馬運彬

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設管理局，新疆伊寧 835400)

新疆山口水庫肩負著發(fā)電、泄洪、灌溉三大重任，壩長963.1 m，由粘土心墻壩和混凝土壩組成，具有1號、2號、3號、4號四個表孔、一個底孔，孔口上均安裝為弧形工作閘門，其中表孔弧門尺寸為8×12，閘門最大開度均為12 m，底孔尺寸為6×6，最大開度7 m。在這五個防洪閘門的作用下控制蓄水庫，河流，堤壩的水流量，弧形閘門的安全可靠運行是關系到大壩安全，下游灌區(qū)安全和百姓生命財產(chǎn)安全的重大問題。因此，為了增加閘門啟閉可靠性，實時采集每個閘門現(xiàn)地控制單元的運行參數(shù)與狀態(tài)，操作人員不去啟閉機現(xiàn)場，單個、分組提升、降落閘門，實現(xiàn)閘門的集中群控，提高泄洪弧形閘門啟閉的自動化程度，減少工作人員的勞動強度，逐步實現(xiàn)控制網(wǎng)絡化。2011年對山口閘門控制系統(tǒng)進行了改造升級，與西安航天科技公司合作，安裝了閘門集控系統(tǒng)。同時為了實現(xiàn)多地非現(xiàn)場遠方對閘門進行控制監(jiān)視，分別在兩處水調值班室安裝了上位計算機實時圖形模擬系統(tǒng)，一處作為服務器控制機，另外一處作為客戶機通過訪問服務器控制機來操作閘門。通過這次對山口水庫的五孔泄洪閘門控制系統(tǒng)的改造，經(jīng)過這兩年來的運行考驗，特別是2012年汛期數(shù)次的特大洪水，系統(tǒng)動作可靠，取得了較為理想的改造效果。

1 PLC結構組成

PLC實質上是工業(yè)計算機，是一種專為工業(yè)環(huán)境下而設計的計算機控制系統(tǒng)，它通過數(shù)字量，模擬量的輸入和輸出完成各種機械或生產(chǎn)過程的控制，具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅動能力，其硬件根據(jù)實際需要配置，本次升級改造中主要由中央處理單元(CPU)、輸入輸出單元(I/O單元)、存儲器、電源等組成。其中CPU是PLC的核心，存儲器是存放程序和數(shù)據(jù)的地方，I/O單元是PLC與工業(yè)現(xiàn)場連接的接口。電源既可以為CPU供電，又可為各類模塊以及外部的各類傳感器供電。

2 模塊選型與設置

根據(jù)本工程實際情況采用施耐德的S7-300PLC，模塊位置設置如圖1所示，其中從左二起至右依次為0槽位～8槽位。

圖1 S7-300PLC

第一個槽位為電源模塊，型號TSX PSY1610M，用于將交流220 V電源轉換為直流24 V電源，為PLC其他模塊及外部傳感器供電。

0號槽位為CPU模塊，其型號為TSX P57 104M。CPU模塊作為整個PLC系統(tǒng)的核心。在本次升級改造中編程梯形圖所占用的內存過大，CPU自帶的用戶程序存儲器內存無法滿足使用要求，在CPU內存插槽內插入型號為TSX MPR P 128K內存卡一塊(該款CPU模塊含有兩種存儲卡插槽)。

1號、2號、7號槽位上為數(shù)字輸入模塊，3號、4號槽位上為數(shù)字輸出模塊，5號槽位上為模擬量輸入模塊，6號槽位上為模擬量輸出模塊，8號槽位為以太網(wǎng)模塊(在這里特別指出，槽位號只是相對的，實際上不存在物理槽位，每個模塊用背部總線相連接。任何一個槽位上模塊位置均可互相調換，例如7號槽位上的數(shù)字輸入模塊可調換到3號槽位，但電源模塊必須緊靠CPU模塊)。1號、7號模塊型號為TSX DEY 32DK，其輸入信號通道為0～31，共計32個通道。2號模塊型號TSX DEY 16DK，其輸入信號通道為0～15，共計16個通道。這些模塊的輸入量包括電器系統(tǒng)的閘門開度傳感器、閘門全開/全關行程開關，電動機和油泵運行狀態(tài)傳感器，電磁閥、各類交流接觸器、繼電器運行狀態(tài)等開關量;液壓系統(tǒng)上的油溫傳感器、液位傳感器、液壓管路及液壓缸上關鍵節(jié)點的壓力信號等開關及模擬量。

3號、4號、5號模塊功能相似，其功能已在上面講明，不再贅述。8號為以太網(wǎng)模塊，其作用是與上位機電腦相連接，使PLC直接連入Internet，工程師可以通過網(wǎng)絡直接給PLC下程序和實時狀態(tài)檢測，顯示人機交換的信息。本次改造升級中網(wǎng)絡是這樣構成的;2號，3號，4號表孔閘門，底孔閘門的每間閘房放一根四芯光纜集中到1號表孔閘房，1號表孔閘門放一根24芯光纜到電廠二樓通訊室。五個閘門控制柜內，各有一臺烽火光端機(將光信號轉為電信號)，接續(xù)盒(光纜轉接盒)，電源插座(給光端機供電)。其中1號表孔閘門還有網(wǎng)絡機柜一臺，ODF配線架一臺。在電廠二樓通訊室內設置五個光端機，思科24口交換機一臺，電信公司遠程網(wǎng)絡，完成五個閘門數(shù)據(jù)的交換信息網(wǎng)絡。其通信方式采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，TCP/IP協(xié)議，符合IEEE802.3國際標準，通過網(wǎng)關來連接遠程網(wǎng)絡。

3 PLC梯形圖設計編程

3.1 控制方式轉換

閘門控制系統(tǒng)分為手動控制與自動控制、遠方控制三部分(本節(jié)均以1號表孔程序為例)，遠方控制就是上位機通過組態(tài)軟件Intouch10.1獲取閘門的開度、閘門泄流量等信息后，發(fā)出控制信號給PLC，再通過PLC的程序實現(xiàn)閘門的升、降、?？刂?。手動控制是應急操作用的，正常情況下不使用，此方式不通過PLC程序，通過控制柜上的開關按鈕直接進行閘門的升降?？刂?現(xiàn)地自動控制是指工程師通過現(xiàn)地控制單元的觸摸屏上的控制面板，發(fā)出控制信號給PLC，達到控制閘門的目的，這種控制方式的實質還是利用了PLC的程序。三種控制方式互相屏蔽，即只能同時允許一種控制方式處于有效方式，體現(xiàn)在梯形圖中即互鎖回路。

3.2 閘門啟門/閉門控制

閘門的啟門及閉門控制是閘門最基本的控制要求，當閘門需在水調值班室開啟閘門時，首先在上位機啟門開度值上設定開度值。通過點擊鼠標，PLC即接到閘門上升的控制信號，在沒有事故或報警時，啟門信號得電，延時3 s后液壓系統(tǒng)中的啟門電磁閥得電。系統(tǒng)建壓10 s后，閘門上升，到達設定開度以后停止信號首先失電，繼而啟門信號失電，閘門開啟到位。閘門在上升或下降過程中，必須有閘門同步糾偏及自動防下滑的報警控制，見圖2。糾偏控制，首先讓閘門左右開度相比較，圖2中B01是閘門左缸開度值，B02是右缸開度值，B01－B02得到閘門開度的差值B22，如果比較結果B22在0～20之間，糾偏程序不啟用也就是說閘門實際運行過程中允許20個毫米的差值;當閘門的左邊開度大于右邊的開度時，A110得電，左右缸差值B22在50和20之間，A108得電，PLC進行左糾偏;當閘門右邊開度大于左邊開度時，A111得電，左右缸差值 B22在50和20之間，A108得電，PLC進行右糾偏。糾偏以后進行再比較，如果左右開度仍不相等，則再次跳回糾偏程序;如果左右開度相等，則糾偏結束;如果經(jīng)過糾偏以后，B22的值大于50即閘門左右相差在50 mm，這時閘門有可能出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，機械系統(tǒng)有可能出現(xiàn)故障，那么閘門超差立即失電，發(fā)出故障報警，繼而啟門信號、閉門信號失電閘門啟閉動作立刻停止，這時檢修人員需至工地現(xiàn)場進行故障排查檢修。

自動防下滑控制也是閘門控制中必須注意的問題，閘門因自身重力的作用或者液壓管路液壓油的泄露，均會導致閘門產(chǎn)生不同程度上的下滑，使閘門開度與預先的設定值有所偏差，影響閘門啟閉的精度，進而導致泄流量不準確造成水資源的浪費。當PLC檢測到下滑位移大于設定值時，首先發(fā)出下滑報警信號，同時啟動PLC程序自動提升閘門，直到回到原來位置。在本次改造升級中把閘門下滑分成三個階段(本節(jié)PLC梯形圖程序不予詳細給出)，當下滑值ZM_SLIDE_WALUE＞100 mm時，一個油泵啟動自動提升閘門到設定值;當下滑值ZM_SLIDE_WALUE＞150 mm時，兩個油泵同時啟動提升閘門至設定值;當下滑值ZM_SLIDE_WALUE＞200 mm時或者ZM_SLIDE_WALUE＞150 mm時油泵啟動20 s后閘門仍無法恢復至設定開度，發(fā)出聲光報警，警告閘門維護人員即可前往現(xiàn)場排除機械、液壓系統(tǒng)故障。

圖2 閘門啟閉過程中的糾偏控制程序

4 結語

本文根據(jù)本次閘門升級改造中及目前運行過程中的實際使用經(jīng)驗，介紹了PLC硬件選型，閘門控制梯形圖程序。這些有用經(jīng)驗對以后工程實踐將會起到重要的借鑒作用，PLC在以后的閘門控制中將會得到更廣泛和完善的應用。