plc在水閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

1、<p>　　PLC在水閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用探討</p><p>　　摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的水閘工程開(kāi)始選擇使用自動(dòng)化系統(tǒng)，系統(tǒng)功能主要包括閘門(mén)的電腦控制、水工數(shù)據(jù)的自動(dòng)觀測(cè)、以及水閘數(shù)字化視頻監(jiān)控等，水閘自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)對(duì)于提高水閘管理水平，發(fā)揮水閘功能有著重要的意義。 </p><p>　　中圖分類號(hào)： TV66 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： &l

2、t;/p><p>　　在我國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，水利工程占有十分重要的地位和作用，且關(guān)系到國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，以及人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全等重大社會(huì)問(wèn)題。在深圳地區(qū)，河網(wǎng)密布，河涌眾多，雨量充沛，在河涌治理的過(guò)程中，閘門(mén)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的建設(shè)顯得十分重要。可編程控制器，簡(jiǎn)稱PLC（Programmable logic Controller），是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置，憑借其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。 </p&g

3、t;<p>　　一、PLC的應(yīng)用特點(diǎn) </p><p>　　1.可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) </p><p>　　高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開(kāi)關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百分之一甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降

4、低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性。 </p><p>　　2.配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) </p><p>　　PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能

5、以外，PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 </p><p>　　3.易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 </p><p>　　PLC是面向生產(chǎn)過(guò)程的工控設(shè)備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原

6、理和匯編語(yǔ)言的人從事系統(tǒng)工程控制打開(kāi)了方便之門(mén)。 </p><p>　　4.系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工作量小，維護(hù)方便，容易改造 </p><p>　　PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)日常維護(hù)也變得容易起來(lái)。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過(guò)改變程序而改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能。 </p><p>　　三、閘門(mén)自動(dòng)化控制系統(tǒng) &

7、lt;/p><p>　　在閘門(mén)自動(dòng)化控制系統(tǒng)建設(shè)或者改造的過(guò)程中，閘門(mén)控制操作一般分為三級(jí)控制模式：第一級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)在沒(méi)有電的情況下手動(dòng)操作模式；第二級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)控制柜操作電動(dòng)控制模式；第三級(jí)為計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)控控制模式。這三種操作模式中，第一、二級(jí)可以脫離PLC系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。第三級(jí)完全依賴PLC系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)其功能。 </p><p>　　在閘門(mén)自動(dòng)化控制系統(tǒng)故障、測(cè)試、檢修或其他特殊情況下，管理人員按第

8、一級(jí)或第二級(jí)方式臨時(shí)調(diào)度控制閘門(mén)，確保生命和財(cái)產(chǎn)的安全。對(duì)于閘門(mén)PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其主要監(jiān)控參數(shù)包括：上、下游水位、閘門(mén)開(kāi)度、手/自動(dòng)選擇指示、開(kāi)閘運(yùn)行指示、關(guān)閘運(yùn)行指示、故障指示、電源指示、電源合閘指示、開(kāi)閘控制、關(guān)閘控制、電流、電壓、功率、有功功率、功率因數(shù)等。電量的監(jiān)測(cè)一般采用智能電量?jī)x表，采用MODBUS協(xié)議與PLC進(jìn)行通訊，PLC與上位機(jī)通訊可以采用RS232、RS485、TCP/IP通訊協(xié)議，通訊介質(zhì)可以采用電纜、光

9、纜、無(wú)線傳輸。對(duì)于單扇閘門(mén)的I/O點(diǎn)數(shù)目統(tǒng)計(jì)為： </p><p>　　DI（開(kāi)關(guān)量輸入，水位計(jì)、閘門(mén)開(kāi)度儀輸入信號(hào)采用格雷碼）：42點(diǎn)；DO（開(kāi)關(guān)量輸出）：2～3點(diǎn)。 </p><p>　　閘門(mén)自動(dòng)化控制系統(tǒng)電氣控制一次回路圖如圖1所示： </p><p>　　閘門(mén)自動(dòng)化控制系統(tǒng)二次回路圖如圖2所示： </p><p><b>　

10、　三、實(shí)例分析 </b></p><p>　　隨著深圳市雨季防汛任務(wù)的日益繁重,原有的防洪排澇系統(tǒng)控制手段落后,設(shè)備陳舊,且泵站水閘分布廣泛,站點(diǎn)分散,使得防洪調(diào)度管理工作比較被動(dòng)。為了在城市防汛管理工作中能夠科學(xué)、及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)控泵站水閘等防洪設(shè)施,高效快速應(yīng)對(duì)水澇災(zāi)害,確保城市安全度汛,對(duì)水閘進(jìn)行綜合自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的泵站水閘遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。 </p><p><

11、;b>　　1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能 </b></p><p>　　水閘控制系統(tǒng)有3個(gè)部分：第一部分：上位機(jī)數(shù)據(jù)組態(tài)集監(jiān)控系統(tǒng) 第二部分：可編程序控制器核心控制系統(tǒng)。用戶通過(guò)上位機(jī)來(lái)對(duì)水庫(kù)水文數(shù)據(jù)、水閘開(kāi)度等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，對(duì)水閘進(jìn)行監(jiān)控?？删幊绦蚩刂破鹘邮丈衔粰C(jī)的指令，完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制第三部分：視頻監(jiān)視系統(tǒng)。由于一般中控室都位于與現(xiàn)場(chǎng)相距較遠(yuǎn)的地方 整個(gè)系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都使用光纖傳送。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如

12、圖1所示。 </p><p>　　圖1 水閘控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) </p><p>　　1.1系統(tǒng)硬件及軟件 </p><p>　　采用 SiemensS7－300 系列 PLC 來(lái)作為水庫(kù)閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)核心,與之相配 SiemensSIMATICWinCC7.0 先進(jìn)組態(tài)軟件作為遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)軟件核心。根據(jù)過(guò)程變量中的數(shù)量和擴(kuò)展容量及閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)要求，綜合可靠性、使用環(huán)境等因

13、素，我們選擇西門(mén)子 PLCS7－300 控制器作為系統(tǒng)主要硬件，選擇系統(tǒng)主要硬件，如表1 所示。 </p><p>　　表 1 控制器硬件組成 </p><p>　　1.2系統(tǒng)輸入和輸出量 </p><p>　　(1)系統(tǒng)輸入量。輸入信號(hào)：6扇閘門(mén)的上升、下降、停止按鈕 緊急停機(jī)按鈕；現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)/遠(yuǎn)程/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)；電源狀態(tài)檢測(cè)；閘門(mén)位置輸入，使用 WFH－2 型全量

14、機(jī)械編碼水位計(jì)傳感器，每扇閘門(mén)高度用10位的二進(jìn)制格雷碼表示；水庫(kù)的壩前及壩后水位輸入，也使用WFH－2 型全量機(jī)械編碼水位計(jì)傳感器，水位用 11位的二進(jìn)制格雷碼表示。 </p><p>　　（2）系統(tǒng)輸出量。輸出信號(hào)：6 扇閘門(mén)提升、下降、停止動(dòng)作等，共18點(diǎn)輸出。 </p><p>　　1.3系統(tǒng)閥位水位數(shù)據(jù)采集 </p><p>　　WFH－2 型全量機(jī)械編碼

15、水位計(jì)是以浮子感測(cè)水位，軸角編碼器編碼的機(jī)械式遙測(cè)水位傳感器。本儀器傳感器根據(jù)感測(cè)天然水體水位的變化，同時(shí)通過(guò)軸角編碼器將水位模擬量A轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼D。由數(shù)字編碼D通過(guò)傳輸介質(zhì)并行輸出到控制柜上的顯示器，直接顯示當(dāng)前水位，同時(shí)，此數(shù)字編碼D又輸入S7－300PLC 控制器當(dāng)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。WFH－2 型全量機(jī)械編碼水位計(jì)可以直接顯示出閘門(mén)提升下降后的實(shí)際高度，抗干擾能力強(qiáng)；在系統(tǒng)掉電及再上電后，水位計(jì)顯示出位置量不變。系統(tǒng)根據(jù)工作人員

16、的需求，設(shè)置檢測(cè)報(bào)警的參數(shù)值，利用系統(tǒng)軟件來(lái)判斷水位計(jì)的輸出值與設(shè)定值的關(guān)系，并給出相應(yīng)的控制指令和報(bào)警輸出信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2 所示。 </p><p>　　圖 2 控制系統(tǒng)的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) </p><p>　　2、WinCC監(jiān)控系統(tǒng)軟件 </p><p>　　系統(tǒng)上位機(jī)的用戶層均采用西門(mén)子PLCS7－300控制器附帶的組態(tài)軟件 WinCC作為用戶

17、的操作界面，并且實(shí)現(xiàn)與 PLCS7－300控制器的網(wǎng)絡(luò)通訊接口的連接。操作界面采用符合人性化的圖形界面。用戶利用組態(tài)軟件窗口下的各種操作指令下達(dá)對(duì)閘門(mén)的控制命令，同時(shí)能夠在界面上看到閘門(mén)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，包括壩前、壩后水位、閥位、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況、上下限位情況、自動(dòng)/手動(dòng)旋鈕位置等信息,詳見(jiàn)圖3。 </p><p>　　圖3水閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) </p><p><b>　　3、視頻監(jiān)控

18、系統(tǒng) </b></p><p>　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)由前端設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備組成。前設(shè)備主要是指各種攝像機(jī)、鏡頭、 云臺(tái)、護(hù)罩、解碼器等設(shè)備；監(jiān)控設(shè)備包括（終端顯示、控制部分）VGA監(jiān)視器 ，視頻監(jiān)控錄像主機(jī)、云臺(tái)鏡頭控制器、控制鍵盤(pán)、矩陣切換器等。前端設(shè)備的功能有：攝像機(jī)的功能是用來(lái)獲取監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)的圖像。云臺(tái)用來(lái)控制攝像機(jī)內(nèi)部電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，承載攝像機(jī)進(jìn)行水平和垂直兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整監(jiān)控可視范圍。鏡頭調(diào)整攝像

19、機(jī)的焦距，從而起到調(diào)整圖像的清晰度和圖像的遠(yuǎn)近。解碼器接收主機(jī)控制信號(hào)，進(jìn)行模擬量與數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，輸出指令實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向及鏡頭焦距的控制。從而保證對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)控。后端監(jiān)控設(shè)備的功能：VGA監(jiān)視器是用來(lái)顯示視頻的設(shè)備，視頻監(jiān)控錄像主機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)前端監(jiān)控通過(guò)控制鍵盤(pán)發(fā)送指令，獲取前端監(jiān)控設(shè)備的反饋的一些參數(shù)，從而達(dá)到控制前端監(jiān)控設(shè)備的目的；矩陣切換器則是在多路信號(hào)輸入的情況下，可獨(dú)立地根據(jù)監(jiān)控對(duì)像需要選擇多路信號(hào)

20、進(jìn)行輸出，完成信號(hào)的選擇。作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的補(bǔ)充，視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要用于監(jiān)視水庫(kù)上下游水位，中控房設(shè)備和閘門(mén)運(yùn)行情況等，工作人員能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行直接的觀察和了解。 </p><p><b>　　五、總結(jié) </b></p><p>　　水閘自動(dòng)化系統(tǒng)作為深圳市水閘業(yè)務(wù)系統(tǒng)中不可缺少的一部分，為水閘運(yùn)行調(diào)度提供決策依據(jù)，進(jìn)一步發(fā)揮水閘在服務(wù)社會(huì)、服務(wù)民生，保障水環(huán)境安

21、全等方面的重要作用。現(xiàn)代化生產(chǎn)是快節(jié)奏、高效益、高自動(dòng)化的一種生產(chǎn)模式，使得PLC系統(tǒng)成為自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主角，在閘門(mén)自動(dòng)化控制系統(tǒng)建設(shè)中，可以充分發(fā)揮可編程邏輯控制器的優(yōu)勢(shì)，一方面，可以達(dá)到無(wú)人值守，自動(dòng)按要求運(yùn)行，自動(dòng)檢測(cè)故障，由它替代人力去工作；另一方面對(duì)于老系統(tǒng)的改造方面，可編程控制器的使用，可以使改造變得更簡(jiǎn)單，費(fèi)用更少，時(shí)間更短。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，深圳市水閘自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)已初具規(guī)模，但還有很多需要改進(jìn)和完善的地方。今后，我們應(yīng)