浅析基于PLC的闸门远程控制系统安全隐患及应对措施

陈浩

摘要：介绍了人民渠一处灌区基于PLC的闸门自动控制系统的运行现状和未来信息化建设的新目标，梳理了灌区闸门自动控制过程中4类核心安全隐患，分别从软硬件方面提出并论述应对措施，对有效消除安全性隐患，提高闸门自动控制系统的安全性，确保闸门的运行安全提供借鉴。

关键词：自动控制;安全隐患;软硬件;应对措施

Abstract： This article introduces the current operation status of the PLC-based gate automatic control system in an irrigation area in People's Canal and the new goals of future informatization construction. It sorts out 4 types of core safety hazards in the automatic control process of gates in irrigation districts， proposes and discusses countermeasures from the aspects of software and hardware， which can effectively eliminate safety hazards， improve the safety of automatic gate control systems， and ensure the safe operation of gates.

0  引言

本文简要介绍人民渠一处灌区闸门自动控制系统的现状和新的建设目标，针对闸门自动控制过程中闸位开度、上下限位、数据传输等重点环节可能出现的闸门启闭超限、卡滞、失速、下滑，闸位异常波动、闸位失联、通讯中断、电机过流、防雷接地等问题，针对性重点阐述了闸门自动控制系统中采取的诸如软硬件双重限位、荷载与闸速异常侦测保护、通讯双向心跳侦测、电机保护及防雷等软硬件方面的应对措施。

1  人民渠一处灌区闸门自动控制系统的现状

人民渠一处灌区在2008年地震灾后重建项目中，于17处主要枢纽处均建设安装了闸门自动控制系统，但都是在就近的管理站、段实施控制，并未真正实现调度中心远程控制闸门，统一调水。

2  人民渠一处灌区未来实现远程自动控制的建设目标

目前，人民渠一处最新编制的《四川省都江堰人民渠第一管理处信息化建设规划大纲》中提出了我处信息化建设新的总目标：实现水资源调配，可视、可量、可传、可控。推动处、站、段的三级管理转变为以管理处为核心的一級管理的机制改革。

其中“可控”，就是要实现灌区干渠、分干渠、支渠、分水洞全部控制节点的远程自动控制，为“一级管理”奠定基础。

为此，本文就基于PLC的闸门远程控制系统存在的安全隐患，提出了针对性的应对措施，以供今后实践借鉴。

3  闸门控制过程中4类核心安全隐患

基于PLC的闸门远程控制系统主要是根据PLC模块采集的闸位信号，通过CPU周期性运行程序来自动控制闸门升、降、停等操作。闸门电机的功率普遍较大，如果系统的软硬件设计考虑不充分，闸门控制时就存在造成人身财产损失的安全隐患。我们必须充分考虑闸门控制中存在的安全隐患并采取应对措施。

结合人民渠一处灌区闸门自动控制系统的运行情况及故障案例，我们梳理出了4类核心安全隐患：

3.1 闸门限位问题

正常情况下，闸门运行到上限位或下限位时，应当立即停止，否则可能造成闸门、电机损坏等重大财产损失，甚至出现人员伤亡。比如，螺杆式升降闸门，运行过程中，如果上下限位出现异常，上下限运行到位后，电机提升或下降还在继续，必定会造成闸门、螺杆损坏、同时，电机也会由于荷载过大而烧毁。另一方面，这类大体积重型设备设备损坏后，更换安装难度大、时间周期长、维护费用也相当巨大。

3.2 闸门卡滞、失速、隐蔽性下滑、闸位异常波动及闸位失联

3.2.1 闸门卡滞、失速、隐蔽性下滑

闸门升降过程中可能因异物阻挡，出现卡滞、升降失速、或处于停止状态的闸门，仍隐蔽性下滑的情况。此时，如果闸门远程自动控制系统没有信号反馈及保护措施，电机、闸门、螺杆损坏、人员伤亡等危险情况随时都可能发生。

3.2.2 闸位异常波动及闸位失联

闸位异常波动，在实际案例中，部分老旧闸位传感器，采集的闸位信号会出现不定期的异常波动，系统人机界面显示的闸位数值在正常值与异常值间不定期跳动，严重影响正常使用。

闸位失联，一般情况下是由于闸位计与转轴间连接不良或传感器损坏，导致闸门升降过程中，闸位数据不变。

两种情况下，如果控制系统没有信号反馈及保护措施，闸门控制的安全性和准确性将大大降低。

3.3 中控与远程PLC通讯中断

在基于PLC的远程闸门控制系统中，通常采用分布式闸门监控系统，其拓扑结构可以分为现场测量控制层、网络连接层、远程监控层三层。如果网络连接层核心设备，如：光纤收发器、交换机、设备电源或者线路故障导致网络通讯中断，现地控制PLC就会与远程控制PLC失联，当失联出现时，远程模式崩溃，如果控制系统没有信号反馈及保护措施，现地闸门在操作员到达现地前，闸门升降状态仍然继续不受控制，相当危险。

3.4 电机过流及防雷问题

3.4.1 电机过流

闸门控制电机的启动、工作电流较大，可以达到10A以上，而且当电流过大时，可能操作人员还来不及反应就已经烧坏了电机或其它控制设备。所以，为保障人员和设备安全，当电机电流过大时，必须在电路设计时加入保护措施，出现异常情况，第一时间断开电路。

3.4.2 防雷

人民渠一处灌区闸房及管理站段中控室一般都在野外，树木繁茂，地势开阔，雷雨季节容易受雷电侵袭导致设备损坏。因此，良好的防雷和接地措施必不可少。2017年5月13日，人民渠一处渠首枢纽闸门自动控制系统因雷击造成了10余万元的重大经济损失。

4  4类安全隐患的应对措施简述

4.1 软硬件双重限位

闸门限位问题可采取软硬件双重限位的办法提高可靠性，实际效果良好。

硬件限位较稳定、可靠的方法是在闸门的行程上限和下限处安装限位开关来实现。

软件限位则是通过组态软件实现上、下限闸位的人机交互设置，通过PLC编程软件的编程，将实时闸位与设置的闸位上、下限实时比较，将“全开状态”和“全关状态”分别作为闸门升、降输出的常闭触点，实现闸位到限，即停。

4.2 荷载与闸速异常侦测保护

针对闸门卡滞、失速、隐蔽性下滑、闸位异常波动及闸位失联的情况，可以从硬件两方面采取措施：

硬件方面，可以设置荷载传感器，实时检测荷载值，当荷载超载时，系统自动报警并停止升降闸门。

软件方面，在系统程序中建立闸速异常侦测保护，通过1s脉冲信号，制造延迟，记录下上一秒闸位，用实时闸位与上一秒闸位做减法，得出1s闸位差值，并绝对值化。从接触器反馈判断运行状态，在运行状态下，1s闸位差值与组态软件提供的人机界面上人为设置的卡滞、失联，失速界限值做比较，比较值为1持续5s（可设定）以上，卡滞、失联，失速故障报警置位，控制中心可实现声光报警。值班人员到可以立即采取应急措施。在停止状态下，1s闸位差值与组态软件提供的人机界面上人为设置的下滑界限值做比较，比较值为1持续5s（可设定）以上，下滑故障报警置位，控制中心可实现声光报警。值班人员到可以立即采取应急措施。

4.3 通讯双向心跳侦测

针对中控与远程PLC通讯中断的情况，可以在系统程序中建立通讯双向心跳侦测，方法如下：

利用0.1s脈冲信号建立心跳脉冲，使用数据传输指令实现现地PLC和中心PLC之间双向传输，现地PLC接受中心PLC发出的心跳脉冲，并向中心PLC发出心跳脉冲，中心PLC接收现地PLC发出心跳脉冲，并向现地PLC发出心跳脉冲。当现地PLC和中心PLC接受彼此的心跳脉冲，出现连续1s以上脉冲值不变，则中心和现地侧即刻发出通讯故障的报警。

此外，程序将通讯故障作为闸门升降输出的常闭触点，可实现一旦通讯失联，现地闸门立即停止升降，最大程度保障系统安全。（图1）

4.4 电机保护及防雷

4.4.1 电机保护

在电机动力线上接入过流保护器，当闸门出现过载情况时，电机电流增大，过流保护器自动断开，保护电机不被烧毁，同时保护闸门及其他控制设备。

4.4.2 降低接地电阻，设置强弱电避雷器

中心机房、PLC控制柜要求做好接地，且必须使接地电阻的阻值达到规范要求。除了按规范做好强电系统多级防雷措施外，还可以针对弱电系统增设弱电防雷保护器。

4.4.3 视频监控系统须设置避雷器

对于视频监控系统，针对模拟摄像头设置浪涌保护器，针对数字高清摄像头设置信号避雷器，可有效保护上层设备不受雷击损坏，缩小受灾范围。

4.4.4 闸门控制系统增设信号避雷器和信号隔离器

对于闸门远程控制系统，通信线路应设置信号避雷器，另一方面，由于部分老旧压力式水位传感器设置在河水里，很容易引雷进入系统，故很有必要在传感器与IO模块间增设信号隔离器。

5  结束语

本文分析了基于PLC控制系统在闸门控制过程中的四类安全因素，针对性阐述了四种提高闸门安全性的方法。做好这些重点环节安全隐患的应对措施，能有效提高闸门自动控制系统的可靠性、稳定性，确保闸门的安全运行。

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