淺談PLC在寶應(yīng)船閘的應(yīng)用

1、 淺談PLC在寶應(yīng)船閘擴(kuò)容工程中的應(yīng)用 單位：江蘇省寶應(yīng)船閘管理所 作者：徐立新 日期：2013年10月08日目錄一、概述21.1 船閘簡(jiǎn)述21.2 船閘擴(kuò)容2二、PLC在船閘中的應(yīng)用22.1 PLC的應(yīng)用22.2歐姆龍PLC在寶應(yīng)船閘控制系統(tǒng)的構(gòu)成32.3 PLC硬件配置42.4寶應(yīng)船閘控制系統(tǒng)組成42.5控制系統(tǒng)的功能52.6系統(tǒng)運(yùn)行故障的處理62.6.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路應(yīng)故障62.6.2控制回路故障62.6.3液壓系統(tǒng)故障62.6.4 上位機(jī)、PLC、觸摸屏及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障72.6.5 水位計(jì)故障72.6.6 開度及限位開關(guān)故障檢測(cè)72.6.7 上下游閉鎖信號(hào)故障72.6.8 PLC采集模塊故

2、障72.6.9 其它故障7四、參考文獻(xiàn)88一、概述1.1 船閘簡(jiǎn)述寶應(yīng)船閘上游連接京杭大運(yùn)河,下游連接鹽寶線航道,是蘇北大運(yùn)河通往里下河地區(qū)的重要水上樞紐。始建于1968年，1969年竣工并投入使用。閘室長(zhǎng)135米，寬13米，正常水落差5.5米,設(shè)計(jì)年通過(guò)量300萬(wàn)噸。實(shí)行24小時(shí)不間斷通航運(yùn)行，是全省重點(diǎn)加強(qiáng)通航管理的船閘之一。1.2 船閘擴(kuò)容近年來(lái)隨著水運(yùn)事業(yè)不斷改造升級(jí)，原設(shè)計(jì)年通過(guò)量300萬(wàn)噸的寶應(yīng)船閘已成為京杭運(yùn)河航線上最擁擠的船閘，嚴(yán)重不能適應(yīng)船舶過(guò)閘量的增加、船型標(biāo)準(zhǔn)化、和船舶噸位提高的需要，而且規(guī)模等級(jí)達(dá)不到四級(jí)通航建筑物的標(biāo)準(zhǔn)，成為制約京杭運(yùn)河到里下河地區(qū)的航運(yùn)瓶頸，因此于2

3、011年5月正式對(duì)寶應(yīng)船閘投資1.6億元進(jìn)行擴(kuò)容改造擴(kuò)容改造，閘室尺寸23*180*4米，輸水方式由短廊道集中輸水改為長(zhǎng)分散廊道，年通過(guò)能力由300萬(wàn)噸提升至3600萬(wàn)噸，閘室尺寸23*180*4米，打破制約京杭運(yùn)河到里下河地區(qū)的航運(yùn)瓶頸。寶應(yīng)船閘擴(kuò)容后，鹽寶線將成為蘇北運(yùn)河通往里下河地區(qū)的“黃金水道”，成為內(nèi)河地區(qū)策應(yīng)國(guó)家沿海開發(fā)的戰(zhàn)略通道。因此在擴(kuò)容改造工程中，根據(jù)船閘運(yùn)行安全暢通要求，船閘運(yùn)行電氣控制系統(tǒng)的高度自動(dòng)化，運(yùn)行安全可靠、故障率低、便于維保成為設(shè)計(jì)重點(diǎn)和客觀需求。二、PLC在船閘中的應(yīng)用2.1 PLC的應(yīng)用 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛，PLC采用微處理器作為其控制核心，它的

4、功能已不再局限于邏輯控制的范疇。因此，1980年美國(guó)電氣制造協(xié)會(huì)(NEMA)將其命名為Programmable Controller(PC)，但為避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal Computer)的簡(jiǎn)稱PC混淆，習(xí)慣上仍將其稱為PLC。 可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的命令，并通過(guò)數(shù)字式模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。它還具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活、編程簡(jiǎn)化、功能完善、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛使用。 根據(jù)過(guò)閘流程和寶應(yīng)船閘人字閘門和

5、平板閥門、啟閉機(jī)形式以及輸水方式等要求，寶應(yīng)船閘采用液壓直推式啟閉機(jī)，液壓泵站系統(tǒng)是派克漢尼汾流體傳動(dòng)產(chǎn)品（上海）有限公司生產(chǎn)，配電液比例變量泵。電氣控制系統(tǒng)采用機(jī)電人員熟悉的OMRON歐姆龍PLC控制,現(xiàn)本人參加寶應(yīng)船閘擴(kuò)容改造電氣施工監(jiān)理，對(duì)寶應(yīng)船閘PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用和檢測(cè)做以下介紹。2.2歐姆龍PLC在寶應(yīng)船閘控制系統(tǒng)的構(gòu)成 考慮到船閘控制運(yùn)行的安全性，可靠性等因素，船閘控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制中心是船閘的核心，它由工作站、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、交換機(jī)、監(jiān)控主機(jī)、打印機(jī)等共同組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)船閘的集中控制、數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表及打印功能等，下位機(jī)則為由四套OMRON的PLC分別實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地

6、對(duì)上、下閘首閘、閥門等機(jī)械設(shè)備的現(xiàn)地控制，兩者之間通過(guò)專用電纜相連。另外，在閘首機(jī)房動(dòng)力控制柜現(xiàn)地考慮應(yīng)急控制按鈕供船閘緊急情況及維修調(diào)試等場(chǎng)合下使用。 控制系統(tǒng)采用冗余光纖工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)把控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成環(huán)型結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用TCP/IP+以太網(wǎng)協(xié)議，通過(guò)100Mbps全雙工交換方式。單模光纖環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)船閘監(jiān)控中心監(jiān)控主機(jī)和上、下閘首機(jī)房現(xiàn)地PLC之間及上、下閘首機(jī)房現(xiàn)地PLC之間的網(wǎng)絡(luò)通信。由于光纖環(huán)網(wǎng)具有線路冗余功能及屬于完全工業(yè)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，具有電源冗余和環(huán)網(wǎng)切換時(shí)間500ms等優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乜煽啃?，同時(shí)也保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。船閘PLC網(wǎng)絡(luò)連接圖2.3 P

7、LC硬件配置CPU模塊：CS1G-CPU43H電源模塊：C200HW-PA204開關(guān)量輸入模塊：CS1W-ID231開關(guān)量輸出模塊：CS1-OD231模擬量輸入模塊：CS1W-161-V1模擬量輸出模塊:CS1W-DA041以太網(wǎng)模塊：CS1W-ETN21CLK模塊：CS1W-CLK232.4寶應(yīng)船閘控制系統(tǒng)組成 寶應(yīng)船閘控制系統(tǒng)采用三級(jí)控制系統(tǒng),由現(xiàn)地手動(dòng)后備控制級(jí)、PLC分散程控級(jí)組成，集中程序控制級(jí)組成。分別在上下游閘首配置工控機(jī)控制，是以通訊網(wǎng)絡(luò)為紐帶的三級(jí)控制系統(tǒng)。以集中控制為主，手動(dòng)后備控制用于現(xiàn)場(chǎng)檢修、調(diào)試時(shí)使用。系統(tǒng)采用兼容性好應(yīng)用廣泛的windows XP操作系統(tǒng)、Webac

8、ess組態(tài)軟件、SQL數(shù)據(jù)庫(kù)等軟件，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.5控制系統(tǒng)的功能u 對(duì)動(dòng)力柜主開關(guān)、閘、閥門、通航燈、照明燈進(jìn)行PLC集散控制和直接手動(dòng)控制。u 調(diào)速功能 以前寶應(yīng)船閘的閘門的調(diào)速是根據(jù)開度儀的開度量進(jìn)行變頻調(diào)速，擴(kuò)容后的閘門調(diào)速是通過(guò)電控比例閥調(diào)整變量泵的流量來(lái)調(diào)速。 人字門運(yùn)行時(shí)負(fù)載較大，根據(jù)水動(dòng)力特性試驗(yàn)可知。負(fù)載將按一定的規(guī)律變化。因此人字門必須按“慢-快-慢”運(yùn)行方式進(jìn)行開、關(guān)門動(dòng)作，并且在開關(guān)接近終位時(shí)左、右人字門的同步處理達(dá)到同時(shí)開關(guān)終的目的。根據(jù)閘門開度的反饋，由PLC的D/A模塊輸出0-10V電壓給放大板控制比例閥，通過(guò)比例閥位移控制軸向柱塞變量泵斜盤的傾角來(lái)改變

9、油泵輸出流量大小，流量的大小控制油缸控制油缸的伸縮速度，油缸帶動(dòng)人字門，在電磁閥按順序動(dòng)作油路暢通下，實(shí)現(xiàn)閘閥門慢-快-慢的調(diào)速要求。u 數(shù)據(jù)采集、打印功能 對(duì)上下游和閘室中的水位、閘、閥門的開度、啟閉設(shè)備運(yùn)行卡狀態(tài)、電氣參數(shù)（電流、電壓、功率、變壓器狀態(tài)）進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理、傳輸、顯示、打印。電氣參數(shù)通過(guò)高低壓柜上安裝的數(shù)字儀表的RS485通訊接口接入PLC，裝于現(xiàn)場(chǎng)的水位壓力傳感器測(cè)得上游、閘室、下游水位變化，并產(chǎn)生相對(duì)于量程范圍的4-20mA電流信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理后產(chǎn)生上游水位、閘室水位、下游水位以及上游與閘室水位差和下游與閘室水位差信號(hào)，該信號(hào)一路送到控制屏進(jìn)行LED數(shù)顯，另一路通過(guò)RS

10、-485總線送入工控機(jī)。水位儀檢測(cè)的上、下游與閘室水位平信號(hào)直接輸入到PLC。裝于閘閥門閥門油缸上的開度儀將各個(gè)工作閘閥門開關(guān)度的量程信號(hào)以開關(guān)量形式送入到PLC，PLC根據(jù)輸入的運(yùn)行操作程序驅(qū)動(dòng)相應(yīng)中間繼電器控制相應(yīng)電機(jī)的啟停完成對(duì)工作閘門的啟閉。 各運(yùn)行交通指示燈來(lái)的狀態(tài)信號(hào)、運(yùn)行信號(hào)、操作信號(hào)和故障信號(hào)均以開關(guān)量形式送入到PLC，PLC根據(jù)程序亮滅相應(yīng)指示燈。 PLC通過(guò)RS-485總線完成與工控機(jī)的通訊，控制室操作員在控制臺(tái)計(jì)算機(jī)上可通過(guò)鍵盤、鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制。 控制中心服務(wù)器主機(jī)以局域網(wǎng)的形式與工控機(jī)相連，在主機(jī)上可隨時(shí)了解到船閘各個(gè)控制設(shè)備運(yùn)行情況，并具有打印功能。u 報(bào)警、保護(hù)和

11、顯示功能 本系統(tǒng)可通過(guò)數(shù)據(jù)的采集功能，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)以及各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)不正常狀態(tài)如限位失常、電流超限、欠壓、短路等，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，并自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的操作、停止設(shè)備運(yùn)行。在顯示器上及時(shí)彈出報(bào)警窗口，發(fā)出警聲并提示報(bào)警原因，保證了設(shè)備的安全，阻止了故障的擴(kuò)大，給機(jī)電保養(yǎng)人員提供了故障信息，使設(shè)備得到便捷準(zhǔn)確的維修。 現(xiàn)場(chǎng)顯示器能顯示每個(gè)閘閥門的開度、上下游、閘室內(nèi)的水位、電氣參數(shù)和限位開關(guān)的狀況以及液壓系統(tǒng)的壓力，使操作和維護(hù)人員較為直觀的觀察了解到設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。2.6系統(tǒng)運(yùn)行故障的處理為保證系統(tǒng)能安全可靠運(yùn)行，控制系統(tǒng)具有系統(tǒng)故障檢測(cè)與報(bào)警功能。根據(jù)故障對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行的影響，將故障分為3個(gè)

12、等級(jí)：非停機(jī)類故障（如水位傳感器故障，一般通訊故障等），僅做報(bào)警顯示，不影響系統(tǒng)運(yùn)行。停機(jī)類故障（如電機(jī)過(guò)流/未啟動(dòng)，油溫油壓不正常等），出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)禁止運(yùn)行，如系統(tǒng)正在運(yùn)行，則進(jìn)入停機(jī)。緊急故障（如閉鎖信號(hào)丟失，與集控通訊故障等），出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)禁止集中控制和程序控制運(yùn)行，如果系統(tǒng)正在運(yùn)行，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)采用相應(yīng)動(dòng)作保護(hù)系統(tǒng)安全。 2.6.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路應(yīng)故障 電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路主要由斷路器、交流接觸器、熱繼電器組成，具有過(guò)流、過(guò)載、欠壓及缺相等保護(hù)功能，PLC通過(guò)對(duì)動(dòng)力電源三相電壓監(jiān)測(cè)、電機(jī)電流監(jiān)測(cè)、斷路器分?jǐn)啾O(jiān)測(cè)、交流接觸器吸合監(jiān)測(cè)、熱繼電器動(dòng)作監(jiān)測(cè)等信號(hào)，綜合判斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路有無(wú)故障、故

13、障類別，并準(zhǔn)確定位故障位置。 2.6.2控制回路故障交流控制電壓由UPS輸出經(jīng)小型斷路器隔離，PLC檢測(cè)UPS進(jìn)線電壓值及小型斷路器分?jǐn)嗲闆r，具過(guò)載、短路、過(guò)流、失壓等保護(hù)、故障判斷及報(bào)警功能。直流控制電壓由外部24V直流穩(wěn)壓電源輸出經(jīng)小型斷路器隔離，PLC檢測(cè)24V直流穩(wěn)壓電源輸出電流值及小型斷路器分?jǐn)嗲闆r，同樣具過(guò)載、短路、過(guò)流、失壓等保護(hù)、故障判斷及報(bào)警功能。 2.6.3液壓系統(tǒng)故障PLC通過(guò)實(shí)時(shí)采集液壓?jiǎn)㈤]機(jī)系統(tǒng)上的系統(tǒng)油壓傳感器信號(hào)，在現(xiàn)地和集中控制室提供油壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并可根據(jù)船閘開/關(guān)閥門運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)壓力的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)系統(tǒng)的保護(hù)。PLC還實(shí)時(shí)采集液壓系統(tǒng)的電磁閥閥件工作

14、狀態(tài)、油溫、油位、壓力報(bào)警繼電器、過(guò)濾器等信號(hào)，進(jìn)行故障報(bào)警、定位及應(yīng)急處理，保護(hù)液壓系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 2.6.4 上位機(jī)、PLC、觸摸屏及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障上位機(jī)、PLC、觸摸屏在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)自檢及相互通訊是否正常，判斷各設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通訊是否故障并進(jìn)行相應(yīng)處理，保證整個(gè)控制系統(tǒng)安全運(yùn)行，例如：在集控運(yùn)行狀態(tài)下，如發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，各現(xiàn)地站應(yīng)立即中斷集控運(yùn)行，并由集控狀態(tài)切換至現(xiàn)地后備控制狀態(tài)，保證操作人員在現(xiàn)地順利的運(yùn)行操作。 2.6.5 水位計(jì)故障水位計(jì)是影響船閘安全可靠運(yùn)行重要傳感器之一，水平信號(hào)發(fā)布準(zhǔn)確性將直接影響閘門的安全開啟，保證閘門開門兩側(cè)水位差30cm。 2.6.6 開度及限位開關(guān)故障檢

15、測(cè)通過(guò)雙限位開關(guān)發(fā)訊位置、時(shí)間差異的比較，并配合開度儀在各位置的讀數(shù)，開度儀讀數(shù)的變化速度及穩(wěn)定性等，程序工步過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短檢測(cè)，自動(dòng)判斷各限位開關(guān)及開度儀是否處于故障狀態(tài)，保證開度儀讀數(shù)的正確性及閘、閥門的精確控制。 2.6.7 上下游閉鎖信號(hào)故障準(zhǔn)確可靠的上下游閉鎖信號(hào)是保證安全閘、閥門開啟的基本條件，在輸水過(guò)程中（非開通閘狀態(tài)下），一旦發(fā)生閉鎖信號(hào)丟失故障，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)采取緊急關(guān)閥措施。 2.6.8 PLC采集模塊故障完善的PLC開關(guān)量輸入模塊（DI）/開關(guān)量輸出模塊（DO）和模擬量輸入模塊（AI）檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)采集模塊故障，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)停機(jī)并準(zhǔn)確定位故障位置。 2.6.9 其它故障以上列舉了部分影響系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的故障的檢測(cè)、報(bào)警及處理方法，還有許多其他故障，如：閘閥門啟閉超時(shí)、閘閥門啟閉超行程等，根據(jù)船閘控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步完善了船閘運(yùn)行故