基于PLC的南水北調(diào)中線西黑山排冰閘自控系統(tǒng)研究

王培坤，呂 睦，閆 浩，宋彥兵

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局天津分局，天津300393）

1 引言

南水北調(diào)中線工程自通水以來，為京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施、受水區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級、社會和諧穩(wěn)定提供了重要的水源支撐。南水北調(diào)中線工程干渠在河北省保定市徐水區(qū)西黑山管理處分水口分為兩支，其中一支由西向東流向天津，進(jìn)入津城的千家萬戶，成為津城的供水生命線。西黑山分水閘擔(dān)負(fù)著中線總干渠向天津干線分水的重要功能，也是天津干線唯一一座調(diào)節(jié)流量的節(jié)制閘。為確保冰期輸水安全，在西黑山分水閘上游50 m處設(shè)置了西黑山排冰閘，發(fā)生冰凍災(zāi)害時可及時將浮冰排入排冰池內(nèi)，保證西黑山分水閘的安全運(yùn)行。本文就西黑山排冰閘自控系統(tǒng)在南水北調(diào)工程中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹，并針對應(yīng)用中出現(xiàn)的問題提出改進(jìn)措施，以期為類似工程的管理及運(yùn)行提供參考。

2 電氣及控制系統(tǒng)簡介

西黑山排冰閘為單孔閘門，采用一扇平板工作門，雙缸啟閉。啟閉機(jī)配套2臺4 kW電機(jī)，工作電源380 VAC。供電電源接南水北調(diào)中線干線35 kV線路，配設(shè)500 kW主變，另配1臺250 kW柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。設(shè)置1臺啟閉機(jī)控制柜，核心元件包括1套Schneider M340 PLC，2套Rexroth VT-VRPA1-150比例放大板，2臺上海精浦機(jī)電GP1312 RL開度儀等?？刂乒褚袁F(xiàn)地控制為主，預(yù)留遠(yuǎn)程控制接口。

2.1 電氣回路

閘門啟閉機(jī)控制柜電氣回路由主回路和控制回路組成，主回路設(shè)備主要包括：電源防雷保護(hù)器（F1，F(xiàn)2）、斷路器（QF11，QF12）、電壓傳感器（PV1，PV2）、接觸器（KM11，KM12）、電流傳感器（PA1，PA2）、電機(jī)保護(hù)斷路器（QF1，QF2）、接觸器（KM1，KM2）、泵站加熱器（EH1，EH2）。油泵1回路和油泵2回路通過KM11、KM12形成互鎖。主回路電氣原理[1]如下頁圖1所示。

控制回路主要設(shè)備包括：PLC控制器、開度儀、比例放大板、24 VDC開關(guān)電源、溫濕度控制器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕、繼電器及狀態(tài)指示燈等。

2.2 控制系統(tǒng)硬件

2.2.1 PLC控制器

PLC（Programmable Logic Controller）是專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，由電源、中央處理單元、存儲器、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個階段[2]。PLC可以實(shí)現(xiàn)邏輯、順序、過程、定時/計時控制，還可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理。南水北調(diào)中線西黑山排冰閘根據(jù)設(shè)計需求、點(diǎn)位，各型號PLC性能比較，選用施耐德M340型PLC。M340型PLC是施耐德公司中型PLC，采用模塊化設(shè)計，機(jī)架式安裝，可根據(jù)工程需要靈活配置模塊。

圖1 主回路電氣原理

CPU模塊選用BMX P34 2020高性能處理器，電源模塊選用BMX CPS 2000標(biāo)準(zhǔn)電源，數(shù)字量輸入DI模塊選用BMX DDI 1602 16通道數(shù)字量模塊，數(shù)字量輸出DO模塊選用BMX DDO 1602 16通道數(shù)字量輸出模塊，模擬量輸入AI模塊選用BMX AMI 0410 4通道模擬量模塊，模擬量輸出AO模塊選用BMX AMO 0210 2通道模擬量輸出模塊，背板選用BMX XBP 1200 12插槽背板。PLC架構(gòu)如圖2所示。

圖2 PLC架構(gòu)圖

2.2.2 開度傳感器

閘門開度的準(zhǔn)確測量是一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。排冰閘開度傳感器選用YQX-Ⅱ型內(nèi)置式閘門開度傳感裝置，通過將油缸活塞桿伸縮運(yùn)動轉(zhuǎn)換成編碼器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，達(dá)到測量線性或非線性位移的目的[3]。YQX-Ⅱ開度傳感器的核心是絕對量旋轉(zhuǎn)編碼器，配置2個用于調(diào)節(jié)全開、全關(guān)位的限位開關(guān)。YQX-Ⅱ傳感器工作電源24 VDC，工作行程6 m，測量精度±0.5 mm，工作壓力0～10 MPa，輸出SSI信號。開度傳感器與開度儀接線如圖3所示。

圖3 開度傳感器與開度儀接線

2.2.3 比例放大板

比例糾偏控制是雙缸液壓閘門自動控制的核心，比例流量閥是雙缸同步控制的核心被控元件。比例流量閥配套的比例放大板型號為Rexroth VTVRPA1-150，工作電源 24 VDC，輸入信號 0～10 V，可接收接閥芯位移傳感器作為反饋信號。根據(jù)放大版輸入信號類型，PLC AO模塊輸出通道范圍選擇±10 V，左缸比例放大板接線如下頁圖4所示。

2.3 控制程序

2.3.1 控制流程

圖4 左缸比例放大板接線圖

閘門控制方式主要分為手動控制和自動控制。（1）手動控制時，由操作人員通過控制柜面板按鈕使閘門提升或下降，閘門運(yùn)行速度通過液壓回路左右調(diào)節(jié)手動調(diào)速閥；（2）自動控制時，操作人員通過HMI輸入目標(biāo)開度，PLC計算左右缸位移的平均值，與目標(biāo)開度進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制閘門提升或下降，當(dāng)左右缸位移均值與目標(biāo)開度差達(dá)到1 mm時，閘門停止運(yùn)行。在運(yùn)行過程中PLC不斷比較左右缸位移，根據(jù)左右缸位移差，實(shí)時控制左右比例流量閥開度，對閘門左右缸開度進(jìn)行糾偏，達(dá)到雙缸同步控制的目的。閘門控制流程如圖5所示。

2.3.2 比例糾偏控制原理

當(dāng)閘門處于自動控制模式時，PLC通過控制左右比例流量閥開度調(diào)節(jié)閘門的運(yùn)行速度，開度越大，閘門的運(yùn)行速度越快，反之越慢。根據(jù)閘門實(shí)際運(yùn)行情況，為保證閘門平穩(wěn)運(yùn)行，比例流量閥最大開度設(shè)置為50%，即比例流量閥開度在0～50%之間調(diào)節(jié)。

在閘門提升或者下降過程中，程序?qū)﹂l門左右缸位移進(jìn)行實(shí)時比較，如果閘門左右缸位移差不超過3 mm，左右比例流量閥開度均為50%，閘門勻速上升或者下降。當(dāng)左右缸位移差超過3 mm時，程序通過左右缸位移大小的判斷對比例流量閥開度進(jìn)行調(diào)整。（1）閘門提升時，左缸位移大于右缸位移，左糾偏；閘門關(guān)閉時，左缸位移小于右缸位移，左糾偏。（2）閘門提升時，右缸位移大于左缸位移，右糾偏；閘門關(guān)閉時，右缸位移小于左缸位移，右糾偏。在糾偏過程中，運(yùn)動慢的一側(cè)比例流量閥開度保持不變，運(yùn)動塊的一側(cè)比例流量閥開度由50%周期性減少，每100 ms減小2%，直至減小為0。在糾偏過程中，左右缸位移差超過20 mm，PLC判定糾偏失敗，超差報警。

圖5 閘門控制流程

3 運(yùn)行中的改進(jìn)措施

3.1 閘門開度采集方式改進(jìn)

3.1.1 PLC模塊調(diào)整

西黑山排冰閘系統(tǒng)現(xiàn)有模擬量輸出AO點(diǎn)2點(diǎn)，AO模塊為BMX AMO 0210 2通道模擬量輸出模塊，為保證具有足夠的余量，在通道故障時可及時更換，將BMX AMO 0210 2通道模擬量輸出模塊更換為BMX AMO 0410 4通道模擬量輸出模塊。改進(jìn)后的PLC架構(gòu)如圖6所示。

3.1.2 HMI目標(biāo)開度輸入調(diào)整

為防止閘門自動控制時，操作人員輸入目標(biāo)開度有誤，對HMI目標(biāo)開度輸入進(jìn)行限制，當(dāng)輸入目標(biāo)開度大于2 400 mm時，程序默認(rèn)為2 400 mm。

3.1.3 開度數(shù)據(jù)采集方式調(diào)整

在西黑山排冰閘投入運(yùn)行以來，運(yùn)行管理人員發(fā)現(xiàn)3種問題：（1）閘門處于自動控閘模式時，控制精度不夠精準(zhǔn)，閘門執(zhí)行不到位；（2）左右缸不能及時糾偏，閘門傾斜存在卡死隱患；（3）HMI顯示開度與開度儀顯示開度不一致（如開度儀顯示閘門開度已到0，但HMI顯示開度不歸0）。針對此問題，對液壓控制回路和電氣控制路進(jìn)行了分析，開度傳感器的SSI信號傳給開度儀，開度儀經(jīng)計算后將左右缸位移數(shù)據(jù)以4～20 mA電流信號送給PLC模擬量模塊。在長期運(yùn)行中，模擬量信號易受干擾，且存在零漂，導(dǎo)致PLC采集到的開度數(shù)據(jù)與開度儀計算開度數(shù)據(jù)一致，造成閘門控制產(chǎn)生偏差。

為解決以上問題，將模擬量采集開度改為數(shù)字通信采集。RS485通信接口是現(xiàn)在工業(yè)控制、電力通信、智能儀表等領(lǐng)域常用的通信方式，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，可有效解決共模干擾問題。由于原有的開度儀無數(shù)字量通信接口，將原有的開度儀更換為帶模擬量輸出點(diǎn)和RS485通信接口的淮海電子ZWY-4 I型開度儀。M340系列PLC用于支持RS485通信的模塊為型號BMX NOM0200，由于原PLC的CPU模塊為2.1版本，無法添加該通信模塊。為解決此問題，將 CPU（BMXCPU2020-2.1）更換為CPU（BMXCPU2020-2.7）。在PLC機(jī)架上增加1個RS485通信接口模塊，型號BMX NOM0200，該模塊帶兩個通信接口，其中0口為RS485通信接口，1口為RS232/RS485可選接口。為保證通信的穩(wěn)定性和及時性，采用一對一方式，將2口勾選為RS485通信接口，每個接口單獨(dú)與一個開度儀通信。端口參數(shù)按照開度儀配置對應(yīng)：波特率為9 600，無校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位8，停止位1，采用MODBUS RTU協(xié)議。

圖6 改進(jìn)后的PLC架構(gòu)

為保證通信傳輸?shù)臅r效性和數(shù)據(jù)完整性，在程序中設(shè)置周期讀取段，左右兩缸開度同時讀取，每次數(shù)據(jù)讀取時間為150 ms，每次讀取完成后，間隔5 ms再進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)讀取，可避免開度儀死機(jī)的問題。

3.2 改進(jìn)后的效果

通過改進(jìn)，達(dá)到了以下效果：（1）HMI顯示左右開度與開度儀顯示一致；（2）閘門左右缸糾偏效果良好，未再出現(xiàn)閘門傾斜現(xiàn)象；（3）控閘精度有了較大提高，閘門控制偏差值由不大于±15 mm提高到不大于±4 mm。

4 總結(jié)及建議

（1）當(dāng)閘門處于手動控制時，操作人員需要不斷調(diào)整左右手動調(diào)速閥使閘門左右缸同步，實(shí)際操作過程中人為操作時效性差，不能很好地保持雙缸同步。在下一步改進(jìn)中，手動、自動操作時，閘門均通過比例流量閥來糾偏，手動調(diào)速閥僅在比例流量閥故障時做備用。

（2）現(xiàn)有程序中，具體操作按鈕以閘門執(zhí)行到位作為全開、全關(guān)，同時點(diǎn)亮全開、全關(guān)指示燈，建議改為開到位、關(guān)到位。

（3）現(xiàn)有的工作模式為開度傳感器SSI信號進(jìn)開度儀，由開度儀對編碼器信號計算后再傳輸至PLC。為減少中間環(huán)節(jié)，確保數(shù)據(jù)實(shí)時性，可考慮在PLC中增加SSI信號采集模塊，直接由PLC對開度進(jìn)行計算。

（4）為進(jìn)一步提高控制閘門的準(zhǔn)確性，可考慮采用逐漸逼近調(diào)節(jié)方式，在閘門運(yùn)行將要到達(dá)目標(biāo)開度時，分2～3次微調(diào)，可有效避免閘門超調(diào)情況的發(fā)生。

（5）Ethernet所具有的低成本、全開放、傳輸速率高及應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，使它在工業(yè)控制系統(tǒng)中擁有無可比擬的優(yōu)勢。下一步升級改造中，可將PCL、HMI、開度儀之間的通信由工業(yè)RS485串行通信方式，更換為工業(yè)以太網(wǎng)方式。在控制柜內(nèi)增加一臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，所有設(shè)備均通過交換機(jī)通信，使系統(tǒng)的操控更加方便快捷。