水库闸门集控系统PLC及程序分析

2013-08-21马运彬

山西建筑 2013年12期

马运彬

(新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆伊宁 835400)

新疆山口水库肩负着发电、泄洪、灌溉三大重任，坝长963.1 m，由粘土心墙坝和混凝土坝组成，具有1号、2号、3号、4号四个表孔、一个底孔，孔口上均安装为弧形工作闸门，其中表孔弧门尺寸为8×12，闸门最大开度均为12 m，底孔尺寸为6×6，最大开度7 m。在这五个防洪闸门的作用下控制蓄水库，河流，堤坝的水流量，弧形闸门的安全可靠运行是关系到大坝安全，下游灌区安全和百姓生命财产安全的重大问题。因此，为了增加闸门启闭可靠性，实时采集每个闸门现地控制单元的运行参数与状态，操作人员不去启闭机现场，单个、分组提升、降落闸门，实现闸门的集中群控，提高泄洪弧形闸门启闭的自动化程度，减少工作人员的劳动强度，逐步实现控制网络化。2011年对山口闸门控制系统进行了改造升级，与西安航天科技公司合作，安装了闸门集控系统。同时为了实现多地非现场远方对闸门进行控制监视，分别在两处水调值班室安装了上位计算机实时图形模拟系统，一处作为服务器控制机，另外一处作为客户机通过访问服务器控制机来操作闸门。通过这次对山口水库的五孔泄洪闸门控制系统的改造，经过这两年来的运行考验，特别是2012年汛期数次的特大洪水，系统动作可靠，取得了较为理想的改造效果。

1 PLC结构组成

PLC实质上是工业计算机，是一种专为工业环境下而设计的计算机控制系统，它通过数字量，模拟量的输入和输出完成各种机械或生产过程的控制，具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力，其硬件根据实际需要配置，本次升级改造中主要由中央处理单元(CPU)、输入输出单元(I/O单元)、存储器、电源等组成。其中CPU是PLC的核心，存储器是存放程序和数据的地方，I/O单元是PLC与工业现场连接的接口。电源既可以为CPU供电，又可为各类模块以及外部的各类传感器供电。

2 模块选型与设置

根据本工程实际情况采用施耐德的S7-300PLC，模块位置设置如图1所示，其中从左二起至右依次为0槽位～8槽位。

图1 S7-300PLC

第一个槽位为电源模块，型号TSX PSY1610M，用于将交流220 V电源转换为直流24 V电源，为PLC其他模块及外部传感器供电。

0号槽位为CPU模块，其型号为TSX P57 104M。CPU模块作为整个PLC系统的核心。在本次升级改造中编程梯形图所占用的内存过大，CPU自带的用户程序存储器内存无法满足使用要求，在CPU内存插槽内插入型号为TSX MPR P 128K内存卡一块(该款CPU模块含有两种存储卡插槽)。

1号、2号、7号槽位上为数字输入模块，3号、4号槽位上为数字输出模块，5号槽位上为模拟量输入模块，6号槽位上为模拟量输出模块，8号槽位为以太网模块(在这里特别指出，槽位号只是相对的，实际上不存在物理槽位，每个模块用背部总线相连接。任何一个槽位上模块位置均可互相调换，例如7号槽位上的数字输入模块可调换到3号槽位，但电源模块必须紧靠CPU模块)。1号、7号模块型号为TSX DEY 32DK，其输入信号通道为0～31，共计32个通道。2号模块型号TSX DEY 16DK，其输入信号通道为0～15，共计16个通道。这些模块的输入量包括电器系统的闸门开度传感器、闸门全开/全关行程开关，电动机和油泵运行状态传感器，电磁阀、各类交流接触器、继电器运行状态等开关量;液压系统上的油温传感器、液位传感器、液压管路及液压缸上关键节点的压力信号等开关及模拟量。

3号、4号、5号模块功能相似，其功能已在上面讲明，不再赘述。8号为以太网模块，其作用是与上位机电脑相连接，使PLC直接连入Internet，工程师可以通过网络直接给PLC下程序和实时状态检测，显示人机交换的信息。本次改造升级中网络是这样构成的;2号，3号，4号表孔闸门，底孔闸门的每间闸房放一根四芯光缆集中到1号表孔闸房，1号表孔闸门放一根24芯光缆到电厂二楼通讯室。五个闸门控制柜内，各有一台烽火光端机(将光信号转为电信号)，接续盒(光缆转接盒)，电源插座(给光端机供电)。其中1号表孔闸门还有网络机柜一台，ODF配线架一台。在电厂二楼通讯室内设置五个光端机，思科24口交换机一台，电信公司远程网络，完成五个闸门数据的交换信息网络。其通信方式采用工业以太网通讯，TCP/IP协议，符合IEEE802.3国际标准，通过网关来连接远程网络。

3 PLC梯形图设计编程

3.1 控制方式转换

闸门控制系统分为手动控制与自动控制、远方控制三部分(本节均以1号表孔程序为例)，远方控制就是上位机通过组态软件Intouch10.1获取闸门的开度、闸门泄流量等信息后，发出控制信号给PLC，再通过PLC的程序实现闸门的升、降、停控制。手动控制是应急操作用的，正常情况下不使用，此方式不通过PLC程序，通过控制柜上的开关按钮直接进行闸门的升降停控制;现地自动控制是指工程师通过现地控制单元的触摸屏上的控制面板，发出控制信号给PLC，达到控制闸门的目的，这种控制方式的实质还是利用了PLC的程序。三种控制方式互相屏蔽，即只能同时允许一种控制方式处于有效方式，体现在梯形图中即互锁回路。

3.2 闸门启门/闭门控制

闸门的启门及闭门控制是闸门最基本的控制要求，当闸门需在水调值班室开启闸门时，首先在上位机启门开度值上设定开度值。通过点击鼠标，PLC即接到闸门上升的控制信号，在没有事故或报警时，启门信号得电，延时3 s后液压系统中的启门电磁阀得电。系统建压10 s后，闸门上升，到达设定开度以后停止信号首先失电，继而启门信号失电，闸门开启到位。闸门在上升或下降过程中，必须有闸门同步纠偏及自动防下滑的报警控制，见图2。纠偏控制，首先让闸门左右开度相比较，图2中B01是闸门左缸开度值，B02是右缸开度值，B01－B02得到闸门开度的差值B22，如果比较结果B22在0～20之间，纠偏程序不启用也就是说闸门实际运行过程中允许20个毫米的差值;当闸门的左边开度大于右边的开度时，A110得电，左右缸差值B22在50和20之间，A108得电，PLC进行左纠偏;当闸门右边开度大于左边开度时，A111得电，左右缸差值 B22在50和20之间，A108得电，PLC进行右纠偏。纠偏以后进行再比较，如果左右开度仍不相等，则再次跳回纠偏程序;如果左右开度相等，则纠偏结束;如果经过纠偏以后，B22的值大于50即闸门左右相差在50 mm，这时闸门有可能出现卡死现象，机械系统有可能出现故障，那么闸门超差立即失电，发出故障报警，继而启门信号、闭门信号失电闸门启闭动作立刻停止，这时检修人员需至工地现场进行故障排查检修。

自动防下滑控制也是闸门控制中必须注意的问题，闸门因自身重力的作用或者液压管路液压油的泄露，均会导致闸门产生不同程度上的下滑，使闸门开度与预先的设定值有所偏差，影响闸门启闭的精度，进而导致泄流量不准确造成水资源的浪费。当PLC检测到下滑位移大于设定值时，首先发出下滑报警信号，同时启动PLC程序自动提升闸门，直到回到原来位置。在本次改造升级中把闸门下滑分成三个阶段(本节PLC梯形图程序不予详细给出)，当下滑值ZM_SLIDE_WALUE＞100 mm时，一个油泵启动自动提升闸门到设定值;当下滑值ZM_SLIDE_WALUE＞150 mm时，两个油泵同时启动提升闸门至设定值;当下滑值ZM_SLIDE_WALUE＞200 mm时或者ZM_SLIDE_WALUE＞150 mm时油泵启动20 s后闸门仍无法恢复至设定开度，发出声光报警，警告闸门维护人员即可前往现场排除机械、液压系统故障。