PLC在水利節制閘中的應用

0 前言

九曲河樞紐工程是太湖流域綜合治理十大骨干工程之一湖西引排工程的重要組成部分，其中節制閘為二孔一聯(lián)整體式結構，單孔凈寬12米，閘頂高程10.3米，底板高程-1.0米。節制閘閘門(mén)采用露頂式實(shí)腹鋼梁平面鋼閘門(mén)，門(mén)底高程-1.0米，門(mén)頂高程9.0米。門(mén)寬12.66米。啟閉機采用倒掛式液壓?jiǎn)㈤]機，型號為QPPYⅡ-2*400-11.8。

根據液壓?jiǎn)㈤]機運行實(shí)踐表明：?jiǎn)蔚觞c(diǎn)閘門(mén)啟閉技術(shù)已非常成熟，而雙側傳動(dòng)的液壓?jiǎn)㈤]機的同步控制，仍然是水利水電技術(shù)研究方面的一個(gè)重要課題。在各設計院和制造廠(chǎng)的努力下，盡管大部分閘門(mén)的同步控制是成功的控制工程網(wǎng)版權所有，但也有一部分雙吊點(diǎn)閘門(mén)，尤其是大中型寬跨度的液壓?jiǎn)㈤]機雙缸同步問(wèn)題未獲得根本解決，從而導致閘門(mén)傾斜卡死，甚至吊點(diǎn)拉脫，造成閘門(mén)失事。而我們九曲河樞紐工程的節制閘就是采用雙吊點(diǎn)且為大中型寬跨度的液壓?jiǎn)㈤]機系統，其雙缸同步控制系統必須得到根本解決，我們引入了可編程序控制器(PLC)作為控制核心，保證了閘門(mén)能夠長(cháng)期平穩的運行。

1 同步誤差的形成

在水利工程中使用的液壓?jiǎn)㈤]機同工程機械相比有其特殊性。首先液壓?jiǎn)㈤]機所操作的不是自由懸掛的重物，而是沿著(zhù)導向門(mén)槽作上下移動(dòng)或者是繞著(zhù)支鉸作旋轉運動(dòng)的閘門(mén)。因此閘門(mén)作為牽引構件上的載荷，不僅取決于閘門(mén)重量，還在很大程度上取決于運行阻力的大小。而且這些阻力又是不穩定的，因為它與水封和支撐行走機構摩擦表面的狀態(tài)密切相關(guān)，如內外水位差，泥沙淤積，建筑垃圾和各種漂浮物落入門(mén)槽，以及埋沒(méi)部件結冰等都會(huì )使運行阻力大大增加。此外，在水中操作閘門(mén)，載荷的大小還隨著(zhù)閘門(mén)的開(kāi)度而變化的動(dòng)水壓力有關(guān)。這些載荷的變化使雙缸承受負載不同，根據壓力——流量關(guān)系，承載大的液壓缸比承載小的液壓缸速度慢。

同時(shí)，從系統本身來(lái)講，下列因素也是造成不同步的原因。兩油缸不是安裝在同一閘墩上，這就產(chǎn)生了安裝幾何誤差。雙缸運動(dòng)副摩擦力不同，由于雙缸的制造精度不同，安裝時(shí)的運動(dòng)副摩擦力也不相等，摩擦力大的液壓缸運行慢;液壓系統的內外泄露和壓縮不可能相等;油管長(cháng)度和彎頭數目的不同將造成雙缸沿程阻力的不相等;長(cháng)時(shí)間運行使液壓缸的工作特性發(fā)生變化，而兩缸的工作特性變化不可能相同等等。

2 系統構成

解決雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機系統不同步問(wèn)題就是在上述因素對系統影響不可避免的情況下，如何利用PLC來(lái)實(shí)時(shí)控制液壓?jiǎn)㈤]機雙缸同步精度。如圖所示為液壓系統原理圖。該系統采用二臺型號為YYB2255-4，功率為37KW的異步電動(dòng)機帶動(dòng)變量液壓泵為系統供油，且液壓泵電機組采用一用一備工作方式。

2.1 硬件設計

主要包括下位機和上位機的硬件，共同構成一個(gè)小型控制系統。如圖1。

下位機和上位機之間通過(guò)MPI協(xié)議進(jìn)行數據傳輸，PLC中央機架和擴展機架之間通過(guò)IM360和IM361接口模塊進(jìn)行連接。

由于特殊的工藝特點(diǎn)，經(jīng)充分論證選擇了SIEMENS公司的SIMATICS7-300系列PLC作為控制核心。S7-300系列是模塊化小型PLC系統。能滿(mǎn)足中等性能的要求;主要有以下特點(diǎn)：

1)大范圍的各種功能模塊，可以滿(mǎn)足和適應自動(dòng)控制任務(wù)。
2)簡(jiǎn)單實(shí)用的分散式結構和多界面網(wǎng)絡(luò )功能。
3)控制靈活，可靠性高，方便用戶(hù)。
4)CUP處理速度快，集成功能強。
5)當控制任務(wù)增加時(shí)，模塊擴展方便靈活。

液壓?jiǎn)㈤]機系統輸入信號主要有手動(dòng)/自動(dòng)/遠程控制開(kāi)關(guān)量的輸入，系統壓力傳感器的輸入CONTROL ENGINEERING China版權所有，油泵電壓輸入，開(kāi)度傳感器的輸入，超差信號的輸入及報警信號的輸入等。既有模擬量的輸入又有開(kāi)關(guān)量的輸入。根據液壓?jiǎn)㈤]機系統的控制要求和被控制器的特點(diǎn)，可充分利用S7-300的系統資源，S7-300可編程控制器的硬件配置如下：

1)電源模塊：PS307控制工程網(wǎng)版權所有，通過(guò)背板總線(xiàn)向各模塊供電，輸入電壓為120/230V/AC，可提供輸出24V/DC電源。
2)CPU313-1AD03，64kb工作存儲器，負載存儲器集成96kbRAM，最大可以擴展512kb，MPI接口可以與OP7/DP操作面板進(jìn)行通訊主要用來(lái)執行用戶(hù)程序，控制I/O模塊和與上位機通訊。
3)SM321數字量輸入模塊：16點(diǎn)輸入。
4)SM321模擬量輸入模塊：8通道隔離輸入。
5)SM322模擬量輸出模塊。
6)SM322數字量輸出模塊：16點(diǎn)輸出，24V/DC。
7)SM338型智能計數模塊：8通道，用于通用計數和測量任務(wù)，可實(shí)現超差檢測，并具有比較功能以及故障中斷處理功能。
8)CP通訊處理模塊，可以實(shí)現PPI通訊Pp。
9)OP7/DP鍵盤(pán)顯示及觸摸屏，一個(gè)RS232通訊接口可以與PLC，計算機，打印機連接，一個(gè)RS485接口可與PLC計算機連接。

在控制系統的輸入電路中，由壓力變送器檢測到實(shí)時(shí)液壓系統的系統壓力，輸出4-20mA的壓力信號，經(jīng)過(guò)IC7轉換為0-5V的電壓信號，送入到模擬量輸入模塊。由系統液壓到PLC控制器的輸入信號或由PLC控制器到配電部分的控制信號，均經(jīng)過(guò)光電耦合電路進(jìn)行隔離，以提高系統的抗干擾能力。

上位機硬件包括：

1)一臺PHILIPS電腦控制和Ecsy View觸摸屏，電腦為遠程控制站和操作員站。
2)一臺打印機：用于報警打印，操作記錄打印。
3)一臺UPS(不間斷電源)。

2.2 系統軟件設計

該自動(dòng)化控制系統可以方便實(shí)現三種操作方式;

“現地操作”(手動(dòng))即現場(chǎng)電氣柜或機旁操作箱上按鈕進(jìn)行操作。
“遠控操作”(自動(dòng))即由計算機上操作。
“檢修操作”用于安裝，檢修時(shí)調試操作。

為提高系統的可靠性，PLC控制器通過(guò)繼電器控制接觸器的工作，而不是由PLC直接驅動(dòng)接觸器。程序的編制采用模塊化結構。包括主程序，事件處理子程序，硬件中斷程序等。下面就各模塊的程序設計做簡(jiǎn)要說(shuō)明。

1)主程序

主程序主要對液壓系統的正常工作與安全保護進(jìn)行控制。如圖2。

2)事件處理子程序

事件處理子程序包括正常停機子程序，安全停機子程序，緊急停機子程序，自動(dòng)啟動(dòng)子程序，手動(dòng)啟動(dòng)子程序，檢修啟動(dòng)子程序，糾偏計算子程序，繼電器控制子程序www.cechina.cn，定時(shí)中斷程序等。繼電器控制器子程序主要完成油泵的運轉和停止控制，通過(guò)糾偏計算子程序不斷計算兩個(gè)液壓缸是否同步，當糾偏量不為零時(shí)控制工程網(wǎng)版權所有，對系統進(jìn)行糾偏，對速度快的油缸停止供油，當油缸同步時(shí)再同時(shí)供油。在定時(shí)中斷程序中，要實(shí)現內外水位的監測與比較，當水位差達到設定值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)子程序啟動(dòng)。

3)硬件中斷程序

由于選用了具有中斷能力的數字量和模擬量輸入模塊，所以當硬件檢測到現場(chǎng)信號發(fā)生時(shí)(發(fā)生故障)，便自動(dòng)執行硬件中斷處理程序塊

(OB40)根據故障等級，在OB40中執行正常停機，安全停機或緊急停機，從而保證故障及時(shí)得到處理。

4)安全保護設計

為保證整個(gè)液壓?jiǎn)㈤]系統的安全，可靠運行，安全保護環(huán)節應該在軟件和硬件兩方面進(jìn)行，油泵電機的硬件安全設計按照f(shuō)aile-safe原則進(jìn)行設計，即當控制系統失效時(shí)，為保證油泵電機的安全，最后一級的保護措施是安全鏈機械保護。安全鏈主要有一個(gè)類(lèi)似與門(mén)的雙路輸入多路輸出繼電器構成控制核心。安全鏈回路由DC24V供電，經(jīng)多個(gè)閉合觸點(diǎn)組成。這些組成安全鏈的常閉觸點(diǎn)包括緊急停機，壓力超上限開(kāi)關(guān)，壓力超下限開(kāi)關(guān)。

安全鏈的多個(gè)觸點(diǎn)均為常閉觸點(diǎn)，只要其中一個(gè)觸點(diǎn)斷開(kāi)，安全鏈就將失效，切除所有執行機構的電源，所有執行機構將全部停止工作。必須在故障排除以后，給安全鏈復位，系統才能正常工作。

3 結束語(yǔ)

實(shí)踐證明，將PLC引入液壓?jiǎn)㈤]系統，成功解決了雙缸同步的問(wèn)題，且控制方便，可靠性高，結構簡(jiǎn)單，易于實(shí)現計算機直接控制。系統自2002年投入試運行至今，效果很好。