基于PLC的南水北调中线西黑山排冰闸自控系统研究

王培坤，吕 睦，闫 浩，宋彦兵

（南水北调中线干线工程建设管理局天津分局，天津300393）

1 引言

南水北调中线工程自通水以来，为京津冀协同发展战略实施、受水区经济社会发展和转型升级、社会和谐稳定提供了重要的水源支撑。南水北调中线工程干渠在河北省保定市徐水区西黑山管理处分水口分为两支，其中一支由西向东流向天津，进入津城的千家万户，成为津城的供水生命线。西黑山分水闸担负着中线总干渠向天津干线分水的重要功能，也是天津干线唯一一座调节流量的节制闸。为确保冰期输水安全，在西黑山分水闸上游50 m处设置了西黑山排冰闸，发生冰冻灾害时可及时将浮冰排入排冰池内，保证西黑山分水闸的安全运行。本文就西黑山排冰闸自控系统在南水北调工程中的应用进行详细介绍，并针对应用中出现的问题提出改进措施，以期为类似工程的管理及运行提供参考。

2 电气及控制系统简介

西黑山排冰闸为单孔闸门，采用一扇平板工作门，双缸启闭。启闭机配套2台4 kW电机，工作电源380 VAC。供电电源接南水北调中线干线35 kV线路，配设500 kW主变，另配1台250 kW柴油发电机组作为备用电源。设置1台启闭机控制柜，核心元件包括1套Schneider M340 PLC，2套Rexroth VT-VRPA1-150比例放大板，2台上海精浦机电GP1312 RL开度仪等。控制柜以现地控制为主，预留远程控制接口。

2.1 电气回路

闸门启闭机控制柜电气回路由主回路和控制回路组成，主回路设备主要包括：电源防雷保护器（F1，F2）、断路器（QF11，QF12）、电压传感器（PV1，PV2）、接触器（KM11，KM12）、电流传感器（PA1，PA2）、电机保护断路器（QF1，QF2）、接触器（KM1，KM2）、泵站加热器（EH1，EH2）。油泵1回路和油泵2回路通过KM11、KM12形成互锁。主回路电气原理[1]如下页图1所示。

控制回路主要设备包括：PLC控制器、开度仪、比例放大板、24 VDC开关电源、温湿度控制器、转换开关、按钮、继电器及状态指示灯等。

2.2 控制系统硬件

2.2.1 PLC控制器

PLC（Programmable Logic Controller）是专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统，由电源、中央处理单元、存储器、输入/输出接口电路和编程器组成。PLC的工作周期可分为自诊断、采样输入、执行用户程序、输出刷新和通信5个阶段[2]。PLC可以实现逻辑、顺序、过程、定时/计时控制，还可以对采集到的数据进行转换、处理。南水北调中线西黑山排冰闸根据设计需求、点位，各型号PLC性能比较，选用施耐德M340型PLC。M340型PLC是施耐德公司中型PLC，采用模块化设计，机架式安装，可根据工程需要灵活配置模块。

图1 主回路电气原理

CPU模块选用BMX P34 2020高性能处理器，电源模块选用BMX CPS 2000标准电源，数字量输入DI模块选用BMX DDI 1602 16通道数字量模块，数字量输出DO模块选用BMX DDO 1602 16通道数字量输出模块，模拟量输入AI模块选用BMX AMI 0410 4通道模拟量模块，模拟量输出AO模块选用BMX AMO 0210 2通道模拟量输出模块，背板选用BMX XBP 1200 12插槽背板。PLC架构如图2所示。

图2 PLC架构图

2.2.2 开度传感器

闸门开度的准确测量是一项基础工作。排冰闸开度传感器选用YQX-Ⅱ型内置式闸门开度传感装置，通过将油缸活塞杆伸缩运动转换成编码器的旋转运动，达到测量线性或非线性位移的目的[3]。YQX-Ⅱ开度传感器的核心是绝对量旋转编码器，配置2个用于调节全开、全关位的限位开关。YQX-Ⅱ传感器工作电源24 VDC，工作行程6 m，测量精度±0.5 mm，工作压力0～10 MPa，输出SSI信号。开度传感器与开度仪接线如图3所示。

图3 开度传感器与开度仪接线

2.2.3 比例放大板

比例纠偏控制是双缸液压闸门自动控制的核心，比例流量阀是双缸同步控制的核心被控元件。比例流量阀配套的比例放大板型号为Rexroth VTVRPA1-150，工作电源 24 VDC，输入信号 0～10 V，可接收接阀芯位移传感器作为反馈信号。根据放大版输入信号类型，PLC AO模块输出通道范围选择±10 V，左缸比例放大板接线如下页图4所示。

2.3 控制程序

2.3.1 控制流程

图4 左缸比例放大板接线图

闸门控制方式主要分为手动控制和自动控制。（1）手动控制时，由操作人员通过控制柜面板按钮使闸门提升或下降，闸门运行速度通过液压回路左右调节手动调速阀；（2）自动控制时，操作人员通过HMI输入目标开度，PLC计算左右缸位移的平均值，与目标开度进行比较，根据比较结果控制闸门提升或下降，当左右缸位移均值与目标开度差达到1 mm时，闸门停止运行。在运行过程中PLC不断比较左右缸位移，根据左右缸位移差，实时控制左右比例流量阀开度，对闸门左右缸开度进行纠偏，达到双缸同步控制的目的。闸门控制流程如图5所示。

2.3.2 比例纠偏控制原理

当闸门处于自动控制模式时，PLC通过控制左右比例流量阀开度调节闸门的运行速度，开度越大，闸门的运行速度越快，反之越慢。根据闸门实际运行情况，为保证闸门平稳运行，比例流量阀最大开度设置为50%，即比例流量阀开度在0～50%之间调节。

在闸门提升或者下降过程中，程序对闸门左右缸位移进行实时比较，如果闸门左右缸位移差不超过3 mm，左右比例流量阀开度均为50%，闸门匀速上升或者下降。当左右缸位移差超过3 mm时，程序通过左右缸位移大小的判断对比例流量阀开度进行调整。（1）闸门提升时，左缸位移大于右缸位移，左纠偏；闸门关闭时，左缸位移小于右缸位移，左纠偏。（2）闸门提升时，右缸位移大于左缸位移，右纠偏；闸门关闭时，右缸位移小于左缸位移，右纠偏。在纠偏过程中，运动慢的一侧比例流量阀开度保持不变，运动块的一侧比例流量阀开度由50%周期性减少，每100 ms减小2%，直至减小为0。在纠偏过程中，左右缸位移差超过20 mm，PLC判定纠偏失败，超差报警。

图5 闸门控制流程

3 运行中的改进措施

3.1 闸门开度采集方式改进

3.1.1 PLC模块调整

西黑山排冰闸系统现有模拟量输出AO点2点，AO模块为BMX AMO 0210 2通道模拟量输出模块，为保证具有足够的余量，在通道故障时可及时更换，将BMX AMO 0210 2通道模拟量输出模块更换为BMX AMO 0410 4通道模拟量输出模块。改进后的PLC架构如图6所示。

3.1.2 HMI目标开度输入调整

为防止闸门自动控制时，操作人员输入目标开度有误，对HMI目标开度输入进行限制，当输入目标开度大于2 400 mm时，程序默认为2 400 mm。

3.1.3 开度数据采集方式调整

在西黑山排冰闸投入运行以来，运行管理人员发现3种问题：（1）闸门处于自动控闸模式时，控制精度不够精准，闸门执行不到位；（2）左右缸不能及时纠偏，闸门倾斜存在卡死隐患；（3）HMI显示开度与开度仪显示开度不一致（如开度仪显示闸门开度已到0，但HMI显示开度不归0）。针对此问题，对液压控制回路和电气控制路进行了分析，开度传感器的SSI信号传给开度仪，开度仪经计算后将左右缸位移数据以4～20 mA电流信号送给PLC模拟量模块。在长期运行中，模拟量信号易受干扰，且存在零漂，导致PLC采集到的开度数据与开度仪计算开度数据一致，造成闸门控制产生偏差。

为解决以上问题，将模拟量采集开度改为数字通信采集。RS485通信接口是现在工业控制、电力通信、智能仪表等领域常用的通信方式，数据信号采用差分传输方式，可有效解决共模干扰问题。由于原有的开度仪无数字量通信接口，将原有的开度仪更换为带模拟量输出点和RS485通信接口的淮海电子ZWY-4 I型开度仪。M340系列PLC用于支持RS485通信的模块为型号BMX NOM0200，由于原PLC的CPU模块为2.1版本，无法添加该通信模块。为解决此问题，将 CPU（BMXCPU2020-2.1）更换为CPU（BMXCPU2020-2.7）。在PLC机架上增加1个RS485通信接口模块，型号BMX NOM0200，该模块带两个通信接口，其中0口为RS485通信接口，1口为RS232/RS485可选接口。为保证通信的稳定性和及时性，采用一对一方式，将2口勾选为RS485通信接口，每个接口单独与一个开度仪通信。端口参数按照开度仪配置对应：波特率为9 600，无校验位，数据位8，停止位1，采用MODBUS RTU协议。

图6 改进后的PLC架构

为保证通信传输的时效性和数据完整性，在程序中设置周期读取段，左右两缸开度同时读取，每次数据读取时间为150 ms，每次读取完成后，间隔5 ms再进行下一次数据读取，可避免开度仪死机的问题。

3.2 改进后的效果

通过改进，达到了以下效果：（1）HMI显示左右开度与开度仪显示一致；（2）闸门左右缸纠偏效果良好，未再出现闸门倾斜现象；（3）控闸精度有了较大提高，闸门控制偏差值由不大于±15 mm提高到不大于±4 mm。

4 总结及建议

（1）当闸门处于手动控制时，操作人员需要不断调整左右手动调速阀使闸门左右缸同步，实际操作过程中人为操作时效性差，不能很好地保持双缸同步。在下一步改进中，手动、自动操作时，闸门均通过比例流量阀来纠偏，手动调速阀仅在比例流量阀故障时做备用。

（2）现有程序中，具体操作按钮以闸门执行到位作为全开、全关，同时点亮全开、全关指示灯，建议改为开到位、关到位。

（3）现有的工作模式为开度传感器SSI信号进开度仪，由开度仪对编码器信号计算后再传输至PLC。为减少中间环节，确保数据实时性，可考虑在PLC中增加SSI信号采集模块，直接由PLC对开度进行计算。

（4）为进一步提高控制闸门的准确性，可考虑采用逐渐逼近调节方式，在闸门运行将要到达目标开度时，分2～3次微调，可有效避免闸门超调情况的发生。

（5）Ethernet所具有的低成本、全开放、传输速率高及应用广泛等优点，使它在工业控制系统中拥有无可比拟的优势。下一步升级改造中，可将PCL、HMI、开度仪之间的通信由工业RS485串行通信方式，更换为工业以太网方式。在控制柜内增加一台工业以太网交换机，所有设备均通过交换机通信，使系统的操控更加方便快捷。