PLC技术在马河水库闸门自动控制系统中的应用

闫伟

滕州市马河水库管理服务中心 山东滕州 277533

闸门作为水利工程的特种设备，肩负着防洪、供水、灌溉、蓄水等艰巨任务，如何保证闸门安全运行，实现精确控制，以提高其科学调配水量的能力，是对水利工程运行管理工作提出的一项新要求。早在2004年，马河水库便设计了基于PLC S-200为主控件的闸门自动控制系统，用以替代原继电器式闸控系统。2018年，我们又采用新一代PLC S-1200替换S-200，组建起局域网，实现了PLC控制系统现场控制与中控室远程控制的结合，进一步优化了自控系统[1]。

1 PLC闸门自动控制系统概述

1.1 可编程控制器（PLC）简述

作为自动控制系统的主控器件，可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC），是以微处理器为基础的通用的工业控制装置。通过向其可编程存储器装入不同的应用程序，就可以应用于不同的工业控制系统，完成不同的控制任务。

1.2 PLC闸门自动控制系统的特点

（1）安全可靠、精确度高。传统的继电器式闸门控制系统，机械故障率高、维修复杂，闸门开度、过闸流量都需人工测算，难免存在较大误差。采用PLC技术则可实现对各种机械运动状态和位置的自动、精确控制，再加上故障自诊和保护电路设置，进一步提高了系统的安全性[2]。

（2）灵活适用和可扩展性。当被控设备的结构或工艺发生改变时，PLC自控系统只需修改内置的应用程序，就能满足新的控制要求。此外，PLC只需通过简单的组合扩展元器件，便可灵活地拓展控制系统的规模，给生产带来很大的方便。

（3）工作效率高。继电器式闸门控制系统的自动化水平低，存在相当大比例的人工操作。采用PLC技术可减少调试、运行、维护工作的强度，只需用户设置好目标参数，所有控制动作均由系统自动完成。

2 马河水库东放水洞闸门自动控制系统

东放水洞是马河水库灌区灌溉、工业和城市生活供水共用的主要输水通道。放水洞为钢筋砼有压圆管结构，断面直径1.4米，最大泄流量22立方/秒，通过启闭机带动升降辊升/降闸门的方式来调节泄流量。

2.1 系统组成及功能

控制系统由西门子PLC、旋转编码器、触摸屏等核心部件，以及交流接触器、中间继电器、闸位传感器、断路保护器等附属部件构成。

（1）PLC。PLC控制器使用前，需先由用户（PLC系统的使用者）根据控制要求，使用PLC厂商提供的编程语言编写计算机程序。其作用相当于对控制系统的继电器设备的硬件接线线路进行设计，从而设定PLC的动作，也就是实现所谓的“可编程”。

本次改造采用西门子PLC S7-1200替换S7-200作为主控器。S7-1200配有RJ45标准通讯端口，可通过网线同水库中控室计算机连接，组建基于以太网协议的局域网，达到既可在现场实现闸门自动控制，也可由中控室进行集中控制的目的[3]。

当控制任务改变时，还可通过西门子公司STEP7Basic工具软件，对S-1200进行在线编程。而且系统所有模块（包括网络通信）均支持带电插拔，现场维护十分便捷。

（2）旋转编码器。系统采用400线增量式旋转编码器，并对其进行4倍频，即：编码器旋转一圈产生1600个脉冲信号（400×4=1600），进一步提高了闸位计量精度。具体为：因升降辊每转动一圈闸门升/降1米，因此，闸位控制精确度达到0.000625米（1米/1600脉冲=0.000625米）。

编码器的安装也十分方便。将400增量式旋转编码器通过固定式支架与放水洞闸门钢索升降辊同轴连接，以使升降辊与编码器的旋转同步。编码器通过信号线将旋转输出的脉冲送至PLC高速计数器专用通道，PLC根据脉冲数量和相位，得出闸门变动方向及实时位置。

需要说明的是，因增量式编码器无法检测电动机轴的绝对角度，系统意外断电后，升降辊若发生人为转动，再加电后，需对编码器执行回零操作，以重新确定位置参数的起点，而这无形中增加了额外工作量。为此，本次改造中，我们专门配置了24V备用电瓶（也可称之为“保持电瓶”），在外电中断时为PLC控制系统供电。

（3）触摸屏。作为人机交互装置，KTP600触摸屏可设参数多，且数据、图形兼备，形象直观。用户可运用西门子公司STEP7Basic编程应用软件，对KTP600进行组态（Configure）。流程是：在计算机上打开STEP7Basic应用软件，用软件中提供的工具、方法，以图形化的方式逐一定义按键相对应的连接地址（PLC内部元器件的地址）。组态完成后通过RJ45通讯端口下载至触摸屏,再用网线将触摸屏与PLC进行连接，这样触摸屏就可以向PLC发送指令和接受来自PLC的反馈，用户只需要通过操作触摸屏就可以控制PLC的动作了。

综上所述，本系统根据用户指令要求，以西门子PLCS-1200为主控核心，通过运行预置的应用程序，控制闸门升降辊的运动，来实现对闸门升/降的精确控制。

2.2 安全保障技术

考虑到升、降、停的快速切换及误操作等可能导致系统出错，本系统线路采用了互锁保护。

PLC有监视定时器等自检功能，当检测出异常时，输出的控制信号全部关闭。自检异常信息主要包括：闸门卡滞，闸门运行失速，以及闸门开度过大引起的上升越限和下降过度引起的下越限等。

3 结语

马河水库放水洞闸门自动控制系统，以PLCS-1200替换S-200作为主控器，保留了原控制系统附属部件，其投资成本低、可靠性高。S-1200良好的通讯互联功能，为实现闸门的远程控制提供了可能。自控系统的成功应用，为水利工程自动化建设提供了参考借鉴，具有一定的推广价值。