常 成

(貴州大學 電氣工程學院，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 電氣工程學院，貴州 貴陽 230005)

閘門是水工建筑物的重要組成部分，隨著自動控制、通信及計算機技術的不斷發(fā)展，可以實現(xiàn)對閘門和水情的遠程監(jiān)控.從系統(tǒng)的經濟性和實用性角度考慮，針對某一大型水利閘門控制系統(tǒng)進行研究，根據系統(tǒng)遠程和現(xiàn)地控制的要求，提出了分層分布式閘門控制方式.在生產現(xiàn)場，系統(tǒng)按被控對象設置4套現(xiàn)地控制單元，在監(jiān)控中心使用組態(tài)王軟件實現(xiàn)對閘門的遠程監(jiān)控，并對相應的電氣主系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行設計研究.研究結果表明，可以通過主控室對閘門進行遠程控制，并能及時把收集到的河道信息送往主控室，真正實現(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)；計算機監(jiān)控系統(tǒng)

水利工程實時監(jiān)測的信息是防洪安全、水利調度的基礎信息，也是水利工程實現(xiàn)現(xiàn)代化管理、發(fā)揮工程綜合效益的關鍵.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、準確可靠、先進實用、高度自動化的流域水雨情信息、工程安全信息、閘門監(jiān)控信息、實時圖像信息的采集、監(jiān)測(控)與管理自動化系統(tǒng)[1]，為治理洪水、旱澇，實現(xiàn)水資源優(yōu)化等提供充足的技術支持，并在充分利用現(xiàn)有的工程設施的基礎上，進一步提高工程管理的速率和程度，提高工程的運行效果.

1 系統(tǒng)設計

某工程共有7孔閘門，采用一機一門的運行方式，每孔配有卷揚式啟閉機，配套電機容量為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，線路導線為LGJ-70.配設主變1臺，并配1臺柴油發(fā)電機組做備用電源.采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)的自動控制方式.系統(tǒng)由主控制級和現(xiàn)地控制單元2部分組成.

1.1 電氣主系統(tǒng)設計

1.1.1 閘門動力箱電路設計

閘門動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)，當按下正向起動按鈕SA1時，KM1的主觸點和自鎖觸點閉合，即可實現(xiàn)閘門現(xiàn)地上升，同時將上升信號傳送給PLC.如果系統(tǒng)為故障狀態(tài)，熱繼電器KH1斷開，同時與PLC相連的KH1閉合，將故障信號傳送給PLC.如果系統(tǒng)為全開狀態(tài)，常閉輔助觸點1SP斷開，同時與PLC相連的1SP閉合，將全開信號傳送給PLC.在遠程控制中，當遠程計算機(主控級)發(fā)出上升指令，同時現(xiàn)場滿足一定的條件(如無故障、非全開)時，將“1#啟閉機遠程控制上升”信號通過PLC輸送到現(xiàn)地控制單元，便可以實現(xiàn)對閘門的遠程上升控制.由此可以實現(xiàn)對閘門的現(xiàn)地和遠程控制.

由圖2知，閘門動力箱內有1#和2#啟閉機，每個啟閉機的功率為7.5 kW，斷路器QF1和QF2控制各啟閉機的合閘.啟閉機可以通過接觸器KM1～KM4實現(xiàn)正反轉控制.KH1和KH2為熱繼電器，起到了過載保護的作用[2].以1#閘門(啟閉機)為例，分析其現(xiàn)地控制和遠程控制過程.

現(xiàn)地控制信號需要輸入到PLC，如圖3所示，并在遠程計算機(主控級)上顯示，主控級向現(xiàn)地控制單元發(fā)送的遠程控制指令也要輸送到PLC，通過PLC實現(xiàn)對閘門的遠程控制.

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 總配電電路設計

總配電電路如圖4所示.由圖4知，10 kV電源經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電源側為線路-變壓器單元接線形式，低壓側為單母線接線.同時柴油發(fā)電機組作為備用電源，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臺閘門動力箱，每臺閘門動力箱向1—2臺閘門啟閉機供電，共設4臺現(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控制和手動控制2種.

圖4 總配電電路圖

現(xiàn)地控制單元要實現(xiàn)的功能有數據采集和出力、安全運行監(jiān)測、控制和調節(jié)、事件檢測和發(fā)送、數據通信和系統(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[3].PLC可以實現(xiàn)邏輯、順序、過程、定時/計時控制，還可以對采集到的數據進行轉換、處理[4].根據設計要求和各種型號PLC的性能比較，選用西門子公司生產的S7-300型PLC.S7-300 PLC中各模塊都是獨立的，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)；數字量輸入模塊選用SM321：DI32×24VDC(6ES7 321-1BLOO-0AA0)；數字量輸出模塊選用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控制程序設計

采用STEP7V5.5的編程軟件來對PLC的控制程序進行編程，如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)主程序

由圖5可以看出，組織塊OB1調用4個功能FC，分別為:FC1實現(xiàn)動力箱內的閘門控制；FC2實現(xiàn)水位監(jiān)測(顯示)；FC3實現(xiàn)閘門開度監(jiān)測(顯示)；FC4實現(xiàn)閘門荷重監(jiān)測(顯示).FC1實現(xiàn)的是閘門升、降、?？刂疲譃閱蝿涌刂坪吐?lián)動控制2種方式，其控制上升的程序如圖6所示.

圖6 FC1程序

FC2—FC4分別實現(xiàn)對河道水位、閘門開度及荷重的測量，并將測得的數據在主控級計算機上顯示.其FC2水位顯示程序如圖7所示.

圖7 FC2程序

1.3 計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計

現(xiàn)地控制單元1LCU,2LCU,3LCU分別監(jiān)控1#—6#閘門啟閉機的運行，同時監(jiān)測對應閘門的開度和荷重信號.現(xiàn)地控制單元4LCU監(jiān)控7#閘門啟閉機的運行并監(jiān)測7#閘門的開度及荷重信號.現(xiàn)地控制單元(1LCU—4LCU)通過工業(yè)以太網交換機與控制室內的工作站進行通信.

低壓配電系統(tǒng)中的智能表計經過RS485通信線接至串口服務器，經串口服務器轉換，由以太網工作站實現(xiàn)互聯(lián)，實現(xiàn)閘門監(jiān)控中心對配電信息進行遠程集中監(jiān)測.

該系統(tǒng)留有接口，可與主控級的計算機進行工業(yè)以太網連接，實現(xiàn)計算機對閘門的遠程實時監(jiān)控.

監(jiān)控中心工作站負責接受和處理來自現(xiàn)場控制站LCU(PLC)和智能儀表的數據和信息.根據現(xiàn)場發(fā)來的數據和狀態(tài)信息完成對生產過程的遠程控制和監(jiān)視，并提供有關生產數據、報表、趨勢曲線、數據入庫等功能.

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)運行環(huán)境2大部分組成[6].采用北京亞控公司生產的組態(tài)王軟件(Version 6.53).

1.3.2 計算機監(jiān)控系統(tǒng)的功能

1)數據采集與處理：監(jiān)控中心主動從各現(xiàn)地控制單元和多功能測量儀表采集各種實時運行數據，掌握各設備的工作情況，采集報警信息.

2)狀況實時監(jiān)控及在線修改數據：值班人員通過液晶顯示器對系統(tǒng)內各主要設備的工作狀況進行實時監(jiān)視和控制，并可根據要求對運行參數進行在線修改.

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)出報警信號，并在液晶顯示器及打印機上顯示、記錄，指示故障發(fā)生的部位.

4)報警顯示：當系統(tǒng)出現(xiàn)報警時，主控級的操作人員可以觀察到報警點、報警類型、報警時間等多種信息，由操作人員進行確認，同時可瀏覽歷史報警.歷史報警的內容包括各種報警信息、報警是否經過確認、確認報警的用戶、確認報警的時間等.

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

6)報表處理：系統(tǒng)自動記錄各類運行數據，并將所有數據經歸納整理后形成報表，報表可進行打印，操作人員也可以進行實時查看.

7)實時控制和調節(jié)：監(jiān)控系統(tǒng)根據啟閉機此刻的運行控制方式和預定的計劃參數進行控制和調節(jié)，以滿足對系統(tǒng)7孔閘門啟閉機的實時控制要求.

8)記錄報告：對所有監(jiān)控對象的操作信息、報警信息及實時參數報表等進行記錄，并能以中文形式在液晶顯示器上顯示，同時在打印機上進行打印.

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

1.3.3 監(jiān)控界面

經過組態(tài)后，計算機監(jiān)控系統(tǒng)具有如圖8所示的主界面.

圖8 閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)主界面

監(jiān)控工業(yè)控制計算機啟動后即進入監(jiān)控主界面，該界面顯示該閘門控制系統(tǒng)7孔閘的總貌和有關實時揚壓力、上下游水位等數據，并具有“閘門”到“閘門”操作畫面切換按鈕及實時趨勢曲線、歷史曲線、報警信息查詢等畫面的切換按鈕等.

通過點擊主畫面上的某閘門按鈕就可以顯示并在運行操作的情況下對閘門進行計算機控制，通過點擊“返回”按鈕可以切換到主界面.

2 結 語

閘門是水利工程中的重要設施，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將計算機信息技術、現(xiàn)代控制技術應用于閘門控制系統(tǒng)中，以實現(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[J]．華北水利水電學院學報,2011，32(1):23-26.

[2]陳琳.三門峽超臨界鍋爐撈渣機轉速自動控制策略[J].華北水利水電學院學報，2013，34(6)：122-125.

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

[4]朱雪凌，張娟.基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設計[J]．華北水利水電學院學報，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)的設計[J]．華北水利水電學院學報，2011，32(5)：89-91.

[6]馬國華．監(jiān)控組態(tài)軟件及其應用[M]．北京：清華大學出版社，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：武漢理工大學自動化學院，2012.

(責任編輯: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