淺析基于PLC的閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)安全隱患及應(yīng)對措施

陳浩

摘要：介紹了人民渠一處灌區(qū)基于PLC的閘門自動控制系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀和未來信息化建設(shè)的新目標(biāo)，梳理了灌區(qū)閘門自動控制過程中4類核心安全隱患，分別從軟硬件方面提出并論述應(yīng)對措施，對有效消除安全性隱患，提高閘門自動控制系統(tǒng)的安全性，確保閘門的運(yùn)行安全提供借鑒。

關(guān)鍵詞：自動控制;安全隱患;軟硬件;應(yīng)對措施

Abstract： This article introduces the current operation status of the PLC-based gate automatic control system in an irrigation area in People's Canal and the new goals of future informatization construction. It sorts out 4 types of core safety hazards in the automatic control process of gates in irrigation districts， proposes and discusses countermeasures from the aspects of software and hardware， which can effectively eliminate safety hazards， improve the safety of automatic gate control systems， and ensure the safe operation of gates.

0? 引言

本文簡要介紹人民渠一處灌區(qū)閘門自動控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和新的建設(shè)目標(biāo)，針對閘門自動控制過程中閘位開度、上下限位、數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎攸c(diǎn)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的閘門啟閉超限、卡滯、失速、下滑，閘位異常波動、閘位失聯(lián)、通訊中斷、電機(jī)過流、防雷接地等問題，針對性重點(diǎn)闡述了閘門自動控制系統(tǒng)中采取的諸如軟硬件雙重限位、荷載與閘速異常偵測保護(hù)、通訊雙向心跳偵測、電機(jī)保護(hù)及防雷等軟硬件方面的應(yīng)對措施。

1? 人民渠一處灌區(qū)閘門自動控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

人民渠一處灌區(qū)在2008年地震災(zāi)后重建項目中，于17處主要樞紐處均建設(shè)安裝了閘門自動控制系統(tǒng)，但都是在就近的管理站、段實施控制，并未真正實現(xiàn)調(diào)度中心遠(yuǎn)程控制閘門，統(tǒng)一調(diào)水。

2? 人民渠一處灌區(qū)未來實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動控制的建設(shè)目標(biāo)

目前，人民渠一處最新編制的《四川省都江堰人民渠第一管理處信息化建設(shè)規(guī)劃大綱》中提出了我處信息化建設(shè)新的總目標(biāo)：實現(xiàn)水資源調(diào)配，可視、可量、可傳、可控。推動處、站、段的三級管理轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨芾硖帪楹诵牡囊患壒芾淼臋C(jī)制改革。

其中“可控”，就是要實現(xiàn)灌區(qū)干渠、分干渠、支渠、分水洞全部控制節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程自動控制，為“一級管理”奠定基礎(chǔ)。

為此，本文就基于PLC的閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)存在的安全隱患，提出了針對性的應(yīng)對措施，以供今后實踐借鑒。

3? 閘門控制過程中4類核心安全隱患

基于PLC的閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要是根據(jù)PLC模塊采集的閘位信號，通過CPU周期性運(yùn)行程序來自動控制閘門升、降、停等操作。閘門電機(jī)的功率普遍較大，如果系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計考慮不充分，閘門控制時就存在造成人身財產(chǎn)損失的安全隱患。我們必須充分考慮閘門控制中存在的安全隱患并采取應(yīng)對措施。

結(jié)合人民渠一處灌區(qū)閘門自動控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況及故障案例，我們梳理出了4類核心安全隱患：

3.1 閘門限位問題

正常情況下，閘門運(yùn)行到上限位或下限位時，應(yīng)當(dāng)立即停止，否則可能造成閘門、電機(jī)損壞等重大財產(chǎn)損失，甚至出現(xiàn)人員傷亡。比如，螺桿式升降閘門，運(yùn)行過程中，如果上下限位出現(xiàn)異常，上下限運(yùn)行到位后，電機(jī)提升或下降還在繼續(xù)，必定會造成閘門、螺桿損壞、同時，電機(jī)也會由于荷載過大而燒毀。另一方面，這類大體積重型設(shè)備設(shè)備損壞后，更換安裝難度大、時間周期長、維護(hù)費(fèi)用也相當(dāng)巨大。

3.2 閘門卡滯、失速、隱蔽性下滑、閘位異常波動及閘位失聯(lián)

3.2.1 閘門卡滯、失速、隱蔽性下滑

閘門升降過程中可能因異物阻擋，出現(xiàn)卡滯、升降失速、或處于停止?fàn)顟B(tài)的閘門，仍隱蔽性下滑的情況。此時，如果閘門遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)沒有信號反饋及保護(hù)措施，電機(jī)、閘門、螺桿損壞、人員傷亡等危險情況隨時都可能發(fā)生。

3.2.2 閘位異常波動及閘位失聯(lián)

閘位異常波動，在實際案例中，部分老舊閘位傳感器，采集的閘位信號會出現(xiàn)不定期的異常波動，系統(tǒng)人機(jī)界面顯示的閘位數(shù)值在正常值與異常值間不定期跳動，嚴(yán)重影響正常使用。

閘位失聯(lián)，一般情況下是由于閘位計與轉(zhuǎn)軸間連接不良或傳感器損壞，導(dǎo)致閘門升降過程中，閘位數(shù)據(jù)不變。

兩種情況下，如果控制系統(tǒng)沒有信號反饋及保護(hù)措施，閘門控制的安全性和準(zhǔn)確性將大大降低。

3.3 中控與遠(yuǎn)程PLC通訊中斷

在基于PLC的遠(yuǎn)程閘門控制系統(tǒng)中，通常采用分布式閘門監(jiān)控系統(tǒng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為現(xiàn)場測量控制層、網(wǎng)絡(luò)連接層、遠(yuǎn)程監(jiān)控層三層。如果網(wǎng)絡(luò)連接層核心設(shè)備，如：光纖收發(fā)器、交換機(jī)、設(shè)備電源或者線路故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通訊中斷，現(xiàn)地控制PLC就會與遠(yuǎn)程控制PLC失聯(lián)，當(dāng)失聯(lián)出現(xiàn)時，遠(yuǎn)程模式崩潰，如果控制系統(tǒng)沒有信號反饋及保護(hù)措施，現(xiàn)地閘門在操作員到達(dá)現(xiàn)地前，閘門升降狀態(tài)仍然繼續(xù)不受控制，相當(dāng)危險。

3.4 電機(jī)過流及防雷問題

3.4.1 電機(jī)過流

閘門控制電機(jī)的啟動、工作電流較大，可以達(dá)到10A以上，而且當(dāng)電流過大時，可能操作人員還來不及反應(yīng)就已經(jīng)燒壞了電機(jī)或其它控制設(shè)備。所以，為保障人員和設(shè)備安全，當(dāng)電機(jī)電流過大時，必須在電路設(shè)計時加入保護(hù)措施，出現(xiàn)異常情況，第一時間斷開電路。

3.4.2 防雷

人民渠一處灌區(qū)閘房及管理站段中控室一般都在野外，樹木繁茂，地勢開闊，雷雨季節(jié)容易受雷電侵襲導(dǎo)致設(shè)備損壞。因此，良好的防雷和接地措施必不可少。2017年5月13日，人民渠一處渠首樞紐閘門自動控制系統(tǒng)因雷擊造成了10余萬元的重大經(jīng)濟(jì)損失。

4? 4類安全隱患的應(yīng)對措施簡述

4.1 軟硬件雙重限位

閘門限位問題可采取軟硬件雙重限位的辦法提高可靠性，實際效果良好。

硬件限位較穩(wěn)定、可靠的方法是在閘門的行程上限和下限處安裝限位開關(guān)來實現(xiàn)。

軟件限位則是通過組態(tài)軟件實現(xiàn)上、下限閘位的人機(jī)交互設(shè)置，通過PLC編程軟件的編程，將實時閘位與設(shè)置的閘位上、下限實時比較，將“全開狀態(tài)”和“全關(guān)狀態(tài)”分別作為閘門升、降輸出的常閉觸點(diǎn)，實現(xiàn)閘位到限，即停。

4.2 荷載與閘速異常偵測保護(hù)

針對閘門卡滯、失速、隱蔽性下滑、閘位異常波動及閘位失聯(lián)的情況，可以從硬件兩方面采取措施：

硬件方面，可以設(shè)置荷載傳感器，實時檢測荷載值，當(dāng)荷載超載時，系統(tǒng)自動報警并停止升降閘門。

軟件方面，在系統(tǒng)程序中建立閘速異常偵測保護(hù)，通過1s脈沖信號，制造延遲，記錄下上一秒閘位，用實時閘位與上一秒閘位做減法，得出1s閘位差值，并絕對值化。從接觸器反饋判斷運(yùn)行狀態(tài)，在運(yùn)行狀態(tài)下，1s閘位差值與組態(tài)軟件提供的人機(jī)界面上人為設(shè)置的卡滯、失聯(lián)，失速界限值做比較，比較值為1持續(xù)5s（可設(shè)定）以上，卡滯、失聯(lián)，失速故障報警置位，控制中心可實現(xiàn)聲光報警。值班人員到可以立即采取應(yīng)急措施。在停止?fàn)顟B(tài)下，1s閘位差值與組態(tài)軟件提供的人機(jī)界面上人為設(shè)置的下滑界限值做比較，比較值為1持續(xù)5s（可設(shè)定）以上，下滑故障報警置位，控制中心可實現(xiàn)聲光報警。值班人員到可以立即采取應(yīng)急措施。

4.3 通訊雙向心跳偵測

針對中控與遠(yuǎn)程PLC通訊中斷的情況，可以在系統(tǒng)程序中建立通訊雙向心跳偵測，方法如下：

利用0.1s脈沖信號建立心跳脈沖，使用數(shù)據(jù)傳輸指令實現(xiàn)現(xiàn)地PLC和中心PLC之間雙向傳輸，現(xiàn)地PLC接受中心PLC發(fā)出的心跳脈沖，并向中心PLC發(fā)出心跳脈沖，中心PLC接收現(xiàn)地PLC發(fā)出心跳脈沖，并向現(xiàn)地PLC發(fā)出心跳脈沖。當(dāng)現(xiàn)地PLC和中心PLC接受彼此的心跳脈沖，出現(xiàn)連續(xù)1s以上脈沖值不變，則中心和現(xiàn)地側(cè)即刻發(fā)出通訊故障的報警。

此外，程序?qū)⑼ㄓ嵐收献鳛殚l門升降輸出的常閉觸點(diǎn)，可實現(xiàn)一旦通訊失聯(lián)，現(xiàn)地閘門立即停止升降，最大程度保障系統(tǒng)安全。（圖1）

4.4 電機(jī)保護(hù)及防雷

4.4.1 電機(jī)保護(hù)

在電機(jī)動力線上接入過流保護(hù)器，當(dāng)閘門出現(xiàn)過載情況時，電機(jī)電流增大，過流保護(hù)器自動斷開，保護(hù)電機(jī)不被燒毀，同時保護(hù)閘門及其他控制設(shè)備。

4.4.2 降低接地電阻，設(shè)置強(qiáng)弱電避雷器

中心機(jī)房、PLC控制柜要求做好接地，且必須使接地電阻的阻值達(dá)到規(guī)范要求。除了按規(guī)范做好強(qiáng)電系統(tǒng)多級防雷措施外，還可以針對弱電系統(tǒng)增設(shè)弱電防雷保護(hù)器。

4.4.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)須設(shè)置避雷器

對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，針對模擬攝像頭設(shè)置浪涌保護(hù)器，針對數(shù)字高清攝像頭設(shè)置信號避雷器，可有效保護(hù)上層設(shè)備不受雷擊損壞，縮小受災(zāi)范圍。

4.4.4 閘門控制系統(tǒng)增設(shè)信號避雷器和信號隔離器

對于閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通信線路應(yīng)設(shè)置信號避雷器，另一方面，由于部分老舊壓力式水位傳感器設(shè)置在河水里，很容易引雷進(jìn)入系統(tǒng)，故很有必要在傳感器與IO模塊間增設(shè)信號隔離器。

5? 結(jié)束語

本文分析了基于PLC控制系統(tǒng)在閘門控制過程中的四類安全因素，針對性闡述了四種提高閘門安全性的方法。做好這些重點(diǎn)環(huán)節(jié)安全隱患的應(yīng)對措施，能有效提高閘門自動控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，確保閘門的安全運(yùn)行。

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