基于PLC的闸门自控系统研究

常 成

(贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 230005)



基于PLC的闸门自控系统研究

常 成

(贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 230005)

闸门是水工建筑物的重要组成部分，随着自动控制、通信及计算机技术的不断发展，可以实现对闸门和水情的远程监控.从系统的经济性和实用性角度考虑，针对某一大型水利闸门控制系统进行研究，根据系统远程和现地控制的要求，提出了分层分布式闸门控制方式.在生产现场，系统按被控对象设置4套现地控制单元，在监控中心使用组态王软件实现对闸门的远程监控，并对相应的电气主系统、PLC控制系统、计算机监控系统进行设计研究.研究结果表明，可以通过主控室对闸门进行远程控制，并能及时把收集到的河道信息送往主控室，真正实现了河道“无人值班，少人值守”的控制模式，提高了河道的管理能力.

闸门自控系统；PLC；组态；计算机监控系统

水利工程实时监测的信息是防洪安全、水利调度的基础信息，也是水利工程实现现代化管理、发挥工程综合效益的关键.河道闸门自控系统的目的是在河道上建立一套快速及时、准确可靠、先进实用、高度自动化的流域水雨情信息、工程安全信息、闸门监控信息、实时图像信息的采集、监测(控)与管理自动化系统[1]，为治理洪水、旱涝，实现水资源优化等提供充足的技术支持，并在充分利用现有的工程设施的基础上，进一步提高工程管理的速率和程度，提高工程的运行效果.

1 系统设计

某工程共有7孔闸门，采用一机一门的运行方式，每孔配有卷扬式启闭机，配套电机容量为7.5 kW.供电电源接附近10 kV线路，到该闸门10 kV变压器距离约为1 km，线路导线为LGJ-70.配设主变1台，并配1台柴油发电机组做备用电源.采用计算机监控系统的自动控制方式.系统由主控制级和现地控制单元2部分组成.

1.1 电气主系统设计

1.1.1 闸门动力箱电路设计

闸门动力箱电路主要由一次控制回路、二次控制回路组成，如图1和图2所示.

由图1知，电路需要设置必要的联锁环节，目的是为防止电路电源短路故障.接触器KM1控制闸门上升和下降，若系统为合闸，且处于非故障、非全开状态，当按下正向起动按钮SA1时，KM1的主触点和自锁触点闭合，即可实现闸门现地上升，同时将上升信号传送给PLC.如果系统为故障状态，热继电器KH1断开，同时与PLC相连的KH1闭合，将故障信号传送给PLC.如果系统为全开状态，常闭辅助触点1SP断开，同时与PLC相连的1SP闭合，将全开信号传送给PLC.在远程控制中，当远程计算机(主控级)发出上升指令，同时现场满足一定的条件(如无故障、非全开)时，将“1#启闭机远程控制上升”信号通过PLC输送到现地控制单元，便可以实现对闸门的远程上升控制.由此可以实现对闸门的现地和远程控制.

由图2知，闸门动力箱内有1#和2#启闭机，每个启闭机的功率为7.5 kW，断路器QF1和QF2控制各启闭机的合闸.启闭机可以通过接触器KM1～KM4实现正反转控制.KH1和KH2为热继电器，起到了过载保护的作用[2].以1#闸门(启闭机)为例，分析其现地控制和远程控制过程.

现地控制信号需要输入到PLC，如图3所示，并在远程计算机(主控级)上显示，主控级向现地控制单元发送的远程控制指令也要输送到PLC，通过PLC实现对闸门的远程控制.

图1 二次控制回路图

图2 一次控制回路电路图

图3 端子连接图

1.1.2 总配电电路设计

总配电电路如图4所示.由图4知，10 kV电源经过户外真空断路器与变压器相连，降压至0.4 kV后，引至该系统的低压配电屏，供该系统和管理处用电.电气主接线10 kV电源侧为线路-变压器单元接线形式，低压侧为单母线接线.同时柴油发电机组作为备用电源，系统电源和备用电源相互闭锁.该系统用电由配电室低压配电屏引4回供电线路至4台闸门动力箱，每台闸门动力箱向1—2台闸门启闭机供电，共设4台现地控制柜.

1.2 闸门现地控制单元

闸门的控制方式可分为自动控制和手动控制2种.

图4 总配电电路图

现地控制单元要实现的功能有数据采集和出力、安全运行监测、控制和调节、事件检测和发送、数据通信和系统诊断.

1.2.1 PLC选型

PLC由电源、中央处理单元(CPU)、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[3].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[4].根据设计要求和各种型号PLC的性能比较，选用西门子公司生产的S7-300型PLC.S7-300 PLC中各模块都是独立的，能够通过总线把各模块固定在西门子S7-300的轨道上[5].

电源模块选用PS307：2A(6ES7 307-1BA80-0AA0)；数字量输入模块选用SM321：DI32×24VDC(6ES7 321-1BLOO-0AA0)；数字量输出模块选用SM 322：DO16×24 VDC/0.5A(6ES7 322-1BH01-0AA0)；模拟量输入模块选用SM 331：AI 8 × 12 位(6ES7 331-7KF02-0AB0).

1.2.2 PLC控制程序设计

采用STEP7V5.5的编程软件来对PLC的控制程序进行编程，如图5所示.

图5 系统主程序

由图5可以看出，组织块OB1调用4个功能FC，分别为:FC1实现动力箱内的闸门控制；FC2实现水位监测(显示)；FC3实现闸门开度监测(显示)；FC4实现闸门荷重监测(显示).FC1实现的是闸门升、降、停控制，分为单动控制和联动控制2种方式，其控制上升的程序如图6所示.

图6 FC1程序

FC2—FC4分别实现对河道水位、闸门开度及荷重的测量，并将测得的数据在主控级计算机上显示.其FC2水位显示程序如图7所示.

图7 FC2程序

1.3 计算机监控系统设计

现地控制单元1LCU,2LCU,3LCU分别监控1#—6#闸门启闭机的运行，同时监测对应闸门的开度和荷重信号.现地控制单元4LCU监控7#闸门启闭机的运行并监测7#闸门的开度及荷重信号.现地控制单元(1LCU—4LCU)通过工业以太网交换机与控制室内的工作站进行通信.

低压配电系统中的智能表计经过RS485通信线接至串口服务器，经串口服务器转换，由以太网工作站实现互联，实现闸门监控中心对配电信息进行远程集中监测.

该系统留有接口，可与主控级的计算机进行工业以太网连接，实现计算机对闸门的远程实时监控.

监控中心工作站负责接受和处理来自现场控制站LCU(PLC)和智能仪表的数据和信息.根据现场发来的数据和状态信息完成对生产过程的远程控制和监视，并提供有关生产数据、报表、趋势曲线、数据入库等功能.

1.3.1 组态软件的选取

组态软件从总体上看，一般都是由系统开发环境(或称组态环境)与系统运行环境2大部分组成[6].采用北京亚控公司生产的组态王软件(Version 6.53).

1.3.2 计算机监控系统的功能

1)数据采集与处理：监控中心主动从各现地控制单元和多功能测量仪表采集各种实时运行数据，掌握各设备的工作情况，采集报警信息.

2)状况实时监控及在线修改数据：值班人员通过液晶显示器对系统内各主要设备的工作状况进行实时监视和控制，并可根据要求对运行参数进行在线修改.

3)监控系统异常状态：监控系统的某些硬件或软件部分发生事故则立刻发出报警信号，并在液晶显示器及打印机上显示、记录，指示故障发生的部位.

4)报警显示：当系统出现报警时，主控级的操作人员可以观察到报警点、报警类型、报警时间等多种信息，由操作人员进行确认，同时可浏览历史报警.历史报警的内容包括各种报警信息、报警是否经过确认、确认报警的用户、确认报警的时间等.

5)趋势分析：对诸如闸门开度、闸门荷重、上下游水位等参数的变化进行趋势分析，为制定合理的决策提供依据.

6)报表处理：系统自动记录各类运行数据，并将所有数据经归纳整理后形成报表，报表可进行打印，操作人员也可以进行实时查看.

7)实时控制和调节：监控系统根据启闭机此刻的运行控制方式和预定的计划参数进行控制和调节，以满足对系统7孔闸门启闭机的实时控制要求.

8)记录报告：对所有监控对象的操作信息、报警信息及实时参数报表等进行记录，并能以中文形式在液晶显示器上显示，同时在打印机上进行打印.

9)屏幕显示：画面显示是计算机监控系统的主要功能之一，画面调用能通过主动和唤起2种方式实现[7].主动方式是指当有事故发生或进行某些操作时有关画面能够自动弹出.唤起方式则指操作某些功能键或以菜单方式调用所需的画面.画面种类包括曲线、表格、提示语句等.

1.3.3 监控界面

经过组态后，计算机监控系统具有如图8所示的主界面.

图8 闸门计算机监控系统主界面

监控工业控制计算机启动后即进入监控主界面，该界面显示该闸门控制系统7孔闸的总貌和有关实时扬压力、上下游水位等数据，并具有“闸门”到“闸门”操作画面切换按钮及实时趋势曲线、历史曲线、报警信息查询等画面的切换按钮等.

通过点击主画面上的某闸门按钮就可以显示并在运行操作的情况下对闸门进行计算机控制，通过点击“返回”按钮可以切换到主界面.

2 结 语

闸门是水利工程中的重要设施，在防洪、抗旱、水资源合理利用等诸多方面都发挥了非常大的作用.文中基于PLC将计算机信息技术、现代控制技术应用于闸门控制系统中，以实现合理、有效地利用水资源.

[1]郑小平，熊增生．四川横江万年桥水电站泄洪、冲砂闸门制造及施工技术[J]．华北水利水电学院学报,2011，32(1):23-26.

[2]陈琳.三门峡超临界锅炉捞渣机转速自动控制策略[J].华北水利水电学院学报，2013，34(6)：122-125.

[3]漆汉宏．PLC电气控制技术[M]．北京：机械工业出版社，2007.

[4]朱雪凌，张娟.基于PLC的变频恒压供水系统的设计[J]．华北水利水电学院学报，2013，34(2)：87-90.

[5]邢珂，黄民改.基于S7-300PLC的水库测流监控系统的设计[J]．华北水利水电学院学报，2011，32(5)：89-91.

[6]马国华．监控组态软件及其应用[M]．北京：清华大学出版社，2001.

[7]李曼娜.基于PLC的水电站闸门监控系统的研究[D].武汉：武汉理工大学自动化学院，2012.

(责任编辑:杜明侠)

Research on Automatic Control System of Water Gates with PLC

CHANG Cheng

(College of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang 230005, China)

Water gate is one of the most important parts of hydraulic structures. With the rapid development of automatic control, communication and computer technology, water level and gate can be remotely monitored. According to the economy and practicability of the system, a large water gate was chosen to research its control system. According to the design requirements of remote and site control, the control mode of hierarchical distribution was proposed in this article. At the production site, the system was set 4 sets of field control units by control objects, in the monitor center, the remote monitor for water gate was realized using Configuration software, and these systems were designed and researched, such as the power main system, PLC control system and computer monitor system. The research results show water gate can be monitored at the main control room, then the channel information can be sent to the main control room timely. So it can realize the control mode with no one on duty and less people on guarding, and raise the ability of channel management.

automatic control system of water gate; PLC; Configuration; computer monitoring system

2014-09-24

常 成(1991—)，男，辽宁盘锦人，硕士研究生，主要从事电力系统运行与控制方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.016

TV664；TP273

A

1002-5634(2015)01-0076-05