PLC技術在馬河水庫閘門自動控制系統(tǒng)中的應用

閆偉

滕州市馬河水庫管理服務中心 山東滕州 277533

閘門作為水利工程的特種設備，肩負著防洪、供水、灌溉、蓄水等艱巨任務，如何保證閘門安全運行，實現(xiàn)精確控制，以提高其科學調配水量的能力，是對水利工程運行管理工作提出的一項新要求。早在2004年，馬河水庫便設計了基于PLC S-200為主控件的閘門自動控制系統(tǒng)，用以替代原繼電器式閘控系統(tǒng)。2018年，我們又采用新一代PLC S-1200替換S-200，組建起局域網(wǎng)，實現(xiàn)了PLC控制系統(tǒng)現(xiàn)場控制與中控室遠程控制的結合，進一步優(yōu)化了自控系統(tǒng)[1]。

1 PLC閘門自動控制系統(tǒng)概述

1.1 可編程控制器（PLC）簡述

作為自動控制系統(tǒng)的主控器件，可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC），是以微處理器為基礎的通用的工業(yè)控制裝置。通過向其可編程存儲器裝入不同的應用程序，就可以應用于不同的工業(yè)控制系統(tǒng)，完成不同的控制任務。

1.2 PLC閘門自動控制系統(tǒng)的特點

（1）安全可靠、精確度高。傳統(tǒng)的繼電器式閘門控制系統(tǒng)，機械故障率高、維修復雜，閘門開度、過閘流量都需人工測算，難免存在較大誤差。采用PLC技術則可實現(xiàn)對各種機械運動狀態(tài)和位置的自動、精確控制，再加上故障自診和保護電路設置，進一步提高了系統(tǒng)的安全性[2]。

（2）靈活適用和可擴展性。當被控設備的結構或工藝發(fā)生改變時，PLC自控系統(tǒng)只需修改內(nèi)置的應用程序，就能滿足新的控制要求。此外，PLC只需通過簡單的組合擴展元器件，便可靈活地拓展控制系統(tǒng)的規(guī)模，給生產(chǎn)帶來很大的方便。

（3）工作效率高。繼電器式閘門控制系統(tǒng)的自動化水平低，存在相當大比例的人工操作。采用PLC技術可減少調試、運行、維護工作的強度，只需用戶設置好目標參數(shù)，所有控制動作均由系統(tǒng)自動完成。

2 馬河水庫東放水洞閘門自動控制系統(tǒng)

東放水洞是馬河水庫灌區(qū)灌溉、工業(yè)和城市生活供水共用的主要輸水通道。放水洞為鋼筋砼有壓圓管結構，斷面直徑1.4米，最大泄流量22立方/秒，通過啟閉機帶動升降輥升/降閘門的方式來調節(jié)泄流量。

2.1 系統(tǒng)組成及功能

控制系統(tǒng)由西門子PLC、旋轉編碼器、觸摸屏等核心部件，以及交流接觸器、中間繼電器、閘位傳感器、斷路保護器等附屬部件構成。

（1）PLC。PLC控制器使用前，需先由用戶（PLC系統(tǒng)的使用者）根據(jù)控制要求，使用PLC廠商提供的編程語言編寫計算機程序。其作用相當于對控制系統(tǒng)的繼電器設備的硬件接線線路進行設計，從而設定PLC的動作，也就是實現(xiàn)所謂的“可編程”。

本次改造采用西門子PLC S7-1200替換S7-200作為主控器。S7-1200配有RJ45標準通訊端口，可通過網(wǎng)線同水庫中控室計算機連接，組建基于以太網(wǎng)協(xié)議的局域網(wǎng)，達到既可在現(xiàn)場實現(xiàn)閘門自動控制，也可由中控室進行集中控制的目的[3]。

當控制任務改變時，還可通過西門子公司STEP7Basic工具軟件，對S-1200進行在線編程。而且系統(tǒng)所有模塊（包括網(wǎng)絡通信）均支持帶電插拔，現(xiàn)場維護十分便捷。

（2）旋轉編碼器。系統(tǒng)采用400線增量式旋轉編碼器，并對其進行4倍頻，即：編碼器旋轉一圈產(chǎn)生1600個脈沖信號（400×4=1600），進一步提高了閘位計量精度。具體為：因升降輥每轉動一圈閘門升/降1米，因此，閘位控制精確度達到0.000625米（1米/1600脈沖=0.000625米）。

編碼器的安裝也十分方便。將400增量式旋轉編碼器通過固定式支架與放水洞閘門鋼索升降輥同軸連接，以使升降輥與編碼器的旋轉同步。編碼器通過信號線將旋轉輸出的脈沖送至PLC高速計數(shù)器專用通道，PLC根據(jù)脈沖數(shù)量和相位，得出閘門變動方向及實時位置。

需要說明的是，因增量式編碼器無法檢測電動機軸的絕對角度，系統(tǒng)意外斷電后，升降輥若發(fā)生人為轉動，再加電后，需對編碼器執(zhí)行回零操作，以重新確定位置參數(shù)的起點，而這無形中增加了額外工作量。為此，本次改造中，我們專門配置了24V備用電瓶（也可稱之為“保持電瓶”），在外電中斷時為PLC控制系統(tǒng)供電。

（3）觸摸屏。作為人機交互裝置，KTP600觸摸屏可設參數(shù)多，且數(shù)據(jù)、圖形兼?zhèn)?，形象直觀。用戶可運用西門子公司STEP7Basic編程應用軟件，對KTP600進行組態(tài)（Configure）。流程是：在計算機上打開STEP7Basic應用軟件，用軟件中提供的工具、方法，以圖形化的方式逐一定義按鍵相對應的連接地址（PLC內(nèi)部元器件的地址）。組態(tài)完成后通過RJ45通訊端口下載至觸摸屏,再用網(wǎng)線將觸摸屏與PLC進行連接，這樣觸摸屏就可以向PLC發(fā)送指令和接受來自PLC的反饋，用戶只需要通過操作觸摸屏就可以控制PLC的動作了。

綜上所述，本系統(tǒng)根據(jù)用戶指令要求，以西門子PLCS-1200為主控核心，通過運行預置的應用程序，控制閘門升降輥的運動，來實現(xiàn)對閘門升/降的精確控制。

2.2 安全保障技術

考慮到升、降、停的快速切換及誤操作等可能導致系統(tǒng)出錯，本系統(tǒng)線路采用了互鎖保護。

PLC有監(jiān)視定時器等自檢功能，當檢測出異常時，輸出的控制信號全部關閉。自檢異常信息主要包括：閘門卡滯，閘門運行失速，以及閘門開度過大引起的上升越限和下降過度引起的下越限等。

3 結語

馬河水庫放水洞閘門自動控制系統(tǒng)，以PLCS-1200替換S-200作為主控器，保留了原控制系統(tǒng)附屬部件，其投資成本低、可靠性高。S-1200良好的通訊互聯(lián)功能，為實現(xiàn)閘門的遠程控制提供了可能。自控系統(tǒng)的成功應用，為水利工程自動化建設提供了參考借鑒，具有一定的推廣價值。