PLC在泄洪闸启闭系统中的应用

□赵金玉 □贺玉霞（驻马店市薄山水库管理局）

一、PLC的基本概念

可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。

二、PLC的基本结构

（一）中央处理单元(CPU)

中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢，它按照PLC系统程序赋予的功能接收存储从编程器键入的用户程序和数据。检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

（二）存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

（三）电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

（四）输入输出接口电路

现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

三、PLC的工作原理

（一）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（二）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态，或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态，或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功指令。

（三）输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

四、应用实例

以薄山水库为例。薄山水库溢洪道新闸门14m×11.8m,额定启门力2×500kN,启闭扬程15m，弧形工作闸门5扇,均采用PLC控制.根据水闸的运行要求,PLC控制器在水闸启闭系统中对闸门进行实时监控及管理。PLC按照工作要求执行指令,把辅助设备采集到的数据进行运算处理,并在触摸屏上显示。PLC控制器执行指令的过程是一个随着时间而不断重复的数据采集运算处理过程,从而实现闸门实时监控。PLC控制器的运行程序是以水闸的运行要求为依据,来源于电脑编程,并通过数据线下载传输到PLC控制器。

PLC控制器的数据采集设备包括载荷传感器和轴角编码器。载荷传感器安装在启闭机的平衡滑轮轴的轴承处,利用压电效应采集闸门运行中的受力数据,并传输给变送器,由变送器把数据转换成标准电信号,最后传输给PLC控制器的数据模块以此来完成载荷的实时监控。PLC控制运行中,当荷载达到90%额定启门力时,PLC控制器发出预警信号;当荷载达到100%额定启门力时,PLC控制器发出延时报警信号;当荷载达到105%额定启门力时,PLC控制器切断主回路,启闭机停止运行。PLC控制器的额定载荷的设定为:额定荷载=额定启门力/钢丝绳组数。薄山水库弧形闸门额定荷载为500kN。

轴角编码器安装在钢丝绳滚筒的轴头处并与钢丝绳滚筒同步运转,轴角编码器利用光电扫描原理采集闸门运行中的开度数值,传输给PLC控制器的数据模块以此实现开度的实时显示。PLC控制器的数据显示及执行指令的设备为触摸屏又称显示面板。水闸采用PLC控制器监控是建立在传统闸门控制设备基础之上的新科技成果,且保留传统闸门控制的所有功能。

五、PLC控制器的优点

（一）技术先进、稳定可靠

该自动化控制系统使用的profibus-DP现场总线、通讯网络、可编程控制器及组态软件均经过严格测试,可以保证系统稳定可靠地运行。

（二）实现远程监控，界面直观,操作简单

控制中心采用全中文界面,使用触摸屏视窗,使操作更加人性化,可在触摸屏视窗上设定闸门开度,系统执行自动运行指令。表现为闸门在上升、下降的过程中,触摸屏上能够显示出闸门实时开度数值、载荷数值及闸门运行中的实时位置图,便于闸门控制系统操作人员直观掌握闸门启闭状态信息。

（三）存储功能

PLC控制器具有系统的存储功能,可通过触摸屏视窗上的菜单指令,记忆闸门每次的运行参数。

（四）适用性强,抗干扰能力强

PLC控制器除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。

（五）开放性

该系统采用的现场总线是国际通用的具有开放协议的现场总线和接口,同时各控制站均留有I/O余量,以便于以后系统的改造和扩展。

（六）安全性

PLC控制器具有全面安全保护体系。如果要执行闸门运行任务,必须先进入菜单执行解锁指令,输入密码后方可进行其他指令,同时在电脑编程中设定闸门的额定扬程值及额定启门力值,下载到PLC控制器的运行程序中,使系统的电路及设备获得故障自我诊断保护。PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息，对闸门启闭设备的安全运行提供有利保障。

六、影响PLC控制器应用的因素

PLC控制器在水利工程的应用,作为一种高新技术成果,逐渐得到人们的认同。但是,在其应用的过程中,也受到一些因素的影响,存在一定的问题。

同样以薄山水库为例,输水泄洪洞的腐蚀性气体严重,并且湿度较大,新闸门井与输水泄洪洞环境相似,尤其在暑期,该情况尤为严重。PLC控制器和其他辅助设备在这种恶劣的工作环境下受到腐蚀,工作人员积极想办法,并增设一些其他设施来改善环境,尽量减少对该设备的不利影响,起到了必要的维护作用。

冬季在没有任何取暖设施的情况下,闸室内温度过低,会对PLC控制器的应用有一定的约束作用。作为现场应用的设备,周围环境中如有粉尘、磁场、雷电等,也对PLC控制器的应用产生不良影响。PLC控制器在应用初期将会遇到一些问题,应当尽快采取措施,避免事故发生,使设备处在安全的待运行状态。

七、结语

PLC控制器在薄山水库闸门启闭系统中经过初期应用,已显示出对闸门自动化监控的优势。它使闸门运行管理工作提高了效率,降低了对闸门监控的难度,为水务工程的安全管理提供保障。PLC控制器的种类和型号繁多,针对不同设备,根据设备的功能选用最符合要求的PLC控制器的种类和型号非常重要。在科技不断发展的今天,PLC控制器的功能将会更加强大和完善,并在今后水务工程领域的应用将会更加普及,为水务工程电器设备的科学管理、可靠运行更好地服务。