訊時數(shù)據(jù)將更加準(zhǔn)確，速度將更快且數(shù)據(jù)是連續(xù)的；改進(jìn)前各閘首現(xiàn)地子站主PLC與從站PLC連接串口為Modbus端口，工作人員如果需要查看從站PLC程序必須要專用施耐德Premium系列編程電纜進(jìn)行連接；改進(jìn)后各閘首現(xiàn)地子站主PLC與從站PLC可直接用以太網(wǎng)端口進(jìn)行在線連接，方便快捷。

6 結(jié)語

該控制系統(tǒng)改進(jìn)方案已實(shí)現(xiàn)，已用于湖北省漢江興隆水利樞紐興隆船閘，對于其他同類型電氣系統(tǒng)同樣改進(jìn)適用，具有較強(qiáng)的指導(dǎo)借鑒意義。

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