摘要: 本文以某大型攔河壩閘門控制系統(tǒng)為例，主要介紹了基于PLC與現(xiàn)場總線控制方案的具體設(shè)計和實施細節(jié)要點。重點對系統(tǒng)的硬件、軟件結(jié)構(gòu)及工作原理進行了講解，并且介紹了OMRON PLC的應(yīng)用特征。實踐證明，該系統(tǒng)的投運能夠滿足大跨度水域攔河壩閘門的自動控制要求，具有先進、可靠、控制性能好等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞: 閘門 PLC 現(xiàn)場總線 自動控制
1 前言
我國的水力資源在地域分布上極不平衡，總體來看，西部多、東部少，水力資源相對集中在西南地區(qū)，而經(jīng)濟發(fā)達、能源需求量大的東部地區(qū)水力資源量極小，因此，西部水力資源開發(fā)除了西部電力市場自身需求以外，更重要的是要考慮東部市場，實行水電的"西電東送"戰(zhàn)略。但是在水力資源開發(fā)尤其是內(nèi)河河壩控制系統(tǒng)方面，仍然普遍存在設(shè)備落后、功能差和老化嚴重等問題，相應(yīng)的系統(tǒng)能耗大，效率低，且面臨技術(shù)改造和維修問題。很多河壩的閘門控制系統(tǒng)設(shè)備落后，自動化水平低，甚至存在相當(dāng)大比例的人工操作，效率低，亟需系統(tǒng)的升級改進以滿足更高更安全的控制需求。
作為通用工業(yè)控制計算機, 可編程控制器近40年來從無到有,其功能從弱到強,其應(yīng)用領(lǐng)域從小到大。今天的可編程控制器正在成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備,在世界各地發(fā)揮著越來越大的作用。本文基于大型攔河壩閘門控制的具體情況，提出一個基于PLC和現(xiàn)場總線控制的整體設(shè)計方案。
該攔河壩由17孔啟閉式閘門組成。其跨度約為300m，閘門的最大開度可達1.7m。閘門控制房距離大壩迎水面40m。由于地理跨度較大，本閘門控制系統(tǒng)采用總線分布式分級控制方式進行設(shè)計。
2 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)采用總線分布式的控制方式，分為現(xiàn)場控制和集中控制兩級?？偩€采用OMRON公司的CompoBus／S現(xiàn)場總線協(xié)議，見圖1。
圖1 系統(tǒng)總體示意圖
現(xiàn)場級是由在每個閘門現(xiàn)場都安裝的閘門控制柜(CPU采用OMRON公司的CP1H系列PLC)組成，共17臺。其功能是實現(xiàn)在現(xiàn)場對閘門的手動控制，對水位、閘門開度、閘門運行狀態(tài)和錯誤信息的現(xiàn)場采集與監(jiān)視，并且完成與集中控制級的實時通信，包括：接收控制信息，完成閘門控制動作，發(fā)送用于遠程監(jiān)控的閘門運行狀態(tài)、錯誤信息到主站。
集中控制級是由設(shè)置于閘門控制房內(nèi)的一個控制柜(CPU采用OMRON公司的CJ1G 系列PLC)。其主要功能是：通過CompoBus／S與下級系統(tǒng)進行通信，處理相關(guān)數(shù)據(jù)，向監(jiān)控主機發(fā)送閘門的運行狀態(tài)、錯誤等信息以及接收監(jiān)控主機的指令后向下轉(zhuǎn)發(fā)。
監(jiān)控主機通過監(jiān)控軟件(本系統(tǒng)采用的是組態(tài)王)接收并顯示閘門開度、狀態(tài)等信息，對錯誤信息進行報警，并且可以發(fā)出指令，控制閘門的運行，同時生成報表。UPS電源用來在停電時為兩級控制系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)不間斷工作。
3 系統(tǒng)配置及硬件接線
現(xiàn)場級單個閘門控制柜的輸入輸出點個數(shù)為：DI=16，DO=6，AI=2(第一孔)。本系統(tǒng)現(xiàn)場控制級CPU采用具有40個輸入輸出點的OMRON公司的CP1H系列PLC。由于一號控制柜將進行水位的采集，所以采用自帶有模擬輸入輸出模塊的CP1H—XA40D，此型號的PLC有4點的模擬量輸入，2點的模擬量輸出，其功能對于水位采集已經(jīng)夠用。其余控制柜采用不帶模入／模出模塊的CP1H—X40D。通信是通過CP1H擴展的一塊通訊從單元SRT21完成，此通訊從單元節(jié)點號為O。根據(jù)PLC地址分配規(guī)則，輸入地址為ClO2，輸出地址為ClO102。
集中控制級的控制柜CPU采用了CJ1G 系列PLC擴展兩塊SRM21主站單元組成，其單元號分別為0和2。根據(jù)CJ1G的地址分配規(guī)則，其地址分別為CfO2O00與CfO202O。兩塊主站單元分別與下邊的8個和9個從站單元進行數(shù)據(jù)交換，并與監(jiān)控主機進行通信。監(jiān)控主機與CJ1G通過RS232線纜連接。兩級系統(tǒng)之間的通信采用的OMRON的現(xiàn)場總線協(xié)議CompoBus／S完成。
CompoBus／S通信模式可分為遠距離通信和高速通信兩種。當(dāng)工作模式為遠距離通信模式時，傳輸速率為83．75Kbps，傳輸距離可達500m； 當(dāng)為高速通信模式時，傳輸速率為750Kbps，傳輸距離為100m。通信模式通過I／O連接單元的DIP開關(guān)設(shè)定。本系統(tǒng)選擇遠距離通信模式。
由于集中控制級的實現(xiàn)比較簡單，這里只是介紹現(xiàn)場級控制柜PLC(第一孔)的接線圖與軟件實現(xiàn)。現(xiàn)場級控制柜的接線原理圖如圖2。
PLC 由UPS電源提供220VC 電源。PLC的0CH和1CH為輸入通道，100CH和101CH為輸出通道。其0CH通道的低8位I：0.00～I：0.07接旋轉(zhuǎn)編碼器，進行閘門開度狀態(tài)的采集。0CH通道高4位進行現(xiàn)場閘門控制操作以及系統(tǒng)其他一些狀態(tài)的采集。在1CH(輸入)通道中I：1.08進行現(xiàn)場／集中控制的選擇。I：1.09是為了清除錯誤報警位設(shè)立，當(dāng)錯誤排出后，對I：1.09的輸入使得錯誤信息復(fù)位，系統(tǒng)可以運行。1CH后兩位提供了閘門運行的一種保護。
輸出通道100CH的輸出為閘門的控制信號以及提示、報警信息。圖中的IN1+、IN1一為模擬量輸入通道。它與水位儀連接。由于CP1H系列PLC提供了一個24VDC的電源輸出，所以可以直接作為水位儀的電源。
圖2 PLC現(xiàn)場接線原理圖
4 軟件設(shè)計
現(xiàn)場一號控制柜的軟件編寫如下：系統(tǒng)的自動控制功能可分為現(xiàn)場級控制、集中開／閉環(huán)控制。其控制的程序流程圖如圖3?，F(xiàn)場控制級具有最高的優(yōu)先級，這是由于對閘門的控制要求有較高的安全性和可靠性。當(dāng)選擇現(xiàn)場級控制后，集中開／閉環(huán)控制都被屏蔽。PLC采集現(xiàn)場控制柜的升、降、?？刂戚斎霠顟B(tài)，對閘門進行升降停操作。此時閘門的開度信息、運行狀態(tài)可以在現(xiàn)地控制柜上的文本顯示屏進行顯示輸出，并同時上傳到監(jiān)控主機顯示。如發(fā)生錯誤，則發(fā)出報警并停止閘門運行。
圖3 系統(tǒng)軟件控制流程圖
當(dāng)W2．05復(fù)位時，進行集中開環(huán)控制。遠程開環(huán)控制可以在監(jiān)控主機上點擊操作界面(本系統(tǒng)采用的是組態(tài)王)上的升、降、停按鈕，完成對閘門的遠程控制。當(dāng)升、降、停按鈕被點擊時，主機會置位集中控制級PLC 的存儲位，并通過CompoBus／S總線將置位信息傳送給分散控制級PLC，其內(nèi)存地址為W2.00、W2.01、W2.02。CP1H根據(jù)此三個開關(guān)量的狀態(tài)進行閘門操作?？紤]到升、降、停的快速切換可能會導(dǎo)致出錯，所以要全都采用了互鎖。當(dāng)有錯誤發(fā)生時不管閘門的運行在何種狀態(tài)都必須馬上停止閘門，并發(fā)出報警，直到錯誤排出后，通過CP1H的故障復(fù)位按鈕(CIO1.09)清除故障報警，并重新運行。
閘位的采集通過8位增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸入得到。其輸入通道為CIO0.00～CIO0.07。由于編碼器輸入的是格雷碼，所以需要采用格雷碼轉(zhuǎn)換指令(GRY)將其轉(zhuǎn)化為BIN(-進制化16進制)數(shù)據(jù)(存儲與D20)。由于編碼器的位數(shù)僅8位，因此還要對編碼器所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)(D70)進行軟件的采集計算。最后根據(jù)編碼器的圈數(shù)D70和此時編碼器的值D20計算閘門的運行距離(D250)。其計算公式為：D250=D70*單圈高度+D20。其流程圖如圖4。
圖4 閘門開度采集子程序
系統(tǒng)水位采集時采用的水位傳感器是壓力式水位變送器，輸出信號是4～20mA電流信號。由于PLC 自帶有模擬信號輸入通道，使得標(biāo)準(zhǔn)電流信號可直接輸入PLC(本系統(tǒng)采用CIO200、CIO201分別為閘前、閘后水位輸入通道)，不需要再擴展A／D模塊。模擬信號在PLC模擬輸入通道中自動完成A／D變換。這里的A／D變換全部采用的是線性變換，分辨率為1／6000或者1／12000，分辨率的選擇通過PLC設(shè)定。閘門運行時的錯誤信息主要包括：閘門卡滯，閘門運行失速， 以及閘門開度過大引起的上升越限和下降過度引起的下越陷等。這些錯誤信息的采集比較簡單，這里就不詳細介紹。
5 總結(jié)
系統(tǒng)自投運以來，取得了顯著的效益，體現(xiàn)在以下幾個方面：
?。?）提高了設(shè)備的使用效率。本方案通過對閘門控制的綜合自動化，排除以往靠人工觀察和經(jīng)驗進行操作，實現(xiàn)河壩閘門的優(yōu)化運行，降低了主體設(shè)備的損壞率，延長其使用壽命和維護周期，每年節(jié)省備件消耗可達百萬元同時本方案采用了實時負荷控制，提高設(shè)備的利用率，減少了設(shè)備的空轉(zhuǎn)率，實現(xiàn)節(jié)能3%~5%。
?。?）增強了可靠性和安全性。本設(shè)計方案實現(xiàn)了主體設(shè)備的聯(lián)鎖控制和異常報警和及時關(guān)停。工程師站設(shè)立授權(quán)以對有關(guān)參數(shù)進行修改，主控站以授權(quán)方式操作，避免了人為誤操作等可能造成的設(shè)備損壞，增強了系統(tǒng)運行的安全性、可靠性。
?。?）減輕了職工的勞動強度。本設(shè)計方案實現(xiàn)集控室的遠程監(jiān)視并相應(yīng)進行相應(yīng)操作即可，現(xiàn)場只需不定期巡視，減少了職工的所需數(shù)量和勞動強度，達到減員增效的目的。
【參考文獻】
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