閆偉
滕州市馬河水庫管理服務(wù)中心 山東滕州 277533
閘門作為水利工程的特種設(shè)備,肩負(fù)著防洪、供水、灌溉、蓄水等艱巨任務(wù),如何保證閘門安全運行,實現(xiàn)精確控制,以提高其科學(xué)調(diào)配水量的能力,是對水利工程運行管理工作提出的一項新要求。早在2004年,馬河水庫便設(shè)計了基于PLC S-200為主控件的閘門自動控制系統(tǒng),用以替代原繼電器式閘控系統(tǒng)。2018年,我們又采用新一代PLC S-1200替換S-200,組建起局域網(wǎng),實現(xiàn)了PLC控制系統(tǒng)現(xiàn)場控制與中控室遠(yuǎn)程控制的結(jié)合,進(jìn)一步優(yōu)化了自控系統(tǒng)[1]。
作為自動控制系統(tǒng)的主控器件,可編程控制器(Programmable Logic Controller,PLC),是以微處理器為基礎(chǔ)的通用的工業(yè)控制裝置。通過向其可編程存儲器裝入不同的應(yīng)用程序,就可以應(yīng)用于不同的工業(yè)控制系統(tǒng),完成不同的控制任務(wù)。
(1)安全可靠、精確度高。傳統(tǒng)的繼電器式閘門控制系統(tǒng),機械故障率高、維修復(fù)雜,閘門開度、過閘流量都需人工測算,難免存在較大誤差。采用PLC技術(shù)則可實現(xiàn)對各種機械運動狀態(tài)和位置的自動、精確控制,再加上故障自診和保護(hù)電路設(shè)置,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的安全性[2]。
(2)靈活適用和可擴展性。當(dāng)被控設(shè)備的結(jié)構(gòu)或工藝發(fā)生改變時,PLC自控系統(tǒng)只需修改內(nèi)置的應(yīng)用程序,就能滿足新的控制要求。此外,PLC只需通過簡單的組合擴展元器件,便可靈活地拓展控制系統(tǒng)的規(guī)模,給生產(chǎn)帶來很大的方便。
(3)工作效率高。繼電器式閘門控制系統(tǒng)的自動化水平低,存在相當(dāng)大比例的人工操作。采用PLC技術(shù)可減少調(diào)試、運行、維護(hù)工作的強度,只需用戶設(shè)置好目標(biāo)參數(shù),所有控制動作均由系統(tǒng)自動完成。
東放水洞是馬河水庫灌區(qū)灌溉、工業(yè)和城市生活供水共用的主要輸水通道。放水洞為鋼筋砼有壓圓管結(jié)構(gòu),斷面直徑1.4米,最大泄流量22立方/秒,通過啟閉機帶動升降輥升/降閘門的方式來調(diào)節(jié)泄流量。
控制系統(tǒng)由西門子PLC、旋轉(zhuǎn)編碼器、觸摸屏等核心部件,以及交流接觸器、中間繼電器、閘位傳感器、斷路保護(hù)器等附屬部件構(gòu)成。
(1)PLC。PLC控制器使用前,需先由用戶(PLC系統(tǒng)的使用者)根據(jù)控制要求,使用PLC廠商提供的編程語言編寫計算機程序。其作用相當(dāng)于對控制系統(tǒng)的繼電器設(shè)備的硬件接線線路進(jìn)行設(shè)計,從而設(shè)定PLC的動作,也就是實現(xiàn)所謂的“可編程”。
本次改造采用西門子PLC S7-1200替換S7-200作為主控器。S7-1200配有RJ45標(biāo)準(zhǔn)通訊端口,可通過網(wǎng)線同水庫中控室計算機連接,組建基于以太網(wǎng)協(xié)議的局域網(wǎng),達(dá)到既可在現(xiàn)場實現(xiàn)閘門自動控制,也可由中控室進(jìn)行集中控制的目的[3]。
當(dāng)控制任務(wù)改變時,還可通過西門子公司STEP7Basic工具軟件,對S-1200進(jìn)行在線編程。而且系統(tǒng)所有模塊(包括網(wǎng)絡(luò)通信)均支持帶電插拔,現(xiàn)場維護(hù)十分便捷。
(2)旋轉(zhuǎn)編碼器。系統(tǒng)采用400線增量式旋轉(zhuǎn)編碼器,并對其進(jìn)行4倍頻,即:編碼器旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生1600個脈沖信號(400×4=1600),進(jìn)一步提高了閘位計量精度。具體為:因升降輥每轉(zhuǎn)動一圈閘門升/降1米,因此,閘位控制精確度達(dá)到0.000625米(1米/1600脈沖=0.000625米)。
編碼器的安裝也十分方便。將400增量式旋轉(zhuǎn)編碼器通過固定式支架與放水洞閘門鋼索升降輥同軸連接,以使升降輥與編碼器的旋轉(zhuǎn)同步。編碼器通過信號線將旋轉(zhuǎn)輸出的脈沖送至PLC高速計數(shù)器專用通道,PLC根據(jù)脈沖數(shù)量和相位,得出閘門變動方向及實時位置。
需要說明的是,因增量式編碼器無法檢測電動機軸的絕對角度,系統(tǒng)意外斷電后,升降輥若發(fā)生人為轉(zhuǎn)動,再加電后,需對編碼器執(zhí)行回零操作,以重新確定位置參數(shù)的起點,而這無形中增加了額外工作量。為此,本次改造中,我們專門配置了24V備用電瓶(也可稱之為“保持電瓶”),在外電中斷時為PLC控制系統(tǒng)供電。
(3)觸摸屏。作為人機交互裝置,KTP600觸摸屏可設(shè)參數(shù)多,且數(shù)據(jù)、圖形兼?zhèn)?,形象直觀。用戶可運用西門子公司STEP7Basic編程應(yīng)用軟件,對KTP600進(jìn)行組態(tài)(Configure)。流程是:在計算機上打開STEP7Basic應(yīng)用軟件,用軟件中提供的工具、方法,以圖形化的方式逐一定義按鍵相對應(yīng)的連接地址(PLC內(nèi)部元器件的地址)。組態(tài)完成后通過RJ45通訊端口下載至觸摸屏,再用網(wǎng)線將觸摸屏與PLC進(jìn)行連接,這樣觸摸屏就可以向PLC發(fā)送指令和接受來自PLC的反饋,用戶只需要通過操作觸摸屏就可以控制PLC的動作了。
綜上所述,本系統(tǒng)根據(jù)用戶指令要求,以西門子PLCS-1200為主控核心,通過運行預(yù)置的應(yīng)用程序,控制閘門升降輥的運動,來實現(xiàn)對閘門升/降的精確控制。
考慮到升、降、停的快速切換及誤操作等可能導(dǎo)致系統(tǒng)出錯,本系統(tǒng)線路采用了互鎖保護(hù)。
PLC有監(jiān)視定時器等自檢功能,當(dāng)檢測出異常時,輸出的控制信號全部關(guān)閉。自檢異常信息主要包括:閘門卡滯,閘門運行失速,以及閘門開度過大引起的上升越限和下降過度引起的下越限等。
馬河水庫放水洞閘門自動控制系統(tǒng),以PLCS-1200替換S-200作為主控器,保留了原控制系統(tǒng)附屬部件,其投資成本低、可靠性高。S-1200良好的通訊互聯(lián)功能,為實現(xiàn)閘門的遠(yuǎn)程控制提供了可能。自控系統(tǒng)的成功應(yīng)用,為水利工程自動化建設(shè)提供了參考借鑒,具有一定的推廣價值。