基于PLC的農村小型水電站閘門監控系統設計與實現

梁秋艷， 葛宜元， 曲愛玲，馬曉君，朱世偉

(1.佳木斯大學機械工程學院，黑龍江佳木斯 154007；2.北京農業職業學院信息技術系，北京 102442)

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基于PLC的農村小型水電站閘門監控系統設計與實現

梁秋艷1， 葛宜元1， 曲愛玲2，馬曉君1，朱世偉1

(1.佳木斯大學機械工程學院，黑龍江佳木斯 154007；2.北京農業職業學院信息技術系，北京 102442)

采用上位機與下位機協同工作的控制方式，MCGS組態軟件對上位機程序進行開發，PLC為下位機的控制核心，完成對農村小型水電站閘門的全程監控。模擬試驗表明，該監控系統通過觸摸屏可實現對閘門的啟動上升、停止、下降的控制及對閘門開放度信息的采集、顯示及處理；在緊急情況下實現緊急落門和緊急抱閘剎車；顯示報警信息以及通過觸摸屏監視系統運行狀態；控制閘門上升或下降到指定開度。監控系統實時性好，閘門實際位置與上位機顯示界面信息一致。

PLC；水電站閘門；監控；綜合自動化

電力體制改革促使農村小型水電站需實現綜合自動化，以計算機監控系統代替人工操作、定時巡回檢查及記錄等繁雜勞動，實現無人或少人值班[1]。水電站閘門監控系統是綜合自動化中重要部分，設計出的系統需在信息化、自動化、可視化等方面滿足綜合自動化的要求，以進一步提高水電站的安全運行水平[2]。筆者現將基于PLC的農村小型水電閘門監控系統設計與實現進行闡述，以期為我國農村小型水電站綜合自動化的實現提供理論依據。

1　監控系統整體結構

對閘門的監控是水電站中重要的一項工作，閘門監控系統應該實時、準確、有效地完成所有被控對象的安全監視和控制，能夠對所控制機電設備的運行情況進行全面監視處理。

閘門監控中心如圖1所示，其主要負責集中監視和控制、記錄運行并指導、報警、上下層通信等，同時，還對閘門進行遠程控制[3]。水電站的水位測量是在上游和下游分別安放水位傳感器，傳感器與PLC的模擬量模塊相連接，通過PLC將測量值送至監控中心，監控中心根據水位的變化，對閘門進行相應地調整控制。閘門的開度由交流電機來實現，交流電機與PLC連接，以數字量的形式送入PLC的輸入模塊中對閘門開度進行更改或全啟閉的控制。LCU(Local control units)為閘門現地控制單元，核心單元是PLC可編程控制器，通過傳感器完成對現場數據(如水位、閘位、運行狀態等)的采集，向主控層傳送采集的數據，報告各現地控制層設備的運行情況等信息，接收并且解析上位機信號指令，按照上位機發出的指令對機電設備進行控制[4]。

圖1　水電站閘門監控中心示意Fig.1　Schematic diagram of hydropower station gate monitoring center

2　上位機系統設計

圖2　程序變量的對應Fig.2　Correspondence to program variable

該設計采用MCGS組態軟件對系統的上位機程序進行開發，實現對整個系統運行狀態的監控。系統運行狀態將實時反映在上位機組態軟件的模擬運行環境中，還可人工操作閘門，實現系統的人工控制。利用MCGS組態軟件編寫的程序可運行于PC機上的模擬運行環境中，也可通過RS485下載線將編寫好的上位機程序下載入觸摸屏里運行。該設計在PC機上編寫上位機程序，采用三菱PLC仿真調試線實現PC機與PLC之間的通訊，程序中變量對應情況如圖2所示。圖2給出了上位機變量與下位機繼電器之間的對應關系，左邊為上位機中的變量名，右邊是下位機中變量對應的中間繼電器名，例如，y0在下位機PLC中對應的是Y000；y1對應的Y0001；“下降”在下位機中對應的是M0000；“上升”在下位機中對應的是M0001。屬性均為讀寫操作。

3　下位機系統設計

該系統對下位機的核心要求是控制閘門開啟和關閉，實現對閘門的升降控制、事故狀態時緊急抱閘等。PLC執行用戶事先編好程序，通過計算機監控系統完成對閘門水位、閘門情況的自動化采集與傳輸，在監控中心遠程控制閘門啟閉以及閘門的開度[5]。

程序段對閘門的下降運行實現控制如圖3所示。上位機程序中將“下降按鈕”這個變量與下位機程序中中間繼電器M9關聯上，并且在上位機組態軟件中將“下降按鈕”這個變量設置成“按下為1，松開為0”的操作屬性。由圖3程序可知，當在組態軟件模擬運行環境中點擊此按鈕時，在0標號行M9吸合，中間繼電器的常開觸點吸合，線路導通。同時，由于“下降按鈕”屬性為“按下為1，松開為0”，在M9中間繼電器的線圈處接一個M0保持線路導通。M9線路導通，在10行將使Y000輸出繼電器常開觸點吸合，從而使閘門下降。此外，線路中還串聯了下降行程開關、急停按鈕，閘門在上升或下降的過程中觸碰上升或下降的行程開關，閘門就會停止；如果閘門在運行期間突然發生意外事故，人工按下急停按鈕，則系統斷電，使閘門停止，從而保證系統安全運行。

圖3　水電站閘門下降運行控制Fig.3　Down operation control of hydropower station gate

水位監測程序如圖4所示。繼電器線圈X005接水位開關1，X006接水位開關2。當上升水面觸碰到水位開關1時，由圖4a可知，M3繼電器的常開觸點吸合，M3繼電器回路保持導通狀態，由圖4b可以看出，M3的導通可使輸出繼電器Y001常開觸點吸合，閘門上升。水位開關閉合的信號會被上位機組態軟件所感知，對閘門上升時間進行計時，當閘門上升至閘門總開度一半時，上位機組態軟件的腳本程序可控制M5中間繼電器吸合，從而使閘門停止，M5繼電器是閘門在上升過程中的第一個行程開關，由程序控制。若水面繼續上升觸碰到第2個水位開關，閘門繼續上升，閘門將上升到閘門總開度的100%。當閘門上升至最高點時，上限位開關X004會被觸碰，閘門停止上升。

閘門安全運行程序如圖5所示，其可實現對閘門安全運行的監控功能。X000外接的是一個模擬緊急事故信號觸發的外接端口，當有意外事故發生時，X000吸合使中間繼電器M8得電。M8是信號觸發中間繼電器，它串聯于每一條信號回路，無論閘門運行于何種狀態，當有緊急事故發生時，系統都會實現緊急落門，以保證事故影響范圍縮至最小。在M8繼電器回路中將串聯下限位行程開關M7，當閘門下降至最低點時，閘門觸碰該行程開關使閘門停止。

圖4　2段水位監測程序Fig.4　Water level monitoring program of two sections

4　水電站閘門監控系統實現

4.1硬件實現農村小型水電站閘門監控系統的硬件實物如圖6所示，其采用指示燈和電機等執行機構來模擬實際應用中的執行設備，2個水位開關代替水位傳感器，現場應用時只需將相應的輸出端連接到實際的執行設備即可。

4.2軟件實現系統開啟時的啟動窗口如圖7所示。點擊右下角閃爍的文字控件便可進入系統的主控界面。

系統的主控界面如圖8所示，系統的控制部分均在此實現，圖中左半部分為系統的按鍵，指示燈分別指示其對應控件的狀態。中間部分為控件示意圖，系統運行時，中間部分可動畫模擬閘門運行的狀態。右下角為退出系統的按鍵，按下即退出系統主控界面，返回啟動窗口[6]。右上角為信息顯示功能，可顯示時間、閘門開度等信息。點擊上升按鈕，閘門會上升，上升至最大開度時，觸碰上限位開關，對應的上限位指示燈亮；點擊下降按鈕，閘門開始下降，當閘門完全下降時，觸發下限位開關，下限位指示燈亮；點擊停止按鈕時，閘門會停止運作；當有事故發生時，可以手動按下緊急按鍵，這時左上角的報警燈由初始的紅色變為閃爍，并且伴有紅字“事故狀態，緊急落門！”的字樣。

圖5　閘門安全運行程序Fig.5　Safe operation procedure of gate

圖6　水電站閘門監控系統硬件Fig.6　Hardware circuit of hydropower station gate monitoring system

圖7　系統開啟時啟動窗口Fig.7　Starting window during system start

圖8　主控界面Fig.8　The major control interface

5　結論

該設計采用上位機與下位機協同工作的控制方式，利用RS485通訊方式進行數據的傳輸，以PLC為系統的控制核心完成對農村小型水電站閘門的全程監控。實現功能主要包括：通過人機交互界面——觸摸屏實現對閘門的啟動上升、停止、下降的控制；實現對閘門開放度信息的采集、顯示及處理功能；在緊急情況下緊急落門和緊急抱閘剎車的功能；顯示報警信息以及通過觸摸屏可以監視系統運行狀態；控制閘門上升或下降至指定開度。模擬試驗結果表明，該監控系統實時性好，閘門實際位置與上位機顯示界面信息一致。

[1] 錢瑞，朱登攀，周洪．小型水電站無人值守綜合自動化系統[J]．小水電，2001(2)：22-23．

[2] 古明亮.水電站閘門監控系統的研究[J].科學之友，2010(11):30-31.

[3] 張興旺，宋易瓏.PLC 在中小型水電站閘門監控系統中的應用[J].南昌工程學院學報,2013,32(6):72-75

[4] 吳小平．基于 PLC 的中小型水電站閘門監控系統設計研究[D].楊凌：西北農林科技大學， 2011．

[5] 王樹東, 邊玉國, 邊黨偉.基于 PLC 與 iFIX的閘門監控系統設計與實現[J].水力發電，2006, 32(8)：61-63.

[6] 周志敏.觸摸屏實用技術與工程應用[M].北京：人民郵電出版社, 2011.

Design and Implementation of Rural Small Hydropower Station Gate Monitoring System Based on PLC

LIANG Qiu-yan1, GE Yi-yuan1, QU Ai-ling2et al

(1.Department of Mechanical Engineering, Jiamusi University, Jiamusi, Heilongjiang 154007; 2.Department of Information Technology, Beijing Vocational College of Agriculture, Beijing 102442)

Cooperative work of upper computer and lower computer was adopted to complete the monitoring of rural small hydropower station gate.MCGS configuration software was used to develop upper computer program and PLC as control core of lower computer.Simulation experiment results showed that the monitoring system could realize the gate control of start up, stop and down through a touch screen.It also could collect, display and process the information of gate opening degree, implement emergency gate and emergency brake in case of an emergency, display alarming information, and monitor the running state of system through the touch screen and control the gate up or down to the specified opening degree.The monitoring system had good real-time performance, the actual position of gate was consistent with which PC displayed.

PLC; Hydropower stations gate; Monitoring; Integrated automation

佳木斯大學自然科學基礎研究青年類項目(Lq2014-002)。

梁秋艷(1981- )，女，黑龍江佳木斯人，講師，在讀博士，從事電氣自動化、智能控制研究。

2016-06-06

S 24；TV 742

A

0517-6611(2016)21-217-03