PLC在引黃涵閘測控系統(tǒng)自動化改造中的應(yīng)用研究

摘　要 由于引黃涵閘測控系統(tǒng)老化，傳統(tǒng)的按鈕-接觸器手動控制系統(tǒng)難以滿足閘門的啟閉需要，黃河委員會提出采用PLC對涵閘手動控制系統(tǒng)進(jìn)行自動化改造，并將PLC控制系統(tǒng)與涵閘傳統(tǒng)的手動控制系統(tǒng)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了閘門啟閉的手動控制/PLC控制的切換。文章從系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)組成、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等角度對PLC測控系統(tǒng)加以闡述,并對關(guān)鍵的問題提出了解決辦法。該系統(tǒng)具有較高的安全性與可靠性,功能強(qiáng)大,是涵閘現(xiàn)地測控系統(tǒng)自動化改造的一種較好的方法，已在山東黃河5座引黃閘上得到了應(yīng)用。 關(guān)鍵詞　 測控系統(tǒng)　PLC　自動化改造 閘門啟閉 切換 1. 引言 現(xiàn)地測控系統(tǒng)是引黃涵閘工作現(xiàn)場的核心環(huán)節(jié)，其安全可靠的運(yùn)行是涵閘正常高效工作的保證。在引黃涵閘傳統(tǒng)的現(xiàn)地測控系統(tǒng)中,控制功能是采用按鈕-接觸器線路，通過按鈕操作從硬件上實(shí)現(xiàn)啟閘和閉閘的。由于電氣觸點(diǎn)多,控制手段落后，難以達(dá)到所期望的閘門開度；而工作現(xiàn)場的參數(shù)測量手段也極其落后，基本上是采用一些簡單的機(jī)械測量機(jī)構(gòu)，有的數(shù)據(jù)甚至要依靠操作人員憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算。黃河水量的調(diào)度管理主要依靠行政手段和傳統(tǒng)的調(diào)度方法憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，工作效率不高。這顯然無法滿足黃河水資源可持續(xù)利用的要求。 使用可編程控制器(PLC)是工業(yè)自動化的重要手段,本文提出采用PLC對引黃涵閘傳統(tǒng)的現(xiàn)地測控系統(tǒng)進(jìn)行自動化改造,并保留原有手動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了涵閘手動控制/PLC自動控制的切換。改造完成后的系統(tǒng)，即PLC測控系統(tǒng)主要控制邏輯由PLC實(shí)現(xiàn),通過控制程序從軟件上實(shí)現(xiàn)啟閉閘，可靠性高；工作現(xiàn)場的參數(shù)測量則采用精密的傳感器，將測量的信息實(shí)時(shí)地傳給PLC進(jìn)行處理，從而得到我們需要的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確性高。該系統(tǒng)的組成為模塊化結(jié)構(gòu),采用可編程序的控制器,一旦工作現(xiàn)場發(fā)生變化，只需修改控制程序即可,系統(tǒng)維護(hù)也變得十分方便。 PLC現(xiàn)地測控系統(tǒng)的建成有利于對涵閘進(jìn)行安全可靠的控制，有利于對黃河水資源進(jìn)行科學(xué)的調(diào)度管理。同時(shí)，它也是實(shí)現(xiàn)黃河引黃涵閘遠(yuǎn)程監(jiān)控的基礎(chǔ)。 2. PLC測控系統(tǒng)需求分析及系統(tǒng)組成 2.1 系統(tǒng)需求分析 作為涵閘工作現(xiàn)場的核心部分，PLC現(xiàn)地測控系統(tǒng)要求具有以下主要功能： (1)完成對涵閘基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的采集和處理，數(shù)據(jù)信息的顯示則由和PLC相連的觸摸屏來完成。這些信息包括水位、閘位、電壓、電流等。 (2)通過觸摸屏和PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閘門升降過程的自動化控制。 (3)具有過壓、過流、過載、上下限位等保護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過壓、過流、過載、到達(dá)上下限位等故障時(shí)，一方面通過PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)自動關(guān)閘，另一方面給出報(bào)警指示信息，使控制間的操作人員能及時(shí)采取相應(yīng)措施。 (4)本系統(tǒng)的控制部分是將傳統(tǒng)的手動控制回路和PLC自動控制回路相結(jié)合，現(xiàn)地操作 人員通過一組切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)手動控制/PLC控制方式的轉(zhuǎn)換。在手動控制方式下，現(xiàn)地操作 人員通過按鈕啟閉閘門；在PLC控制方式下，借助觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)閘門的自動啟閉控制。 2.2 系統(tǒng)組成 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，涵閘PLC測控系統(tǒng)選擇控制核心設(shè)備——帶以太網(wǎng)接口的可編程邏輯控制器（PLC）、綜合顯示控制屏（觸摸屏）、電氣主回路設(shè)備、控制回路設(shè)備、自動化元器件等裝置來構(gòu)成。本系統(tǒng)采用施耐德Momentum系列PLC。 涵閘啟閉機(jī)電氣主回路設(shè)備、控制回路設(shè)備包括啟閉機(jī)、交流接觸器線圈、繼電器等電氣與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。自動化元件主要包括閘位計(jì)、荷重傳感器和水位計(jì)等。 采用觸摸屏來操作和顯示有關(guān)參數(shù)。觸摸屏和PLC之間通過RS485接口通信。以下是涵閘PLC現(xiàn)地測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖［1］（圖1）： 3． PLC測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 輸入輸出點(diǎn)分析 以二孔涵閘為例，工作現(xiàn)場開關(guān)輸入量有手動控制/PLC控制信號、上下限位信號、接觸器和斷路器輔助觸點(diǎn)的狀態(tài)信號等。模擬量輸入信號有水位、荷重、電壓、電流、溫濕度等。開關(guān)輸出量為控制中間繼電器及驅(qū)動聲光報(bào)警器的信號。 3.2 涵閘電氣主回路設(shè)計(jì)圖 電氣主回路的的核心部分是用兩組接觸器觸點(diǎn)來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)涵閘閘門的上升和下降。主回路上的斷路器帶有分勵脫扣線圈，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的緊急停機(jī)。電路設(shè)計(jì)圖如下（圖2）： 3.3 涵閘電氣控制回路設(shè)計(jì)圖 控制回路的電源是經(jīng)UPS穩(wěn)壓后的220V交流電?？刂苹芈飞嫌幸粋€(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)，它可以實(shí)現(xiàn)手動控制/PLC控制的切換?？刂齐姍C(jī)的兩組接觸器線圈KM1和KM2的常閉觸點(diǎn)是互鎖的，這種互鎖的方式可以避免因按鈕的誤動作造成上升和下降接觸器線圈同時(shí)接通而產(chǎn)生的主回路短路故障?？刂苹芈穲D如下（圖3）： 3.4 PLC回路設(shè)計(jì)圖 根據(jù)上述的I/O點(diǎn)分析，PLC回路圖設(shè)計(jì)［2］如下（圖4）： 4． PLC測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件要實(shí)現(xiàn)的功能除了對工作現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和處理外，最核心的環(huán)節(jié)就是閘門啟閉的控制邏輯了。閘門的自動啟閉是通過比較閘位（即閘門高度）設(shè)定值和閘位當(dāng)前值后，操作員給出上升或下降控制指令，由控制程序?qū)崿F(xiàn)的。閘門在上升或下降之前，系統(tǒng)給出10秒的聲光報(bào)警信號。以下是閘門啟閉的邏輯框圖： 根據(jù)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)要求以及閘門啟閉的邏輯框圖,可以編寫出實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)要求的984LL程序（程序在Concept組態(tài)環(huán)境下編寫，是一種梯形邏輯）。以下是測控系統(tǒng)部分控制程序。 4.1 當(dāng)前閘位檢測 閘位計(jì)采用的是倍加福公司生產(chǎn)的絕對編碼器。該編碼器是多圈絕對值型。單圈的位置 信息有13位，圈數(shù)信息有12位。共25位，如下所示： 由于25位數(shù)據(jù)信息被PLC讀取后，占用PLC的2個(gè)字（32 bits）的內(nèi)存。檢測閘位的關(guān)鍵在于對上述25位數(shù)據(jù)信息的處理。在精度允許的情況下，可以考慮采用移位的方法，將圈數(shù)信息和位置信息移到一個(gè)字的內(nèi)存里，這樣方便了處理。以下的程序中，地址400411和400412的內(nèi)存中存放的圈數(shù)和位置信息整體右移了5位，這樣圈數(shù)和位置信息都放進(jìn)了地址400412的內(nèi)存中，圈數(shù)8位，位置8位。這樣處理雖然丟失了一些信息，但是對閘位檢測來說，依然可以達(dá)到很高的精度，而且極大地方便了處理。經(jīng)處理后，當(dāng)前閘位存放在地址為400112的內(nèi)存中。閘位檢測及處理程序［３］如下： 4.2 當(dāng)前閘位與閘位設(shè)定值的比較 實(shí)現(xiàn)PLC對閘門自動啟閉的控制，其關(guān)鍵是當(dāng)前閘位和設(shè)定閘位的實(shí)時(shí)比較。以下程序 中，閘位設(shè)定值放在地址為400111的內(nèi)存中，它是通過觸摸屏輸入的，當(dāng)前閘位在400112中。其比較結(jié)果將輔助線圈000111和000112置位，這些輔助線圈常開觸點(diǎn)的狀態(tài)即為閘門上升或下降的控制指令信息。當(dāng)閘位當(dāng)前值與設(shè)定值相等時(shí)，線圈被復(fù)位，閘門停止動作。圖中的000710、000316等地址存放的是系統(tǒng)輔助觸點(diǎn)的狀態(tài)值，比如限位開關(guān)的狀態(tài)等。 5．結(jié)束語 與傳統(tǒng)按鈕-接觸器手動控制系統(tǒng)結(jié)合,采用PLC實(shí)現(xiàn)涵閘啟閉的自動控制,增加控制功能,提高系統(tǒng)性能,實(shí)現(xiàn)高效自動化生產(chǎn)，其關(guān)鍵是充分發(fā)揮PLC的優(yōu)勢,利用其綜合測控機(jī)制,解決好通信、保護(hù)等問題,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)手動控制/PLC自動控制的良好切換,提高整個(gè)測控系統(tǒng)的綜合性能,達(dá)到高效生產(chǎn)的目的。 參考文獻(xiàn) [1] 郭宗仁，吳亦鋒，郭永.可編程序控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù).人民郵電出版社. 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This system is a very safe, reliable and powerful system, which indicates a good method of Automatic Reform In Local Observing and Controlling System Of Gate of Yellow River Sluice. This system came true in 5 Gates of Yellow River Sluice in Shandong Province at present. Keywords Observing and Controlling System PLC Automatic Reform Raising and Falling Gate of Yellow Rive