閘門自動化控制

1、西門子S7-200PLC在船閘閘門自動監(jiān)控系統(tǒng)中的應用1. 引言 隨著科技發(fā)展和社會進步,在我國的水利事業(yè)中計算機監(jiān)控技術(shù)已被廣泛應用于泵站監(jiān)控、船閘監(jiān)控、閘門監(jiān)控、變電站監(jiān)控等方面。在船閘自動化監(jiān)控方面，可編程控制器（PLC）技術(shù)較為成熟地應用使得船閘監(jiān)控系統(tǒng)也逐漸趨于完善。PLC具有可靠性高，開發(fā)周期短，使用操作方便、便于現(xiàn)場編程調(diào)試等特點。船閘自動監(jiān)控系統(tǒng)在運行時能根據(jù)控制要求手動或自動啟閉閘門、監(jiān)測閘室上下游水位及閘室內(nèi)水位、監(jiān)測各閘門閘位、定開高啟閉閘門、監(jiān)測系統(tǒng)設備狀態(tài)。 本文根據(jù)中山東河水利船閘自動監(jiān)控系統(tǒng)的設計、調(diào)試、運行實踐，提出船閘自動監(jiān)控系統(tǒng)的設計原則和方法。經(jīng)工程的運行

2、檢驗證明是可行的。2. 船閘閘門自動控制系統(tǒng)構(gòu)成 2.1 系統(tǒng)的組成 中山東河水利船閘監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控中心建在水利樞紐監(jiān)控中心室內(nèi)。系統(tǒng)由一臺遠程控制計算機(操作員站)、一臺上位機(工程師站)、一臺網(wǎng)絡報警打印機、兩套由PLC可編程控制器組成的現(xiàn)地監(jiān)控單元、現(xiàn)地操作單元、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及執(zhí)行機構(gòu)、上下游水位傳感器及閘位傳感器等設備組成。見系統(tǒng)構(gòu)成圖見圖1： 圖1：東河船閘控制系統(tǒng)方案2.2 系統(tǒng)的監(jiān)控范圍 船閘上、下閘首閘門自動監(jiān)控； 上、下游及閘室內(nèi)水位自動監(jiān)測； 閘門位置及狀態(tài)的實時自動監(jiān)測； 啟閉機房設備狀態(tài)的實時自動監(jiān)測； 通航燈的自動控制； 3. 船閘閘門自動控制系統(tǒng)的設計 3.1 系統(tǒng)的

3、設計原則與要求 （1） 實用性與先進性。在方案設計中特別強調(diào)系統(tǒng)的實用性與先進性相結(jié)合。在確保實用效益的基礎上，采用成熟的自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、安全防范技術(shù)。 （2） 可靠性與安全性。根據(jù)水閘技術(shù)管理規(guī)程SL75-94、水閘工程管理設計規(guī)范SL170-96等規(guī)范要求，選用合理設備，設計高可靠性的軟、硬件控制系統(tǒng)，使船閘的控制更安全可靠。 （3） 經(jīng)濟性和可擴展性。在滿足系統(tǒng)設計要求的前提下，選用性價比高的傳感器設備、監(jiān)控設備及通信設備。所采用的設備要充分考慮易升級換代，并且在升級時可以最大限度地保護原有的硬件設備和軟件投資。 3.2 系統(tǒng)主要設備的選型 （1） 主回路供電采用帶電分勵的空氣

4、開關(guān)，可用于現(xiàn)場無人職守的遠程操作方式。該裝置動作可靠并有過載、欠壓、短路保護功能，且可以通過控制回路分勵控制，增加系統(tǒng)對電機的保護措施。在現(xiàn)場無人職守情況下，起到在電機停機后接觸器異常觸點粘連情況下，自動分斷電機主回路，保護電機的作用。 （2） 閘門啟閉機主回路的電源通斷采用交流接觸器控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。 （3） 控制回路采用PLC控制。本系統(tǒng)采用的PLC為德國西門子公司的S7-200系列。具體配置如下。CPU：CPU226(24點DI，16點DO)；DI：EM221(8點) ；DO：EM222(8點)；AI：EM231(4路)；以太網(wǎng)模塊：CP243-1；中文文本顯示器：TD200；編程

5、軟件：STEP 7-Micro/WIN。該型號CPU具有2個RS-485串行通信口。一個串口采用Profibus總線協(xié)議與TD200顯示器通信，另一個串口用來編程，系統(tǒng)通過CP243-1的以太網(wǎng)口，采用TCP/IP協(xié)議與系統(tǒng)上位機通信，以實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程自動監(jiān)控。 （4） 船閘閘門現(xiàn)地監(jiān)控單元的操作面板上有手動、自動、檢修三檔轉(zhuǎn)換開關(guān)，用來設置閘門的控制狀態(tài)；手動狀態(tài)時閘門的上升、下降、停止由面板上的按鈕控制；可以通過面板上的中文顯示器查看各閘門的當前開啟高度及上下游和閘室內(nèi)的水位值。 （5） 閘門開度傳感器和船閘上、下游水位傳感器均選用格雷碼機械編碼式傳感器，該傳感器數(shù)據(jù)準確、穩(wěn)定、誤差小、可

6、靠性高、工作壽命長。 （6） 船閘內(nèi)水位采用康宇測控儀表KYB900壓力式水位傳感器。上下游水位考慮到進出船只造成的影響，采用的是德國VEGA的超聲波液位計。輸出4-20mA模擬量信號。 3.3 主回路與控制回路設計 船閘分上閘首和下閘首二個啟閉機房，各配備一臺閘門現(xiàn)地監(jiān)控單元。由于上下閘首監(jiān)控單元工作原理相似，本文僅對上游監(jiān)控單元做介紹。 該系統(tǒng)可采用手動控制和自動控制二種工作方式，其控制原理說明如下 （1） 手動控制。將控制機柜面板上的轉(zhuǎn)換開關(guān)置于手動位置,當按下上升按鈕時，交流接觸器1得電，其觸點閉合，啟閉機電路接通，電機正轉(zhuǎn)，閘門上升。當按下停止按鈕或閘門到上限位時控制回路斷開，電機停

7、止運轉(zhuǎn)；當按下下降按鈕，交流接觸器2得電，其觸點閉合，閘門啟閉機電路接通，電機反轉(zhuǎn)，閘門下降。當按下停止按鈕或閘門到下限位時控制回路斷開，電機停止運轉(zhuǎn)。 （2） 自動控制。先將控制機柜面板上的轉(zhuǎn)換開關(guān)置于自動位置，當中心控制室需要控制閘門運行時，由上位機發(fā)送命令，當命令為上升控制時，PLC控制相應中間繼電器觸點閉合，使交流接觸器1得電，其觸點閉合，閘門啟閉機電路接通，電機正轉(zhuǎn)，閘門上升。當上位機發(fā)送停止命令或閘門到上限位時控制回路斷開，電機停止運轉(zhuǎn)；當發(fā)送下降命令時，PLC控制相應中間繼電器觸點閉合，交流接觸器2得電，其觸點閉合，閘門啟閉機電路接通，電機反轉(zhuǎn)，閘門下降。當上位機發(fā)送停止命令或閘

8、門到下限位時控制回路斷開，電機停止運轉(zhuǎn)。 3.4 系統(tǒng)功能： 341現(xiàn)地監(jiān)控單元功能： 接收上位機調(diào)度運行命令，發(fā)送現(xiàn)場采集的各類設備運行實時參數(shù)與狀態(tài)信號。 根據(jù)上位機指令可進行上、下扉門、通航燈的控制。具有安全連鎖功能。 船閘閘門控制范圍為從全關(guān)到全開、或從全開到全關(guān)。在中間任何位置可允許進行緊急停止操作。 系統(tǒng)具有多重聯(lián)鎖功能，具有開、關(guān)、停故障報警等功能。有效地保障了系統(tǒng)現(xiàn)場設備的安全運行。 根據(jù)上下游水位及通航要求，對上下游水位及閘室內(nèi)水位進行水位平信號的檢測，并將該信號與上下閘首及扉門的控制進行聯(lián)鎖，以防誤動作。自動控制船閘的上行、下行的自動操作。同時自動控制通航紅綠燈，確保通航安

9、全。 船閘監(jiān)控系統(tǒng)中從上游經(jīng)過船閘駛往下游時上閘首的整體控制流程如圖2所示。上閘首動作完成后，下閘首開始動作，其過程與上閘首相似。當船從下游經(jīng)過船閘駛往上游時整體控制流程與圖2相似，此處不再贅述。 圖2：船閘閘門啟閉流程342 上位機功能： 采集現(xiàn)地監(jiān)控單元設備運行實時數(shù)據(jù)。采集上下游、船閘內(nèi)水位信號，船閘上、下閘首和上下扉門開度信號。 動態(tài)顯示船閘的操作過程。 顯示水位動態(tài)曲線。 具有船閘啟、閉運行自動記錄功能。 編制打印運行日志、月志、年統(tǒng)計表。 保留系統(tǒng)原手動操作功能。 建立實時數(shù)據(jù)庫及歷史數(shù)據(jù)庫。 具有查詢，報警功能。 具有良好的中文人機界面。 4. 結(jié)束語 西門子S7-200在東河船

10、閘監(jiān)控系統(tǒng)中的成功應用，其重要功能發(fā)揮體現(xiàn)在：1、 充分利用西門子S7-200的高可靠性和開放性，在通訊上發(fā)揮S7-200以太網(wǎng)OPCSERVER方式實現(xiàn)與上位機進行通訊，使得監(jiān)控在數(shù)據(jù)交換上有了快而穩(wěn)的優(yōu)勢。2、 TD200和S7200CPU可在同一平臺上進行組態(tài)，減化工程師編程維護的工作量。且TD200無論是菜單屏還是報警消息，都可以嵌入CPU數(shù)據(jù)變量，并且數(shù)據(jù)是作為地址單元間接訪問，因此數(shù)據(jù)地址不會隨消息的修改（甚至翻譯）而改變。3、 充分利用S7-200可為每一路模擬量輸入選擇軟件濾波器。且選用的S7-200的模擬量濾波功能不必再另行編制用戶的濾波程序。方便有效地解決了現(xiàn)場河水的水位和咸度數(shù)據(jù)采集波動帶來的影響。 該系統(tǒng)自2