PLC在長洲水利樞紐三線四線船閘控制系統(tǒng)的應用

劉俊江

（廣西西江投資集團有限公司長洲三線四線船閘管理處 廣西梧州 543100）

PLC在長洲水利樞紐三線四線船閘控制系統(tǒng)的應用

劉俊江

（廣西西江投資集團有限公司長洲三線四線船閘管理處 廣西梧州 543100）

本文介紹了PLC的主要功能，主要分析了PLC在長洲水利樞紐三線四線船閘控制系統(tǒng)的具體應用，以期提升我國船閘企業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量及效率，使之更好地為國家和社會的發(fā)展、建設(shè)服務(wù)。

船閘；PLC；生產(chǎn)；機電一體化；有效應用

1 前言

PLC屬于邏輯控制設(shè)備中的一種，在結(jié)構(gòu)上主要由各個模塊組成。因此，將PLC應用在一體化的機電生產(chǎn)系統(tǒng)中，PLC可對生產(chǎn)設(shè)備進行有效操控，為機電系統(tǒng)能夠抗干擾、靈活的開展生產(chǎn)活動提供了有效保障。近些年來，在微電子、網(wǎng)絡(luò)以及計算機技術(shù)快速發(fā)展和普及使用的社會背景下，PLC已經(jīng)廣泛應用到我國的船閘控制中，實踐表明，PLC的有效使用，使得船閘在自動化控制水平有了很大提高。

2 PLC的基本概述

PLC屬于電子裝置的一種，最適用于工業(yè)環(huán)境條件下的應用。因PLC的存儲器具有編程功能，因此，該項技術(shù)可以用來執(zhí)行順序運算、邏輯運算、計數(shù)以及計時等多項操作指令。同時，PLC也可采用模擬式或者數(shù)字式的輸出、輸入操作對生產(chǎn)系統(tǒng)中的各類生產(chǎn)過程以及機械生產(chǎn)操作進行有效控制。本文主要總結(jié)PLC的功能如下：控制順序，這一功能轉(zhuǎn)變了以往繼電器中的順序控制，可以增加生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率，增長了企業(yè)的經(jīng)濟利益；聯(lián)網(wǎng)通信功能；控制程序功能；處理數(shù)據(jù)功能。PLC技術(shù)在使用中可構(gòu)成相應的監(jiān)控系統(tǒng)，在對生產(chǎn)過程控制時主要通過采集及處理數(shù)據(jù)來完成。基于上述分析可知，PLC在企業(yè)的生產(chǎn)活動中具有很高的應用價值，為機電企業(yè)實現(xiàn)一體化生產(chǎn)提供了重要保障。其中，PLC的構(gòu)成如圖1所示，以下所列各個組成部分均在運行過程中有著各自的作用，且各具特點具有自己的特點。

圖1 PLC構(gòu)成圖

3 長洲水利樞紐三線四線船閘工程概況

長洲水利樞紐三線四線船閘工程位于梧州市上游12km的西江干線上，是廣西打造西江億噸黃金水道，解決廣西內(nèi)河運輸瓶頸的一個關(guān)鍵項目，是世界上通過能力最大的單級船閘。工程按一級船閘建設(shè)，主要建設(shè)3000t級船閘兩座、總長4.5km的上下引航道，有效尺度為340m×34m×5.8m（長×寬×門檻水深），設(shè)計年單向通過能力9600萬t。

長洲水利樞紐三四線船閘控制系統(tǒng)由北京機械工業(yè)自動化研究所提供，結(jié)合北京機械工業(yè)自動化研究所在船閘行業(yè)內(nèi)豐富的實踐經(jīng)驗，將長洲三線、四線船閘工程設(shè)計為管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)融為一體的管控一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)各種信息的無縫連接及資源共享。

整個管控系統(tǒng)采用“集中監(jiān)視管理、分散控制”的多層分布式結(jié)構(gòu)，并由四個層次現(xiàn)地設(shè)備層、現(xiàn)地控制層、集中控制層和計算機信息管理層組成，進而實現(xiàn)對船閘的機電設(shè)備、控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和船閘運行的自動化、信息化的控制和管理。此外，系統(tǒng)根據(jù)集中控制和就地分散控制相結(jié)合的原則進行總體設(shè)計，最終完成了船閘自動控制系統(tǒng)、船閘通信系統(tǒng)、船閘工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)和四線船閘聯(lián)合調(diào)度信息管理系統(tǒng)。

4 PLC在長洲水利樞紐三線四線船閘控制系統(tǒng)中的具體應用

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

長洲水利樞紐三線四線船閘管控系統(tǒng)采用“集中監(jiān)視管理、分散控制”的多層分布式結(jié)構(gòu)，由四個層次現(xiàn)地設(shè)備層、現(xiàn)地控制層、集中控制層和計算機信息管理層構(gòu)成，實現(xiàn)對船閘的機電設(shè)備、控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和船閘運行的自動化、信息化的控制和管理。

4.1.1 現(xiàn)地設(shè)備層

該層主要由三、四線船閘的上、下閘首機房及兩閘間連通閥機房內(nèi)外各現(xiàn)場機電設(shè)備組成，主要包括：電機、液壓泵站、開度儀、行程開關(guān)、水位計、交通信號燈等設(shè)備。

4.1.2 現(xiàn)地控制層

該層主要由三線、四線船閘上閘首機房、下閘首機房及兩閘間連通閥機房內(nèi)的PLC控制設(shè)備組成。主要完成對現(xiàn)地設(shè)備層各設(shè)備運行/故障信號的采集和控制。

PLC系統(tǒng)配置為雙機熱備系統(tǒng)，即雙機架，雙CPU、雙電源、雙遠程I/O網(wǎng)絡(luò)、雙以太網(wǎng)通訊，以保證系統(tǒng)的高度可靠性。熱備系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，采用100M光纖，直接連接至CPU的熱備光纖接口，以保證數(shù)據(jù)交換的效率。

自動控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機把控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成雙環(huán)形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用TCP/IP，通過光纖環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)船閘監(jiān)控中心上位機和上、下閘首現(xiàn)地控制室PLC之間的網(wǎng)絡(luò)通信。由于光纖環(huán)網(wǎng)具有線路冗余功能且環(huán)網(wǎng)切換時間短，屬于工業(yè)級的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，極大提高了控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃裕瑫r也保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

CPU雙機熱備的PLC主站向下與4個遠程EIO站采用環(huán)形以太網(wǎng)進行通信，交換機支持雙環(huán)網(wǎng)（MRP和RSTP協(xié)議）。向上通過雙環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)與監(jiān)控中心CPU雙機熱備的PLC及上位機進行通信。

4.1.3 集中控制層

該層由四臺監(jiān)控上位機、二套IO服務(wù)器、一套實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、一套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、一套UPS不間斷電源及雷電保護裝置等組成。二臺監(jiān)控上位機用于監(jiān)視一線、二線船閘的過閘作業(yè)情況，另二臺監(jiān)控上位機用于監(jiān)視三線、四線船閘的過閘作業(yè)情況。兩套IO服務(wù)器互為冗余熱備，以提高數(shù)據(jù)采集和存儲的可靠性。本層主要完成對三、四線船閘的過閘作業(yè)集中控制操作、照明控制、PLC系統(tǒng)編程、功能組態(tài)、控制參數(shù)在線修改和設(shè)置及打印、故障報警等功能，能直觀地顯示一線-四線船閘各工藝流程段的實時工況、各工藝參數(shù)的趨勢畫面，使操作人員及時掌握船閘的運行情況。

4.1.4 計算機信息管理層

該層為一線-四線船閘的管理局域網(wǎng)絡(luò)，它一方面可以接收集中控制層傳送來的各種實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，以便各部門管理人員隨時了解船閘運行的各類實時運行狀況和歷史數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行管理，形成報表，將報表情況及時通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上傳上級管理部門；另一方面承擔著整個1～4線船閘的調(diào)度管理。

4.2 控制系統(tǒng)控制方式

長洲三、四線船閘控制方式分現(xiàn)地控制、集中控制和點動控制三種。現(xiàn)地控制是指運行人員利用設(shè)置在上下閘首左側(cè)現(xiàn)地控制柜上的觸摸屏實現(xiàn)對左右閘閥門的單項運行控制。控制柜上設(shè)置“本側(cè)/雙側(cè)/對側(cè)”選擇按鈕，可實現(xiàn)對本閘首左、右閘閥門的同步操作或單機操作。集中控制在船閘監(jiān)控中心實現(xiàn)的程序操作和單項操作。在集控室可通過上位機完成程序控制、單項控制操作。在現(xiàn)地上下閘首的左側(cè)機房可通過控制柜上的觸摸屏完成本閘首單項控制。在控制柜上設(shè)有紅色蘑菇頭急停按鈕，操作員按下急停按鈕能立即切斷四個現(xiàn)地機房控制動力電源，確保人身和設(shè)備的安全。

以上兩種控制方式都是由可編程控制器（PLC）完成的。

點動控制是利用動力柜上的點動操作按鈕以及現(xiàn)地控制柜觸摸屏中的點動操作按鈕進行點動操作。設(shè)備調(diào)試階段和設(shè)備檢修時，在不影響系統(tǒng)安全的前提下控制電機、電磁閥得電或單獨運行，以便對局部設(shè)備或線路進行檢修、維護。當將控制柜上的“程控/點動”鑰匙選擇開關(guān)扳到“點動”時，點動操作回路得電。如果PLC工作正常，將任一控制柜上的“程控/點動”鑰匙選擇開關(guān)扳到“點動”時，所有PLC電機、電磁閥輸出禁止，同時在現(xiàn)地和上位機發(fā)出報警提示。此種方式只用于設(shè)備調(diào)試階段和設(shè)備檢修時。

4.3 控制系統(tǒng)工藝流程

此次船閘控制分為三種工藝流程：

（1）上下游水位差大于8m（由現(xiàn)場確定）時，開啟連通閘工作閥門，三、四線船閘互充互泄水，當兩閘室內(nèi)水位差小于4m時，再開啟輸水廊道充、泄水閥門進行充水或泄水；

（2）上下游水位差大于4m小于8m（由現(xiàn)場確定）時，無需連通閘工作閥門工作，三、四線船閘可獨自完成充泄水，可以一線充水、另一線泄水，但不能兩線船閘同時充水或泄水；

（3）上下游水位差小于4m（最終由現(xiàn)場確定）時，三、四線船閘可以同時充水或泄水。

4.4 控制系統(tǒng)保護功能

（1）控制系統(tǒng)控制回路具備過載、短路、失壓等保護功能。

控制系統(tǒng)每個回路都設(shè)有斷路器，對控制回路進行過載、短路保護。對于PLC控制電源回路，還設(shè)置了電源濾波器，防止對PLC控制電源的干擾。

（2）各種操作方式之間有互瑣、閘閥門之間有符合船閘工藝的閉鎖，所有違反船閘工藝流程和操作規(guī)程的操作均無效。除此之外，為確保在用上位機進行操作時不發(fā)生誤操作，對關(guān)鍵的操作設(shè)置重復確認，在上位機還可設(shè)置口令保護。

（3）液壓系統(tǒng)的監(jiān)測保護。根據(jù)液壓系統(tǒng)承包商提供的接口，控制系統(tǒng)對液壓泵站的監(jiān)視保護主要包括液壓系統(tǒng)壓力（包括壓力傳感器和壓力繼電器）、油位、油溫、油過濾器堵塞等。

（4）主要電氣元件的狀態(tài)、參數(shù)監(jiān)測。

控制系統(tǒng)根據(jù)故障對設(shè)備安全運行的影響，將故障分為三個等級：

非停機類故障——如水位計故障，僅作報警顯示，不影響系統(tǒng)運行

停機類故障——如液壓泵站壓力過高/過低，電機故障等，該類故障出現(xiàn)后，系統(tǒng)禁止運行同時發(fā)出報警信息。如果系統(tǒng)正在運行中，直接進入停機狀態(tài)。

緊急故障——上下游閘閥門互鎖信號消失等，此類故障一旦出現(xiàn)，系統(tǒng)禁止運行同時發(fā)出報警信息，同時如果系統(tǒng)正在運行，自動采取相應動作以保證系統(tǒng)安全。例如，上閘首正在執(zhí)行開閥門動作，這時如果下游閘閥門閉鎖信號消失，上游開閥門動作自動轉(zhuǎn)為強落閥門動作，同時發(fā)出聲光報警。

4.5 控制系統(tǒng)軟件

PLC編程組態(tài)軟件UnityPro，UnityPro是一個基于Windows環(huán)境的編程軟件套件，為整個控制系統(tǒng)的開發(fā)提供一個統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境，借助于熟悉、標準的編輯器，用戶可在同一數(shù)據(jù)庫中使PLC程序、通訊、診斷等有機的結(jié)合在一起。UnityPro能使用戶快速、高效地開發(fā)、調(diào)試、維護、擴展控制系統(tǒng)軟件，減少人力的投入，大大降低軟件成本、提高工作效率。UnityPro提供了使用簡單、友好的用戶界面，可重復使用的程序、強勁的搜索功能、自由格式的圖形編輯器、完善的在線幫助，使得對自動化控制系統(tǒng)的程序編寫軟件調(diào)試系統(tǒng)無與倫比的簡單。

4.6 控制系統(tǒng)應用軟件

（1）PLC應用軟件

現(xiàn)地PLC應用程序是在施耐德電氣公司的UNITY PRO軟件下編制的，它是船閘控制系統(tǒng)運行的核心。船閘在正常控制系統(tǒng)的運行是靠PLC應用程序的執(zhí)行。在設(shè)備選型先進可靠的基礎(chǔ)下，現(xiàn)地PLC應用程序編制的是否周密、完善，對船閘能否安全可靠的運行起主導作用。同時完善的應用程序也可以最大程度的發(fā)揮PLC等先進設(shè)備的優(yōu)越性能。

（2）上位機圖形監(jiān)控及管理軟件

上位機圖形監(jiān)控及管理軟件是在INTOUCH 2012 R2的基礎(chǔ)上組態(tài)開發(fā)的應用程序。主要功能包括：船閘操作流程簡介、船閘集控運行操作、船閘運行工況實時顯示、控制系統(tǒng)設(shè)備在線監(jiān)視、故障報警顯示及報警信息提示、運行操作記錄及統(tǒng)計、消防泵站設(shè)備監(jiān)測、運行及故障報表的自動生成、管理及打印、船閘相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計及趨勢分析、自動廣播等。

（3）觸摸屏軟件

現(xiàn)地觸摸屏應用軟件在施耐德電氣公司的Vijeo Designer軟件下編制而成。畫面主要包括：操作員登錄畫面、操作運行主畫面、本閘首液壓泵站系統(tǒng)監(jiān)視畫面、報警畫面等。實現(xiàn)船閘控制設(shè)備的在線監(jiān)測，包括閘閥門限位開關(guān)、開度、水位計、交通信號燈、電機、液壓泵站系統(tǒng)（電磁閥、比例泵放大器、電加熱、壓力、油溫、液位）等參數(shù)，完成本閘首左右兩側(cè)閘閥門的單項操作（本側(cè)/雙側(cè)/對側(cè)運行），支持報警、停機信息實時查詢。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著水運物流業(yè)的發(fā)展，對船閘的自動化水平也有了更高的要求，積極探討PLC在船閘中的應用意義深遠。PLC作為一種現(xiàn)代化的新型科技技術(shù)，在自動控制系統(tǒng)應用廣泛，加之與網(wǎng)絡(luò)、計算機等先進技術(shù)的有機結(jié)合，可以幫助生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)在更少的經(jīng)濟投入基礎(chǔ)上實現(xiàn)高效生產(chǎn)的目的，這正充分展現(xiàn)了PLC的經(jīng)濟、環(huán)保、節(jié)能、高效等應用優(yōu)勢。為滿足生產(chǎn)企業(yè)對PLC的實際使用需求，相關(guān)單位應該不斷加強對該項技術(shù)的研發(fā)和改進，以促進船閘自動化水平的穩(wěn)定發(fā)展。

[1]易正輝.PLC在機電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)中的應用分析[J].科技創(chuàng)新與應用，2014（31）：123～125.

[2]張振國.PLC技術(shù)在電氣工程自動化控制中的應用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015，13（09）：163.

[3]馮占營.淺談PLC在機電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)中的應用[J].河南科技，2013（11）.

U641.5

A

1004-7344（2016）02-0272-02

2015-12-30

劉俊江（1983-），男，助理工程師，本科，主要從事對水電廠、船閘設(shè)備的運行及維護工作，現(xiàn)負責長洲水利樞紐三線四線船閘設(shè)備的維護、技術(shù)把關(guān)工作。