秦新風(fēng) 賀三清

[摘 ? ?要 ]為減少河道廢物對機組的出力影響，提升水電站發(fā)電效率，同時杜絕采用人工清污方式產(chǎn)生的安全隱患，確保清污過程的可靠性，提出完善雙傳式清污機設(shè)計工作的建議。介紹該系統(tǒng)的主要構(gòu)成、工作原理，提供一組經(jīng)典的試驗數(shù)據(jù)。通過分析研究后，認為雙超聲波液位傳感器的安裝過程簡單，檢查結(jié)果的精準性處于較高水平，配合使用PLC能明顯提升清污機運作過程的可靠性，延長其使用年限，創(chuàng)造出更多的效益。

[關(guān)鍵詞]PLC;清污機;自動化控制;水位差

[中圖分類號]TP273 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–00–02

[Abstract]In order to reduce the impact of river waste on the output of the unit， improve the power generation efficiency of hydropower stations， and at the same time eliminate the hidden safety hazards caused by the use of manual cleaning methods， and ensure the reliability of the cleaning process， a proposal to improve the design of the dual-pass cleaning machine is proposed. The article introduces the main composition and working principle of the system， and provides a set of very classic test data. After analysis and research， it is believed that the installation process of the dual ultrasonic liquid level sensor is simple， and the accuracy of the inspection results is at a high level. The use of PLC can significantly improve the reliability of the operation process of the cleaning machine， extend its service life， and create more Benefits.

[Keywords]PLC; cleaning machine; automatic control; water level difference

清污機是消除發(fā)電廠進水前池、泵站等其他水工建筑物附著在攔污柵上的樹技、枯葉、雜草、城市垃圾、浮冰等常見裝置之一，其功能以清除地表水中的雜物為主，減少發(fā)電站水頭損失，提升水的流速進而確保發(fā)電機組、泵組等設(shè)備運行過程的安全、穩(wěn)定、高效。近年，國內(nèi)工業(yè)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，與之相比的是白色污染程度不斷加劇，特別是在汛期，地表水內(nèi)懸浮雜物成倍增加，很可能堵塞攔污柵的網(wǎng)孔，以致攔污棚前后形成較大的水位差，影響水工建筑物正常功能的發(fā)揮，嚴重時造成設(shè)備停運。本課題介紹了一款PLC構(gòu)成的清污機自動控制系統(tǒng)，其最大的特點是能實現(xiàn)對水位差及PLC的雙重調(diào)控，進而保障系統(tǒng)運行安全性。

1 系統(tǒng)主要構(gòu)成與工作原理

本系統(tǒng)投用階段，先利用2個測深傳感器依次測得柵前、柵后水位信號，利用輸入電路濾波、隔離放大以后測算出差值，獲得攔污柵前后的水位差信號，標定該信號后將其送進PLC內(nèi)，通過觸摸屏以厘米為單位清晰地呈現(xiàn)出柵前、柵后的真實水位差，為值班人員監(jiān)測工作開展過程提供可靠信息。并且，還對比分析了該水位差值和啟動、停止、越限設(shè)定值，這樣便能順利地生成一組完整的啟動、停止、越限報警信號，由PLC控制清污機自動啟停。一旦設(shè)備運行階段突發(fā)故障問題，則會強制停止清污，并且會對外傳送出聲光報警信號，呈現(xiàn)出對應(yīng)設(shè)備的故障類型。如果沒有故障異常，則按照清污機設(shè)定的作業(yè)流程自動控制設(shè)備。真實水位差若抵達啟動設(shè)定值時，就先開啟皮帶輸送機，間隔適宜時間后，開啟清污機耙斗電機。等到清污機運作一個完整的循環(huán)以后，控制系統(tǒng)智能檢測當(dāng)下水位差是否低于停止值，如果在停止值之下，則需要按照設(shè)定程序?qū)⑶逦蹤C停在預(yù)置位，這樣便順利地落實一次清洗任務(wù)。如果大于停止值，那么系統(tǒng)會再運作一個循環(huán)，隨后控制系統(tǒng)再次檢測當(dāng)下水位差，直至水位差達到停止值之下，才停止該次清污。PLC還能實現(xiàn)定時控制，等同于水位差在較長時間內(nèi)無法抵達啟動閥值時，那么系統(tǒng)按照定時控制程序設(shè)定各清污設(shè)備的啟、停動作時間對清污機進行自動控制，這是其發(fā)揮定時控制功能的重要基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)的主要性能指標與試驗

水位差顯示范疇、精度分別是±150 cm、±0.1 cm;系統(tǒng)自身控制的精準性±0.2 cm;測量盲區(qū)小于40 cm，工作溫度-20～+60 ℃。

表1是一組測試系統(tǒng)檢查及控制精準度的經(jīng)典試驗數(shù)據(jù)記錄情況，具體是把2只超聲波液位計安裝在高度5 m的水渠中，標定好液位計量程，而后把柵后液位計每間隔5 cm遮擋1次，并精準地記錄下實際呈現(xiàn)情況，連續(xù)遮擋10次以后再降到原位。

現(xiàn)實操作中，啟動值20.00 cm、停止值15.00 cm、越線報警值35.00 cm，分析表1內(nèi)的數(shù)據(jù)，不難看出檢測值和真實水位差之間形成了良好的線性關(guān)系，測算得水位差值和真實水位差值兩者的最大誤差被控制在±0.2 ㎝，啟、停及越限報警動作點位和其對應(yīng)的設(shè)定值尚不完全靠近，對其成因進行分析，主要是由于各個比較電路均統(tǒng)一應(yīng)用了滯環(huán)量為1 cm的滯環(huán)比較器。故而，當(dāng)水位差提高時，實際動作點位是“設(shè)定值+1 cm”;當(dāng)水位差降低時，動作點是“設(shè)定值-1 cm”，采用以上設(shè)置方法的目的主要實際減少水浪對系統(tǒng)形成的干擾程度。

3 清污機電氣控制系統(tǒng)分析

3.1 總體要求

清污機選用了交流傳動系統(tǒng)，參照實際運行工況要求及電動機種類、容量、通電頻次等諸多條件設(shè)定，電氣設(shè)計應(yīng)符合DL/T5167和GB3811內(nèi)設(shè)定的有關(guān)標準要求。建議電氣元件選擇進口或合資企業(yè)制造出的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，PLC選擇施耐德、西門子等知名品牌。以上所有電氣元件都應(yīng)耐極端最低氣溫-11.3 ℃、相對濕度85%及冷表層結(jié)露的作業(yè)環(huán)境條件。

柜體由國內(nèi)知名廠家引進，柜體自身帶有底座，采用螺栓固定，柜體的規(guī)格尺寸要和電氣元件布置所需空間相匹配，為操控及監(jiān)視創(chuàng)造便利條件。柜體自身的結(jié)構(gòu)是封閉式，前后依次設(shè)置鉸鏈密封門，啟動、閉合過程靈敏，開啟角≥90°，柜門要實現(xiàn)安全接地。柜中應(yīng)布置接地銅母線，接地銅排規(guī)格要在5 mm×40 mm之上，且要帶有接地端子，同樣要實現(xiàn)可靠接地。燈與插座的電源都是單相交流220 V，建議應(yīng)用屏蔽方法，減少電磁干擾及局部設(shè)備損壞等情況，這樣電氣控制系統(tǒng)在設(shè)定的環(huán)境條件下更能安全、有效運作。在實踐中，要求保護等級均要在IEC標準IP43之上。

3.2 介紹清污機的電氣方案

供電、主電控、PLC控制及安全保護系統(tǒng)等是電氣系統(tǒng)的主要構(gòu)成。其中，主電控內(nèi)置了起升傳動控制、輸送帶行走傳動系統(tǒng)、耙斗控制系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)應(yīng)用當(dāng)下我國流行的方案，即“觸摸屏+PCL+電氣傳動”。其中，觸摸屏是人機交換單元，操作運維人員用其監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備的運行狀態(tài)及對相應(yīng)故障進行分析診斷;PLC是整個機組的邏輯控制中心;電氣傳動對設(shè)備各個機構(gòu)運行過程能提供較大的驅(qū)動力。

PLC作為本系統(tǒng)的控制核心，清污機全部控制均是由該系統(tǒng)完成的。為了能使清污機系統(tǒng)布線形式更具簡潔性，確保電氣性能的安穩(wěn)性，推薦使用由SIEMENS公司生產(chǎn)的S7-200系PLC產(chǎn)品，利用串行或以太網(wǎng)通信接口與變頻器、上位機、云平臺等設(shè)備連接，這是實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的重要基礎(chǔ)。SIEMENS公司的S7-200PLC自身具備如下性能特征：模塊化小型PLC，能較好地滿足中小規(guī)模的性能要求;各性能模塊對自動化控制任務(wù)執(zhí)行過程均表現(xiàn)出較強的適應(yīng)性;分布式結(jié)構(gòu)簡單、實用且應(yīng)用過程十分靈活;當(dāng)執(zhí)行的控制任務(wù)量增加時，能夠?qū)崿F(xiàn)自由擴展;大范疇的集成功能有助于增強其使用功能。

3.3 安全保護功能

保護在動作發(fā)出以后，要確保設(shè)備的安全性，規(guī)避出現(xiàn)卡滯等險況。

緊急切斷開關(guān)，控制箱上布置斷電按鈕，這樣在突發(fā)工況下，技術(shù)人員能十分快捷地斷離系統(tǒng)總動力與控制電源。以上過程的控制按鈕信號會統(tǒng)一傳送至PLC設(shè)備中，實現(xiàn)智能監(jiān)視與動作記錄功能。

實現(xiàn)超載限制保護，主要是把超載限制器安置在轉(zhuǎn)動機構(gòu)上，在檢測到實際載荷抵達額定起重量的90%時，便會對外傳送出預(yù)警信號;當(dāng)載荷抵達105%時，則會延時停機;若載荷是額定起重量的1.1倍時，則要快速斷離總動力電源，發(fā)出禁止操作的報警信號;若荷載不足額定起重量的10%之內(nèi)，則要快速斷離總動力電源，此時發(fā)出的報警信號告知值班人員系統(tǒng)出現(xiàn)了欠載。

4 清污機自控系統(tǒng)的主要功能

（1）將厘米設(shè)定為單位，持續(xù)呈現(xiàn)出柵前、柵后水位差值。

（2）具備傳統(tǒng)人工手動/智能化兩種作業(yè)形式。在傳統(tǒng)手動作業(yè)形式中，可以采用調(diào)控面板上的啟動、停止按鈕，有針對性地啟、停清污系統(tǒng)內(nèi)置的傳送帶、耙斗等各個裝置。在采用智能化作業(yè)方式時，可以依照水位差及定時時間設(shè)定情況同步調(diào)控清污系統(tǒng)，可以結(jié)合控制面板上的定時選擇開關(guān)選擇適宜的定時時間，，在選擇的時間間隔中，如果水位差始終沒有抵達到預(yù)設(shè)的啟動值，那么PLC就會定時開啟清污系統(tǒng)，運轉(zhuǎn)一定時間以后（默認值：10 min），按照一定順序停止。

（3）當(dāng)檢測到水位差越限時，則會啟動聲光報警功能。通常來說，啟動設(shè)定值始終是在停止設(shè)定值之上的，而低于越限設(shè)定值。當(dāng)實際水位差抵達到啟動設(shè)定值時，就會開啟清污機進入到清污工序，在這樣的工況下，柵前、柵后的水位差通常會跌落，但如果出現(xiàn)沒有減小反卻增加至越限設(shè)定值時，那么就會傳送出聲光報警信號，借此方式警示值班人員系統(tǒng)運行階段發(fā)生了異常狀況。在具體實踐中，可以采用面板上的靜音按鈕消解聲報警信號。

（4）具備設(shè)備故障自檢功能。如果系統(tǒng)運行階段突發(fā)旋轉(zhuǎn)鏈條卡頓、鏈條從原位上疏松、電機過力矩及熱過載時，則均會對外傳送出相應(yīng)的故障聲光報警信號，整個清污系統(tǒng)同步停止，在故障消解以后，復(fù)位鈕進行復(fù)位操作以后才可以運轉(zhuǎn)。

（5）智能呈現(xiàn)出清污系統(tǒng)各個內(nèi)置設(shè)備的實時運作狀態(tài)，并且可以將該狀態(tài)及對應(yīng)的故障和信號傳輸至遠處。

5 結(jié)束語

由PLC構(gòu)成的清污機控制系統(tǒng)有控制精準度高、動作精準、運行狀態(tài)穩(wěn)定性優(yōu)良、操作過程簡單等優(yōu)勢。安裝超聲波液位計，能進一步提升該系統(tǒng)安裝操作的便捷性，可以用其取代人工手動控制的方式，當(dāng)下已用在國內(nèi)數(shù)家水電站、泵站，具備十分廣袤的應(yīng)用前景。

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