基于PLC的闸门自控系统研究.pdf

第 3 6卷第 1期 华 北 水 利 水 电 大 学 学 报 自 然 科 学 版 V o 1 ． 3 6 N o ． 1 2 0 1 5年 2月 J o u r n a l o f No ah C h i n a Un i v e r s i t y o f Wa t e r Re s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o we r Na t u r a l S c i e n c e E d i t i o n F e b ．2 0 1 5 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 25 6 3 4 ． 2 01 5 ． 0 1 ． 0 1 6 基 于 P L C的闸 门 自控 常 成 系统研究 贵州大学 电气工程学院， 贵州 贵 阳 2 3 0 0 0 5 摘要 闸 门是水工建筑物的重要组成部分 ， 随着 自动控制 、 通 信及计算 机技术 的不 断发展 ， 可 以实 现对 闸门和水 情的远程监控． 从 系统的经济性 和实用 性角度考虑 ， 针 对某一 大型水利 闸 门控 制系统进 行研究 ， 根 据系统 远程和现地控制 的要求 ， 提出了分层分布式闸 门控 制方式 ． 在 生产现场 ， 系统按被 控对象设 置 4套 现地控 制单元 ， 在监控 中心使用组态王软件实现对闸门的远程监控 ， 并 对相应 的电气主 系统 、 P L C控制 系统 、 计算 机监控系统进行设计研究． 研 究结果表明 ， 可 以通过 主控室对 闸 门进 行远程 控制 ， 并能及 时把 收集 到 的河 道信息送往 主控室 ， 真正实现了河道“ 无人值班 ， 少人值守” 的控制模式 ， 提高了河道的管理能力． 关键词 闸f _ 】 自控 系统 ； P L C ； 组 态 ； 计算机监控 系统 中图分类号 T V 6 6 4； T P 2 7 3 文献标 识码 A 文章编 号 1 0 0 2 5 6 3 4 2 0 1 5 0 1 0 0 7 6 0 5 水 利工程 实 时监 测 的信 息 是 防洪 安 全 、 水 利 调 度 的基 础信 息 ， 也 是水 利工 程实现 现代 化管 理 、 发挥 工 程综 合效 益 的关键 ． 河道 闸 门 自控 系 统 的 目的是 在河道上建立一套快速及 时、 准确可靠、 先进实用、 高度 自动化的流域水雨情信息、 工程安全信息、 闸门 监控信息、 实时图像信 息的采集 、 监测 控 与管理 自动化 系统 ⋯ ， 为 治理 洪 水 、 旱 涝 ， 实 现 水 资 源 优化 等提供 充 足 的技 术 支 持 ， 并 在 充分 利 用 现 有 的 工程 设 施 的基 础上 ， 进一 步提 高工程 管 理 的速 率 和程度 ， 提高 工程 的运行 效果 ． 1 系统设计 某工 程 共有 7孔 闸 门 ， 采 用 一 机 一 门 的运 行 方 式 ， 每 孔 配 有 卷 扬 式 启 闭 机 ， 配 套 电 机 容 量 为 7 ． 5 k W． 供 电 电 源 接 附 近 1 0 k V 线 路 ， 到 该 闸 门 1 0 k V 变压 器距 离约 为 1 k m， 线路 导线 为 L G J 一7 0 ． 配设 主变 1台 ， 并配 1台柴油发 电机 组做 备用 电源 ． 采用计 算 机监控 系统 的 自动控 制 方 式 ． 系 统 由主控 制级 和现 地控制 单元 2部 分组 成． 1 ． 1 电气 主 系统设 计 1 ． 1 ． 1 闸 门动 力箱 电路设 计 闸 门动 力 箱 电路 主要 由一 次 控 制 回路 、 二 次 控 制 回路组 成 ， 如 图 1和 图 2所示 ． 由 图 1知 ， 电路需 要设 置必 要 的联 锁 环节 ， 目的 是为 防止 电路 电源短 路故 障 ． 接 触器 K M1 控 制 闸 门 上升和下降， 若系统为合闸 ， 且处 于非故障、 非全开 状态 ， 当按 下 正 向起 动 按 钮 S A 1时 ， K M1的 主 触 点 和 自锁触点闭合 ， 即可实现闸门现地上升， 同时将上 升信号传送给 P L C ． 如果系统为故障状态 ， 热继 电器 K H1 断 开 ， 同时 与 P L C相 连 的 K H 1闭 合 ， 将故 障 信 号传 送 给 P L C ． 如果 系统 为全开 状态 ， 常 闭辅 助触 点 1 S P断 开 ， 同时与 P L C相 连 的 1 S P闭合 ， 将 全开信 号 传送 给 P L C ． 在 远 程 控 制 中 ， 当远 程 计 算 机 主 控 级 发 出上升 指令 ， 同时现 场满 足 一 定 的条 件 如 无 故 障 、 非 全开 时 ， 将 “ 1 启 闭机 远 程控 制 上 升 ” 信 号 通 过 P L C输 送到 现地控 制 单 元 ， 便 可 以实 现对 闸 门 的远程 上升控 制 ． 由此 可 以实 现 对 闸 门 的 现地 和 远 程控 制 ． 由图 2知 ， 闸 门动 力 箱 内有 1 和 2 启 闭 机 ， 每 个启 闭 机 的 功率 为 7 ． 5 k W ， 断 路 器 Q F 1和 Q F 2控 制各 启 闭机 的合 闸． 启 闭 机 可 以通 过接 触 器 K M1～ K M 4实现 正反 转控 制 ． K H1和 K H 2为热 继 电器 ， 起 到 了过 载保 护 的作 用 ． 以 1 闸 门 启 闭机 为 例 ， 分 析其 现地 控制 和远程 控制 过程 ． 现 地控 制信 号需要 输 入到 P L C， 如 图 3所示 ， 并 在 远程 计算 机 主 控级 上 显 示 ， 主 控级 向现 地控 制 收 稿 日期 2 0 1 40 92 4 作者简介 常成 1 9 9 1 一 ， 男 ， 辽 宁盘锦人 ， 硕士研究生 ， 主要从事电力系统运行与控制方面的研究 第 3 6卷第 1期 常成 基于 P L C的闸门 自控系统研究 7 7 单元 发送 的远程控 制指 令也要 输送 到 P L C， 通过P L C实现对闸门的远程控制 SP1 1 S P KM 1 KH 】 ’ lQ2卜 卜 Q 卜 一 i KM 1 12 KM2 f 1 卜U KM 1 1 1 9 H R 1 ／ KM2 1 2 0 H R2 ／ QF1 1 21 H R3 一 ， P lE N 图 1 二 次 控 制 回路 图 A B C A 1 B l C1 QF 0 l J I l l 单相电压表 单相电流表 闭 丹 k闭W 机 7 5 k W 7 5 k W 备 用 f ． 1 ． ⋯。 图 2一次 控 制 回 路 电 路 图 图 3端 子 连 接 图 QF3 A1 B l C 1 1 0 ．0上升 1 0 1 下降 1 0 ．2停止 1 0 ．3合闸 1 O ．4故障 1 O 5全 开 1 0 ．6全关 l O ．7现地 1 1 ．0远方 P 2 4 公共端 启闭机房照明共两组 1 ． 1 ． 2 总 配 电电路设 计 总配 电 电路 如 图 4所 示 ． 由 图 4知 ， 1 0 k V 电源 经 过户 外真 空 断路器 与变 压 器 相 连 ， 降压 至 0 ． 4 k V 后 ， 引至该系统的低压配电屏 ， 供该系统和管理处用 电． 电气主 接线 1 0 k V 电源 侧 为 线 路 一变压 器 单 元 接 线形 式 ， 低压 侧为 单母 线接 线 ． 同时 柴油 发 电机组 作 为备 用 电源 ， 系统 电源 和备 用 电源相 互 闭锁 ． 该 系 统 用 电 由配 电室低压 配 电屏 引 4回供 电线 路至 4台 闸 门动力箱 ， 每 台 闸门动 力箱 向 1 2台 闸门启 闭机 供 电 ， 共设 4台现地 控制 柜 ． 1 ． 2闸 门现地 控制 单 元 闸门的控制方式可分为 自动控制和手动控制 2 种． 7 8 华 北 水 利 水 电 大 学 学 报 自 然 科 学 版 2 0 1 5年 2月 图 4总 配 电 电路 图 现地 控制单 元要 实 现 的功 能 有 数 据采 集 和 出力 、 安 全运 行监测 、 控 制 和调 节 、 事 件 检 测 和 发送 、 数 据 通 信和 系统诊 断 ． 1 ． 2 ． 1 P L C选 型 P L C由电源 、 中央处 理单 元 C P U 、 存 储 器 、 输 入／ 输 出接 口电路 和编程 器组 成． P L C的工 作周 期 可 分 为 自诊 断 、 采 样 输 入 、 执 行 用户 程 序 、 输 出刷 新 和 通信 5个 阶段 [ 3 3 ． P L C可 以实 现逻 辑 、 顺 序 、 过程 、 定 时／ 计 时控 制 ， 还 可 以对 采集 到 的数据 进 行 转换 、 处 理 ． 根据 设计 要 求 和各 种 型号 P L C 的性 能 比较 ， 选 用西 门子 公 司 生 产 的 S 73 0 0型 P L C． S 73 0 0 P L C中各模 块 都 是独 立 的 ， 能 够 通 过 总线 把 各 模 块 固定在 西 门子 S 7 3 0 0的轨 道上 ． 电源模块 选 用 P S 3 0 7 2 A 6 E S 7 3 0 71 B A 8 0 0 A A 0 ； 数字 量输 入模 块 选 用 S M3 2 1 D I 3 22 4 V D C 6 E S 7 3 2 1 1 B L O O一 0 A A 0 ； 数 字 量输 出模 块选 用 S M 3 2 2 DO1 62 4 VD C ／ 0 ． 5 A 6 E S 7 3 2 21 B H0 1 0 A A 0 ； 模拟 量输 入模 块选 用 S M 3 3 1 A I 8 1 2位 6 ES 7 3 3 17 KF 0 20 A B 0 ． 1 ． 2 ． 2 P L C控 制程 序设计 采用 S T E P 7 V 5 ． 5的编 程 软 件 来 对 P L C的控 制 程序 进行 编程 ， 如 图 5所示 ． FC1 “ 闸门动力箱闸门控制” EN E NO M2 ． 2 l F C 2 l I l 。 。 IE N“ 水 位 监 羽 ” E N o b ； 图 5系统 主 程 序 由 图 5可 以 看 出 ， 组 织 块 O B 1调 用 4个 功 能 F c， 分别为 F C 1实现动力箱 内的闸门控制 ； F C 2实 现水 位 监 测 显 示 ； F C 3实 现 闸 门 开 度 监 测 显 第 3 6卷第 1 期 常成 基于 P L C的闸门 自控 系统研究 7 9 示 ； F C 4实 现 闸门荷 重监 测 显 示 ． F C 1实 现 的 是 闸门升、 降、 停控制 ， 分为单 动控制和联动控制 2种 方式 ， 其控制上升的程序如图 6所示． 图 6 F C1程 序 F C 2 一 F C 4分 别 实 现 对 河 道 水 位 、 闸 门 开 度 及 荷重的测量 ， 并将测得的数据在 主控级计算机上显 示 ． 其 F C 2水 位显示 程 序如 图 7所 示 ． F C1 O 5 Re a d An a l o g Va l u e 4 6 4 ． 2 ‘ ‘ Re a d An a l o g Va l u e 4 6 4 ． 2 ’ ’ E N EN0 P I W 3 O 4 I N RE T VA L 一M W6 1 ． 0 o 0 o O e DB2 ．DB D0 0 o 1 一 H I ． L I M 闸门水位 显示数 据 O ． O O O O o o e ． z h a me n s h u i 0 0 0一 LO． LI M 0UT we 订 M3 ．O一 BI P OLA R 图 7 FC2程 序 1 ． 3计 算机监 控 系统设 计 现 地 控 制 单 元 1 L C U， 2 L C U， 3 L C U 分 别 监 控 1 一 6 闸 门启 闭 机 的运 行 ， 同 时 监 测 对 应 闸 门 的开 度和 荷重 信号 ． 现 地 控 制 单 元 4 L C U监 控 7 闸 门启 闭机的运行并监测 7 闸门的开度及荷重信号． 现地 控制 单元 1 L C u 一4 L C u 通 过工 业 以太 网交 换 机 与 控制室内的工作站进行通信． 低压 配 电 系 统 中 的智 能 表 计 经 过 R S 4 8 5通 信 线接 至 串 口服务器 ， 经 串 口服务 器转 换 ， 由以太 网工 作站实现互联 ， 实现 闸门监控中心对配 电信息进行 远程集 中监测． 该系统留有接 口， 可与主控级 的计算机进行工 业 以太 网连 接 ， 实现计 算机 对 闸 门的远程 实 时监控 ． 监控中心工作站负责接受和处理来 自现场控制 站 L C U P L C 和 智 能 仪 表 的数 据 和 信 息 ． 根 据 现 场 发来 的数 据 和状态 信 息完成 对 生产过 程 的远程 控 制 和监视 ， 并提供有关生产数据、 报表、 趋势曲线、 数据 入库 等功 能 ． 1 ． 3 ． 1 组 态软 件 的选取 组态软件从总体上看 ， 一般都 是由系统开发环 境 或称 组 态环 境 与系 统运 行环 境 2大部 分组 成 ． 采用 北 京 亚 控 公 司 生 产 的 组 态 王 软 件 V e r s i o n 6 ． 5 3 ． 1 ． 3 ． 2 计 算机监 控 系统 的功 能 1 数据 采集 与处 理 监 控 中心 主 动从 各 现 地 控 制单元 和 多功 能测 量 仪 表 采 集各 种 实 时运 行 数 据 ， 掌握各 设备 的工 作情 况 ， 采 集 报警 信息 ． 2 状况实时监控及在线修改数据 值班人员通 过 液 晶显示 器对 系统 内各 主要设 备 的工 作状况 进 行 实时监视和控制 ， 并可根据要求 对运行参数进行在 线 修改 ． 3 监 控 系统异 常 状 态 监 控 系统 的某 些 硬 件 或 软件部分发生事故则立刻发 出报警信号 ， 并在液晶 显 示 器 及 打 印 机 上 显 示 、 记 录 ， 指 示 故 障 发 生 的部位 ． 4 报 警 显 示 当 系统 出 现 报 警 时 ， 主 控 级 的操 作人员可以观察到报警点、 报警类型、 报警时间等多 种 信息 ， 由操 作 人 员 进 行 确 认 ， 同 时 可 浏 览 历 史 报 警． 历史报警的内容包括各种报警信息、 报警是否经 过 确认 、 确认 报警 的用 户 、 确认 报警 的 时间等 ． 5 趋 势分 析 对 诸 如 闸 门开 度 、 闸 门荷 重 、 上 下 游水 位等 参数 的变 化 进 行 趋 势 分 析 ， 为 制定 合 理 的 决策 提供 依据 ． 6 报 表 处 理 系统 自动 记 录 各 类 运 行 数 据 ， 并 将所 有数 据 经归 纳 整理 后 形 成 报 表 ， 报 表 可 进行 打 印 ， 操作 人员 也可 以进 行实 时查 看 ． 7 实 时 控制 和调 节 监 控 系 统根 据 启 闭 机 此 刻 的运 行控 制 方 式 和 预定 的 计 划 参 数 进 行 控 制 和 调 节 ， 以满足对系统 7孔闸门启闭机的实时控制要求． 8 记 录 报 告 对 所 有 监 控 对 象 的操 作 信 息 、 报 警信息及实时参数报表等进行记 录， 并能 以中文形 式 在液 晶显 示器 上显 示 ， 同时 在打 印机 上进行 打 印． 9 屏幕 显示 画 面 显示 是 计 算 机监 控 系 统 的主 要 功能 之一 ， 画面调 用 能 通 过 主 动 和 唤起 2种 方 式 实现 ] ． 主动 方式 是 指 当有 事 故 发 生 或进 行 某 些 操 作 时有关 画 面能够 自动 弹 出． 唤 起 方 式 则 指操 作 某 ～ 接 燕 赫 妊 瓣 肌 一 一 一 匕 施 鍪