水庫(kù)閘門(mén)集控系統(tǒng)PLC及程序分析

馬運(yùn)彬

(新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局，新疆伊寧 835400)

新疆山口水庫(kù)肩負(fù)著發(fā)電、泄洪、灌溉三大重任，壩長(zhǎng)963.1 m，由粘土心墻壩和混凝土壩組成，具有1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)四個(gè)表孔、一個(gè)底孔，孔口上均安裝為弧形工作閘門(mén)，其中表孔弧門(mén)尺寸為8×12，閘門(mén)最大開(kāi)度均為12 m，底孔尺寸為6×6，最大開(kāi)度7 m。在這五個(gè)防洪閘門(mén)的作用下控制蓄水庫(kù)，河流，堤壩的水流量，弧形閘門(mén)的安全可靠運(yùn)行是關(guān)系到大壩安全，下游灌區(qū)安全和百姓生命財(cái)產(chǎn)安全的重大問(wèn)題。因此，為了增加閘門(mén)啟閉可靠性，實(shí)時(shí)采集每個(gè)閘門(mén)現(xiàn)地控制單元的運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)，操作人員不去啟閉機(jī)現(xiàn)場(chǎng)，單個(gè)、分組提升、降落閘門(mén)，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)的集中群控，提高泄洪弧形閘門(mén)啟閉的自動(dòng)化程度，減少工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，逐步實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)化。2011年對(duì)山口閘門(mén)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造升級(jí)，與西安航天科技公司合作，安裝了閘門(mén)集控系統(tǒng)。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)多地非現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)方對(duì)閘門(mén)進(jìn)行控制監(jiān)視，分別在兩處水調(diào)值班室安裝了上位計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)圖形模擬系統(tǒng)，一處作為服務(wù)器控制機(jī)，另外一處作為客戶機(jī)通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器控制機(jī)來(lái)操作閘門(mén)。通過(guò)這次對(duì)山口水庫(kù)的五孔泄洪閘門(mén)控制系統(tǒng)的改造，經(jīng)過(guò)這兩年來(lái)的運(yùn)行考驗(yàn)，特別是2012年汛期數(shù)次的特大洪水，系統(tǒng)動(dòng)作可靠，取得了較為理想的改造效果。

1 PLC結(jié)構(gòu)組成

PLC實(shí)質(zhì)上是工業(yè)計(jì)算機(jī)，是一種專為工業(yè)環(huán)境下而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它通過(guò)數(shù)字量，模擬量的輸入和輸出完成各種機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程的控制，具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，其硬件根據(jù)實(shí)際需要配置，本次升級(jí)改造中主要由中央處理單元(CPU)、輸入輸出單元(I/O單元)、存儲(chǔ)器、電源等組成。其中CPU是PLC的核心，存儲(chǔ)器是存放程序和數(shù)據(jù)的地方，I/O單元是PLC與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)連接的接口。電源既可以為CPU供電，又可為各類(lèi)模塊以及外部的各類(lèi)傳感器供電。

2 模塊選型與設(shè)置

根據(jù)本工程實(shí)際情況采用施耐德的S7-300PLC，模塊位置設(shè)置如圖1所示，其中從左二起至右依次為0槽位～8槽位。

圖1 S7-300PLC

第一個(gè)槽位為電源模塊，型號(hào)TSX PSY1610M，用于將交流220 V電源轉(zhuǎn)換為直流24 V電源，為PLC其他模塊及外部傳感器供電。

0號(hào)槽位為CPU模塊，其型號(hào)為T(mén)SX P57 104M。CPU模塊作為整個(gè)PLC系統(tǒng)的核心。在本次升級(jí)改造中編程梯形圖所占用的內(nèi)存過(guò)大，CPU自帶的用戶程序存儲(chǔ)器內(nèi)存無(wú)法滿足使用要求，在CPU內(nèi)存插槽內(nèi)插入型號(hào)為T(mén)SX MPR P 128K內(nèi)存卡一塊(該款CPU模塊含有兩種存儲(chǔ)卡插槽)。

1號(hào)、2號(hào)、7號(hào)槽位上為數(shù)字輸入模塊，3號(hào)、4號(hào)槽位上為數(shù)字輸出模塊，5號(hào)槽位上為模擬量輸入模塊，6號(hào)槽位上為模擬量輸出模塊，8號(hào)槽位為以太網(wǎng)模塊(在這里特別指出，槽位號(hào)只是相對(duì)的，實(shí)際上不存在物理槽位，每個(gè)模塊用背部總線相連接。任何一個(gè)槽位上模塊位置均可互相調(diào)換，例如7號(hào)槽位上的數(shù)字輸入模塊可調(diào)換到3號(hào)槽位，但電源模塊必須緊靠CPU模塊)。1號(hào)、7號(hào)模塊型號(hào)為T(mén)SX DEY 32DK，其輸入信號(hào)通道為0～31，共計(jì)32個(gè)通道。2號(hào)模塊型號(hào)TSX DEY 16DK，其輸入信號(hào)通道為0～15，共計(jì)16個(gè)通道。這些模塊的輸入量包括電器系統(tǒng)的閘門(mén)開(kāi)度傳感器、閘門(mén)全開(kāi)/全關(guān)行程開(kāi)關(guān)，電動(dòng)機(jī)和油泵運(yùn)行狀態(tài)傳感器，電磁閥、各類(lèi)交流接觸器、繼電器運(yùn)行狀態(tài)等開(kāi)關(guān)量;液壓系統(tǒng)上的油溫傳感器、液位傳感器、液壓管路及液壓缸上關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的壓力信號(hào)等開(kāi)關(guān)及模擬量。

3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)模塊功能相似，其功能已在上面講明，不再贅述。8號(hào)為以太網(wǎng)模塊，其作用是與上位機(jī)電腦相連接，使PLC直接連入Internet，工程師可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接給PLC下程序和實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)，顯示人機(jī)交換的信息。本次改造升級(jí)中網(wǎng)絡(luò)是這樣構(gòu)成的;2號(hào)，3號(hào)，4號(hào)表孔閘門(mén)，底孔閘門(mén)的每間閘房放一根四芯光纜集中到1號(hào)表孔閘房，1號(hào)表孔閘門(mén)放一根24芯光纜到電廠二樓通訊室。五個(gè)閘門(mén)控制柜內(nèi)，各有一臺(tái)烽火光端機(jī)(將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào))，接續(xù)盒(光纜轉(zhuǎn)接盒)，電源插座(給光端機(jī)供電)。其中1號(hào)表孔閘門(mén)還有網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜一臺(tái)，ODF配線架一臺(tái)。在電廠二樓通訊室內(nèi)設(shè)置五個(gè)光端機(jī)，思科24口交換機(jī)一臺(tái)，電信公司遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，完成五個(gè)閘門(mén)數(shù)據(jù)的交換信息網(wǎng)絡(luò)。其通信方式采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，TCP/IP協(xié)議，符合IEEE802.3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)來(lái)連接遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)。

3 PLC梯形圖設(shè)計(jì)編程

3.1 控制方式轉(zhuǎn)換

閘門(mén)控制系統(tǒng)分為手動(dòng)控制與自動(dòng)控制、遠(yuǎn)方控制三部分(本節(jié)均以1號(hào)表孔程序?yàn)槔?，遠(yuǎn)方控制就是上位機(jī)通過(guò)組態(tài)軟件Intouch10.1獲取閘門(mén)的開(kāi)度、閘門(mén)泄流量等信息后，發(fā)出控制信號(hào)給PLC，再通過(guò)PLC的程序?qū)崿F(xiàn)閘門(mén)的升、降、停控制。手動(dòng)控制是應(yīng)急操作用的，正常情況下不使用，此方式不通過(guò)PLC程序，通過(guò)控制柜上的開(kāi)關(guān)按鈕直接進(jìn)行閘門(mén)的升降停控制;現(xiàn)地自動(dòng)控制是指工程師通過(guò)現(xiàn)地控制單元的觸摸屏上的控制面板，發(fā)出控制信號(hào)給PLC，達(dá)到控制閘門(mén)的目的，這種控制方式的實(shí)質(zhì)還是利用了PLC的程序。三種控制方式互相屏蔽，即只能同時(shí)允許一種控制方式處于有效方式，體現(xiàn)在梯形圖中即互鎖回路。

3.2 閘門(mén)啟門(mén)/閉門(mén)控制

閘門(mén)的啟門(mén)及閉門(mén)控制是閘門(mén)最基本的控制要求，當(dāng)閘門(mén)需在水調(diào)值班室開(kāi)啟閘門(mén)時(shí)，首先在上位機(jī)啟門(mén)開(kāi)度值上設(shè)定開(kāi)度值。通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)，PLC即接到閘門(mén)上升的控制信號(hào)，在沒(méi)有事故或報(bào)警時(shí)，啟門(mén)信號(hào)得電，延時(shí)3 s后液壓系統(tǒng)中的啟門(mén)電磁閥得電。系統(tǒng)建壓10 s后，閘門(mén)上升，到達(dá)設(shè)定開(kāi)度以后停止信號(hào)首先失電，繼而啟門(mén)信號(hào)失電，閘門(mén)開(kāi)啟到位。閘門(mén)在上升或下降過(guò)程中，必須有閘門(mén)同步糾偏及自動(dòng)防下滑的報(bào)警控制，見(jiàn)圖2。糾偏控制，首先讓閘門(mén)左右開(kāi)度相比較，圖2中B01是閘門(mén)左缸開(kāi)度值，B02是右缸開(kāi)度值，B01－B02得到閘門(mén)開(kāi)度的差值B22，如果比較結(jié)果B22在0～20之間，糾偏程序不啟用也就是說(shuō)閘門(mén)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中允許20個(gè)毫米的差值;當(dāng)閘門(mén)的左邊開(kāi)度大于右邊的開(kāi)度時(shí)，A110得電，左右缸差值B22在50和20之間，A108得電，PLC進(jìn)行左糾偏;當(dāng)閘門(mén)右邊開(kāi)度大于左邊開(kāi)度時(shí)，A111得電，左右缸差值 B22在50和20之間，A108得電，PLC進(jìn)行右糾偏。糾偏以后進(jìn)行再比較，如果左右開(kāi)度仍不相等，則再次跳回糾偏程序;如果左右開(kāi)度相等，則糾偏結(jié)束;如果經(jīng)過(guò)糾偏以后，B22的值大于50即閘門(mén)左右相差在50 mm，這時(shí)閘門(mén)有可能出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，機(jī)械系統(tǒng)有可能出現(xiàn)故障，那么閘門(mén)超差立即失電，發(fā)出故障報(bào)警，繼而啟門(mén)信號(hào)、閉門(mén)信號(hào)失電閘門(mén)啟閉動(dòng)作立刻停止，這時(shí)檢修人員需至工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行故障排查檢修。

自動(dòng)防下滑控制也是閘門(mén)控制中必須注意的問(wèn)題，閘門(mén)因自身重力的作用或者液壓管路液壓油的泄露，均會(huì)導(dǎo)致閘門(mén)產(chǎn)生不同程度上的下滑，使閘門(mén)開(kāi)度與預(yù)先的設(shè)定值有所偏差，影響閘門(mén)啟閉的精度，進(jìn)而導(dǎo)致泄流量不準(zhǔn)確造成水資源的浪費(fèi)。當(dāng)PLC檢測(cè)到下滑位移大于設(shè)定值時(shí)，首先發(fā)出下滑報(bào)警信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)PLC程序自動(dòng)提升閘門(mén)，直到回到原來(lái)位置。在本次改造升級(jí)中把閘門(mén)下滑分成三個(gè)階段(本節(jié)PLC梯形圖程序不予詳細(xì)給出)，當(dāng)下滑值ZM_SLIDE_WALUE＞100 mm時(shí)，一個(gè)油泵啟動(dòng)自動(dòng)提升閘門(mén)到設(shè)定值;當(dāng)下滑值ZM_SLIDE_WALUE＞150 mm時(shí)，兩個(gè)油泵同時(shí)啟動(dòng)提升閘門(mén)至設(shè)定值;當(dāng)下滑值ZM_SLIDE_WALUE＞200 mm時(shí)或者ZM_SLIDE_WALUE＞150 mm時(shí)油泵啟動(dòng)20 s后閘門(mén)仍無(wú)法恢復(fù)至設(shè)定開(kāi)度，發(fā)出聲光報(bào)警，警告閘門(mén)維護(hù)人員即可前往現(xiàn)場(chǎng)排除機(jī)械、液壓系統(tǒng)故障。

圖2 閘門(mén)啟閉過(guò)程中的糾偏控制程序

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)本次閘門(mén)升級(jí)改造中及目前運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，介紹了PLC硬件選型，閘門(mén)控制梯形圖程序。這些有用經(jīng)驗(yàn)對(duì)以后工程實(shí)踐將會(huì)起到重要的借鑒作用，PLC在以后的閘門(mén)控制中將會(huì)得到更廣泛和完善的應(yīng)用。