梁秋艷， 葛宜元， 曲愛(ài)玲，馬曉君，朱世偉

(1.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007；2.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)系，北京 102442)

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基于PLC的農(nóng)村小型水電站閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁秋艷1， 葛宜元1， 曲愛(ài)玲2，馬曉君1，朱世偉1

(1.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007；2.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)系，北京 102442)

采用上位機(jī)與下位機(jī)協(xié)同工作的控制方式，MCGS組態(tài)軟件對(duì)上位機(jī)程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)，PLC為下位機(jī)的控制核心，完成對(duì)農(nóng)村小型水電站閘門(mén)的全程監(jiān)控。模擬試驗(yàn)表明，該監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)觸摸屏可實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門(mén)的啟動(dòng)上升、停止、下降的控制及對(duì)閘門(mén)開(kāi)放度信息的采集、顯示及處理；在緊急情況下實(shí)現(xiàn)緊急落門(mén)和緊急抱閘剎車；顯示報(bào)警信息以及通過(guò)觸摸屏監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；控制閘門(mén)上升或下降到指定開(kāi)度。監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，閘門(mén)實(shí)際位置與上位機(jī)顯示界面信息一致。

PLC；水電站閘門(mén)；監(jiān)控；綜合自動(dòng)化

電力體制改革促使農(nóng)村小型水電站需實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化，以計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)代替人工操作、定時(shí)巡回檢查及記錄等繁雜勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人或少人值班[1]。水電站閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)是綜合自動(dòng)化中重要部分，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)需在信息化、自動(dòng)化、可視化等方面滿足綜合自動(dòng)化的要求，以進(jìn)一步提高水電站的安全運(yùn)行水平[2]。筆者現(xiàn)將基于PLC的農(nóng)村小型水電閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡述，以期為我國(guó)農(nóng)村小型水電站綜合自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)提供理論依據(jù)。

1　監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

對(duì)閘門(mén)的監(jiān)控是水電站中重要的一項(xiàng)工作，閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、有效地完成所有被控對(duì)象的安全監(jiān)視和控制，能夠?qū)λ刂茩C(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行全面監(jiān)視處理。

閘門(mén)監(jiān)控中心如圖1所示，其主要負(fù)責(zé)集中監(jiān)視和控制、記錄運(yùn)行并指導(dǎo)、報(bào)警、上下層通信等，同時(shí)，還對(duì)閘門(mén)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[3]。水電站的水位測(cè)量是在上游和下游分別安放水位傳感器，傳感器與PLC的模擬量模塊相連接，通過(guò)PLC將測(cè)量值送至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據(jù)水位的變化，對(duì)閘門(mén)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整控制。閘門(mén)的開(kāi)度由交流電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，交流電機(jī)與PLC連接，以數(shù)字量的形式送入PLC的輸入模塊中對(duì)閘門(mén)開(kāi)度進(jìn)行更改或全啟閉的控制。LCU(Local control units)為閘門(mén)現(xiàn)地控制單元，核心單元是PLC可編程控制器，通過(guò)傳感器完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)(如水位、閘位、運(yùn)行狀態(tài)等)的采集，向主控層傳送采集的數(shù)據(jù)，報(bào)告各現(xiàn)地控制層設(shè)備的運(yùn)行情況等信息，接收并且解析上位機(jī)信號(hào)指令，按照上位機(jī)發(fā)出的指令對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行控制[4]。

圖1　水電站閘門(mén)監(jiān)控中心示意Fig.1　Schematic diagram of hydropower station gate monitoring center

2　上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2　程序變量的對(duì)應(yīng)Fig.2　Correspondence to program variable

該設(shè)計(jì)采用MCGS組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)的上位機(jī)程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)將實(shí)時(shí)反映在上位機(jī)組態(tài)軟件的模擬運(yùn)行環(huán)境中，還可人工操作閘門(mén)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人工控制。利用MCGS組態(tài)軟件編寫(xiě)的程序可運(yùn)行于PC機(jī)上的模擬運(yùn)行環(huán)境中，也可通過(guò)RS485下載線將編寫(xiě)好的上位機(jī)程序下載入觸摸屏里運(yùn)行。該設(shè)計(jì)在PC機(jī)上編寫(xiě)上位機(jī)程序，采用三菱PLC仿真調(diào)試線實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與PLC之間的通訊，程序中變量對(duì)應(yīng)情況如圖2所示。圖2給出了上位機(jī)變量與下位機(jī)繼電器之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，左邊為上位機(jī)中的變量名，右邊是下位機(jī)中變量對(duì)應(yīng)的中間繼電器名，例如，y0在下位機(jī)PLC中對(duì)應(yīng)的是Y000；y1對(duì)應(yīng)的Y0001；“下降”在下位機(jī)中對(duì)應(yīng)的是M0000；“上升”在下位機(jī)中對(duì)應(yīng)的是M0001。屬性均為讀寫(xiě)操作。

3　下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)對(duì)下位機(jī)的核心要求是控制閘門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門(mén)的升降控制、事故狀態(tài)時(shí)緊急抱閘等。PLC執(zhí)行用戶事先編好程序，通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完成對(duì)閘門(mén)水位、閘門(mén)情況的自動(dòng)化采集與傳輸，在監(jiān)控中心遠(yuǎn)程控制閘門(mén)啟閉以及閘門(mén)的開(kāi)度[5]。

程序段對(duì)閘門(mén)的下降運(yùn)行實(shí)現(xiàn)控制如圖3所示。上位機(jī)程序中將“下降按鈕”這個(gè)變量與下位機(jī)程序中中間繼電器M9關(guān)聯(lián)上，并且在上位機(jī)組態(tài)軟件中將“下降按鈕”這個(gè)變量設(shè)置成“按下為1，松開(kāi)為0”的操作屬性。由圖3程序可知，當(dāng)在組態(tài)軟件模擬運(yùn)行環(huán)境中點(diǎn)擊此按鈕時(shí)，在0標(biāo)號(hào)行M9吸合，中間繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，線路導(dǎo)通。同時(shí)，由于“下降按鈕”屬性為“按下為1，松開(kāi)為0”，在M9中間繼電器的線圈處接一個(gè)M0保持線路導(dǎo)通。M9線路導(dǎo)通，在10行將使Y000輸出繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，從而使閘門(mén)下降。此外，線路中還串聯(lián)了下降行程開(kāi)關(guān)、急停按鈕，閘門(mén)在上升或下降的過(guò)程中觸碰上升或下降的行程開(kāi)關(guān)，閘門(mén)就會(huì)停止；如果閘門(mén)在運(yùn)行期間突然發(fā)生意外事故，人工按下急停按鈕，則系統(tǒng)斷電，使閘門(mén)停止，從而保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

圖3　水電站閘門(mén)下降運(yùn)行控制Fig.3　Down operation control of hydropower station gate

水位監(jiān)測(cè)程序如圖4所示。繼電器線圈X005接水位開(kāi)關(guān)1，X006接水位開(kāi)關(guān)2。當(dāng)上升水面觸碰到水位開(kāi)關(guān)1時(shí)，由圖4a可知，M3繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，M3繼電器回路保持導(dǎo)通狀態(tài)，由圖4b可以看出，M3的導(dǎo)通可使輸出繼電器Y001常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，閘門(mén)上升。水位開(kāi)關(guān)閉合的信號(hào)會(huì)被上位機(jī)組態(tài)軟件所感知，對(duì)閘門(mén)上升時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)閘門(mén)上升至閘門(mén)總開(kāi)度一半時(shí)，上位機(jī)組態(tài)軟件的腳本程序可控制M5中間繼電器吸合，從而使閘門(mén)停止，M5繼電器是閘門(mén)在上升過(guò)程中的第一個(gè)行程開(kāi)關(guān)，由程序控制。若水面繼續(xù)上升觸碰到第2個(gè)水位開(kāi)關(guān)，閘門(mén)繼續(xù)上升，閘門(mén)將上升到閘門(mén)總開(kāi)度的100%。當(dāng)閘門(mén)上升至最高點(diǎn)時(shí)，上限位開(kāi)關(guān)X004會(huì)被觸碰，閘門(mén)停止上升。

閘門(mén)安全運(yùn)行程序如圖5所示，其可實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門(mén)安全運(yùn)行的監(jiān)控功能。X000外接的是一個(gè)模擬緊急事故信號(hào)觸發(fā)的外接端口，當(dāng)有意外事故發(fā)生時(shí)，X000吸合使中間繼電器M8得電。M8是信號(hào)觸發(fā)中間繼電器，它串聯(lián)于每一條信號(hào)回路，無(wú)論閘門(mén)運(yùn)行于何種狀態(tài)，當(dāng)有緊急事故發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)實(shí)現(xiàn)緊急落門(mén)，以保證事故影響范圍縮至最小。在M8繼電器回路中將串聯(lián)下限位行程開(kāi)關(guān)M7，當(dāng)閘門(mén)下降至最低點(diǎn)時(shí)，閘門(mén)觸碰該行程開(kāi)關(guān)使閘門(mén)停止。

圖4　2段水位監(jiān)測(cè)程序Fig.4　Water level monitoring program of two sections

4　水電站閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1硬件實(shí)現(xiàn)農(nóng)村小型水電站閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件實(shí)物如圖6所示，其采用指示燈和電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)模擬實(shí)際應(yīng)用中的執(zhí)行設(shè)備，2個(gè)水位開(kāi)關(guān)代替水位傳感器，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)只需將相應(yīng)的輸出端連接到實(shí)際的執(zhí)行設(shè)備即可。

4.2軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)的啟動(dòng)窗口如圖7所示。點(diǎn)擊右下角閃爍的文字控件便可進(jìn)入系統(tǒng)的主控界面。

系統(tǒng)的主控界面如圖8所示，系統(tǒng)的控制部分均在此實(shí)現(xiàn)，圖中左半部分為系統(tǒng)的按鍵，指示燈分別指示其對(duì)應(yīng)控件的狀態(tài)。中間部分為控件示意圖，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，中間部分可動(dòng)畫(huà)模擬閘門(mén)運(yùn)行的狀態(tài)。右下角為退出系統(tǒng)的按鍵，按下即退出系統(tǒng)主控界面，返回啟動(dòng)窗口[6]。右上角為信息顯示功能，可顯示時(shí)間、閘門(mén)開(kāi)度等信息。點(diǎn)擊上升按鈕，閘門(mén)會(huì)上升，上升至最大開(kāi)度時(shí)，觸碰上限位開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)的上限位指示燈亮；點(diǎn)擊下降按鈕，閘門(mén)開(kāi)始下降，當(dāng)閘門(mén)完全下降時(shí)，觸發(fā)下限位開(kāi)關(guān)，下限位指示燈亮；點(diǎn)擊停止按鈕時(shí)，閘門(mén)會(huì)停止運(yùn)作；當(dāng)有事故發(fā)生時(shí)，可以手動(dòng)按下緊急按鍵，這時(shí)左上角的報(bào)警燈由初始的紅色變?yōu)殚W爍，并且伴有紅字“事故狀態(tài)，緊急落門(mén)！”的字樣。

圖5　閘門(mén)安全運(yùn)行程序Fig.5　Safe operation procedure of gate

圖6　水電站閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)硬件Fig.6　Hardware circuit of hydropower station gate monitoring system

圖7　系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)啟動(dòng)窗口Fig.7　Starting window during system start

圖8　主控界面Fig.8　The major control interface

5　結(jié)論

該設(shè)計(jì)采用上位機(jī)與下位機(jī)協(xié)同工作的控制方式，利用RS485通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，以PLC為系統(tǒng)的控制核心完成對(duì)農(nóng)村小型水電站閘門(mén)的全程監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)功能主要包括：通過(guò)人機(jī)交互界面——觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門(mén)的啟動(dòng)上升、停止、下降的控制；實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門(mén)開(kāi)放度信息的采集、顯示及處理功能；在緊急情況下緊急落門(mén)和緊急抱閘剎車的功能；顯示報(bào)警信息以及通過(guò)觸摸屏可以監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；控制閘門(mén)上升或下降至指定開(kāi)度。模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，閘門(mén)實(shí)際位置與上位機(jī)顯示界面信息一致。

[1] 錢(qián)瑞，朱登攀，周洪．小型水電站無(wú)人值守綜合自動(dòng)化系統(tǒng)[J]．小水電，2001(2)：22-23．

[2] 古明亮.水電站閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].科學(xué)之友，2010(11):30-31.

[3] 張興旺，宋易瓏.PLC 在中小型水電站閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào),2013,32(6):72-75

[4] 吳小平．基于 PLC 的中小型水電站閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)， 2011．

[5] 王樹(shù)東, 邊玉國(guó), 邊黨偉.基于 PLC 與 iFIX的閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].水力發(fā)電，2006, 32(8)：61-63.

[6] 周志敏.觸摸屏實(shí)用技術(shù)與工程應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社, 2011.

Design and Implementation of Rural Small Hydropower Station Gate Monitoring System Based on PLC

LIANG Qiu-yan1, GE Yi-yuan1, QU Ai-ling2et al

(1.Department of Mechanical Engineering, Jiamusi University, Jiamusi, Heilongjiang 154007; 2.Department of Information Technology, Beijing Vocational College of Agriculture, Beijing 102442)

Cooperative work of upper computer and lower computer was adopted to complete the monitoring of rural small hydropower station gate.MCGS configuration software was used to develop upper computer program and PLC as control core of lower computer.Simulation experiment results showed that the monitoring system could realize the gate control of start up, stop and down through a touch screen.It also could collect, display and process the information of gate opening degree, implement emergency gate and emergency brake in case of an emergency, display alarming information, and monitor the running state of system through the touch screen and control the gate up or down to the specified opening degree.The monitoring system had good real-time performance, the actual position of gate was consistent with which PC displayed.

PLC; Hydropower stations gate; Monitoring; Integrated automation

佳木斯大學(xué)自然科學(xué)基礎(chǔ)研究青年類項(xiàng)目(Lq2014-002)。

梁秋艷(1981- )，女，黑龍江佳木斯人，講師，在讀博士，從事電氣自動(dòng)化、智能控制研究。

2016-06-06

S 24；TV 742

A

0517-6611(2016)21-217-03