基于PLC的水文测流系统研究及设计

(1.长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，湖北 武汉 430010;2.长江水利委员会水文局，湖北 武汉 430010)

目前，水文测流仪器正在向遥测、遥控、全自动、智能化、存贮式、走航式方向发展，流速仪也同样如此。如今，几乎所有水文测流仪器都与计算机联接，测量数据由计算机处理、绘制、打印，这是一种必然趋势。现有的可编程逻辑控制器(PLC)控制研究多应用于工业控制，而水文测流设备的控制系统发展相对较为单一。本文将PLC和触摸屏引入水文测流控制系统，使系统得到更好扩展，并将PLC和触摸屏技术与现有的互联网技术及微电脑控制相结合。

现有的水文测流系统，其设备和控制部分都是通过按钮加继电器的线路连接实现的，或采用人工放ADCP探头入水的方式，存在以下不足。

(1)可靠性低。制造过程中复杂的线路连接和回路通断连线使设备的可靠性大大降低，操作台上同时有多达30个按钮占用了大量空间，易造成水文测流人员点击错误或操作失误，从而酿成设备损坏或安全事故。

(2)测量易受干扰。每次测流，需要手动将ADCP多普勒测流声纳安装于测船船舷边，安装人员面临随船跌入江中的危险，同时船的走水扰流也对ADCP多普勒声纳测流精度产生干扰。

(3)现有系统的可扩展空间非常小，如要更改设计满足其他客户要求或增加功能，操作复杂和繁琐，同时也不易掌握设备的延时和时间控制。

(4)制作、安装、调试一套微机测流系统，工作量大、时间周期长。

因此，迫切需要引入自动化、模块化、机械化的系统，将取沙器下降到相应的测深深度，ADCP多普勒探头可自动伸入水中，并与船舷保留一定距离，实现更准确、高效的测量，实现自动测流，同时能提高功能的扩展性，加大扩展空间。

1 PLC控制系统设计概述

1.1 PLC控制系统设计流程

(1)明确控制对象。被控对象包括：液压电磁阀12个，施耐德ATV71HU40N4变频器2台，380 V异步电机2台，380 V油泵电机1台。

(2)PLC选型。根据输入输出设备以及整个系统I/O数量和设备所需信号的具体要求，选定合适的PLC型号。该系统选择三菱FX3U-32MT可编程控制器和扩展模块FX2N-8EX、模拟量输出模块FX2N-2DA。

(3)明确每个输入和输出点的地址，并且制定I/O构成图。明确输入输出设备以及PLC机型，绘制关于输入输出设备和PLC的I/O点的地址分配表。整个设计总共需要16个输入，20个输出，另加2个DA转换输出。

(4)确定软件与硬件分工。控制系统的部分功能可用硬件和软件实现，除了必要的应急控制测流，取沙器的电机上升、下降和停止按钮，电机和油泵的动力输入按钮，手动自动切换、变频速度控制手动自动切换按钮之外，系统控制尽量通过软件实现。

(5)设计PLC的硬件和软件。硬件设计主要包括设计电气线路，绘制输入输出接线图、电气控制结构图、电气设备安装图等。软件设计的主要内容有制作梯形图、状态表、指令表等，设计控制程序是整个PLC系统中最核心的内容。在此之前，要把控整个生产工艺流程、明确系统的控制目标，通过控制目标的具体特性把握整个PLC系统的控制要求。①确定基本控制方法，包括速度控制、电流电压控制等；②确定需要完成的动作，包括控制变频器正反转，实现电机升降、电磁阀的点动开闭；③确定操作方式，包括手动(手动点动)，液压叠臂的联锁、互锁、延时，现场显示，故障诊断等。

(6)进行总装统调。首先，通过调试检验不带有输入输出模块的指示灯是否正常。发现问题可及时解决，直至排除故障。然后联机试运行，在确保各输出设备正常工作之后，让系统携带负载运行，一直到认为系统无误为止。可通过修改或调整软硬件设计，使之符合设计的要求。

(7)完成PLC控制系统的设计，投入实际使用。总装统调后，还要经过一段时间的试运行，以检验系统的可靠性。

水文测流PLC控制系统的设计框图如图1所示。

图1 水文测流PLC控制系统

1.2 PLC供电方式选择及输入输出模块选型

PLC供电方式为同时需24 V直流和220 V交流两种。I/O设备的直流供电应当采用独立的直流电源供电，以减少输出设备，主要是感性负载对输入的干扰。

(1)PLC控制系统I/O点数估算。①控制电磁阀所需的12个I/O点数全部为输出口，控制对应的12个电磁阀。②控制三相380 V电动机所需的10个I/O点数，其中6个输入口用来读取按钮信号，4个输出口用来输出，以控制2台变频器对应控制的2台电机动作。8个I/O负责限位开关和垂线自动信号的输入检测和判别。

各控制按钮(应急上升，应急下降、应急停止，油泵电源通断和变频电源通断)共8个输入按钮信号口、4个外部信号(测流限位开关)输入口，电气连接如图2所示；FX2N-8EX输入模块上的4个外部输入I/O信号(取沙限位开关)电气连接如图3所示；限位开关、垂线自动信号与PLC电气连接如图4所示；垂线自动的控制与PLC电气连接如图5所示。

(2)输入模块选择FX2N-8EX。输入模块的功能主要是检测来自限位开关和垂线自动的输入信号，选取电压为24 V的直流电作为输出模块电流镜输入信号，转换成PLC内部处理的电平信号。然后将电平信号转换成可以与外部负载继电器匹配的线圈通电信号。

图2 按钮与PLC电气连接部分

图3 外部控制信号与PLC连接部分

图4 限位开关、垂线自动信号与PLC的连接

图5 PLC控制液压臂继电器

三菱PLCFX3U-32MT和台达触摸屏DOP-B07S411都以24 V直流为电源，同时电磁阀和继电器也以24 V直流为驱动电源，而PLC的交流电源为220 V。

2 PLC组成的动力控制系统设计

根据控制系统的工作原理与要求，系统采用的PLC型号为FX3U_32MT，D/A模拟量输出功能模块为FX2N-2DA，施耐德变频器型号是ATV71HU40N4，电动机是普通三相异步电动机，欧姆龙360转编码器(型号为E6B2CWZ6C)直接与电动机通过蜗轮蜗杆带动的滚筒钢丝绳转向轮轴相连接。

经过变换并根据功能需求，在原有基础上加入油泵电机驱动的液压伸展臂，可实现4组8个动作，以及动作中叠臂锁紧和解锁的延时控制，并预留了取沙动作中的扩展空间，同时通过PLC模拟量扩展模块和触摸屏控制变频器的速度调节。

系统工作时，PLC通过D/A功能模块输入设定值，再与旋转编码器的反馈值进行比较，根据差值按照一定的算法给定变频器的控制量，然后由变频器控制电动机运行。编码器的脉冲频率显示电动机的转速值。限位开关采用施耐德滚轮式接近开关，型号为XCKP2118G11。电位器产生连续可调的电压值作为系统的给定信号，即给定速度或位移值。PLC输出控制量使变频器拥有两种方式：①用开关量控制；②用模拟量控制，系统工作只能按其中一种方式运行。

变频器控制电动机运行有3种方式：变频器面板键盘控制、外部模拟输入端AVI控制和标准通信485接口控制。PLC输出为模拟量控制，变频器运行状态由外部模拟输入端AVI控制，频率由电位器RW1来控制，调节RW1可以改变变频器的输入频率，从而改变电动机转速。由外部模拟输入信号控制电动机的运行和停止。

触摸屏选用台达的DOP-B07S411，将屏幕分为3个切换界面，分别控制铅鱼上升下降按钮和各电气状态显示界面、液压臂的伸出收回操作按钮界面以及变频器速度控制的设置界面，触摸屏通过RS232转AVI接口与PLC通讯。PLC与触摸屏的电气连接如图6所示。

图6 PLC与液晶触摸屏的连接

3 各项特殊功能的实现

3.1 ADCP自动化机械伸展液压臂电路设计

通过PLC输出口的电压控制继电器24V电源的通断，实现对应电磁阀电源的通断，从而实现测流和取沙两个液压臂的伸缩，以及ADCP折叠臂4组对应动作。

该部分是PLC的输出口，分别输出控制继电器，然后前4个继电器分别控制测流和取沙变频器的正反转端口。后面8个继电器分别控制测流和取沙2个液压臂的伸出收回以及ADCP变形臂主臂的伸出收回、叠臂打开收回、叠臂锁紧解锁和底臂伸出收回。

3.2 PLC+触摸屏控制变频器变速程序

第三界面通过设置变频器0～50Hz的数值或者触摸屏点击增速、减速按钮控制PLC模拟量输出模块，从而控制变频器0～50Hz电机的速度。

若FX2N-2DA模拟量输出模块位于2号模块位置，CH1设定为电压输出，CH2设定为电流输出，并要求当PLC从RUN转为STOP状态后，最后的输出值保持不变。FX2N—2DA模拟量输出模块位于2号模块位置上，由I/O口扩展模块来实现对模块FX2N-2DA编号的识别。

3.3 液压臂控制测试效果

PLC控制变频器调速和运转流程如图7所示，首先控制测流液压臂伸出，然后控制液压主臂伸出并打开折叠臂，控制液压底臂伸向水面，最后伸入水中，控制效果见图8。

4 结 语

由于时间和实验条件的限制，本文还存在以下不足，有待进一步完善。

(1)将PLC系统与计算机或通信处理单元、通信转换单元相连构成局域网络，以实现信息的交换，并构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，以满足自动化 (FA)系统发展的需要。

图7 PLC控制变频器调速和运转流程图8 液压臂控制效果

(2)将PLC和触摸屏技术与现有的互联网技术、微电脑控制技术相结合。中心控制站通过网络通信控制计算机和PLC实现联机控制，再加入远程监控系统，实现远程遥控缆道测流系统和船测系统控制机械设备的无人自动化测流，真正实现“互联网+”在水文监测中的应用。

(3) 引入远程监控系统和广域网，在“互联网+”模式下，实现缆道站无人监测。通过摄像头远程观测缆道断面情况，利用互联广域网、PLC联机和移动APP实现手机端远程观测断面情况，控制缆道站铅鱼的上升、下降、前进、后退，也可通过控制中心远程控制缆道站测流。