基于PLC控制的水電站閘門(mén)泄洪應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王來(lái)印

(山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心 東營(yíng)分中心，山東 東營(yíng) 257000)

0 引 言

泄洪閘門(mén)是控制水電站水流不可或缺的組成部分，泄洪閘門(mén)的精準(zhǔn)控制能夠?qū)ν蝗坏絹?lái)的洪水進(jìn)行合理的調(diào)度，對(duì)于大壩安全和防洪保障具有重要的意義。泄洪閘門(mén)控制系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，不僅能夠應(yīng)對(duì)多變的氣候條件，還能保證水電站的持續(xù)發(fā)電，因此需要水電站泄洪閘門(mén)的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)具有較高的安全可靠性[1-3]。

文獻(xiàn)[4]提出一種西門(mén)子S7-1200PLC的水電站泄水閘門(mén)控制系統(tǒng)，分析了西門(mén)子S7-1200PLC的控制優(yōu)勢(shì)，并將其與上位機(jī)組態(tài)軟件相結(jié)合，有效提升了相鄰閘門(mén)的開(kāi)度控制效果，但是閘門(mén)高度控制精度不佳。文獻(xiàn)[5]提出一種雙向防水閘門(mén)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了雙向防水閘門(mén)硐室，利用可編程控制方法實(shí)現(xiàn)防水閘門(mén)聯(lián)動(dòng)控制,此系統(tǒng)能夠有效防止閘門(mén)漏水問(wèn)題,但是聯(lián)動(dòng)控制的速度較慢。

上述閘門(mén)泄洪應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)中，由于缺少對(duì)泄洪閘門(mén)的受力分析，導(dǎo)致控制過(guò)程中受到外界阻力的干擾，影響閘門(mén)開(kāi)啟高度的控制準(zhǔn)確性的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)一種基于PLC控制的水電站閘門(mén)泄洪應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，有效提升了閘門(mén)高度控制精度。

1 基于PLC控制的水電站閘門(mén)泄洪應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水電站閘門(mén)泄洪系統(tǒng)主要由兩部分組成，即閘門(mén)監(jiān)控管理中心和現(xiàn)場(chǎng)控制單元。閘門(mén)監(jiān)控管理中心與PLC控制器通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)相連接，水位和閘位輸入到PLC控制器中，以此來(lái)控制電氣開(kāi)關(guān)柜。閘門(mén)監(jiān)控管理中心的主要作用就是采集并處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的管理、監(jiān)控和報(bào)警；現(xiàn)場(chǎng)控制單元主要包括PLC控制器、測(cè)量傳感器和閘門(mén)的動(dòng)力設(shè)施。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 閘門(mén)泄洪應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 選擇傳感器

傳感器主要分為閘門(mén)開(kāi)度傳感器和水位傳感器兩種。閘門(mén)開(kāi)度是閘門(mén)泄洪系統(tǒng)中重要的控制指標(biāo)，為了能夠準(zhǔn)確、可靠地實(shí)現(xiàn)閘門(mén)開(kāi)度的控制，就要對(duì)閘門(mén)的實(shí)際開(kāi)度進(jìn)行精確的測(cè)量[6-7]。本文選擇的閘門(mén)開(kāi)度傳感器型號(hào)為ZKC-3，該型號(hào)的傳感器能夠針對(duì)閘門(mén)的特性實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，其測(cè)量范圍從5 m至160 m，都可以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。其分辨率與所配的編碼器有關(guān)，本文所配的是接觸式絕對(duì)編碼器，型號(hào)為GD-32768/64，每周分辨率為512碼，連續(xù)旋轉(zhuǎn)64圈，內(nèi)部配備精密齒輪，方便安裝，并能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，即使遇到突然掉電的情況，也能夠保存歷史記錄[8-9]。傳感器能夠輸出的信號(hào)包括小毫安的標(biāo)準(zhǔn)模擬量、RS485串行通訊接口(C)、SSI同步串行接口(S)，將這些輸出的信號(hào)通過(guò)齒輪或聯(lián)軸器與啟閉器卷筒傳遞到閘門(mén)開(kāi)度儀中。本文選擇的傳感器的有效傳輸距離最大為2 km。本文選擇的閘門(mén)開(kāi)度傳感器結(jié)合了檢測(cè)和A/D轉(zhuǎn)換功能，適用于水閘等的測(cè)量和控制。

水位傳感器主要是測(cè)量閘門(mén)上下游的水位，為閘門(mén)的控制提供參考依據(jù)。因此需要根據(jù)水電站的實(shí)際情況，選擇抗干擾能力以及機(jī)械性能都比較好的水位傳感器。本文的水位傳感器選擇的是YFC-3浮游子式液位傳感器，主要包括浮子、變速機(jī)構(gòu)、線輪、防浪錘、重錘以及不銹鋼絲繩等部件，將其安裝在需要進(jìn)行水位監(jiān)控的區(qū)域，能夠第一時(shí)間采集到水位信息[10-11]。相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水位傳感器相關(guān)參數(shù)

該型號(hào)傳感器能夠保證性能的穩(wěn)定，并長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)。當(dāng)水位傳感器所在的位置水位升高或降低時(shí)，浮子的測(cè)繩能夠帶動(dòng)線輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由同軸連接的編碼器來(lái)輸出與當(dāng)前水位對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)顯示器呈現(xiàn)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的觀測(cè)。

1.1.2 PLC的選取

可編程邏輯控制器(PLC)采用可編程的存儲(chǔ)器，內(nèi)部可以執(zhí)行一些控制、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等指令。它是一種能夠?qū)ｉT(mén)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)控制裝置，相對(duì)于單片機(jī)而言，PLC能夠適應(yīng)惡劣、極端的生產(chǎn)環(huán)境，且數(shù)據(jù)處理能力、聯(lián)網(wǎng)通信功能更加可靠[12]。PLC主要由中央處理器CPU、RAM/ROM存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口、電源、編程器以及其他接口電路構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯控制、定時(shí)技術(shù)控制、時(shí)序控制、數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、過(guò)程控制、遠(yuǎn)程控制、監(jiān)控以及擴(kuò)展等功能。分析閘門(mén)的需求并結(jié)合電氣控制圖，PLC的電路接線見(jiàn)圖2。

圖2 PLC的電路接線圖

本文設(shè)計(jì)的PLC在運(yùn)行過(guò)程中穩(wěn)定可靠，抗外界干擾的能力比較強(qiáng)，包括14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)，對(duì)于一些規(guī)模較大的控制系統(tǒng)，能夠連接多個(gè)擴(kuò)展模塊，在設(shè)計(jì)和維護(hù)的過(guò)程中更加方便。由圖2可知，將S7-200PLC與EM235相連接，使泄洪應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)增加四路模擬量輸入端和一路模擬量輸出端。將圖2的輸入和輸出端口進(jìn)行功能配置，見(jiàn)表2。

表2 PLC端口功能配置

至此完成PLC控制器的選取與設(shè)計(jì)。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 閘門(mén)啟閉過(guò)程受力分析

泄洪閘門(mén)上的荷載主要有靜水壓力、閘門(mén)自重和啟閉力等。靜水壓力與閘門(mén)類(lèi)型、上下游水位有關(guān)，上游受到的水平壓力和豎直壓力可以表示為：

(1)

式中：γ為水的容重；Hs為上游水位到堰頂?shù)木嚯x；B為閘孔的寬度；R為弧門(mén)面板曲率半徑；φ1、φ2分別為上支臂和下支臂與支鉸水平線的夾角，且當(dāng)支鉸位置高于上游水位時(shí)φ1為正，否則為負(fù)。

下游受到的水平壓力和豎直壓力可以表示為：

(2)

式中：Hx為下游水位到堰頂?shù)木嚯x；β為弧門(mén)面板與下游水位交點(diǎn)到支鉸的連線與弧門(mén)下支臂的夾角；β1為弧門(mén)面板與下游水位交點(diǎn)到支鉸的連線與通過(guò)支鉸心的水平線的夾角。

在閘門(mén)啟閉的過(guò)程中，需要克服閘門(mén)重力、止水摩擦力、鉸軸摩擦力和下吸力等4種力矩。在閘門(mén)打開(kāi)的過(guò)程中，溢洪道閘孔為單孔，在閘孔寬度已知的情況下，能夠計(jì)算出溢洪道閘孔出流流量：

(3)

式中：Q為閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)的水流量，m3/s；μ0為閘孔的水流量系數(shù)；e為閘門(mén)開(kāi)啟的高度；n為閘孔數(shù)量；b為閘孔寬度；H0為含行近流速的堰上水頭。

根據(jù)上式能夠計(jì)算出閘門(mén)開(kāi)度與流量之間的關(guān)系。因此，在閘門(mén)啟閉的過(guò)程中，要注意速度均勻，高度分檔，且在閘門(mén)調(diào)度運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)異常情況要及時(shí)進(jìn)行閘門(mén)的控制調(diào)整。

1.2.2PLC智能控制算法

(4)

式中：t為繩槽間距；D為卷筒直徑。

則鋼絲繩纏繞卷筒一圈的長(zhǎng)度為：

(5)

式中：R1為鋼絲繩的纏繞半徑，當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒與角編碼器協(xié)同控制時(shí)，鋼絲繩纏繞n圈，角編碼器纏繞n×i1圈，i1為大小齒輪的傳動(dòng)比，那么角編碼器的的編碼數(shù)存在以下函數(shù)關(guān)系：

N=K1·n·i1

(6)

式中：K1為滑輪組的倍率。

根據(jù)上述內(nèi)容，可以求出每個(gè)編碼卷?yè)P(yáng)機(jī)的提升高度，由于這個(gè)高度為常數(shù)，因此閘門(mén)的高度僅僅與編碼器的存儲(chǔ)器數(shù)量有關(guān)，計(jì)算出編碼器值與閘門(mén)開(kāi)度之間存在的函數(shù)關(guān)系式，就能夠準(zhǔn)確計(jì)算出閘門(mén)的開(kāi)度。但是編碼器值與閘門(mén)開(kāi)度都是動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)，需要通過(guò)軟件工具在同一時(shí)刻完成測(cè)量，才能夠得到它們之間的函數(shù)關(guān)系。本文采用上位力控軟件進(jìn)行測(cè)量和分析，對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，剔除原始數(shù)據(jù)中的顯著誤差數(shù)據(jù)，進(jìn)行多次測(cè)量，并構(gòu)成時(shí)間與空間的冗余信息，保證數(shù)據(jù)的校正效果。至此，完成基于PLC的閘門(mén)泄洪應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 搭建仿真平臺(tái)

為了驗(yàn)證上文設(shè)計(jì)的水電站閘門(mén)泄洪應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的控制精確性，需要設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。運(yùn)用Step-7編程軟件、MATLAB軟件中的SIMULINK進(jìn)行水電站泄洪閘門(mén)現(xiàn)地控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。在仿真軟件中完成PLC的控制仿真，見(jiàn)圖3。

圖3 仿真界面

對(duì)仿真軟件中的仿真系統(tǒng)進(jìn)行初始的參數(shù)設(shè)置，包括功率儀表、HMI、絕對(duì)值編碼器、PLC閘門(mén)開(kāi)度計(jì)算段程序。仿真模型選取東營(yíng)市膠東調(diào)水子槽段，在2019年8月10日9時(shí)至12日11時(shí)，東營(yíng)全市平均降水量322 mm，整個(gè)降雨過(guò)程的降水量折合水量超過(guò)5×108m3。這組數(shù)字也意味著在剛剛過(guò)去的不到3天時(shí)間內(nèi)，臺(tái)風(fēng)“利奇馬”為東營(yíng)帶來(lái)近200個(gè)清風(fēng)湖的水，這個(gè)水量也接近是小清河一年的流量，相當(dāng)于黃河利津段6天的流量。膠東調(diào)水子槽段除承接本地雨水排澇外，上游淄博等地河道洪水也進(jìn)入子槽河段。膠東調(diào)水子槽段下節(jié)制閘前水位最高達(dá)到5.5 m。以上述條件為模型，在軟件中建立仿真環(huán)境。啟閉機(jī)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 啟閉機(jī)相關(guān)參數(shù)

在仿真過(guò)程中，分別使用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)對(duì)仿真環(huán)境下的閘門(mén)進(jìn)行控制，在下節(jié)制閘安裝控制系統(tǒng)，調(diào)度人員遠(yuǎn)程控制閘門(mén)開(kāi)啟。為防止開(kāi)啟閘門(mén)后出現(xiàn)沖刷下游堤岸情況，首先開(kāi)啟中孔閘門(mén)0.5m高，待閘門(mén)下游水流鋪滿河床后，再開(kāi)啟兩側(cè)閘門(mén)高度至0.5 m高。按照這個(gè)順序逐漸開(kāi)啟閘門(mén)，每次開(kāi)啟高度控制在0.5 m高以?xún)?nèi)，最終閘門(mén)高度達(dá)到5 m，洪水能夠順利通過(guò)閘門(mén)，達(dá)到保護(hù)堤壩、沿途村莊的目的。在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，增加激光測(cè)距儀同時(shí)測(cè)量閘門(mén)提升的高度值，在快速閘門(mén)從零點(diǎn)位運(yùn)行到上限位共設(shè)置10個(gè)點(diǎn)停時(shí)刻來(lái)記錄閘門(mén)提升高度，并與預(yù)定高度進(jìn)行對(duì)比，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 閘門(mén)提升高度差值

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，得到兩個(gè)系統(tǒng)在測(cè)試過(guò)程中的閘門(mén)控制實(shí)際高度，見(jiàn)圖4。

10組數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)10個(gè)點(diǎn)停時(shí)刻閘門(mén)提升高度。分析圖4可知，對(duì)于序號(hào)5來(lái)說(shuō)，閘門(mén)預(yù)定提升高度為2.9 m，激光測(cè)距儀測(cè)出文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的閘門(mén)實(shí)際高度與預(yù)定高度差值為0.115 m，光測(cè)距儀測(cè)出文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)的閘門(mén)實(shí)際高度與預(yù)定高度差值為0.21 m，光測(cè)距儀測(cè)出本文系統(tǒng)的閘門(mén)實(shí)際高度與預(yù)定高度差值僅為0.055 m。對(duì)于序號(hào)8來(lái)說(shuō)，閘門(mén)預(yù)定提升高度為4.2 m，激光測(cè)距儀測(cè)出文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的閘門(mén)實(shí)際高度與預(yù)定高度差值為0.093 m，光測(cè)距儀測(cè)出文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)的閘門(mén)實(shí)際高度與預(yù)定高度差值為0.099 m，光測(cè)距儀測(cè)出本文系統(tǒng)的閘門(mén)實(shí)際高度與預(yù)定高度差值僅為0.012 m。本文系統(tǒng)的控制閘門(mén)高度差值始終最小，說(shuō)明其精度控制效果最佳。

圖4 不同系統(tǒng)的閘門(mén)預(yù)定提升高度差值

2.2.2 聯(lián)動(dòng)控制速度

為了進(jìn)一步驗(yàn)證水電站閘門(mén)泄洪應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制速度，獲得上述3種系統(tǒng)在不同閘門(mén)提升高度下的聯(lián)動(dòng)控制時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同系統(tǒng)的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制時(shí)間

分析圖5可知，當(dāng)閘門(mén)提升高度為2.0 m時(shí)，文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的閘門(mén)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制時(shí)間為39 min，文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)的閘門(mén)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制時(shí)間為28 min，本文系統(tǒng)的閘門(mén)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制時(shí)間僅為8 min。當(dāng)閘門(mén)提升高度為4.5 m時(shí)，文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的閘門(mén)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制時(shí)間為66 min，文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)的閘門(mén)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制時(shí)間為65 min，本文系統(tǒng)的閘門(mén)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制時(shí)間僅為15 min。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)在不同的高度下，應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制時(shí)間始終在15 min之內(nèi)，具有較高的控制效率。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文將PLC控制器作為閘門(mén)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的核心組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制閘門(mén)的高效和智能，提升精度，將高端的科技應(yīng)用到系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)精確計(jì)算，達(dá)到科學(xué)、精準(zhǔn)、合理的水資源調(diào)用，為實(shí)現(xiàn)水電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了思路。

但是由于時(shí)間和技術(shù)的限制，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)還有很多未完善之處。在今后的研究中，要將系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)中，驗(yàn)證其實(shí)際應(yīng)用中的意義。