PLC技術在水利閘門自動化控制中的應用

王寧渝，池浩

（江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012）

0 引言

PLC技術被廣泛的應用于各行業(yè)中，水利事業(yè)在發(fā)展過過程中，也在不斷地提升自身的設備質(zhì)量，并在不斷地創(chuàng)新設備技術，在水利工程事業(yè)中，水電站、水庫等包括泵站等設備系統(tǒng)中，核心技術為PLC技術，一項水利事業(yè)的核心組成部分為水里閘門控制，該部分的控制系統(tǒng)同樣也應用的是PLC技術。PLC技術是一項綜合的控制設備，主要的依據(jù)是互聯(lián)網(wǎng)技術、自動控制技術等，除此之外，理論基石也包含計算機技術以及通信技術。PLC技術的優(yōu)勢是邏輯被存于儲存卡中，想要進行邏輯順序的更改，只需在更改程序方式，安全性高、運行速度快，設備體積小，占用的空間小，而且設備的抗干擾能力也較強，能夠廣泛的應用于工業(yè)環(huán)境中。

隨著水利工程事業(yè)的發(fā)展，閘門自動化技術被廣泛應用于近水利工程中，由閘位計、上下游水位計、PLC控制單元、信號傳輸及中心站控制組成，可根據(jù)用戶的要求進行閘門的單控和群控。信號傳輸采用光纜或其它避雷性能良好的傳輸方式，控制范圍達數(shù)公里；還具有現(xiàn)場圖像監(jiān)視功能。

1 基于PLC技術的水利閘門自動化控制系統(tǒng)構建

1.1 項目背景

船行灌區(qū)水管理信息化系統(tǒng)主要由通信網(wǎng)絡系統(tǒng)、基礎數(shù)據(jù)采集及泵閘監(jiān)控系統(tǒng)、大田農(nóng)作物灌排智能化調(diào)度系統(tǒng)、信息化調(diào)度中心建設、灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)平臺等5個子系統(tǒng)組成。水利閘門自動化的最終目的是實現(xiàn)對水利數(shù)據(jù)信息的實時監(jiān)控，實現(xiàn)計算終端的自動化控制，減少人工成本的投入，樹立閘門自動化控制系統(tǒng)通過在線監(jiān)測閘門的狀態(tài)，降圖像信息實時傳輸，通過電腦終端，實時監(jiān)控水利信息，同步實現(xiàn)水利閘門的遠程啟閉控制[1-2]。下面以宿城區(qū)船行灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目2019年度工程信息化泵閘監(jiān)控系統(tǒng)為例，分析PLC技術在水利閘門中的應用。

1.2 系統(tǒng)結構

泵閘監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式監(jiān)控網(wǎng)絡結構，根據(jù)閘站的分布、通信網(wǎng)絡、以及管理模式，可分為遠程控制級、現(xiàn)地集中控制級和手動控制級三層控制級。

控制權限是根據(jù)距離設備的遠近進行劃分的，在控制系統(tǒng)中，越是靠近設備的位置，所需要的控制權限越高，依此可分為手動級、現(xiàn)地級、遠程控制級。在設備現(xiàn)場進行手動控制，是控制系統(tǒng)的最低一層的控制，同時也是所有控制層級的基礎。三級控制原理如圖1所示。

圖1 泵閘監(jiān)控系統(tǒng)結構示意圖

本系統(tǒng)的遠程控制級共有2處，分別為船行管理處中心站遠程集中控制級（配置有2臺監(jiān)控主機）、二支渠管理所分中心遠程控制級（配置有1臺監(jiān)控主機）。

現(xiàn)地集中控制級為安放在泵閘站現(xiàn)場的現(xiàn)地控制單元（LCU）。

手動控制級為現(xiàn)場泵站或閘站設備的手動控制柜。

1.3 PLC系統(tǒng)配置

船行灌區(qū)閘門監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)較少，因此選用施耐德Modicon M340系列PLC，PLC程序可在編程器上或PC機上進行編寫，編程方式有指令碼編程和梯形圖編程。此項目選用了在PC機上用梯形圖進行編程的方式，配置PLC硬件時，選取相應的機架、CPU、電源模塊、輸入模塊、輸出模塊等。完成PLC的硬件配置后，各機架和模塊都有了自己的位置編號，機架從左到右分別為0、1、2、…5.編號的目的是為了辨別各模塊的地址，以方便編程時對相應的點好和編碼，從而便于識別。

系統(tǒng)軟件配置的主要作用是對開關量輸入、開關量輸出、計數(shù)器、RS485數(shù)據(jù)等進行必要的設定，以滿足編程的要求。

進行梯形圖編程時，把%I0.1.14作為一個開關量輸入點，其中%I0代表開關量的輸入，1代表#1槽位，14代表輸入模塊硬件的具體輸入點。TON為延遲接通指令，IN代表啟動延遲，PT代表預設延遲時間，Q代表輸出。DIUP1代表1#閘門的上升信號。該程序要表達的意思是當%I0.1.14有信號過來時，進過延遲指令0.5s后，把值賦值給PLC內(nèi)部寄存器中[3]。

2 PLC技術在水利閘門監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

2.1 電機

閘門監(jiān)控系統(tǒng)可控制平板閘、弧形閘、人形閘，并通過電機拉動閘門掉繩或螺桿作正反向運動實現(xiàn)閘門的上升、下降的?？刂崎l門的電機主要是三相交流電機，通過改變電源的相序即可改變電機的旋轉(zhuǎn)方向。如圖1所示。

2.2 一次回路

在一次回路中，通過正、反轉(zhuǎn)交流接觸器1QC、2QC來改變電機的旋轉(zhuǎn)方向，如1QC接三相電源次序為ABC三相，2QC接三相電源次序為CBA。

2.3 二次回路

閘門控制二次回路如圖2所示，熱繼電器的輔助觸點RJ1-95，96主要用于電機的過載保護，1TZAN-1，2為電機的手動停止按鈕，電機的自動停止靠繼電器3JDQ（1，9）來實現(xiàn)。

圖2 水利閘門控制二次回路

閘門上升控制方式分為手動和自動，通過一個轉(zhuǎn)換開關進行選擇。當轉(zhuǎn)換開關打到手動時，由上升按鈕1SSAN-3，4控制電機，使閘門上升；當轉(zhuǎn)換開關打到自動時，由繼電器1JDQ（5，9）控制電機，使閘門上升；在閘門的二次回路中設有互鎖開關2QC-21，22，用于防止閘門在上升時按下降按鈕造成相間短路；二次回路中還設有限位開關上限繼電器17JDQ（1，9），當閘門開到最大時，限位開關上限繼電器斷開，閘門會自動停止。

閘門下降時，控制原理和上升原理相同，運行方向相反。

3 基于PLC技術的水利閘門自動化控制系統(tǒng)調(diào)試

3.1 雷達水位計安裝調(diào)試

（1）將水位計信號傳輸電纜一端接水位傳感器信號輸出的圓形插座；另一端接數(shù)據(jù)采集終端的信號輸入插座。注意插接應牢靠。

（2）數(shù)據(jù)采集終端接收到水位傳感器輸出的編碼，經(jīng)處理后，在顯示屏上顯示。查看水位計現(xiàn)場讀數(shù)與RTU顯示的數(shù)值應一致。如兩者不一致，檢查信號傳輸電纜的兩端是否焊接良好。

3.2 磁浮子水位計安裝調(diào)試

設置時需通電，并配合高精度萬用表或者連接到系統(tǒng)上進行調(diào)試。

傳感器外殼頂端上有兩個調(diào)節(jié)凹位（功能設置S和確認設置E），如圖1所示。產(chǎn)品在調(diào)節(jié)時須使用本公司配備的專用磁性調(diào)試螺絲刀進行調(diào)節(jié)，通過兩個調(diào)節(jié)凹位的設置組合，可以實現(xiàn)多種功能[4-5]。接線端子的產(chǎn)品在調(diào)試完畢后，擰緊端蓋即可。磁性調(diào)試螺絲刀（端部）為帶有磁性的調(diào)節(jié)桿，用于傳感器調(diào)試設置，調(diào)試時只需要把螺絲刀的磁粒輕觸凹位即可。

（1）把萬用表打到電壓檔，測量采集模塊的供電輸出是否約為12V～24V。

（2）檢查輸出電流信號，把電流輸出線從采集模塊分離，把萬用表打到電流檔，測量傳感器的電流輸出，隨著浮球的移動，電流應該是4～20mA的變化。

（3）檢查傳感器的工作電流，用單獨24V電源給傳感器供電，再用電流表測量電源線的電流，電流值應該約為40～80mA(電壓輸出的傳感器為50mA)。

（4）把傳感器從設備直接拆卸下來（排除現(xiàn)場線路問題），直接接到采集模塊上去，按照第(2)點的方式去檢測，或者是檢查現(xiàn)場線路是否存在問題，確?，F(xiàn)場線路正常的情況下進行檢測。

3.3 閘位計安裝調(diào)試

（1)需要將閘門的啟閉裝置和傳動裝置的調(diào)整相結合，在這個過程中，如果可以靈活實現(xiàn)閘門的啟閉和傳動裝置的調(diào)整，此時的系統(tǒng)是安全可靠的。

（2)將閘門關閉，關閉閥在閘門最低位置，此時將閘位計的電源連接，狀態(tài)恢復為零，啟動測試功能，進行閘位計測量。

（3)最后，把閘門開啟，分別在閘門啟閉過程中，選取等時分布的三個點，將實際值與閘位計上的測量值進行比較分析，兩者一致，則調(diào)試成功完成。

4 結語

隨著我國水利事業(yè)和科學技術的不斷發(fā)展，水利工程的智能化發(fā)展成為必然趨勢。水利閘門控制將更好的滿足“無人值班、少人值守”的要求，達到遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享、圖像實時遠傳瀏覽的目的。