PLC在水利節(jié)制閘中的應(yīng)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(jié)制閘為二孔一聯(lián)整體式結(jié)構(gòu)，單孔凈寬12米，閘頂高程10.3米，底板高程-1.0米。節(jié)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(jī)采用倒掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，型號(hào)為QPPYⅡ-2*400-11.8。

根據(jù)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)運(yùn)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(cè)傳動(dòng)的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)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(shè)計(jì)院和制造廠的努力下，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(quán)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(jī)雙缸同步問(wèn)題未獲得根本解決，從而導(dǎo)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(jié)制閘就是采用雙吊點(diǎn)且為大中型寬跨度的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)系統(tǒng)，其雙缸同步控制系統(tǒng)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(zhǎng)期平穩(wěn)的運(yùn)行。

1 同步誤差的形成

在水利工程中使用的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)同工程機(jī)械相比有其特殊性。首先液壓?jiǎn)㈤]機(jī)所操作的不是自由懸掛的重物，而是沿著導(dǎo)向門(mén)槽作上下移動(dòng)或者是繞著支鉸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的閘門(mén)。因此閘門(mén)作為牽引構(gòu)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(yùn)行阻力的大小。而且這些阻力又是不穩(wěn)定的，因?yàn)樗c水封和支撐行走機(jī)構(gòu)摩擦表面的狀態(tài)密切相關(guān)，如內(nèi)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(jié)冰等都會(huì)使運(yùn)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(fù)載不同，根據(jù)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(tǒng)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(yùn)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(yùn)動(dòng)副摩擦力也不相等，摩擦力大的液壓缸運(yùn)行慢;液壓系統(tǒng)的內(nèi)外泄露和壓縮不可能相等;油管長(zhǎng)度和彎頭數(shù)目的不同將造成雙缸沿程阻力的不相等;長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)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(tǒng)構(gòu)成

解決雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)系統(tǒng)不同步問(wèn)題就是在上述因素對(duì)系統(tǒng)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(jī)雙缸同步精度。如圖所示為液壓系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)采用二臺(tái)型號(hào)為YYB2255-4，功率為37KW的異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)變量液壓泵為系統(tǒng)供油，且液壓泵電機(jī)組采用一用一備工作方式。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

主要包括下位機(jī)和上位機(jī)的硬件，共同構(gòu)成一個(gè)小型控制系統(tǒng)。如圖1。

下位機(jī)和上位機(jī)之間通過(guò)MPI協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，PLC中央機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)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(tǒng)。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(yīng)自動(dòng)控制任務(wù)。
2)簡(jiǎn)單實(shí)用的分散式結(jié)構(gòu)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(qiáng)。
5)當(dāng)控制任務(wù)增加時(shí)，模塊擴(kuò)展方便靈活。

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)系統(tǒng)輸入信號(hào)主要有手動(dòng)/自動(dòng)/遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)量的輸入，系統(tǒng)壓力傳感器的輸入CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，油泵電壓輸入，開(kāi)度傳感器的輸入，超差信號(hào)的輸入及報(bào)警信號(hào)的輸入等。既有模擬量的輸入又有開(kāi)關(guān)量的輸入。根據(jù)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)系統(tǒng)的控制要求和被控制器的特點(diǎn)，可充分利用S7-300的系統(tǒng)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(quán)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(chǔ)器，負(fù)載存儲(chǔ)器集成96kbRAM，最大可以擴(kuò)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(zhí)行用戶(hù)程序，控制I/O模塊和與上位機(jī)通訊。
3)SM321數(shù)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(shù)字量輸出模塊：16點(diǎn)輸出，24V/DC。
7)SM338型智能計(jì)數(shù)模塊：8通道，用于通用計(jì)數(shù)和測(cè)量任務(wù)，可實(shí)現(xiàn)超差檢測(cè)，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(xiàn)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(jì)算機(jī)，打印機(jī)連接，一個(gè)RS485接口可與PLC計(jì)算機(jī)連接。

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

上位機(jī)硬件包括：

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

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以方便實(shí)現(xiàn)三種操作方式;

“現(xiàn)地操作”(手動(dòng))即現(xiàn)場(chǎng)電氣柜或機(jī)旁操作箱上按鈕進(jìn)行操作。
“遠(yuǎn)控操作”(自動(dòng))即由計(jì)算機(jī)上操作。
“檢修操作”用于安裝，檢修時(shí)調(diào)試操作。

為提高系統(tǒng)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(qū)動(dòng)接觸器。程序的編制采用模塊化結(jié)構(gòu)。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(shè)計(jì)做簡(jiǎn)要說(shuō)明。

1)主程序

主程序主要對(duì)液壓系統(tǒng)的正常工作與安全保護(hù)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(jī)子程序，安全停機(jī)子程序，緊急停機(jī)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(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)和停止控制，通過(guò)糾偏計(jì)算子程序不斷計(jì)算兩個(gè)液壓缸是否同步，當(dāng)糾偏量不為零時(shí)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行糾偏，對(duì)速度快的油缸停止供油，當(dāng)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(xiàn)內(nèi)外水位的監(jiān)測(cè)與比較，當(dāng)水位差達(dá)到設(shè)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(shù)字量和模擬量輸入模塊，所以當(dāng)硬件檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)發(fā)生時(shí)(發(fā)生故障)，便自動(dòng)執(zhí)行硬件中斷處理程序塊

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

4)安全保護(hù)設(shè)計(jì)

為保證整個(gè)液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)的安全，可靠運(yùn)行，安全保護(hù)環(huán)節(jié)應(yīng)該在軟件和硬件兩方面進(jìn)行，油泵電機(jī)的硬件安全設(shè)計(jì)按照f(shuō)aile-safe原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，即當(dāng)控制系統(tǒng)失效時(shí)，為保證油泵電機(jī)的安全，最后一級(jí)的保護(hù)措施是安全鏈機(jī)械保護(hù)。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(gòu)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(jī)，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(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源，所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)將全部停止工作。必須在故障排除以后，給安全鏈復(fù)位，系統(tǒng)才能正常工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，將PLC引入液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)，成功解決了雙缸同步的問(wèn)題，且控制方便，可靠性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)直接控制。系統(tǒng)自2002年投入試運(yùn)行至今，效果很好。