PLC 在南水北调弧形闸门上的应用

刘杰

摘 要：随着PLC技术的出现，水利工程闸门上开始采用PLC技术实现远程控制等功能。因此，本文介绍了当前 PLC 在南水北调弧形闸门上的应用情况。与传统的继电控制电路相比，PLC具有操作简单、及时、准确，系统稳定，运行维护费用低等优势。

关键词：PLC;南水北调;闸门;应用

1 自动控制系统总体方案

该闸站共有2孔闸门，采用一机一门运行方式，每孔配有液压启闭机，电路控制系统由I/O控制柜和现地控制柜2部分组成。

1.1 PLC选型

综合考虑性能、价格、扩展性等因素，某段LCU 控制单元的控制核心选用德国西门子公司的S7-300系列 PLC。SIMATIC S7-300专业用于复杂运动控制工艺要求，可以使用现成的运动控制指令，实现复杂的运动控制任务。S7-300建立在模块式的组态上，无需 I/O模块的插槽规则，具有高处理速度，CPU 可以实现非常短的机器循环时间，现有丰富的模块可用于集中组态和搭配 ET 200M 实现的分布式组态。集成的 PROFINET 接口可实现控制器的简单网络化，与其它运行管理等级方便的进行数据交换，模块宽度窄，可实现紧凑式的模块设计或者小型控制柜。集成的PROFINET 接口能够把强大的 CPU 与工业以太网/PROFINET 接口、集成的工艺功能或故障防护设计集成在一起，从而避免附加投资。中央处理器采用CPU313C，集成具有用于数据通信的分散式外设 PROFIBUS-DP主/从接口和用于编程器上装程序的多点MPI接口，具有顺控、调节、过程输入/输出、数据处理和外部通信功能。

1.2 PLC模块配置

PLC自带24DI/16DO，4AI、2AO四种模块，其性能完全满足控制系统需求。PLC的I/O接口为2通道模拟量输入模块 SM321 用于连接标准开关按钮、接近开关、电磁阀、接触器、灯等。PLC控制系统DI、DO模块实现中、底孔弧门的启、闭门的自动控制，并对启、闭门过程中出现的故障进行监控。此外通过模拟量输入AI模块SM331处理闸门开度传感器转变的模拟量输入信号，模拟量输入模块采用四线制4～20mA电流输入。

2 PLC控制的实现

2.1 硬件组成

每套液压启闭机设一套机旁控制设备，每套机旁控制设备由机旁启动回路柜与远方闸站监控系统（PLC），以及闸门开度检测装置和液压泵站压力、油位、温度等传感元件组成，具有单机应急操作、安装调试及系统保护等功能，可实现与远程闸站控制系统的数据交换和联合控制，对于节制闸可以实现远程指令操作。

2.2 程序设计

S7-300 配置了CPU、以太網、开入、开出、模入、模出及SSI和高速脉冲等模件。开入模件测量闸门开关状态信号，模入模件测量启闭机动力电源电压、电机电流、油压、油温等信号，模出模件通过比例放大规律控制比例纠偏阀，开出模件控制电机、电磁阀等。南水北调某段弧形闸门采用 SSI 模件通过开度仪编码器测量闸门左右开度，以太网模件实现与上位机数据交换。

2.3 触摸屏的设计

触摸屏选用 MCGS 的 TPC10 触摸屏，是一套以嵌入式低耗功 CPU 为核心的高性能嵌入式一体化工控机。采用 MPI 通讯方式连接，通过组态，画面模拟显示主画面中的闸门信息，包括：I/O 柜控制方式，启闭机柜控制方式，闸门开关状态，闸门运行状态，油泵运行状态，闸门控制按钮，闸后水深等信息。操作界面采用人性化图形设计，为保证设备安全，软件设计了管理员登录功能，为每位操作人员设置了登录账户，用户可以利用软件下达操作指令，并且在界面上看到闸门实时动态。数据屏包含水利数据、配电数据、启闭机数据 （闸门开度、油温、油压、目标开度等信息）。此外，数据屏包含报警信息，显示各故障报警详细信息，一旦出现警情，会立刻提示。操作人员可以通过触摸屏观测到所有数据，并通过用户登录实现闸门操作等功能。

2.4 控制设计

通过传感器，采集每个闸门的运行工况，将传感器的开关量和模拟量等信息通过以太网上送给远程闸站控制系统，实现实时监控。为提高数据采集的精度，实时数据的处理采用了软件数字滤波、变化梯度检查、数据合理性校验等抗干扰技术。上位机根据采集的现场数据，监视运行情况，发出控制命令。根据接收的控制信号，自动完成闸门的提升或升降以及闸门的开启或关闭输出计算，比例调速阀按给定开度或给定流量实现闸门同步控制。

3 控制模式实现

S7-300系列PLC系统控制方式有3种，即远程集中控制、现地自动控制、现地手动控制。控制系统设有过载、短路、失压、闸门全开全关、上升和下降卡滞报警保护功能，一旦故障报警信号发出后，必须发出故障复位信号，才能重新控制闸门，根据闸门控制回路，各信号、触点输入 PLC，得出闸门的控制策略。根据工作需要选择工作方式。

3.1 手动模式下操作

图1所示，将转换开关 “SA01”转到 “手动”位置，可以完成油泵启停、启门、闭门等。

闸门开启时，将转换开关“SA01”转到 “手动”位置后，通过“SA02”手动启动油泵，油泵运行10s后即可进行启门（1SB1）操作。启门过程中，需操作人员根据开度显示来进行双缸同步调节，双缸流量通过面板上的调节按钮来控制。

3.2 现地 （自动） 控制操作

闸门开启时，将转换开关“SA01”转到“自动”位置后，只需按下 “启门” 按钮，即可自动进行启泵、升压、启门动作、同步调节。闸门开启过程中，如果系统左右开度偏差值超过纠偏启动值10mm，系统将激活同步调节功能。

3.3 远程控制操作

将控制柜工作方式选择开关“SA01”转换到“远程” 位置，此状态下，现地控制柜上除“紧停”按钮和SJ1、SJ2有效外，其他操作按钮均无效，所有启闭门指令均由计算机监控系统的远程I/O发出。现场闸室由PLC及分布式I/O柜组成，其功能是实时采集闸门前后水位数据，根据实际情况进行预处理及报警。采集参数包括： 闸门开度，闸门左右反馈开度，闸前后水位，流量等重要参数，然后把采集到的数据传输至总调中心进行处理，根据实际需要可实现远程操作闸门。在选择自动模式时，PLC通过过闸流量计采集流量信息自动控制弧形闸门的升降，保证流量在设定范围之内。通过一个分层次，多手段的监控系统，完全可以实现闸门现代化管理，这一特性对于长距离输水调水尤为重要。

通过该PLC在南水北调弧形闸门上的应用，以其良好的系统兼容性、便于扩展和维护、可靠性高、易于与上级调度指挥系统集成等优点，全面实现了闸站 “无人值守”输水调度。为了进一步完善系统，可以在现地控制柜增设触摸屏等设备，现地实时监测闸门系统运行状态，监测系统各项数据。经过现场调试运行，系统对闸门状态数据采集迅速可靠，控制命令下达及时准确，很好的满足了现场工作要求。西门子S7-300应用在水利系统中大大提高了系统的自动化程度和设备的生产效率，具有较大的推广价值。

参考文献：

[1]张晓波.基于以太网的梅山水库闸门监控系统的设计与应用[J].江淮水利科技，2018（03）：143-145.