劉俊江

（廣西西江投資集團(tuán)有限公司長洲三線四線船閘管理處 廣西梧州 543100）

PLC在長洲水利樞紐三線四線船閘控制系統(tǒng)的應(yīng)用

劉俊江

（廣西西江投資集團(tuán)有限公司長洲三線四線船閘管理處 廣西梧州 543100）

本文介紹了PLC的主要功能，主要分析了PLC在長洲水利樞紐三線四線船閘控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用，以期提升我國船閘企業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量及效率，使之更好地為國家和社會的發(fā)展、建設(shè)服務(wù)。

船閘；PLC；生產(chǎn)；機(jī)電一體化；有效應(yīng)用

1 前言

PLC屬于邏輯控制設(shè)備中的一種，在結(jié)構(gòu)上主要由各個(gè)模塊組成。因此，將PLC應(yīng)用在一體化的機(jī)電生產(chǎn)系統(tǒng)中，PLC可對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行有效操控，為機(jī)電系統(tǒng)能夠抗干擾、靈活的開展生產(chǎn)活動提供了有效保障。近些年來，在微電子、網(wǎng)絡(luò)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展和普及使用的社會背景下，PLC已經(jīng)廣泛應(yīng)用到我國的船閘控制中，實(shí)踐表明，PLC的有效使用，使得船閘在自動化控制水平有了很大提高。

2 PLC的基本概述

PLC屬于電子裝置的一種，最適用于工業(yè)環(huán)境條件下的應(yīng)用。因PLC的存儲器具有編程功能，因此，該項(xiàng)技術(shù)可以用來執(zhí)行順序運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)以及計(jì)時(shí)等多項(xiàng)操作指令。同時(shí)，PLC也可采用模擬式或者數(shù)字式的輸出、輸入操作對生產(chǎn)系統(tǒng)中的各類生產(chǎn)過程以及機(jī)械生產(chǎn)操作進(jìn)行有效控制。本文主要總結(jié)PLC的功能如下：控制順序，這一功能轉(zhuǎn)變了以往繼電器中的順序控制，可以增加生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率，增長了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益；聯(lián)網(wǎng)通信功能；控制程序功能；處理數(shù)據(jù)功能。PLC技術(shù)在使用中可構(gòu)成相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)，在對生產(chǎn)過程控制時(shí)主要通過采集及處理數(shù)據(jù)來完成。基于上述分析可知，PLC在企業(yè)的生產(chǎn)活動中具有很高的應(yīng)用價(jià)值，為機(jī)電企業(yè)實(shí)現(xiàn)一體化生產(chǎn)提供了重要保障。其中，PLC的構(gòu)成如圖1所示，以下所列各個(gè)組成部分均在運(yùn)行過程中有著各自的作用，且各具特點(diǎn)具有自己的特點(diǎn)。

圖1 PLC構(gòu)成圖

3 長洲水利樞紐三線四線船閘工程概況

長洲水利樞紐三線四線船閘工程位于梧州市上游12km的西江干線上，是廣西打造西江億噸黃金水道，解決廣西內(nèi)河運(yùn)輸瓶頸的一個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目，是世界上通過能力最大的單級船閘。工程按一級船閘建設(shè)，主要建設(shè)3000t級船閘兩座、總長4.5km的上下引航道，有效尺度為340m×34m×5.8m（長×寬×門檻水深），設(shè)計(jì)年單向通過能力9600萬t。

長洲水利樞紐三四線船閘控制系統(tǒng)由北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所提供，結(jié)合北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所在船閘行業(yè)內(nèi)豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將長洲三線、四線船閘工程設(shè)計(jì)為管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)融為一體的管控一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種信息的無縫連接及資源共享。

整個(gè)管控系統(tǒng)采用“集中監(jiān)視管理、分散控制”的多層分布式結(jié)構(gòu)，并由四個(gè)層次現(xiàn)地設(shè)備層、現(xiàn)地控制層、集中控制層和計(jì)算機(jī)信息管理層組成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對船閘的機(jī)電設(shè)備、控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和船閘運(yùn)行的自動化、信息化的控制和管理。此外，系統(tǒng)根據(jù)集中控制和就地分散控制相結(jié)合的原則進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，最終完成了船閘自動控制系統(tǒng)、船閘通信系統(tǒng)、船閘工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)和四線船閘聯(lián)合調(diào)度信息管理系統(tǒng)。

4 PLC在長洲水利樞紐三線四線船閘控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

長洲水利樞紐三線四線船閘管控系統(tǒng)采用“集中監(jiān)視管理、分散控制”的多層分布式結(jié)構(gòu)，由四個(gè)層次現(xiàn)地設(shè)備層、現(xiàn)地控制層、集中控制層和計(jì)算機(jī)信息管理層構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對船閘的機(jī)電設(shè)備、控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和船閘運(yùn)行的自動化、信息化的控制和管理。

4.1.1 現(xiàn)地設(shè)備層

該層主要由三、四線船閘的上、下閘首機(jī)房及兩閘間連通閥機(jī)房內(nèi)外各現(xiàn)場機(jī)電設(shè)備組成，主要包括：電機(jī)、液壓泵站、開度儀、行程開關(guān)、水位計(jì)、交通信號燈等設(shè)備。

4.1.2 現(xiàn)地控制層

該層主要由三線、四線船閘上閘首機(jī)房、下閘首機(jī)房及兩閘間連通閥機(jī)房內(nèi)的PLC控制設(shè)備組成。主要完成對現(xiàn)地設(shè)備層各設(shè)備運(yùn)行/故障信號的采集和控制。

PLC系統(tǒng)配置為雙機(jī)熱備系統(tǒng)，即雙機(jī)架，雙CPU、雙電源、雙遠(yuǎn)程I/O網(wǎng)絡(luò)、雙以太網(wǎng)通訊，以保證系統(tǒng)的高度可靠性。熱備系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，采用100M光纖，直接連接至CPU的熱備光纖接口，以保證數(shù)據(jù)交換的效率。

自動控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)把控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成雙環(huán)形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用TCP/IP，通過光纖環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)船閘監(jiān)控中心上位機(jī)和上、下閘首現(xiàn)地控制室PLC之間的網(wǎng)絡(luò)通信。由于光纖環(huán)網(wǎng)具有線路冗余功能且環(huán)網(wǎng)切換時(shí)間短，屬于工業(yè)級的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，極大提高了控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃裕瑫r(shí)也保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

CPU雙機(jī)熱備的PLC主站向下與4個(gè)遠(yuǎn)程EIO站采用環(huán)形以太網(wǎng)進(jìn)行通信，交換機(jī)支持雙環(huán)網(wǎng)（MRP和RSTP協(xié)議）。向上通過雙環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)與監(jiān)控中心CPU雙機(jī)熱備的PLC及上位機(jī)進(jìn)行通信。

4.1.3 集中控制層

該層由四臺監(jiān)控上位機(jī)、二套IO服務(wù)器、一套實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、一套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、一套UPS不間斷電源及雷電保護(hù)裝置等組成。二臺監(jiān)控上位機(jī)用于監(jiān)視一線、二線船閘的過閘作業(yè)情況，另二臺監(jiān)控上位機(jī)用于監(jiān)視三線、四線船閘的過閘作業(yè)情況。兩套IO服務(wù)器互為冗余熱備，以提高數(shù)據(jù)采集和存儲的可靠性。本層主要完成對三、四線船閘的過閘作業(yè)集中控制操作、照明控制、PLC系統(tǒng)編程、功能組態(tài)、控制參數(shù)在線修改和設(shè)置及打印、故障報(bào)警等功能，能直觀地顯示一線-四線船閘各工藝流程段的實(shí)時(shí)工況、各工藝參數(shù)的趨勢畫面，使操作人員及時(shí)掌握船閘的運(yùn)行情況。

4.1.4 計(jì)算機(jī)信息管理層

該層為一線-四線船閘的管理局域網(wǎng)絡(luò)，它一方面可以接收集中控制層傳送來的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，以便各部門管理人員隨時(shí)了解船閘運(yùn)行的各類實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況和歷史數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，形成報(bào)表，將報(bào)表情況及時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上傳上級管理部門；另一方面承擔(dān)著整個(gè)1～4線船閘的調(diào)度管理。

4.2 控制系統(tǒng)控制方式

長洲三、四線船閘控制方式分現(xiàn)地控制、集中控制和點(diǎn)動控制三種?，F(xiàn)地控制是指運(yùn)行人員利用設(shè)置在上下閘首左側(cè)現(xiàn)地控制柜上的觸摸屏實(shí)現(xiàn)對左右閘閥門的單項(xiàng)運(yùn)行控制?？刂乒裆显O(shè)置“本側(cè)/雙側(cè)/對側(cè)”選擇按鈕，可實(shí)現(xiàn)對本閘首左、右閘閥門的同步操作或單機(jī)操作。集中控制在船閘監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)的程序操作和單項(xiàng)操作。在集控室可通過上位機(jī)完成程序控制、單項(xiàng)控制操作。在現(xiàn)地上下閘首的左側(cè)機(jī)房可通過控制柜上的觸摸屏完成本閘首單項(xiàng)控制。在控制柜上設(shè)有紅色蘑菇頭急停按鈕，操作員按下急停按鈕能立即切斷四個(gè)現(xiàn)地機(jī)房控制動力電源，確保人身和設(shè)備的安全。

以上兩種控制方式都是由可編程控制器（PLC）完成的。

點(diǎn)動控制是利用動力柜上的點(diǎn)動操作按鈕以及現(xiàn)地控制柜觸摸屏中的點(diǎn)動操作按鈕進(jìn)行點(diǎn)動操作。設(shè)備調(diào)試階段和設(shè)備檢修時(shí)，在不影響系統(tǒng)安全的前提下控制電機(jī)、電磁閥得電或單獨(dú)運(yùn)行，以便對局部設(shè)備或線路進(jìn)行檢修、維護(hù)。當(dāng)將控制柜上的“程控/點(diǎn)動”鑰匙選擇開關(guān)扳到“點(diǎn)動”時(shí)，點(diǎn)動操作回路得電。如果PLC工作正常，將任一控制柜上的“程控/點(diǎn)動”鑰匙選擇開關(guān)扳到“點(diǎn)動”時(shí)，所有PLC電機(jī)、電磁閥輸出禁止，同時(shí)在現(xiàn)地和上位機(jī)發(fā)出報(bào)警提示。此種方式只用于設(shè)備調(diào)試階段和設(shè)備檢修時(shí)。

4.3 控制系統(tǒng)工藝流程

此次船閘控制分為三種工藝流程：

（1）上下游水位差大于8m（由現(xiàn)場確定）時(shí)，開啟連通閘工作閥門，三、四線船閘互充互泄水，當(dāng)兩閘室內(nèi)水位差小于4m時(shí)，再開啟輸水廊道充、泄水閥門進(jìn)行充水或泄水；

（2）上下游水位差大于4m小于8m（由現(xiàn)場確定）時(shí)，無需連通閘工作閥門工作，三、四線船閘可獨(dú)自完成充泄水，可以一線充水、另一線泄水，但不能兩線船閘同時(shí)充水或泄水；

（3）上下游水位差小于4m（最終由現(xiàn)場確定）時(shí)，三、四線船閘可以同時(shí)充水或泄水。

4.4 控制系統(tǒng)保護(hù)功能

（1）控制系統(tǒng)控制回路具備過載、短路、失壓等保護(hù)功能。

控制系統(tǒng)每個(gè)回路都設(shè)有斷路器，對控制回路進(jìn)行過載、短路保護(hù)。對于PLC控制電源回路，還設(shè)置了電源濾波器，防止對PLC控制電源的干擾。

（2）各種操作方式之間有互瑣、閘閥門之間有符合船閘工藝的閉鎖，所有違反船閘工藝流程和操作規(guī)程的操作均無效。除此之外，為確保在用上位機(jī)進(jìn)行操作時(shí)不發(fā)生誤操作，對關(guān)鍵的操作設(shè)置重復(fù)確認(rèn)，在上位機(jī)還可設(shè)置口令保護(hù)。

（3）液壓系統(tǒng)的監(jiān)測保護(hù)。根據(jù)液壓系統(tǒng)承包商提供的接口，控制系統(tǒng)對液壓泵站的監(jiān)視保護(hù)主要包括液壓系統(tǒng)壓力（包括壓力傳感器和壓力繼電器）、油位、油溫、油過濾器堵塞等。

（4）主要電氣元件的狀態(tài)、參數(shù)監(jiān)測。

控制系統(tǒng)根據(jù)故障對設(shè)備安全運(yùn)行的影響，將故障分為三個(gè)等級：

非停機(jī)類故障——如水位計(jì)故障，僅作報(bào)警顯示，不影響系統(tǒng)運(yùn)行

停機(jī)類故障——如液壓泵站壓力過高/過低，電機(jī)故障等，該類故障出現(xiàn)后，系統(tǒng)禁止運(yùn)行同時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。如果系統(tǒng)正在運(yùn)行中，直接進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。

緊急故障——上下游閘閥門互鎖信號消失等，此類故障一旦出現(xiàn)，系統(tǒng)禁止運(yùn)行同時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)如果系統(tǒng)正在運(yùn)行，自動采取相應(yīng)動作以保證系統(tǒng)安全。例如，上閘首正在執(zhí)行開閥門動作，這時(shí)如果下游閘閥門閉鎖信號消失，上游開閥門動作自動轉(zhuǎn)為強(qiáng)落閥門動作，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。

4.5 控制系統(tǒng)軟件

PLC編程組態(tài)軟件UnityPro，UnityPro是一個(gè)基于Windows環(huán)境的編程軟件套件，為整個(gè)控制系統(tǒng)的開發(fā)提供一個(gè)統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境，借助于熟悉、標(biāo)準(zhǔn)的編輯器，用戶可在同一數(shù)據(jù)庫中使PLC程序、通訊、診斷等有機(jī)的結(jié)合在一起。UnityPro能使用戶快速、高效地開發(fā)、調(diào)試、維護(hù)、擴(kuò)展控制系統(tǒng)軟件，減少人力的投入，大大降低軟件成本、提高工作效率。UnityPro提供了使用簡單、友好的用戶界面，可重復(fù)使用的程序、強(qiáng)勁的搜索功能、自由格式的圖形編輯器、完善的在線幫助，使得對自動化控制系統(tǒng)的程序編寫軟件調(diào)試系統(tǒng)無與倫比的簡單。

4.6 控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件

（1）PLC應(yīng)用軟件

現(xiàn)地PLC應(yīng)用程序是在施耐德電氣公司的UNITY PRO軟件下編制的，它是船閘控制系統(tǒng)運(yùn)行的核心。船閘在正?？刂葡到y(tǒng)的運(yùn)行是靠PLC應(yīng)用程序的執(zhí)行。在設(shè)備選型先進(jìn)可靠的基礎(chǔ)下，現(xiàn)地PLC應(yīng)用程序編制的是否周密、完善，對船閘能否安全可靠的運(yùn)行起主導(dǎo)作用。同時(shí)完善的應(yīng)用程序也可以最大程度的發(fā)揮PLC等先進(jìn)設(shè)備的優(yōu)越性能。

（2）上位機(jī)圖形監(jiān)控及管理軟件

上位機(jī)圖形監(jiān)控及管理軟件是在INTOUCH 2012 R2的基礎(chǔ)上組態(tài)開發(fā)的應(yīng)用程序。主要功能包括：船閘操作流程簡介、船閘集控運(yùn)行操作、船閘運(yùn)行工況實(shí)時(shí)顯示、控制系統(tǒng)設(shè)備在線監(jiān)視、故障報(bào)警顯示及報(bào)警信息提示、運(yùn)行操作記錄及統(tǒng)計(jì)、消防泵站設(shè)備監(jiān)測、運(yùn)行及故障報(bào)表的自動生成、管理及打印、船閘相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)及趨勢分析、自動廣播等。

（3）觸摸屏軟件

現(xiàn)地觸摸屏應(yīng)用軟件在施耐德電氣公司的Vijeo Designer軟件下編制而成。畫面主要包括：操作員登錄畫面、操作運(yùn)行主畫面、本閘首液壓泵站系統(tǒng)監(jiān)視畫面、報(bào)警畫面等。實(shí)現(xiàn)船閘控制設(shè)備的在線監(jiān)測，包括閘閥門限位開關(guān)、開度、水位計(jì)、交通信號燈、電機(jī)、液壓泵站系統(tǒng)（電磁閥、比例泵放大器、電加熱、壓力、油溫、液位）等參數(shù)，完成本閘首左右兩側(cè)閘閥門的單項(xiàng)操作（本側(cè)/雙側(cè)/對側(cè)運(yùn)行），支持報(bào)警、停機(jī)信息實(shí)時(shí)查詢。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著水運(yùn)物流業(yè)的發(fā)展，對船閘的自動化水平也有了更高的要求，積極探討PLC在船閘中的應(yīng)用意義深遠(yuǎn)。PLC作為一種現(xiàn)代化的新型科技技術(shù)，在自動控制系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，加之與網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，可以幫助生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)在更少的經(jīng)濟(jì)投入基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)的目的，這正充分展現(xiàn)了PLC的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能、高效等應(yīng)用優(yōu)勢。為滿足生產(chǎn)企業(yè)對PLC的實(shí)際使用需求，相關(guān)單位應(yīng)該不斷加強(qiáng)對該項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)和改進(jìn)，以促進(jìn)船閘自動化水平的穩(wěn)定發(fā)展。

[1]易正輝.PLC在機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（31）：123～125.

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U641.5

A

1004-7344（2016）02-0272-02

2015-12-30

劉俊江（1983-），男，助理工程師，本科，主要從事對水電廠、船閘設(shè)備的運(yùn)行及維護(hù)工作，現(xiàn)負(fù)責(zé)長洲水利樞紐三線四線船閘設(shè)備的維護(hù)、技術(shù)把關(guān)工作。