基于M340PLC的泄洪閘門集控系統(tǒng)

鄧世杰

摘要：本文介紹了施耐德M340系列PLC在水電廠泄洪閘門集控系統(tǒng)的詳細(xì)應(yīng)用，實現(xiàn)了泄洪閘門啟閉的全自動操作。通過PLC對控制系統(tǒng)故障信息的處理，提高控制系統(tǒng)可靠性，確保閘門能正常運行。并給出系統(tǒng)的實施過程、控制方法，為行業(yè)中類似的改造提供依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：M340 ；PLC；閘門集控系統(tǒng)

泄洪閘門系統(tǒng)屬于水利樞紐的重要系統(tǒng)，它對水庫調(diào)控水位、航運暢通、汛期安全泄洪等起著重要作用。長湖水電廠位于英德市滃江下游河段上，泄洪大壩由5扇弧形泄洪閘門組成。由于長湖水庫流域集雨面積大（4800平方公里），有效庫容小（0.55億立方米），每逢39月的雨季，泄洪閘門需要頻繁操作，年平均泄洪量達(dá)12.69億m3，汛期的泄洪任務(wù)繁重對泄洪閘門集控系統(tǒng)的可靠性提出更高的要求。改造后的泄洪閘門集控系統(tǒng)以施耐德M340可編程邏輯控制器為控制核心，具有可靠、穩(wěn)定的特點。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

改造后的泄洪閘閘門集控系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上采用由主控級和現(xiàn)地控制級組成分布式控制系統(tǒng)。主控級采用南瑞NC2000計算機監(jiān)控系統(tǒng)為集控平臺，現(xiàn)地控制柜采用施耐德M340系列PLC組成控制核心。系統(tǒng)由一臺集控上位機、一臺操作員站及五套閘門現(xiàn)地控制柜組成。主控級和現(xiàn)地控制級采用光纖以太星型網(wǎng)通信，局域網(wǎng)按IEEE802.3設(shè)計，通信規(guī)約采用TCP/IP協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為兩層，其中上層為光纖結(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)，底層為基于ModBus的總線網(wǎng)絡(luò)。

2 系統(tǒng)控制方式

泄洪閘門的控制方式包括遠(yuǎn)方自動、現(xiàn)地自動、現(xiàn)地手動三種控制方式。前兩種方式通過發(fā)送控制令到現(xiàn)場控制柜可編程控制器PLC對閘門進行啟閉控制，現(xiàn)地手動控制方式通過現(xiàn)場控制柜自動回路手動點動操作。遠(yuǎn)方自動、現(xiàn)地自動方式可以對相應(yīng)閘門進行任意閘門開度以及全開、全關(guān)的操作，具有操作精度高、動作迅速等特點。在PLC正常情況下，一般以PLC作為核心控制器選擇遠(yuǎn)方自動、現(xiàn)地自動兩種操作方式的其中一種進行控制。當(dāng)出現(xiàn)現(xiàn)場控制柜PLC故障時，采用現(xiàn)地手動方式對閘門進行控制。

3 控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測及其處理

要實現(xiàn)閘門控制的高可靠性、高安全性，必須要實時監(jiān)測閘門升降過程中的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，其中最重要的數(shù)據(jù)包括閘門位置狀態(tài)、控制系統(tǒng)狀態(tài)信號。施耐德M340PLC自身可配置對應(yīng)的開關(guān)量、模擬量模塊，為信號的采集提供便捷途徑。

3.1 閘門狀態(tài)信號檢測

閘門開度信號檢測：閘門開度信號的檢測關(guān)系到整個閘門控制系統(tǒng)自動控制精度的高低，因此我們選擇倍加福絕對型SSI信號編碼器進行數(shù)據(jù)采集。該編碼器具有非常優(yōu)秀的抗沖擊性和抗震性，防護等級高達(dá)IP67，具有高分辨率的特點，測量精度高。通過編碼器測量卷揚機的實時轉(zhuǎn)動位置信號并傳送至開度儀，由開度儀解碼并轉(zhuǎn)換為4～20mA的閘門開度信號至PLC模擬量模塊，實現(xiàn)閘門任意開度的啟閉操作以及閘門故障預(yù)測及處理。

閘門位置信號檢測：閘門位置信號包括電氣全關(guān)位、電氣全開位、機械全關(guān)位及機械全開位信號。其中電氣全關(guān)、全開信號由開度儀采集開度信號并根據(jù)用戶設(shè)置判斷并上送閘門全關(guān)、全開開關(guān)量信號。機械全關(guān)、全開位置信號屬于極限位置保護信號，信號由機械主令開關(guān)產(chǎn)生。PLC通過采集以上信號實現(xiàn)閘門的開終、關(guān)終控制。

3.2 控制系統(tǒng)狀態(tài)信號檢測

閘門控制系統(tǒng)狀態(tài)信號包括控制回路電源信號、動力回路電源信號、抱閘動作信號、變頻器故障信號、制動電阻過熱信號等。此類信號用于判斷系統(tǒng)所處的狀態(tài)，并跟據(jù)系統(tǒng)故障情況由PLC做出處理。控制回路電源信號及動力回路電源信號通過相應(yīng)的開關(guān)輔助接點獲得，抱閘動作信號、變頻器故障信號、制動電阻過熱信號由相應(yīng)的設(shè)備檢測獲得。

4 控制系統(tǒng)可靠性措施

泄洪閘門的正常運行關(guān)系到水電廠大壩的安全度汛，因此，閘門集控系統(tǒng)設(shè)計的可靠性是第一指標(biāo)。在閘門集控系統(tǒng)的設(shè)計、實施過程中采取了一系列有效的可靠性措施。

4.1 編碼器抗干擾措施

由于采用變頻器的方式對啟閉電機進行控制，變頻器產(chǎn)生的諧波干擾將影響編碼器的正常運行，干擾方式主要包括電磁輻射、感應(yīng)耦合及傳導(dǎo)三種。為減少電磁干擾，主要采取的措施包括：

1）采用外加箔狀屏蔽的雙屏蔽線纜，并且線纜安裝時遠(yuǎn)離干擾源（變頻器、電機、抱閘線圈等感性器件），信號電纜與動力電纜分開線纜槽并避免了與動力電纜平行敷設(shè)。采用此方法后能有效地減少輻射干擾。

2）信號電纜屏蔽線和接頭、端子盒和接收器的外殼屏蔽端子相連。信號電纜屏蔽線采取雙端接地連接的方式。

4.2 系統(tǒng)故障處理措施

閘門集控系統(tǒng)故障分為兩大類。一類是一般故障，當(dāng)此類故障出現(xiàn)時，停止正在執(zhí)行中的自動流程，復(fù)歸開出繼電器，但在該信號恢復(fù)前，仍然可以通過現(xiàn)地手動進行操作。另一類是嚴(yán)重故障，當(dāng)此類故障出現(xiàn)時除了停止正在執(zhí)行中的自動流程，復(fù)歸開出繼電器外，還將直接開出動作主回路斷路器分勵線圈的繼電器，跳開開關(guān)。在故障信號復(fù)歸前，閘門將不能進行任何操作。

1）閘門開度儀故障、電流表故障、變頻器故障、抱閘未動作故障為一般故障。對于開度儀故障及電流表故障，通過PLC判斷其模擬量品質(zhì)的好壞來確定是否存在故障。一般而言，上送至PLC的閘門開度及電流表工程值正常范圍為4000～20000，當(dāng)數(shù)據(jù)超出此范圍時判定開度儀或電流表存在故障。為減少誤動作的可能，加入故障延時啟動，即故障出現(xiàn)時間Ton累積達(dá)到2s（該值可根據(jù)實際情況修改）才啟動故障流程。

2）電阻過熱、電機電流越限、閘門卡滯、閘門失速為嚴(yán)重故障。電阻過熱故障判斷通過電機電阻箱反饋的開關(guān)量接點監(jiān)測。電機電流越限主要通過PLC實時判斷電流表上送的模擬量數(shù)據(jù)是否大于設(shè)置定值來確定。PLC每隔0.5s采集并記錄此時閘門開度，并記為當(dāng)前閘門開度（AI_VALUE）。每隔1s把前0.5s的閘門開度記錄下，并記為0.5s前閘門開度（AI_VALUE）。閘門動作時，當(dāng)0.5s前閘門開度值與當(dāng)前閘門開度值相等時判斷為閘門卡滯；當(dāng)0.5s前閘門開度值與當(dāng)前閘門開度值相減的絕對值大于10cm時判斷為閘門失速。以上故障加入故障延時啟動，防止誤動作的可能。

5 結(jié)語

長湖水電廠泄洪閘門集控系統(tǒng)改造充分發(fā)揮了施耐德M340 PLC的強大控制運算能力，同時利用PLC的I/O擴展能力，實現(xiàn)了對泄洪閘門集控系統(tǒng)的狀態(tài)信息處理及控制。本次改造的成功實施，提高了閘門集控系統(tǒng)的安全性和可靠性，也可為同類閘門集控系統(tǒng)升級改造提供依據(jù)和參考。