PLC 在南水北調弧形閘門上的應用

劉杰

摘 要：隨著PLC技術的出現，水利工程閘門上開始采用PLC技術實現遠程控制等功能。因此，本文介紹了當前 PLC 在南水北調弧形閘門上的應用情況。與傳統的繼電控制電路相比，PLC具有操作簡單、及時、準確，系統穩定，運行維護費用低等優勢。

關鍵詞：PLC;南水北調;閘門;應用

1 自動控制系統總體方案

該閘站共有2孔閘門，采用一機一門運行方式，每孔配有液壓啟閉機，電路控制系統由I/O控制柜和現地控制柜2部分組成。

1.1 PLC選型

綜合考慮性能、價格、擴展性等因素，某段LCU 控制單元的控制核心選用德國西門子公司的S7-300系列 PLC。SIMATIC S7-300專業用于復雜運動控制工藝要求，可以使用現成的運動控制指令，實現復雜的運動控制任務。S7-300建立在模塊式的組態上，無需 I/O模塊的插槽規則，具有高處理速度，CPU 可以實現非常短的機器循環時間，現有豐富的模塊可用于集中組態和搭配 ET 200M 實現的分布式組態。集成的 PROFINET 接口可實現控制器的簡單網絡化，與其它運行管理等級方便的進行數據交換，模塊寬度窄，可實現緊湊式的模塊設計或者小型控制柜。集成的PROFINET 接口能夠把強大的 CPU 與工業以太網/PROFINET 接口、集成的工藝功能或故障防護設計集成在一起，從而避免附加投資。中央處理器采用CPU313C，集成具有用于數據通信的分散式外設 PROFIBUS-DP主/從接口和用于編程器上裝程序的多點MPI接口，具有順控、調節、過程輸入/輸出、數據處理和外部通信功能。

1.2 PLC模塊配置

PLC自帶24DI/16DO，4AI、2AO四種模塊，其性能完全滿足控制系統需求。PLC的I/O接口為2通道模擬量輸入模塊 SM321 用于連接標準開關按鈕、接近開關、電磁閥、接觸器、燈等。PLC控制系統DI、DO模塊實現中、底孔弧門的啟、閉門的自動控制，并對啟、閉門過程中出現的故障進行監控。此外通過模擬量輸入AI模塊SM331處理閘門開度傳感器轉變的模擬量輸入信號，模擬量輸入模塊采用四線制4～20mA電流輸入。

2 PLC控制的實現

2.1 硬件組成

每套液壓啟閉機設一套機旁控制設備，每套機旁控制設備由機旁啟動回路柜與遠方閘站監控系統（PLC），以及閘門開度檢測裝置和液壓泵站壓力、油位、溫度等傳感元件組成，具有單機應急操作、安裝調試及系統保護等功能，可實現與遠程閘站控制系統的數據交換和聯合控制，對于節制閘可以實現遠程指令操作。

2.2 程序設計

S7-300 配置了CPU、以太網、開入、開出、模入、模出及SSI和高速脈沖等模件。開入模件測量閘門開關狀態信號，模入模件測量啟閉機動力電源電壓、電機電流、油壓、油溫等信號，模出模件通過比例放大規律控制比例糾偏閥，開出模件控制電機、電磁閥等。南水北調某段弧形閘門采用 SSI 模件通過開度儀編碼器測量閘門左右開度，以太網模件實現與上位機數據交換。

2.3 觸摸屏的設計

觸摸屏選用 MCGS 的 TPC10 觸摸屏，是一套以嵌入式低耗功 CPU 為核心的高性能嵌入式一體化工控機。采用 MPI 通訊方式連接，通過組態，畫面模擬顯示主畫面中的閘門信息，包括：I/O 柜控制方式，啟閉機柜控制方式，閘門開關狀態，閘門運行狀態，油泵運行狀態，閘門控制按鈕，閘后水深等信息。操作界面采用人性化圖形設計，為保證設備安全，軟件設計了管理員登錄功能，為每位操作人員設置了登錄賬戶，用戶可以利用軟件下達操作指令，并且在界面上看到閘門實時動態。數據屏包含水利數據、配電數據、啟閉機數據 （閘門開度、油溫、油壓、目標開度等信息）。此外，數據屏包含報警信息，顯示各故障報警詳細信息，一旦出現警情，會立刻提示。操作人員可以通過觸摸屏觀測到所有數據，并通過用戶登錄實現閘門操作等功能。

2.4 控制設計

通過傳感器，采集每個閘門的運行工況，將傳感器的開關量和模擬量等信息通過以太網上送給遠程閘站控制系統，實現實時監控。為提高數據采集的精度，實時數據的處理采用了軟件數字濾波、變化梯度檢查、數據合理性校驗等抗干擾技術。上位機根據采集的現場數據，監視運行情況，發出控制命令。根據接收的控制信號，自動完成閘門的提升或升降以及閘門的開啟或關閉輸出計算，比例調速閥按給定開度或給定流量實現閘門同步控制。

3 控制模式實現

S7-300系列PLC系統控制方式有3種，即遠程集中控制、現地自動控制、現地手動控制?？刂葡到y設有過載、短路、失壓、閘門全開全關、上升和下降卡滯報警保護功能，一旦故障報警信號發出后，必須發出故障復位信號，才能重新控制閘門，根據閘門控制回路，各信號、觸點輸入 PLC，得出閘門的控制策略。根據工作需要選擇工作方式。

3.1 手動模式下操作

圖1所示，將轉換開關 “SA01”轉到 “手動”位置，可以完成油泵啟停、啟門、閉門等。

閘門開啟時，將轉換開關“SA01”轉到 “手動”位置后，通過“SA02”手動啟動油泵，油泵運行10s后即可進行啟門（1SB1）操作。啟門過程中，需操作人員根據開度顯示來進行雙缸同步調節，雙缸流量通過面板上的調節按鈕來控制。

3.2 現地 （自動） 控制操作

閘門開啟時，將轉換開關“SA01”轉到“自動”位置后，只需按下 “啟門” 按鈕，即可自動進行啟泵、升壓、啟門動作、同步調節。閘門開啟過程中，如果系統左右開度偏差值超過糾偏啟動值10mm，系統將激活同步調節功能。

3.3 遠程控制操作

將控制柜工作方式選擇開關“SA01”轉換到“遠程” 位置，此狀態下，現地控制柜上除“緊?！卑粹o和SJ1、SJ2有效外，其他操作按鈕均無效，所有啟閉門指令均由計算機監控系統的遠程I/O發出?，F場閘室由PLC及分布式I/O柜組成，其功能是實時采集閘門前后水位數據，根據實際情況進行預處理及報警。采集參數包括： 閘門開度，閘門左右反饋開度，閘前后水位，流量等重要參數，然后把采集到的數據傳輸至總調中心進行處理，根據實際需要可實現遠程操作閘門。在選擇自動模式時，PLC通過過閘流量計采集流量信息自動控制弧形閘門的升降，保證流量在設定范圍之內。通過一個分層次，多手段的監控系統，完全可以實現閘門現代化管理，這一特性對于長距離輸水調水尤為重要。

通過該PLC在南水北調弧形閘門上的應用，以其良好的系統兼容性、便于擴展和維護、可靠性高、易于與上級調度指揮系統集成等優點，全面實現了閘站 “無人值守”輸水調度。為了進一步完善系統，可以在現地控制柜增設觸摸屏等設備，現地實時監測閘門系統運行狀態，監測系統各項數據。經過現場調試運行，系統對閘門狀態數據采集迅速可靠，控制命令下達及時準確，很好的滿足了現場工作要求。西門子S7-300應用在水利系統中大大提高了系統的自動化程度和設備的生產效率，具有較大的推廣價值。

參考文獻：

[1]張曉波.基于以太網的梅山水庫閘門監控系統的設計與應用[J].江淮水利科技，2018（03）：143-145.