水利闸门自动化控制中PLC技术的应用探析

左毅军

(昌吉市榆树沟镇农业畜牧业发展服务中心，新疆 昌吉 831100)

1 PLC技术简介

20世纪70年代，PLC技术在汽车工业中得到了应用。随着我国科学技术的进步和水利事业的快速发展，PLC技术也得到了空前的创新与应用，已广泛应用于水电站、水库、泵站等设备中[1]。作为重要的水利枢纽设备，水利闸门控制也普遍采用了PLC技术。PLC是以计算机技术、互联网技术、自动控制技术和通信技术等为基础的一种智能化的控制设备[2]，其硬件部分主要包括输入输出单元、CPU、储存器、扩展接口、通信接口以及电源等。此外，PLC控制系统采用存储逻辑，其控制系统以程序方式存储于内存中，要改变控制逻辑，仅需改变程序方式即可。PLC控制技术反应速度快，可达到微秒级，其工作可靠性高、抗干扰能力强[3]，同时采用模块化设计，设备体积小，功能强大，功耗低，扩展能力强，较适用于工业环境。

近年来，闸门开关自动化控制在水利工程中的应用愈发广泛。开关是指对指定设备工作的开始及结束下达命令的控制部件，在水利闸门出现紧急情况时，闸门开关的作用尤为显著，其能否快速准确下达命令，直接决定着事态的严重程度。目前，部分旧式开关对紧急故障的反应时间长，下达命令迟缓，极易导致严重的后果。因此，水利闸门开关中PLC技术的应用，既能够优化对设备的控制，减少事故的发生，同时极大地促进了水利事业的发展。

2 PLC技术的工作原理和特点

2.1 PLC技术的工作原理

PLC是利用计算机编程而形成的一种设备工具，由软件部分和硬件部分组成，当前广泛应用于工业领域[4]。PLC技术主要工作内容是基于用户需求，通过相关软件进行需求分析，为用户设计程序，实现控制的目的。由于整个过程不存在复杂的内容，完全可以由软件代替完成，因此，控制命令的运行路线简单，反应速度极快，设备更加便携。

2.2 PCL技术的特点

a.强大的运算功能。强大的运算功能是PLC设备的核心技术，其处理主任务的时间控制在10～20ms之内，并且能识别五种IEC语言，能快速进行整数及浮点的计算，保证一些任务在毫秒级的时间内完成，共计支持64个可优先完成的任务。

b.超大的内存。PLC系统内部的处理器为RAM，内存4MB，带有特定的SD卡，可用于日常的程序备份，同时，设备中的CPU均带有USB插口，并可集成CANopen等的通信接口使用。

c.高性能的计数功能。PLC系统拥有32位的技术性能，主要通道为2通道或8通道，刷新时间周期约1ms，捕捉寄存器共2个，动作的反应时长不大于200μs。如此高配置的通道设置和技术模式，决定了其可方便快捷地实现各种类型用户的要求。

d.位置控制系统。位置控制系统是PLC设备提供可操作性且灵活方案的关键系统设置。其原理主要是通过控制变频器和电机，利用现有标准功能库中的指令，直接实现速度控制，不需要增添新的轴控模块。另外，还可以通过控制同步电机和步进电机实现位置控制需求，实现复杂机械的位置控制应用。

e.储存功能。PLC系统拥有可插可卸载的存储卡，操纵SD卡时，不仅不会影响正在运行的程序，还能在插卡后，将最新的数据传输至储存器中，除此之外，SD卡还具有自动备份的功能，可以将应用程序备份到内部的闪存中，必要时，还可以利用相关功能模块，开启数据追踪等管理功能。

f.良好的稳定性。PLC系统在恶劣环境中可以运转自如，其可在-40～70℃的环境中正常运行，除此之外，还具有抗结露、防灰尘、抗腐蚀等功能。

3 PCL技术在水利闸门自动化控制中的应用

水利闸门自动化控制系统是指通过计算机监控检测闸门的启闭状态、闸门的开度和水利相关数字信息的自动化采集与传输[5]。同时，在计算机上以实时将图像或者数字以人机界面的形式传输出来，可以在远程监控界面直观地了解闸门设备的运行情况，实现在计算机上远程控制闸门的启闭。此外，通过PLC系统编辑器编辑预定程序，在规定的时间点或者发生其他事件时自动控制水利闸门，实行水利闸门自动化控制(见图1)。下面以引黄济青工程为例，分析PLC技术在水利闸门中的应用。

图1 PLC系统在水利闸门中的应用

3.1 引黄济青工程概况

引黄济青工程是从黄河打渔张闸引水保证青岛市社会经济可持续发展的大型调水工程[6]。输水渠全长252.5 km，为确保水质良好，输水渠均采用倒虹或渡槽的立体交叉型式。但是，沿途各闸站的电气设备大部分都是20世纪80年代产品，经过几十年的运行，大量设备故障频繁，维修所需更换的零部件大部分早已停产，难以购置。大部分电气设备无法满足节能要求，属于国家规定中禁止使用的淘汰产品。为此，结合工程现状和存在的问题，对引黄济青工程沿途各闸站的变配电设备进行更新改造。其中东营段小清河下节制闸需更换门槽预埋件、钢制闸门及与之配套的电气控制部分。小清河分洪道下节制闸闸门为10×7.5-7/4.8m露顶式平面定轮钢闸门，孔口宽度10m，孔口数量3孔，闸门数量3扇，闸门支承型式为悬臂式滚轮支承，设计水头7m，启闭机为2×400kN固定卷扬式启闭机。

3.2 PLC系统应用情况

东营分局所辖小清河分洪道下节制闸采用双吊点固定卷扬启闭机，电气配置启闭机机旁箱、闸门开度传感器、闸门荷重传感器和闸门开度荷重显示仪等设备。该启闭机的电气部分，采用性能先进的PLC控制、触摸屏 “人机界面”，旋转编码器为精确定位的反馈元件。升降电机采用交流变频器调速。操作方便、灵活和人性化。完善的报警功能，大大提高了工作效率，具有质量可靠、控制先进、操作简便、定位精度高等优点。该齿杆机控制核心为施耐德公司M340 PLC，人机对话窗口为威纶通公司产品TK6071触摸屏，位置反馈元件为徐州海河开度仪及配套编码器，驱动核心为NIDEC EV1000变频器。控制系统见图2。

图2 控制系统框图

PLC系统的主要组成包括CPU、数字量输入输出模块、通信模块、模拟量输入模块、电源模块和底板。其控制流程为：选择现地自动控制→触摸屏设置闸门指定的预置高度→触摸屏点击按钮发出升降命令→PLC系统接收控制命令，通过采集开度仪表的开度信息，与设置的预置高度进行对比→对比后如闸门开度不到预置开度，PLC发送命令给输出模块，控制变频器开始全速度进行闸门的升降，当PLC通过预制开度与开度反馈值对比后发现接近预置开度时，PLC自动控制变频器降速运行，以达到精准停车的目的→闸门达到预置高度时自动停止→闸门运行过程中，可随时通过触摸屏控制闸门停止。远程控制流程与现地一样，只不过需选择远程控制方式，且开度预置及升降控制在远程计算机上进行操作。

4 PLC系统在2019年“利奇马”台风调度中应用效果分析

水利闸门是水利工程的主要设施之一，在抗旱、防洪、水资源合理配置等方面均具有重大的作用。2019年8月10日，“利奇马”台风由浙江登陆我国大陆，最大风力16级，是1949年以来登陆我国大陆的第五强台风。受“利奇马”台风影响，2019年8月10日9时—12日11时，山东省东营全市平均降水322mm，降水总量超过5亿m3。小清河分洪道子槽段除承接本地雨水排涝外，上游淄博等地河道洪水也进入子槽河段，“暴雨+风暴潮”造成河道排水缓慢，导致小清河子槽段下节制闸前水位高达5.5m，存在漫堤的威胁，现场抗洪抢险工作举步难行。

小清河分洪道子槽段下节制闸安装了PLC自动控制系统，面对险情，调度人员通过远程控制开启闸门。为防止开启闸门后出现冲刷下游堤岸情况，首先开启中孔闸门0.5m，待闸门下游水流铺满河床后，再开启两侧闸门0.5m，按照这个顺序逐渐开启闸门，每次开启高度控制在0.5m以内。最终闸门高度达到5m。洪水顺利排出闸门，既保证了闸门及时、准确的开启和调度人员的安全，也保护了堤坝和沿途村庄的生命财产安全。此次事件表明PLC系统在水利闸门中的应用对防洪具有重要的作用，主要体现在：自动监测水位变化，预测险情；在恶劣环境下，通过远程操控控制水利闸门的启闭；通过程序编码，及时准确地发布指令，极大提高了工作效率；实时监测系统运行情况，实现“早报警、早防控”的效果；操作简单方便，具有较高的可靠性和稳定性。

PLC系统在小清河分洪道闸门中的应用仍处于探索阶段，随着水利事业的发展，对PLC技术将提出更高的要求。因此，需要在不断的实践应用中总结经验，进一步优化PLC技术在水利工程中的应用，满足时代发展需求。

5 结 语

随着我国水利事业和科学技术的不断发展，水利工程的智能化发展成为必然趋势。PLC具有设备体积小、功能强大、扩展能力强等优点，在水利事业中具有较好的发展前景，但其研究仍处于初期探索阶段，需要根据PLC技术在实际应用中存在的问题进行深入研究，使其朝着兼容性更强的方向发展。