基于PLC的水位測控裝置開(kāi)發(fā)與應用

1 引言

　 水位測控裝置是水電廠(chǎng)的重要測控設備，水電廠(chǎng)的上下游水位是防汛安全的重要數據，攔污柵壓差影響機組出力、水工建筑安全，水頭值影響調速器協(xié)聯(lián)曲線(xiàn)，進(jìn)而影響機組效率甚至安全穩定運行，因此水位測控裝置需滿(mǎn)足長(cháng)期穩定可靠運行。目前的水電廠(chǎng)水位測控裝置普遍采用定制儀表采集前端水位傳感器的格雷碼值，換算柵差、水頭等，輸出開(kāi)關(guān)信號報警，輸出4~20ma信號至監控、遠動(dòng)、調速器。在運行維護中存在以下問(wèn)題：采用電纜長(cháng)距離輸送格雷碼信號，防雷、抗干擾能力差，儀表、傳感器易損壞；4個(gè)24位格雷碼傳感器需100芯電纜維護困難；定制的儀表擴展性差，輸入、輸出校準，參數整定操作復雜；價(jià)格高，備品備件采購困難。因此開(kāi)發(fā)基于通用硬件設備的水位測控裝置意義重大。

　 根據水電廠(chǎng)水位測控具體要求，我們自主設計了基于plc的水位測控系統，具有高可靠性、配置靈活、安裝維護簡(jiǎn)單方便特點(diǎn)。

2 系統功能結構

水東水電站裝設有上游、#1攔污柵后、#2攔污柵后、下游四個(gè)水位測量井，配置浮子式水位測量裝置，采用絕對值光電編碼器將水位信息轉換成數字信號。壩上傳感器距離中控室500m，下游傳感器距離中控室30m，為提高系統的防雷、抗干擾能力，壩上傳感器通信采用光纖傳輸。水位測控裝置plc通過(guò)rs485串行口采集編碼器水位數據，經(jīng)過(guò)換算處理模擬量輸出模塊輸出4～20ma的上游、下游海拔值信號至遠動(dòng)rtu裝置，輸出4～20ma的水頭信號至機組調速器電氣調節裝置。計算機監控系統通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接水位測控裝置plc，采集所有水位信息，故障報警信號等，并可遠程設置相關(guān)參數、定值，系統功能結構如圖1所示。

圖1 系統功能結構圖

3 實(shí)現原理

　　3.1 浮子式水位測量裝置

　　該裝置安裝在測井口上方，當液位變化時(shí)，浮子隨之上升或下降，測繩帶動(dòng)線(xiàn)輪做旋轉運動(dòng)，與線(xiàn)輪同軸連接的多圈絕對值編碼器就輸出與液位對應的數字信號(見(jiàn)圖2)。裝置具有結構簡(jiǎn)單、合理，可靠性高、適應性強等優(yōu)點(diǎn)，能夠長(cháng)期用于液位測量。

圖2 浮子式水位測量裝置

　　3.2 編碼器

　　根據現場(chǎng)實(shí)際需求，編碼器選用現場(chǎng)總線(xiàn)型輸出的多圈絕對值編碼器。

　　絕對值編碼器由機械位置確定編碼，每個(gè)編碼唯一不重復，它不受停電、干擾的影響，無(wú)需記憶，無(wú)需找參考點(diǎn)，而且不用一直計數，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取，這樣，編碼器的抗干擾特性、數據的可靠性大大提高了。多圈絕對值編碼器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測量范圍大，實(shí)際使用往往富余較多，這樣在安裝調試時(shí)不必費勁找零點(diǎn)，將在測量范圍內的某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了，從而大大簡(jiǎn)化了安裝調試難度。

　　編碼器信號輸出主要有并行格雷碼輸出、串行ssi輸出、總線(xiàn)型輸出、模擬量4~20ma輸出。并行格雷碼和模擬量輸出信號讀取簡(jiǎn)單但不適合長(cháng)距離傳輸，串行ssi輸出大部分是與西門(mén)子plc的ssi模塊配套成本較高?，F場(chǎng)總線(xiàn)型編碼器用通訊方式傳輸信號，信號遵循rs485的物理格式，連接線(xiàn)少，傳輸距離遠，對于編碼器的保護和可靠性就提高了。信號的接收設備只需一個(gè)接口，就可以讀多個(gè)編碼器信號，多個(gè)編碼器集中控制的情況下可以大大節省成本。

　　3.3 水位測控裝置plc

　　plc選用m340模塊化plc，它是施耐德公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比很高的可編程控制器，已廣泛應用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。cpu模塊選用高性能、大內存的bmx p34 2020，帶一個(gè)100m以太網(wǎng)、一個(gè)485串行口；輸入、輸出模塊可根據現場(chǎng)實(shí)際需求靈活配置。

4 軟件設計

　　4.1 編程步驟

　　plc的硬件配置、控制程序采用施奈德的編程軟件包unity pro完成，pc通過(guò)網(wǎng)絡(luò )或usb與m340 plc進(jìn)行程序傳送。首先進(jìn)行plc硬件組態(tài)，含底版、電源、cpu、輸入輸出模塊等。通過(guò)電源模塊屬性可查看電源使用情況，應保留一定余量，否則需更換容量更大的電源模塊；在cpu模塊的serialport口配置串行鏈路參數如：485 modbus主站、波特率9600、幀延時(shí)4ms、數據位8位、停止位1位、偶校驗；創(chuàng )建網(wǎng)絡(luò )鏈路ethernet1并配置ip地址等網(wǎng)絡(luò )通信參數，將cpu模塊的ethernet口鏈接到網(wǎng)絡(luò )鏈路ethernet1；根據現場(chǎng)模擬量信號要求配置模擬量輸出模塊參數；定義相關(guān)變量等。

　　4.2 plc程序設計

　　(1)程序結構。程序采用模塊化設計，具有較高可讀性、可維護性其程序結構如圖3所示。

圖3 程序結構圖

　　(2)程序注釋。plc上電首次掃描執行初始化init()子程序，初始化通信參數，上、下游海拔預置值，各個(gè)傳感器調零值，攔污柵壓差整定值等。

　　傳感器通信comm()子程序，分時(shí)讀取傳感器水位值，通信故障時(shí)水位保持原值。

　　計算calc()子程序，計算出上、下游，攔污柵后的實(shí)際海拔值，攔污柵壓差、各機組有效水頭等。

　　信號輸出out()子程序，攔污柵壓差過(guò)大報警、通信故障報警、裝置故障報警、4～20ma模擬量輸出等。

　　數據上送sent()子程序，根據監控上位機通信規約，組織上送數據信文，含各實(shí)際海拔值、有效水頭、詳細故障信息、攔污柵壓差報警定值等。

　　4.3 水位信號讀取

　　m340 plc和編碼器串行rs485通信采用modbus rtu通信規約，這個(gè)通訊協(xié)議已廣泛被國內外各行業(yè)作為系統集成的一種通用工業(yè)標準協(xié)議，有利于系統的維護和擴展。plc為主站，編碼器為從站。

　　查編碼器技術(shù)手冊，水位測值的modbus地址是4x0000，根據modbus通信規約信息幀結構讀取地址 1 傳感器的水位測量值，應發(fā)送以下通信碼：m340 plc讀取水位信息主要用read_var功能模塊：
01 03 0000 0001 840a
站地址 　功能碼 　　首地址 　　個(gè)數　　 crc校驗碼
功能模塊說(shuō)明［1］
adr
通信地址：語(yǔ)法為 addm (`r.m.c.node`機架號.模塊號.通道號.站地址) 類(lèi)型。
obj 要讀取的對象類(lèi)型
　　’%m’：內部位
　　 ’%mw’：內部字
　　’%s’：系統位
　　’%sw’：系統字
num 讀取的第一個(gè)對象的索引。
nb 要讀取的對象的數量。
recp輸出參數包含所讀取對象的值的字表。
gest交換管理表：4個(gè)字的數組。

表1 交換管理表

圖4 read_var功能模塊

　　圖4中read_var功能模塊實(shí)現將地址1傳感器水位值送入%mw1，交換管理表置于%mw400：4，%mw401==0，說(shuō)明通信成功，非零值記錄故障代碼。通信過(guò)程需占用一定時(shí)間，保證通信可靠，防止通信阻塞，4個(gè)傳感器通信分時(shí)進(jìn)行，用上升沿觸發(fā)。讀取交換管理表確認通信是否成功，通信失敗應將故障代碼上送上位機并報警，將水位值保持為上一次正確通信時(shí)讀取的值。

　　4.4 上位機監控軟件設計

　　上位機系統與plc之間通過(guò)以太網(wǎng)連接，水東電廠(chǎng)的計算機監控系統采用南瑞集團公司的nc2000系統。nari nc2000計算機監控系統是南瑞集團面向水利水電領(lǐng)域的新一代計算機監控系統軟件［2］。nc2000具有良好的人機界面和網(wǎng)絡(luò )功能，與施耐德plc網(wǎng)絡(luò )通信采用tcp/ip modbus規約。在組態(tài)環(huán)境下，設計人員對plc進(jìn)行驅動(dòng)配置，運行環(huán)境以圖形畫(huà)面形式的人機界面監控水位信息、故障報警，對有關(guān)數據存儲歷史庫，生成報表，同時(shí)利用web功能使系統具有在線(xiàn)監控功能，即在授權的情況下在任何一臺聯(lián)網(wǎng)的計算機上用標準的瀏覽器可遠程監控。限于篇幅，上位機程序不再詳述。

5 結束語(yǔ)

　　系統的設計結構合理，采用多圈絕對值編碼器采集水位，以可編程控制器為控制核心，提高了系統的自動(dòng)化程度，保證了系統運行的可靠性；硬件、軟件模塊化設計具有良好的擴展性和靈活性，可根據現場(chǎng)實(shí)際需求更改系統的配置規模。該系統在福建水東電站現場(chǎng)運行表明工作穩定，在監視報警、綜合計算、信號輸出等各方面滿(mǎn)足電站的運行要求，取得了很好的效果，有較高的推廣價(jià)值。