1 前言

　　我國(guó)的水力資源在地域分布上極不平衡，總體來(lái)看，西部多、東部少，水力資源相對(duì)集中在西南地區(qū)，而經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、能源需求量大的東部地區(qū)水力資源量極小，因此，西部水力資源開發(fā)除了西部電力市場(chǎng)自身需求以外，更重要的是要考慮東部市場(chǎng)，實(shí)行水電的"西電東送"戰(zhàn)略歐姆龍 但是在水力資源開發(fā)尤其是內(nèi)河河壩控制系統(tǒng)方面，仍然普遍存在設(shè)備落后、功能差和老化嚴(yán)重等問(wèn)題，相應(yīng)的系統(tǒng)能耗大，效率低，且面臨技術(shù)改造和維修問(wèn)題PLC 很多河壩的閘門控制系統(tǒng)設(shè)備落后，自動(dòng)化水平低，甚至存在相當(dāng)大比例的人工操作，效率低，亟需系統(tǒng)的升級(jí)改進(jìn)以滿足更高更安全的控制需求PLC

　　作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 可編程控制器近40年來(lái)從無(wú)到有,其功能從弱到強(qiáng),其應(yīng)用領(lǐng)域從小到大PLC 今天的可編程控制器正在成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備,在世界各地發(fā)揮著越來(lái)越大的作用閘門 本文基于大型攔河壩閘門控制的具體情況，提出一個(gè)基于PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線控制的整體設(shè)計(jì)方案閘門

　　該攔河壩由17孔啟閉式閘門組成閘門 其跨度約為300m，閘門的最大開度可達(dá)1.7m。閘門控制房距離大壩迎水面40m。由于地理跨度較大，本閘門控制系統(tǒng)采用總線分布式分級(jí)控制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2　系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)采用總線分布式的控制方式，分為現(xiàn)場(chǎng)控制和集中控制兩級(jí)。總線采用OMRON公司的CompoBus／S現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體示意圖

　　現(xiàn)場(chǎng)級(jí)是由在每個(gè)閘門現(xiàn)場(chǎng)都安裝的閘門控制柜(CPU采用OMRON公司的CP1H系列PLC)組成，共17臺(tái)。其功能是實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)閘門的手動(dòng)控制，對(duì)水位、閘門開度、閘門運(yùn)行狀態(tài)和錯(cuò)誤信息的現(xiàn)場(chǎng)采集與監(jiān)視，并且完成與集中控制級(jí)的實(shí)時(shí)通信，包括：接收控制信息，完成閘門控制動(dòng)作，發(fā)送用于遠(yuǎn)程監(jiān)控的閘門運(yùn)行狀態(tài)、錯(cuò)誤信息到主站。

　　集中控制級(jí)是由設(shè)置于閘門控制房?jī)?nèi)的一個(gè)控制柜(CPU采用OMRON公司的CJ1G 系列PLC)。其主要功能是：通過(guò)CompoBus／S與下級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行通信，處理相關(guān)數(shù)據(jù)，向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送閘門的運(yùn)行狀態(tài)、錯(cuò)誤等信息以及接收監(jiān)控主機(jī)的指令后向下轉(zhuǎn)發(fā)。

　　監(jiān)控主機(jī)通過(guò)監(jiān)控軟件(本系統(tǒng)采用的是組態(tài)王)接收并顯示閘門開度、狀態(tài)等信息，對(duì)錯(cuò)誤信息進(jìn)行報(bào)警，并且可以發(fā)出指令，控制閘門的運(yùn)行，同時(shí)生成報(bào)表。UPS電源用來(lái)在停電時(shí)為兩級(jí)控制系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)不間斷工作。

3　系統(tǒng)配置及硬件接線

　　現(xiàn)場(chǎng)級(jí)單個(gè)閘門控制柜的輸入輸出點(diǎn)個(gè)數(shù)為：DI=16，DO=6，AI=2(第一孔)。本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)CPU采用具有40個(gè)輸入輸出點(diǎn)的OMRON公司的CP1H系列PLC。由于一號(hào)控制柜將進(jìn)行水位的采集，所以采用自帶有模擬輸入輸出模塊的CP1H—XA40D，此型號(hào)的PLC有4點(diǎn)的模擬量輸入，2點(diǎn)的模擬量輸出，其功能對(duì)于水位采集已經(jīng)夠用。其余控制柜采用不帶模入／模出模塊的CP1H—X40D。通信是通過(guò)CP1H擴(kuò)展的一塊通訊從單元SRT21完成，此通訊從單元節(jié)點(diǎn)號(hào)為O。根據(jù)PLC地址分配規(guī)則，輸入地址為ClO2，輸出地址為ClO102。

　　集中控制級(jí)的控制柜CPU采用了CJ1G 系列PLC擴(kuò)展兩塊SRM21主站單元組成，其單元號(hào)分別為0和2。根據(jù)CJ1G的地址分配規(guī)則，其地址分別為CfO2O00與CfO202O。兩塊主站單元分別與下邊的8個(gè)和9個(gè)從站單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行通信。監(jiān)控主機(jī)與CJ1G通過(guò)RS232線纜連接。兩級(jí)系統(tǒng)之間的通信采用的OMRON的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議CompoBus／S完成。

　　CompoBus／S通信模式可分為遠(yuǎn)距離通信和高速通信兩種。當(dāng)工作模式為遠(yuǎn)距離通信模式時(shí)，傳輸速率為83．75Kbps，傳輸距離可達(dá)500m； 當(dāng)為高速通信模式時(shí)，傳輸速率為750Kbps，傳輸距離為100m。通信模式通過(guò)I／O連接單元的DIP開關(guān)設(shè)定。本系統(tǒng)選擇遠(yuǎn)距離通信模式。

　　由于集中控制級(jí)的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，這里只是介紹現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制柜PLC(第一孔)的接線圖與軟件實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制柜的接線原理圖如圖2。

　　PLC 由UPS電源提供220VC 電源。PLC的0CH和1CH為輸入通道，100CH和101CH為輸出通道。其0CH通道的低8位I：0.00～I(xiàn)：0.07接旋轉(zhuǎn)編碼器，進(jìn)行閘門開度狀態(tài)的采集。0CH通道高4位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)閘門控制操作以及系統(tǒng)其他一些狀態(tài)的采集。在1CH(輸入)通道中I：1.08進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)／集中控制的選擇。I：1.09是為了清除錯(cuò)誤報(bào)警位設(shè)立，當(dāng)錯(cuò)誤排出后，對(duì)I：1.09的輸入使得錯(cuò)誤信息復(fù)位，系統(tǒng)可以運(yùn)行。1CH后兩位提供了閘門運(yùn)行的一種保護(hù)。

　　輸出通道100CH的輸出為閘門的控制信號(hào)以及提示、報(bào)警信息。圖中的IN1+、IN1一為模擬量輸入通道。它與水位儀連接。由于CP1H系列PLC提供了一個(gè)24VDC的電源輸出，所以可以直接作為水位儀的電源。

圖2     PLC現(xiàn)場(chǎng)接線原理圖

4　軟件設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)場(chǎng)一號(hào)控制柜的軟件編寫如下：系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能可分為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制、集中開／閉環(huán)控制。其控制的程序流程圖如圖3?，F(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)具有最高的優(yōu)先級(jí)，這是由于對(duì)閘門的控制要求有較高的安全性和可靠性。當(dāng)選擇現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制后，集中開／閉環(huán)控制都被屏蔽。PLC采集現(xiàn)場(chǎng)控制柜的升、降、停控制輸入狀態(tài)，對(duì)閘門進(jìn)行升降停操作。此時(shí)閘門的開度信息、運(yùn)行狀態(tài)可以在現(xiàn)地控制柜上的文本顯示屏進(jìn)行顯示輸出，并同時(shí)上傳到監(jiān)控主機(jī)顯示。如發(fā)生錯(cuò)誤，則發(fā)出報(bào)警并停止閘門運(yùn)行。

圖3  系統(tǒng)軟件控制流程圖

　　當(dāng)W2．05復(fù)位時(shí)，進(jìn)行集中開環(huán)控制。遠(yuǎn)程開環(huán)控制可以在監(jiān)控主機(jī)上點(diǎn)擊操作界面(本系統(tǒng)采用的是組態(tài)王)上的升、降、停按鈕，完成對(duì)閘門的遠(yuǎn)程控制。當(dāng)升、降、停按鈕被點(diǎn)擊時(shí)，主機(jī)會(huì)置位集中控制級(jí)PLC 的存儲(chǔ)位，并通過(guò)CompoBus／S總線將置位信息傳送給分散控制級(jí)PLC，其內(nèi)存地址為W2.00、W2.01、W2.02。CP1H根據(jù)此三個(gè)開關(guān)量的狀態(tài)進(jìn)行閘門操作?？紤]到升、降、停的快速切換可能會(huì)導(dǎo)致出錯(cuò)，所以要全都采用了互鎖。當(dāng)有錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)不管閘門的運(yùn)行在何種狀態(tài)都必須馬上停止閘門，并發(fā)出報(bào)警，直到錯(cuò)誤排出后，通過(guò)CP1H的故障復(fù)位按鈕(CIO1.09)清除故障報(bào)警，并重新運(yùn)行。

　　閘位的采集通過(guò)8位增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸入得到。其輸入通道為CIO0.00～CIO0.07。由于編碼器輸入的是格雷碼，所以需要采用格雷碼轉(zhuǎn)換指令(GRY)將其轉(zhuǎn)化為BIN(-進(jìn)制化16進(jìn)制)數(shù)據(jù)(存儲(chǔ)與D20)。由于編碼器的位數(shù)僅8位，因此還要對(duì)編碼器所轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)(D70)進(jìn)行軟件的采集計(jì)算。最后根據(jù)編碼器的圈數(shù)D70和此時(shí)編碼器的值D20計(jì)算閘門的運(yùn)行距離(D250)。其計(jì)算公式為：D250=D70*單圈高度+D20。其流程圖如圖4。

圖4  閘門開度采集子程序

　　系統(tǒng)水位采集時(shí)采用的水位傳感器是壓力式水位變送器，輸出信號(hào)是4～20mA電流信號(hào)。由于PLC 自帶有模擬信號(hào)輸入通道，使得標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)可直接輸入PLC(本系統(tǒng)采用CIO200、CIO201分別為閘前、閘后水位輸入通道)，不需要再擴(kuò)展A／D模塊。模擬信號(hào)在PLC模擬輸入通道中自動(dòng)完成A／D變換。這里的A／D變換全部采用的是線性變換，分辨率為1／6000或者1／12000，分辨率的選擇通過(guò)PLC設(shè)定。閘門運(yùn)行時(shí)的錯(cuò)誤信息主要包括：閘門卡滯，閘門運(yùn)行失速， 以及閘門開度過(guò)大引起的上升越限和下降過(guò)度引起的下越陷等。這些錯(cuò)誤信息的采集比較簡(jiǎn)單，這里就不詳細(xì)介紹。

5 　總結(jié)

　　系統(tǒng)自投運(yùn)以來(lái)，取得了顯著的效益，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　?。?）提高了設(shè)備的使用效率。本方案通過(guò)對(duì)閘門控制的綜合自動(dòng)化，排除以往靠人工觀察和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)河壩閘門的優(yōu)化運(yùn)行，降低了主體設(shè)備的損壞率，延長(zhǎng)其使用壽命和維護(hù)周期，每年節(jié)省備件消耗可達(dá)百萬(wàn)元同時(shí)本方案采用了實(shí)時(shí)負(fù)荷控制，提高設(shè)備的利用率，減少了設(shè)備的空轉(zhuǎn)率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能3%~5%。

　?。?）增強(qiáng)了可靠性和安全性。本設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了主體設(shè)備的聯(lián)鎖控制和異常報(bào)警和及時(shí)關(guān)停。工程師站設(shè)立授權(quán)以對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，主控站以授權(quán)方式操作，避免了人為誤操作等可能造成的設(shè)備損壞，增強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性。

　　（3）減輕了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度自動(dòng)控制 本設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)集控室的遠(yuǎn)程監(jiān)視并相應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)操作即可，現(xiàn)場(chǎng)只需不定期巡視，減少了職工的所需數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到減員增效的目的自動(dòng)控制