基于PLC的閘門自控系統(tǒng)研究_常成_圖文

1、第 36卷第 1期 2015年 2月華 北 水 利 水 電 大 學(xué) 學(xué) 報 (自 然 科 學(xué) 版 Journal of North China University of Water esourcesand Electric Power (Natural Science Edition Vol. 36No. 1Feb2015收稿日期 :20140924作者簡介 :常成 (1991 , 男 , 遼寧盤錦人 , 碩士研究生 , 主要從事電力系統(tǒng)運行與控制方面的研究 DOI :103969/jissn10025634201501016基于 PLC 的閘門自控系統(tǒng)研究常成(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院 ,

2、貴州 貴陽 230005摘要 :閘門是水工建筑物的重要組成部分 , 隨著自動控制 、 通信及計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展 , 可以實現(xiàn)對閘門和水情的遠(yuǎn)程監(jiān)控 從系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和實用性角度考慮 , 針對某一大型水利閘門控制系統(tǒng)進(jìn)行研究 , 根據(jù)系統(tǒng) 遠(yuǎn)程和現(xiàn)地控制的要求 , 提出了分層分布式閘門控制方式 在生產(chǎn)現(xiàn)場 , 系統(tǒng)按被控對象設(shè)置 4套現(xiàn)地控 制單元 , 在監(jiān)控中心使用組態(tài)王軟件實現(xiàn)對閘門的遠(yuǎn)程監(jiān)控 , 并對相應(yīng)的電氣主系統(tǒng) 、 PLC 控制系統(tǒng) 、 計算 機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計研究 研究結(jié)果表明 , 可以通過主控室對閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制 , 并能及時把收集到的河 道信息送往主控室 , 真正實現(xiàn)了河道 “

3、 無人值班 , 少人值守 ” 的控制模式 , 提高了河道的管理能力 關(guān)鍵詞 :閘門自控系統(tǒng) ; PLC ; 組態(tài) ; 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 中圖分類號 :TV664; TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A文章編號 :10025634(2015 01007605水利工程實時監(jiān)測的信息是防洪安全 、 水利調(diào) 度的基礎(chǔ)信息 , 也是水利工程實現(xiàn)現(xiàn)代化管理 、 發(fā)揮 工程綜合效益的關(guān)鍵 河道閘門自控系統(tǒng)的目的是 在河道上建立一套快速及時 、 準(zhǔn)確可靠 、 先進(jìn)實用 、 高度自動化的流域水雨情信息 、 工程安全信息 、 閘門 監(jiān)控信息 、 實時圖像信息的采集 、 監(jiān)測 (控 與管理 自動化系統(tǒng)1, 為治理洪水 、旱澇

4、, 實現(xiàn)水資源優(yōu)化 等提供充足的技術(shù)支持 , 并在充分利用現(xiàn)有的工程 設(shè)施的基礎(chǔ)上 , 進(jìn)一步提高工程管理的速率和程度 , 提高工程的運行效果 1系統(tǒng)設(shè)計某工程共有 7孔閘門 ,采用一機(jī)一門的運行方 式 , 每 孔 配 有 卷 揚 式 啟 閉 機(jī) , 配 套 電 機(jī) 容 量 為 75kW供 電 電 源 接 附 近 10kV 線 路 , 到 該 閘 門 10kV 變壓器距離約為 1km , 線路導(dǎo)線為 LGJ 70配設(shè)主變 1臺 , 并配 1臺柴油發(fā)電機(jī)組做備用電源 采用計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的自動控制方式 系統(tǒng)由主控 制級和現(xiàn)地控制單元 2部分組成 11電氣主系統(tǒng)設(shè)計 111閘門動力箱電路設(shè)計閘門動力

5、箱電路主要由一次控制回路 、 二次控 制回路組成 , 如圖 1和圖 2所示 由圖 1知 , 電路需要設(shè)置必要的聯(lián)鎖環(huán)節(jié) , 目的 是為防止電路電源短路故障 接觸器 KM1控制閘門 上升和下降 , 若系統(tǒng)為合閘 , 且處于非故障 、 非全開 狀態(tài) , 當(dāng)按下正向起動按鈕 SA1時 , KM1的主觸點 和自鎖觸點閉合 , 即可實現(xiàn)閘門現(xiàn)地上升 , 同時將上 升信號傳送給 PLC如果系統(tǒng)為故障狀態(tài) , 熱繼電器 KH1斷開 , 同時與 PLC 相連的 KH1閉合 , 將故障信 號傳送給 PLC如果系統(tǒng)為全開狀態(tài) , 常閉輔助觸點 1SP 斷開 , 同時與 PLC 相連的 1SP 閉合 , 將全開信號

6、 傳送給 PLC在遠(yuǎn)程控制中 , 當(dāng)遠(yuǎn)程計算機(jī) (主控 級 發(fā)出上升指令 , 同時現(xiàn)場滿足一定的條件 (如無 故障 、 非全開 時 , 將 “ 1#啟閉機(jī)遠(yuǎn)程控制上升 ” 信號 通過 PLC 輸送到現(xiàn)地控制單元 ,便可以實現(xiàn)對閘門 的遠(yuǎn)程上升控制 由此可以實現(xiàn)對閘門的現(xiàn)地和遠(yuǎn) 程控制 由圖 2知 , 閘門動力箱內(nèi)有 1#和 2#啟閉機(jī) , 每 個啟閉機(jī)的功率為 75kW , 斷路器 QF1和 QF2控 制各啟閉機(jī)的合閘 啟閉機(jī)可以通過接觸器 KM1 KM4實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制 KH1和 KH2為熱繼電器 , 起 到了過載保護(hù)的作用2以 1#閘門 (啟閉機(jī) 為例 ,分析其現(xiàn)地控制和遠(yuǎn)程控制過程 現(xiàn)地控

7、制信號需要輸入到 PLC , 如圖 3所示 , 并 在遠(yuǎn)程計算機(jī) (主控級 上顯示 , 主控級向現(xiàn)地控制單元發(fā)送的遠(yuǎn)程控制指令也要輸送到 PLC , 通過 PLC 實現(xiàn)對閘門的遠(yuǎn)程控制 圖 1二次控制回路圖 圖 2一次控制回路電路圖 圖 3端子連接圖112總配電電路設(shè)計總配電電路如圖 4所示 由圖 4知 ,10kV 電源 經(jīng)過戶外真空斷路器與變壓器相連 , 降壓至 04kV 后 , 引至該系統(tǒng)的低壓配電屏 , 供該系統(tǒng)和管理處用 電 電氣主接線 10kV 電源側(cè)為線路 變壓器單元接線形式 , 低壓側(cè)為單母線接線 同時柴油發(fā)電機(jī)組 作為備用電源 , 系統(tǒng)電源和備用電源相互閉鎖 該系 統(tǒng)用電由配電

8、室低壓配電屏引 4回供電線路至 4臺 閘門動力箱 , 每臺閘門動力箱向 1 2臺閘門啟閉機(jī) 供電 , 共設(shè) 4臺現(xiàn)地控制柜 12閘門現(xiàn)地控制單元閘門的控制方式可分為自動控制和手動控制 2種 圖 4總配電電路圖現(xiàn)地控制單元要實現(xiàn)的功能有數(shù)據(jù)采集和出力 、 安 全運行監(jiān)測 、 控制和調(diào)節(jié) 、 事件檢測和發(fā)送 、 數(shù)據(jù)通 信和系統(tǒng)診斷 121PLC 選型PLC 由電源 、 中央處理單元 (CPU 、 存儲器 、 輸 入 /輸出接口電路和編程器組成 PLC 的工作周期可 分為自診斷 、 采樣輸入 、 執(zhí)行用戶程序 、 輸出刷新和 通信 5個階段 3PLC 可以實現(xiàn)邏輯 、 順序 、 過程 、 定 時

9、/計時控制 , 還可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換 、 處 理 4根據(jù)設(shè)計要求和各種型號 PLC 的性能比較 , 選用西門子公司生產(chǎn)的 S7300型 PLCS7300 PLC 中各模塊都是獨立的 , 能夠通過總線把各模塊 固定在西門子 S7300的軌道上 5電源模塊選用 PS307:2A (6ES73071BA800AA0 ; 數(shù)字量輸入模塊選用 SM321:DI32 24VDC (6ES73211BLOO 0AA0 ; 數(shù)字量輸出模塊選用 SM 322:DO16 24VDC /05A (6ES73221BH010AA0 ; 模擬量輸入模塊選用 SM 331:AI 8 12位 (6ES73317KF

10、020AB0 122PLC 控制程序設(shè)計采用 STEP7V55的編程軟件來對 PLC 的控制 程序進(jìn)行編程 , 如圖 5所示 圖 5系統(tǒng)主程序由圖 5可以看出 , 組織塊 OB1調(diào)用 4個功能 FC , 分別為 :FC1實現(xiàn)動力箱內(nèi)的閘門控制 ; FC2實 現(xiàn)水位 監(jiān) 測 (顯 示 ; FC3實 現(xiàn) 閘 門 開 度 監(jiān) 測 (顯 示 ; FC4實現(xiàn)閘門荷重監(jiān)測 (顯示 FC1實現(xiàn)的是 閘門升 、 降 、 ?？刂?, 分為單動控制和聯(lián)動控制 2種 方式 , 其控制上升的程序如圖 6所示 圖 6FC1程序FC2 FC4分別實現(xiàn)對河道水位 、 閘門開度及 荷重的測量 , 并將測得的數(shù)據(jù)在主控級計算機(jī)

11、上顯 示 其 FC2水位顯示程序如圖 7所示 圖 7FC2程序13計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計現(xiàn)地 控 制 單 元 1LCU ,2LCU , 3LCU 分 別 監(jiān) 控 1# 6#閘門啟閉機(jī)的運行 , 同時監(jiān)測對應(yīng)閘門的開 度和荷重信號 現(xiàn)地控制單元 4LCU 監(jiān)控 7#閘門啟 閉機(jī)的運行并監(jiān)測 7#閘門的開度及荷重信號 現(xiàn)地 控制單元 (1LCU 4LCU 通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與 控制室內(nèi)的工作站進(jìn)行通信 低壓配電系統(tǒng)中的智能表計經(jīng)過 S485通信線接至串口服務(wù)器 , 經(jīng)串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換 , 由以太網(wǎng)工 作站實現(xiàn)互聯(lián) , 實現(xiàn)閘門監(jiān)控中心對配電信息進(jìn)行 遠(yuǎn)程集中監(jiān)測 該系統(tǒng)留有接口 , 可與主控級的計算機(jī)

12、進(jìn)行工業(yè)以太網(wǎng)連接 , 實現(xiàn)計算機(jī)對閘門的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控 監(jiān)控中心工作站負(fù)責(zé)接受和處理來自現(xiàn)場控制 站 LCU (PLC 和智能儀表的數(shù)據(jù)和信息 根據(jù)現(xiàn)場 發(fā)來的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息完成對生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程控制 和監(jiān)視 , 并提供有關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù) 、 報表 、 趨勢曲線 、 數(shù)據(jù) 入庫等功能 131組態(tài)軟件的選取組態(tài)軟件從總體上看 , 一般都是由系統(tǒng)開發(fā)環(huán) 境 (或稱 組 態(tài) 環(huán) 境 與 系 統(tǒng) 運 行 環(huán) 境 2大 部 分 組 成 6采用北京亞控公司生產(chǎn)的組態(tài)王軟件 (Ver-sion 653 132計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能1 數(shù)據(jù)采集與處理 :監(jiān)控中心主動從各現(xiàn)地控制單元和多功能測量儀表采集各種實時運行數(shù)據(jù)

13、, 掌握各設(shè)備的工作情況 , 采集報警信息 2 狀況實時監(jiān)控及在線修改數(shù)據(jù) :值班人員通 過液晶顯示器對系統(tǒng)內(nèi)各主要設(shè)備的工作狀況進(jìn)行 實時監(jiān)視和控制 , 并可根據(jù)要求對運行參數(shù)進(jìn)行在 線修改 3 監(jiān)控系統(tǒng)異常狀態(tài) :監(jiān)控系統(tǒng)的某些硬件或 軟件部分發(fā)生事故則立刻發(fā)出報警信號 , 并在液晶 顯示 器 及 打 印 機(jī) 上 顯 示 、 記 錄 , 指 示 故 障 發(fā) 生 的部位 4 報警顯示 :當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)報警時 , 主控級的操 作人員可以觀察到報警點 、 報警類型 、 報警時間等多 種信息 , 由操作人員進(jìn)行確認(rèn) , 同時可瀏覽歷史報 警 歷史報警的內(nèi)容包括各種報警信息 、 報警是否經(jīng) 過確認(rèn) 、

14、確認(rèn)報警的用戶 、 確認(rèn)報警的時間等 5 趨勢分析 :對諸如閘門開度 、 閘門荷重 、 上下 游水位等參數(shù)的變化進(jìn)行趨勢分析 , 為制定合理的 決策提供依據(jù) 6 報表處理 :系統(tǒng)自動記錄各類運行數(shù)據(jù) , 并將所有數(shù)據(jù)經(jīng)歸納整理后形成報表 , 報表可進(jìn)行打 印 , 操作人員也可以進(jìn)行實時查看 7 實時控制和調(diào)節(jié) :監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)啟閉機(jī)此刻 的運行控制方式和預(yù)定的計劃參數(shù)進(jìn)行控制和調(diào) 節(jié) , 以滿足對系統(tǒng) 7孔閘門啟閉機(jī)的實時控制要求 8 記錄報告 :對所有監(jiān)控對象的操作信息 、 報 警信息及實時參數(shù)報表等進(jìn)行記錄 , 并能以中文形 式在液晶顯示器上顯示 , 同時在打印機(jī)上進(jìn)行打印 9 屏幕顯示 :

15、畫面顯示是計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主 要功能之一 , 畫面調(diào)用能通過主動和喚起 2種方式實現(xiàn) 7主動方式是指當(dāng)有事故發(fā)生或進(jìn)行某些操 作時有關(guān)畫面能夠自動彈出 喚起方式則指操作某些功能鍵或以菜單方式調(diào)用所需的畫面 畫面種類 包括曲線 、 表格 、 提示語句等 133監(jiān)控界面經(jīng)過組態(tài)后 , 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有如圖 8所示 的主界面 圖 8閘門計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主界面監(jiān)控工業(yè)控制計算機(jī)啟動后即進(jìn)入監(jiān)控主界面 , 該界面顯示該閘門控制系統(tǒng) 7孔閘的總貌和有 關(guān)實時揚壓力 、 上下游水位等數(shù)據(jù) , 并具有 “ 閘門 ” 到 “ 閘門 ” 操作畫面切換按鈕及實時趨勢曲線 、 歷史 曲線 、 報警信息查詢等畫面的切換

16、按鈕等 通過點擊主畫面上的某閘門按鈕就可以顯示并 在運行操作的情況下對閘門進(jìn)行計算機(jī)控制 , 通過點擊 “ 返回 ” 按鈕可以切換到主界面 2結(jié) 語閘門是水利工程中的重要設(shè)施 , 在防洪 、 抗旱 、 水資源合理利用等諸多方面都發(fā)揮了非常大的作 用 文中基于 PLC 將計算機(jī)信息技術(shù) 、 現(xiàn)代控制技 術(shù)應(yīng)用于閘門控制系統(tǒng)中 , 以實現(xiàn)合理 、 有效地利用 水資源 參考文獻(xiàn)1鄭小平 , 熊增生 四川橫江萬年橋水電站泄洪 、 沖砂閘門制造及施工技術(shù) J 華北水利水電學(xué)院學(xué)報 , 2011, 32(1 :23262陳琳 三門峽超臨界鍋爐撈渣機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制策略J 華北水利水電學(xué)院學(xué)報 , 2013,

17、34(6 :1221253漆漢宏 PLC 電氣控制技術(shù) M 北京 :機(jī)械工業(yè)出版 社 ,20074朱雪凌 , 張娟 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計J 華北水利水電學(xué)院學(xué)報 , 2013, 34(2 :87905邢珂 , 黃民改 基于 S7300PLC 的水庫測流監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計 J 華北水利水電學(xué)院學(xué)報 , 2011, 32(5 :89916馬國華 監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用 M 北京 :清華大學(xué)出版社 ,20017李曼娜 基于 PLC 的水電站閘門監(jiān)控系統(tǒng)的研究 D 武漢 :武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院 ,2012esearchon Automatic Control System of Wate

18、r Gates with PLCCHANG Cheng(College of Electrical Engineering , Guizhou University , Guiyang 230005, China Abstract :Water gate is one of the most important parts of hydraulic structuresWith the rapid development of automatic control , com-munication and computer technology , water level and gate ca

19、n be remotely monitoredAccording to the economy and practicability of the system , a large water gate was chosen to research its control systemAccording to the design requirements of remote and site con-trol , the control mode of hierarchical distribution was proposed in this articleAt the production site , the system was set 4sets of field control units by