基于PLC的农村小型水电站闸门监控系统设计与实现

梁秋艳， 葛宜元， 曲爱玲，马晓君，朱世伟

(1.佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯 154007；2.北京农业职业学院信息技术系，北京 102442)



基于PLC的农村小型水电站闸门监控系统设计与实现

梁秋艳1， 葛宜元1， 曲爱玲2，马晓君1，朱世伟1

(1.佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯 154007；2.北京农业职业学院信息技术系，北京 102442)

采用上位机与下位机协同工作的控制方式，MCGS组态软件对上位机程序进行开发，PLC为下位机的控制核心，完成对农村小型水电站闸门的全程监控。模拟试验表明，该监控系统通过触摸屏可实现对闸门的启动上升、停止、下降的控制及对闸门开放度信息的采集、显示及处理；在紧急情况下实现紧急落门和紧急抱闸刹车；显示报警信息以及通过触摸屏监视系统运行状态；控制闸门上升或下降到指定开度。监控系统实时性好，闸门实际位置与上位机显示界面信息一致。

PLC；水电站闸门；监控；综合自动化

电力体制改革促使农村小型水电站需实现综合自动化，以计算机监控系统代替人工操作、定时巡回检查及记录等繁杂劳动，实现无人或少人值班[1]。水电站闸门监控系统是综合自动化中重要部分，设计出的系统需在信息化、自动化、可视化等方面满足综合自动化的要求，以进一步提高水电站的安全运行水平[2]。笔者现将基于PLC的农村小型水电闸门监控系统设计与实现进行阐述，以期为我国农村小型水电站综合自动化的实现提供理论依据。

1　监控系统整体结构

对闸门的监控是水电站中重要的一项工作，闸门监控系统应该实时、准确、有效地完成所有被控对象的安全监视和控制，能够对所控制机电设备的运行情况进行全面监视处理。

闸门监控中心如图1所示，其主要负责集中监视和控制、记录运行并指导、报警、上下层通信等，同时，还对闸门进行远程控制[3]。水电站的水位测量是在上游和下游分别安放水位传感器，传感器与PLC的模拟量模块相连接，通过PLC将测量值送至监控中心，监控中心根据水位的变化，对闸门进行相应地调整控制。闸门的开度由交流电机来实现，交流电机与PLC连接，以数字量的形式送入PLC的输入模块中对闸门开度进行更改或全启闭的控制。LCU(Local control units)为闸门现地控制单元，核心单元是PLC可编程控制器，通过传感器完成对现场数据(如水位、闸位、运行状态等)的采集，向主控层传送采集的数据，报告各现地控制层设备的运行情况等信息，接收并且解析上位机信号指令，按照上位机发出的指令对机电设备进行控制[4]。

图1　水电站闸门监控中心示意Fig.1　Schematic diagram of hydropower station gate monitoring center

2　上位机系统设计

图2　程序变量的对应Fig.2　Correspondence to program variable

该设计采用MCGS组态软件对系统的上位机程序进行开发，实现对整个系统运行状态的监控。系统运行状态将实时反映在上位机组态软件的模拟运行环境中，还可人工操作闸门，实现系统的人工控制。利用MCGS组态软件编写的程序可运行于PC机上的模拟运行环境中，也可通过RS485下载线将编写好的上位机程序下载入触摸屏里运行。该设计在PC机上编写上位机程序，采用三菱PLC仿真调试线实现PC机与PLC之间的通讯，程序中变量对应情况如图2所示。图2给出了上位机变量与下位机继电器之间的对应关系，左边为上位机中的变量名，右边是下位机中变量对应的中间继电器名，例如，y0在下位机PLC中对应的是Y000；y1对应的Y0001；“下降”在下位机中对应的是M0000；“上升”在下位机中对应的是M0001。属性均为读写操作。

3　下位机系统设计

该系统对下位机的核心要求是控制闸门开启和关闭，实现对闸门的升降控制、事故状态时紧急抱闸等。PLC执行用户事先编好程序，通过计算机监控系统完成对闸门水位、闸门情况的自动化采集与传输，在监控中心远程控制闸门启闭以及闸门的开度[5]。

程序段对闸门的下降运行实现控制如图3所示。上位机程序中将“下降按钮”这个变量与下位机程序中中间继电器M9关联上，并且在上位机组态软件中将“下降按钮”这个变量设置成“按下为1，松开为0”的操作属性。由图3程序可知，当在组态软件模拟运行环境中点击此按钮时，在0标号行M9吸合，中间继电器的常开触点吸合，线路导通。同时，由于“下降按钮”属性为“按下为1，松开为0”，在M9中间继电器的线圈处接一个M0保持线路导通。M9线路导通，在10行将使Y000输出继电器常开触点吸合，从而使闸门下降。此外，线路中还串联了下降行程开关、急停按钮，闸门在上升或下降的过程中触碰上升或下降的行程开关，闸门就会停止；如果闸门在运行期间突然发生意外事故，人工按下急停按钮，则系统断电，使闸门停止，从而保证系统安全运行。

图3　水电站闸门下降运行控制Fig.3　Down operation control of hydropower station gate

水位监测程序如图4所示。继电器线圈X005接水位开关1，X006接水位开关2。当上升水面触碰到水位开关1时，由图4a可知，M3继电器的常开触点吸合，M3继电器回路保持导通状态，由图4b可以看出，M3的导通可使输出继电器Y001常开触点吸合，闸门上升。水位开关闭合的信号会被上位机组态软件所感知，对闸门上升时间进行计时，当闸门上升至闸门总开度一半时，上位机组态软件的脚本程序可控制M5中间继电器吸合，从而使闸门停止，M5继电器是闸门在上升过程中的第一个行程开关，由程序控制。若水面继续上升触碰到第2个水位开关，闸门继续上升，闸门将上升到闸门总开度的100%。当闸门上升至最高点时，上限位开关X004会被触碰，闸门停止上升。

闸门安全运行程序如图5所示，其可实现对闸门安全运行的监控功能。X000外接的是一个模拟紧急事故信号触发的外接端口，当有意外事故发生时，X000吸合使中间继电器M8得电。M8是信号触发中间继电器，它串联于每一条信号回路，无论闸门运行于何种状态，当有紧急事故发生时，系统都会实现紧急落门，以保证事故影响范围缩至最小。在M8继电器回路中将串联下限位行程开关M7，当闸门下降至最低点时，闸门触碰该行程开关使闸门停止。

图4　2段水位监测程序Fig.4　Water level monitoring program of two sections

4　水电站闸门监控系统实现

4.1硬件实现农村小型水电站闸门监控系统的硬件实物如图6所示，其采用指示灯和电机等执行机构来模拟实际应用中的执行设备，2个水位开关代替水位传感器，现场应用时只需将相应的输出端连接到实际的执行设备即可。

4.2软件实现系统开启时的启动窗口如图7所示。点击右下角闪烁的文字控件便可进入系统的主控界面。

系统的主控界面如图8所示，系统的控制部分均在此实现，图中左半部分为系统的按键，指示灯分别指示其对应控件的状态。中间部分为控件示意图，系统运行时，中间部分可动画模拟闸门运行的状态。右下角为退出系统的按键，按下即退出系统主控界面，返回启动窗口[6]。右上角为信息显示功能，可显示时间、闸门开度等信息。点击上升按钮，闸门会上升，上升至最大开度时，触碰上限位开关，对应的上限位指示灯亮；点击下降按钮，闸门开始下降，当闸门完全下降时，触发下限位开关，下限位指示灯亮；点击停止按钮时，闸门会停止运作；当有事故发生时，可以手动按下紧急按键，这时左上角的报警灯由初始的红色变为闪烁，并且伴有红字“事故状态，紧急落门！”的字样。

图5　闸门安全运行程序Fig.5　Safe operation procedure of gate

图6　水电站闸门监控系统硬件Fig.6　Hardware circuit of hydropower station gate monitoring system

图7　系统开启时启动窗口Fig.7　Starting window during system start

图8　主控界面Fig.8　The major control interface

5　结论

该设计采用上位机与下位机协同工作的控制方式，利用RS485通讯方式进行数据的传输，以PLC为系统的控制核心完成对农村小型水电站闸门的全程监控。实现功能主要包括：通过人机交互界面——触摸屏实现对闸门的启动上升、停止、下降的控制；实现对闸门开放度信息的采集、显示及处理功能；在紧急情况下紧急落门和紧急抱闸刹车的功能；显示报警信息以及通过触摸屏可以监视系统运行状态；控制闸门上升或下降至指定开度。模拟试验结果表明，该监控系统实时性好，闸门实际位置与上位机显示界面信息一致。

[1] 钱瑞，朱登攀，周洪．小型水电站无人值守综合自动化系统[J]．小水电，2001(2)：22-23．

[2] 古明亮.水电站闸门监控系统的研究[J].科学之友，2010(11):30-31.

[3] 张兴旺，宋易珑.PLC 在中小型水电站闸门监控系统中的应用[J].南昌工程学院学报,2013,32(6):72-75

[4] 吴小平．基于 PLC 的中小型水电站闸门监控系统设计研究[D].杨凌：西北农林科技大学， 2011．

[5] 王树东, 边玉国, 边党伟.基于 PLC 与 iFIX的闸门监控系统设计与实现[J].水力发电，2006, 32(8)：61-63.

[6] 周志敏.触摸屏实用技术与工程应用[M].北京：人民邮电出版社, 2011.

Design and Implementation of Rural Small Hydropower Station Gate Monitoring System Based on PLC

LIANG Qiu-yan1, GE Yi-yuan1, QU Ai-ling2et al

(1.Department of Mechanical Engineering, Jiamusi University, Jiamusi, Heilongjiang 154007; 2.Department of Information Technology, Beijing Vocational College of Agriculture, Beijing 102442)

Cooperative work of upper computer and lower computer was adopted to complete the monitoring of rural small hydropower station gate.MCGS configuration software was used to develop upper computer program and PLC as control core of lower computer.Simulation experiment results showed that the monitoring system could realize the gate control of start up, stop and down through a touch screen.It also could collect, display and process the information of gate opening degree, implement emergency gate and emergency brake in case of an emergency, display alarming information, and monitor the running state of system through the touch screen and control the gate up or down to the specified opening degree.The monitoring system had good real-time performance, the actual position of gate was consistent with which PC displayed.

PLC; Hydropower stations gate; Monitoring; Integrated automation

佳木斯大学自然科学基础研究青年类项目(Lq2014-002)。

梁秋艳(1981- )，女，黑龙江佳木斯人，讲师，在读博士，从事电气自动化、智能控制研究。

2016-06-06

S 24；TV 742

A

0517-6611(2016)21-217-03