基于PLC的南水北調中線西黑山排冰閘自控系統研究

王培坤，呂 睦，閆 浩，宋彥兵

（南水北調中線干線工程建設管理局天津分局，天津300393）

1 引言

南水北調中線工程自通水以來，為京津冀協同發展戰略實施、受水區經濟社會發展和轉型升級、社會和諧穩定提供了重要的水源支撐。南水北調中線工程干渠在河北省保定市徐水區西黑山管理處分水口分為兩支，其中一支由西向東流向天津，進入津城的千家萬戶，成為津城的供水生命線。西黑山分水閘擔負著中線總干渠向天津干線分水的重要功能，也是天津干線唯一一座調節流量的節制閘。為確保冰期輸水安全，在西黑山分水閘上游50 m處設置了西黑山排冰閘，發生冰凍災害時可及時將浮冰排入排冰池內，保證西黑山分水閘的安全運行。本文就西黑山排冰閘自控系統在南水北調工程中的應用進行詳細介紹，并針對應用中出現的問題提出改進措施，以期為類似工程的管理及運行提供參考。

2 電氣及控制系統簡介

西黑山排冰閘為單孔閘門，采用一扇平板工作門，雙缸啟閉。啟閉機配套2臺4 kW電機，工作電源380 VAC。供電電源接南水北調中線干線35 kV線路，配設500 kW主變，另配1臺250 kW柴油發電機組作為備用電源。設置1臺啟閉機控制柜，核心元件包括1套Schneider M340 PLC，2套Rexroth VT-VRPA1-150比例放大板，2臺上海精浦機電GP1312 RL開度儀等。控制柜以現地控制為主，預留遠程控制接口。

2.1 電氣回路

閘門啟閉機控制柜電氣回路由主回路和控制回路組成，主回路設備主要包括：電源防雷保護器（F1，F2）、斷路器（QF11，QF12）、電壓傳感器（PV1，PV2）、接觸器（KM11，KM12）、電流傳感器（PA1，PA2）、電機保護斷路器（QF1，QF2）、接觸器（KM1，KM2）、泵站加熱器（EH1，EH2）。油泵1回路和油泵2回路通過KM11、KM12形成互鎖。主回路電氣原理[1]如下頁圖1所示。

控制回路主要設備包括：PLC控制器、開度儀、比例放大板、24 VDC開關電源、溫濕度控制器、轉換開關、按鈕、繼電器及狀態指示燈等。

2.2 控制系統硬件

2.2.1 PLC控制器

PLC（Programmable Logic Controller）是專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作電子系統，由電源、中央處理單元、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、執行用戶程序、輸出刷新和通信5個階段[2]。PLC可以實現邏輯、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。南水北調中線西黑山排冰閘根據設計需求、點位，各型號PLC性能比較，選用施耐德M340型PLC。M340型PLC是施耐德公司中型PLC，采用模塊化設計，機架式安裝，可根據工程需要靈活配置模塊。

圖1 主回路電氣原理

CPU模塊選用BMX P34 2020高性能處理器，電源模塊選用BMX CPS 2000標準電源，數字量輸入DI模塊選用BMX DDI 1602 16通道數字量模塊，數字量輸出DO模塊選用BMX DDO 1602 16通道數字量輸出模塊，模擬量輸入AI模塊選用BMX AMI 0410 4通道模擬量模塊，模擬量輸出AO模塊選用BMX AMO 0210 2通道模擬量輸出模塊，背板選用BMX XBP 1200 12插槽背板。PLC架構如圖2所示。

圖2 PLC架構圖

2.2.2 開度傳感器

閘門開度的準確測量是一項基礎工作。排冰閘開度傳感器選用YQX-Ⅱ型內置式閘門開度傳感裝置，通過將油缸活塞桿伸縮運動轉換成編碼器的旋轉運動，達到測量線性或非線性位移的目的[3]。YQX-Ⅱ開度傳感器的核心是絕對量旋轉編碼器，配置2個用于調節全開、全關位的限位開關。YQX-Ⅱ傳感器工作電源24 VDC，工作行程6 m，測量精度±0.5 mm，工作壓力0～10 MPa，輸出SSI信號。開度傳感器與開度儀接線如圖3所示。

圖3 開度傳感器與開度儀接線

2.2.3 比例放大板

比例糾偏控制是雙缸液壓閘門自動控制的核心，比例流量閥是雙缸同步控制的核心被控元件。比例流量閥配套的比例放大板型號為Rexroth VTVRPA1-150，工作電源 24 VDC，輸入信號 0～10 V，可接收接閥芯位移傳感器作為反饋信號。根據放大版輸入信號類型，PLC AO模塊輸出通道范圍選擇±10 V，左缸比例放大板接線如下頁圖4所示。

2.3 控制程序

2.3.1 控制流程

圖4 左缸比例放大板接線圖

閘門控制方式主要分為手動控制和自動控制。（1）手動控制時，由操作人員通過控制柜面板按鈕使閘門提升或下降，閘門運行速度通過液壓回路左右調節手動調速閥；（2）自動控制時，操作人員通過HMI輸入目標開度，PLC計算左右缸位移的平均值，與目標開度進行比較，根據比較結果控制閘門提升或下降，當左右缸位移均值與目標開度差達到1 mm時，閘門停止運行。在運行過程中PLC不斷比較左右缸位移，根據左右缸位移差，實時控制左右比例流量閥開度，對閘門左右缸開度進行糾偏，達到雙缸同步控制的目的。閘門控制流程如圖5所示。

2.3.2 比例糾偏控制原理

當閘門處于自動控制模式時，PLC通過控制左右比例流量閥開度調節閘門的運行速度，開度越大，閘門的運行速度越快，反之越慢。根據閘門實際運行情況，為保證閘門平穩運行，比例流量閥最大開度設置為50%，即比例流量閥開度在0～50%之間調節。

在閘門提升或者下降過程中，程序對閘門左右缸位移進行實時比較，如果閘門左右缸位移差不超過3 mm，左右比例流量閥開度均為50%，閘門勻速上升或者下降。當左右缸位移差超過3 mm時，程序通過左右缸位移大小的判斷對比例流量閥開度進行調整。（1）閘門提升時，左缸位移大于右缸位移，左糾偏；閘門關閉時，左缸位移小于右缸位移，左糾偏。（2）閘門提升時，右缸位移大于左缸位移，右糾偏；閘門關閉時，右缸位移小于左缸位移，右糾偏。在糾偏過程中，運動慢的一側比例流量閥開度保持不變，運動塊的一側比例流量閥開度由50%周期性減少，每100 ms減小2%，直至減小為0。在糾偏過程中，左右缸位移差超過20 mm，PLC判定糾偏失敗，超差報警。

圖5 閘門控制流程

3 運行中的改進措施

3.1 閘門開度采集方式改進

3.1.1 PLC模塊調整

西黑山排冰閘系統現有模擬量輸出AO點2點，AO模塊為BMX AMO 0210 2通道模擬量輸出模塊，為保證具有足夠的余量，在通道故障時可及時更換，將BMX AMO 0210 2通道模擬量輸出模塊更換為BMX AMO 0410 4通道模擬量輸出模塊。改進后的PLC架構如圖6所示。

3.1.2 HMI目標開度輸入調整

為防止閘門自動控制時，操作人員輸入目標開度有誤，對HMI目標開度輸入進行限制，當輸入目標開度大于2 400 mm時，程序默認為2 400 mm。

3.1.3 開度數據采集方式調整

在西黑山排冰閘投入運行以來，運行管理人員發現3種問題：（1）閘門處于自動控閘模式時，控制精度不夠精準，閘門執行不到位；（2）左右缸不能及時糾偏，閘門傾斜存在卡死隱患；（3）HMI顯示開度與開度儀顯示開度不一致（如開度儀顯示閘門開度已到0，但HMI顯示開度不歸0）。針對此問題，對液壓控制回路和電氣控制路進行了分析，開度傳感器的SSI信號傳給開度儀，開度儀經計算后將左右缸位移數據以4～20 mA電流信號送給PLC模擬量模塊。在長期運行中，模擬量信號易受干擾，且存在零漂，導致PLC采集到的開度數據與開度儀計算開度數據一致，造成閘門控制產生偏差。

為解決以上問題，將模擬量采集開度改為數字通信采集。RS485通信接口是現在工業控制、電力通信、智能儀表等領域常用的通信方式，數據信號采用差分傳輸方式，可有效解決共模干擾問題。由于原有的開度儀無數字量通信接口，將原有的開度儀更換為帶模擬量輸出點和RS485通信接口的淮海電子ZWY-4 I型開度儀。M340系列PLC用于支持RS485通信的模塊為型號BMX NOM0200，由于原PLC的CPU模塊為2.1版本，無法添加該通信模塊。為解決此問題，將 CPU（BMXCPU2020-2.1）更換為CPU（BMXCPU2020-2.7）。在PLC機架上增加1個RS485通信接口模塊，型號BMX NOM0200，該模塊帶兩個通信接口，其中0口為RS485通信接口，1口為RS232/RS485可選接口。為保證通信的穩定性和及時性，采用一對一方式，將2口勾選為RS485通信接口，每個接口單獨與一個開度儀通信。端口參數按照開度儀配置對應：波特率為9 600，無校驗位，數據位8，停止位1，采用MODBUS RTU協議。

圖6 改進后的PLC架構

為保證通信傳輸的時效性和數據完整性，在程序中設置周期讀取段，左右兩缸開度同時讀取，每次數據讀取時間為150 ms，每次讀取完成后，間隔5 ms再進行下一次數據讀取，可避免開度儀死機的問題。

3.2 改進后的效果

通過改進，達到了以下效果：（1）HMI顯示左右開度與開度儀顯示一致；（2）閘門左右缸糾偏效果良好，未再出現閘門傾斜現象；（3）控閘精度有了較大提高，閘門控制偏差值由不大于±15 mm提高到不大于±4 mm。

4 總結及建議

（1）當閘門處于手動控制時，操作人員需要不斷調整左右手動調速閥使閘門左右缸同步，實際操作過程中人為操作時效性差，不能很好地保持雙缸同步。在下一步改進中，手動、自動操作時，閘門均通過比例流量閥來糾偏，手動調速閥僅在比例流量閥故障時做備用。

（2）現有程序中，具體操作按鈕以閘門執行到位作為全開、全關，同時點亮全開、全關指示燈，建議改為開到位、關到位。

（3）現有的工作模式為開度傳感器SSI信號進開度儀，由開度儀對編碼器信號計算后再傳輸至PLC。為減少中間環節，確保數據實時性，可考慮在PLC中增加SSI信號采集模塊，直接由PLC對開度進行計算。

（4）為進一步提高控制閘門的準確性，可考慮采用逐漸逼近調節方式，在閘門運行將要到達目標開度時，分2～3次微調，可有效避免閘門超調情況的發生。

（5）Ethernet所具有的低成本、全開放、傳輸速率高及應用廣泛等優點，使它在工業控制系統中擁有無可比擬的優勢。下一步升級改造中，可將PCL、HMI、開度儀之間的通信由工業RS485串行通信方式，更換為工業以太網方式。在控制柜內增加一臺工業以太網交換機，所有設備均通過交換機通信，使系統的操控更加方便快捷。