PLC在引黄涵闸测控系统自动化改造中的应用研究

摘　要 由于引黄涵闸测控系统老化，传统的按钮-接触器手动控制系统难以满足闸门的启闭需要，黄河委员会提出采用PLC对涵闸手动控制系统进行自动化改造，并将PLC控制系统与涵闸传统的手动控制系统相结合,实现了闸门启闭的手动控制/PLC控制的切换。文章从系统需求分析、系统组成、系统设计等角度对PLC测控系统加以阐述,并对关键的问题提出了解决办法。该系统具有较高的安全性与可靠性,功能强大,是涵闸现地测控系统自动化改造的一种较好的方法，已在山东黄河5座引黄闸上得到了应用。 关键词　 测控系统　PLC　自动化改造 闸门启闭 切换 1. 引言 现地测控系统是引黄涵闸工作现场的核心环节，其安全可靠的运行是涵闸正常高效工作的保证。在引黄涵闸传统的现地测控系统中,控制功能是采用按钮-接触器线路，通过按钮操作从硬件上实现启闸和闭闸的。由于电气触点多,控制手段落后，难以达到所期望的闸门开度；而工作现场的参数测量手段也极其落后，基本上是采用一些简单的机械测量机构，有的数据甚至要依靠操作人员凭经验进行估算。黄河水量的调度管理主要依靠行政手段和传统的调度方法凭经验进行，工作效率不高。这显然无法满足黄河水资源可持续利用的要求。 使用可编程控制器(PLC)是工业自动化的重要手段,本文提出采用PLC对引黄涵闸传统的现地测控系统进行自动化改造,并保留原有手动系统，实现了涵闸手动控制/PLC自动控制的切换。改造完成后的系统，即PLC测控系统主要控制逻辑由PLC实现,通过控制程序从软件上实现启闭闸，可靠性高；工作现场的参数测量则采用精密的传感器，将测量的信息实时地传给PLC进行处理，从而得到我们需要的数据，准确性高。该系统的组成为模块化结构,采用可编程序的控制器,一旦工作现场发生变化，只需修改控制程序即可,系统维护也变得十分方便。 PLC现地测控系统的建成有利于对涵闸进行安全可靠的控制，有利于对黄河水资源进行科学的调度管理。同时，它也是实现黄河引黄涵闸远程监控的基础。 2. PLC测控系统需求分析及系统组成 2.1 系统需求分析 作为涵闸工作现场的核心部分，PLC现地测控系统要求具有以下主要功能： (1)完成对涵闸基础数据信息的采集和处理，数据信息的显示则由和PLC相连的触摸屏来完成。这些信息包括水位、闸位、电压、电流等。 (2)通过触摸屏和PLC控制系统实现闸门升降过程的自动化控制。 (3)具有过压、过流、过载、上下限位等保护功能。当系统出现过压、过流、过载、到达上下限位等故障时，一方面通过PLC控制程序实现自动关闸，另一方面给出报警指示信息，使控制间的操作人员能及时采取相应措施。 (4)本系统的控制部分是将传统的手动控制回路和PLC自动控制回路相结合，现地操作 人员通过一组切换开关实现手动控制/PLC控制方式的转换。在手动控制方式下，现地操作 人员通过按钮启闭闸门；在PLC控制方式下，借助触摸屏可以实现闸门的自动启闭控制。 2.2 系统组成 根据系统设计的要求，涵闸PLC测控系统选择控制核心设备——带以太网接口的可编程逻辑控制器（PLC）、综合显示控制屏（触摸屏）、电气主回路设备、控制回路设备、自动化元器件等装置来构成。本系统采用施耐德Momentum系列PLC。 涵闸启闭机电气主回路设备、控制回路设备包括启闭机、交流接触器线圈、继电器等电气与执行机构。自动化元件主要包括闸位计、荷重传感器和水位计等。 采用触摸屏来操作和显示有关参数。触摸屏和PLC之间通过RS485接口通信。以下是涵闸PLC现地测控系统总体结构示意图［1］（图1）： 3． PLC测控系统硬件设计 3.1 输入输出点分析 以二孔涵闸为例，工作现场开关输入量有手动控制/PLC控制信号、上下限位信号、接触器和断路器辅助触点的状态信号等。模拟量输入信号有水位、荷重、电压、电流、温湿度等。开关输出量为控制中间继电器及驱动声光报警器的信号。 3.2 涵闸电气主回路设计图 电气主回路的的核心部分是用两组接触器触点来控制电机的正反转，从而实现涵闸闸门的上升和下降。主回路上的断路器带有分励脱扣线圈，可以实现电机的紧急停机。电路设计图如下（图2）： 3.3 涵闸电气控制回路设计图 控制回路的电源是经UPS稳压后的220V交流电。控制回路上有一个转换开关，它可以实现手动控制/PLC控制的切换。控制电机的两组接触器线圈KM1和KM2的常闭触点是互锁的，这种互锁的方式可以避免因按钮的误动作造成上升和下降接触器线圈同时接通而产生的主回路短路故障。控制回路图如下（图3）： 3.4 PLC回路设计图 根据上述的I/O点分析，PLC回路图设计［2］如下（图4）： 4． PLC测控系统软件设计 软件要实现的功能除了对工作现场的数据信息进行采集和处理外，最核心的环节就是闸门启闭的控制逻辑了。闸门的自动启闭是通过比较闸位（即闸门高度）设定值和闸位当前值后，操作员给出上升或下降控制指令，由控制程序实现的。闸门在上升或下降之前，系统给出10秒的声光报警信号。以下是闸门启闭的逻辑框图： 根据系统软件的设计要求以及闸门启闭的逻辑框图,可以编写出实现测控系统要求的984LL程序（程序在Concept组态环境下编写，是一种梯形逻辑）。以下是测控系统部分控制程序。 4.1 当前闸位检测 闸位计采用的是倍加福公司生产的绝对编码器。该编码器是多圈绝对值型。单圈的位置 信息有13位，圈数信息有12位。共25位，如下所示： 由于25位数据信息被PLC读取后，占用PLC的2个字（32 bits）的内存。检测闸位的关键在于对上述25位数据信息的处理。在精度允许的情况下，可以考虑采用移位的方法，将圈数信息和位置信息移到一个字的内存里，这样方便了处理。以下的程序中，地址400411和400412的内存中存放的圈数和位置信息整体右移了5位，这样圈数和位置信息都放进了地址400412的内存中，圈数8位，位置8位。这样处理虽然丢失了一些信息，但是对闸位检测来说，依然可以达到很高的精度，而且极大地方便了处理。经处理后，当前闸位存放在地址为400112的内存中。闸位检测及处理程序［３］如下： 4.2 当前闸位与闸位设定值的比较 实现PLC对闸门自动启闭的控制，其关键是当前闸位和设定闸位的实时比较。以下程序 中，闸位设定值放在地址为400111的内存中，它是通过触摸屏输入的，当前闸位在400112中。其比较结果将辅助线圈000111和000112置位，这些辅助线圈常开触点的状态即为闸门上升或下降的控制指令信息。当闸位当前值与设定值相等时，线圈被复位，闸门停止动作。图中的000710、000316等地址存放的是系统辅助触点的状态值，比如限位开关的状态等。 5．结束语 与传统按钮-接触器手动控制系统结合,采用PLC实现涵闸启闭的自动控制,增加控制功能,提高系统性能,实现高效自动化生产，其关键是充分发挥PLC的优势,利用其综合测控机制,解决好通信、保护等问题,实现系统手动控制/PLC自动控制的良好切换,提高整个测控系统的综合性能,达到高效生产的目的。 参考文献 [1] 郭宗仁，吴亦锋，郭永.可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术.人民邮电出版社. [2] 施耐德电气公司.Momentum I/O基板和通讯适配器. [3] 施耐德电气公司.Modicon Concept 2.0编程软件用户手册. Application and Research Of PLC For Automatic Reform In Observing and Controlling System Of Gate of Yellow River Sluice Abstract Observing and Controlling System Of Gate of Yellow River Sluice Not only is aging, but also is difficult to settle for the requirement of Raising and Falling Gate of Yellow River Sluice. Therefore this Paper introduces a method of PLC applied In Local Observing and Controlling System Of Gate of Yellow River Sluice, at the same time, it indicates the combination of the controlling system of PLC and the manual system of traditional pushbutton-relay, which achieves the switch of raising and falling Gate of Yellow River Sluice between manual system and PLC system. In this Paper, Observing and Controlling system of PLC is set forth by expounding typical function, segments and designing of system. On the other hand, the resolvent of sixty-four-dollar question is brought forward. This system is a very safe, reliable and powerful system, which indicates a good method of Automatic Reform In Local Observing and Controlling System Of Gate of Yellow River Sluice. This system came true in 5 Gates of Yellow River Sluice in Shandong Province at present. Keywords Observing and Controlling System PLC Automatic Reform Raising and Falling Gate of Yellow Rive