基于PLC的渠首枢纽测控系统

李善钦

四川某渠一处灌区,幅员面积1811平方公里,灌溉面积达200多万亩,是四川平原重要的水利工程之一。该渠一处渠首枢纽工程由5孔进水闸、7孔节制闸组成。节制闸主要用于挡水并兼汛期泄洪,而整个灌区的用水调度则通过进水闸实现。改造前,整个渠首枢纽工程操作控制方式均为常规的人工操作控制,已不能适应现代化管理和依法治水、提高有限的水资源的利用率的现实需求,因此提出了对渠首枢纽工程进行信息化和自动化改造,以提高信息化和自动化管理水平,从而实现对水资源更加有效的管理利用,提高整个灌区的综合效益的方案。

一、设计概述

闸门控制系统对于系统的安全性、稳定性要求都比较高。尤其是在闸门(群)控制系统中,各类闸门众多,闸门操作运行可靠性直接关系到工程和人民生命财产的安全,在闸门控制的设计中充分考虑技术先进性和操作安全可靠性。为此该渠首枢纽控制采用工控计算机、可编程逻辑控制器、通信网络、自动化元件等来组成完整控制系统,该闸门控制系统不仅要进行现地启闭控制和远方启闭控制,同时还要对这些闸门的工作状态以及其它参数进行监视,并与水情调度系统等进行信息交换。

在该渠首枢纽闸门控制系统中,采用由上位机系统(主控级)及基础自动化级系统(可编程控制器和现地执行控制器)组成的分层分布式控制系统。主控级采用双机互为热备用方式,通信网络采用单总线以太网,若某处设备出现故障,就不影响其他设备的正常运行,会在硬件上确保整个系统简单、安全、可靠。主控级可设多套操作员工作站。

每套操作员工作站由计算机、外围设备以及不间断电源(UPS)等组成。主控级采用双工控计算机系统,以一主一备的方式运行,能够实现无间隔切换。基础自动化级系统采用可编程逻辑控制器PLC和电机启动、停止、保护等控制模块(器件)互联,构成现地控制箱,并布置在每台启闭机旁。现地控制箱通过profibus总线与主控级进行通讯。

二、设计原则

1.安全可靠和先进实用的原则

采用工控机作为该渠首枢纽过程控制信息集中管理上位机,可使控制危险分散,提高系统的可靠性。现场各种数据通过PLC采集,并通过高速总线传送到中央控制室集中监视和管理;同样中央控制室主机的控制命令也通过上述profibus总线传送至PLC的测控终端,实施对各单元的分散监测和控制。

2.集散型分布式构架方案设计

采用分布式远程群闸控制系统,是针对渠首闸门开启、运行实施实时控制,对监视闸门实现实时图像传输和状态数据(包括现场数据和控制命令)传输。要保证数据传输的快速性、一致性,图像传输的实时性及控制策略实施的可靠性,必须采用可靠的传输构架。对于该渠首枢纽远程的,分散的监视系统采用总站一分站构架。建立渠首枢纽控制中心,与水情调度中心通过ADSL或光纤网络进行通信。

3.信息分层管理和控制权限分级的原则

按照安全可靠、经济实用原则,将该渠首枢纽闸门控制系统设计成一个综合了计算机技术、自动控制技术、网络通信技术、图像显示技术一体的全分布开放型集散控制管理系统。在逻辑结构上采用分层式的结构,一般整个控制系统分为三层:第一层为生产调度层,第二层为中间监视管理层,第三层为现场测量控制层。各层之间通过专有的工业以太网或者租用其他通信网络进行信息传输和资源共享。

(1)生产调度层。生产调度层具有实时参数查询,报表统计功能,同时给生产调度层授予了现场组态画面监视权限和视频图像浏览权限,在该系统中生产调度层不具备设备控制权限和操作权限,在整个系统中具有最低的访问权限,生产调度层主要由站相关生产单位和站领导的电脑终端组成。

(2)中间监视管理层。中间监视管理层主要是提供系统的宏观控制,协调各分站的运行和处理局部发生的事故和紧急状态,维护系统的整体协调。它集中于控制中心内,主要由工作站(工控机)、操作站、视频监视终端、视频图像监视器、视频图像分割器、硬盘录像机、网络交换机、服务器、UPS等设备组成。在现地控制层授权允许的情况下,中间监视层具有远端设备监视权限和实际参数设定权限,在系统中具有中级访问操作权限,中间监视管理层设置在该渠首枢纽控制中心。

(3)现场测量控制层。现场测量控制层也称就地自动控制层主要是通过现场PLC的逻辑控制功能实现设备的自动控制(联动及连锁控制)。根据各站的控制要求不同,该控制层的控制方法,策略也有所不同。现场测量控制层具有较高级的操作控制权限,能给中央控制层授予操作控制权。现场测量控制层也能下发操作控制命令和设备参数设定,并且优先于中央控制层或者互斥于中央控制层。在系统中具有高级访问操作权限。

(4)系统的开放性和可扩展性原则。渠首枢纽控制中心主站的工控机通过通信控制器及相关的通信设备与各分站进行数据交换。分站由具有逻辑控制功能的PLC和远程通讯终端、仪表、控制器件组成。它主要完成对现场工艺数据,电气数据的采集和对电气设备的控制,同时负责向主站传送采集的数据,报告分站的运行情况。充分考虑到以后的扩展,软硬件的配置采用开放式结构,并在系统资源方面增加适当的冗余,以便今后新建项目时,实现可靠的无缝对接。

4.闸门现地控制单元

每台闸门现地控制单元安装在相应闸门启闭机旁,由可编程控制器、闸门开度仪、控制电器、逻辑保护电路、操作按钮、状态指示灯、电流电压显示表等组成,成套于一台机柜内,通过线端子与闸位传感器、荷重传感器、机械限位、闭锁保护、启闭机电机、三相交流电源进线等连接。具有以下功能:

(1)显示功能。数字显示闸位、荷重、行程设定值、荷重两极报警设定值、电网电压、运行电流等参数;提升、降落等各种运行状态指示。

(2)参数设定。通过按键设定行程值、上下限位值、荷重两级报警设定值等参数。

(3)操作闸门。通过按键可提升、降落闸门到指定位置。

(4)安全保护。具有数字电子限位、机械限位、负载过荷、工作超时、闸门启闭机过电流、缺相、方式闭锁等多重保护功能,确保闸门运行安全可靠。

(5)通讯功能。远程修改参数,遵循最后一次有效原则;实时过程参数、运行状态上传;接收并执行远程遥控控制命令,精确提升、降落闸门到指定位置。通讯方式:现场总线、无线、光纤、电话线

(6)多种控制方式。手动控制:在智能闸门测控仪、PLC计算机等设备发生故障的情况下,可手动提升、降落闸门。

自动控制:预置闸门行程设定值,可精确提升、降落闸门到指定位置。

远程控制:接收并执行远程遥控命令,精确提升、降落闸门到指定位置。

三种控制方式的优先级依次是手动控制、自动控制、远程控制。

系统于2006月通过验收,改造后的渠首枢纽控制系统运行良好,各项功能指标均达到项目要求,实现了自动监控、故障报警、数据处理、报表打印、远程通讯的功能,自动化、信息化水平大大提高,有效地提高了水资源的利用率。

(作者单位:广东省中山市技师学院)