歐姆龍PLC在河壩閘門(mén)控制系統中的應用

1 前言

　　我國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，水力資源相對集中在西南地區，而經(jīng)濟發(fā)達、能源需求量大的東部地區水力資源量極小，因此，西部水力資源開(kāi)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"戰略歐姆龍 但是在水力資源開(kāi)發(fā)尤其是內河河壩控制系統方面，仍然普遍存在設備落后、功能差和老化嚴重等問(wèn)題，相應的系統能耗大，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(mén)控制系統設備落后，自動(dòng)化水平低，甚至存在相當大比例的人工操作，效率低，亟需系統的升級改進(jìn)以滿(mǎn)足更高更安全的控制需求PLC

　　作為通用工業(yè)控制計算機, 可編程控制器近40年來(lái)從無(wú)到有,其功能從弱到強,其應用領(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)域的主流控制設備,在世界各地發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越大的作用閘門(mén) 本文基于大型攔河壩閘門(mén)控制的具體情況，提出一個(gè)基于PLC和現場(chǎng)總線(xiàn)控制的整體設計方案閘門(mén)

　　該攔河壩由17孔啟閉式閘門(mén)組成閘門(mén) 其跨度約為300m，閘門(mén)的最大開(kāi)度可達1.7m。閘門(mén)控制房距離大壩迎水面40m。由于地理跨度較大，本閘門(mén)控制系統采用總線(xiàn)分布式分級控制方式進(jìn)行設計。

2　系統組成

　　系統采用總線(xiàn)分布式的控制方式，分為現場(chǎng)控制和集中控制兩級?？偩€(xiàn)采用OMRON公司的CompoBus／S現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，見(jiàn)圖1。

圖1 系統總體示意圖

　　現場(chǎng)級是由在每個(gè)閘門(mén)現場(chǎng)都安裝的閘門(mén)控制柜(CPU采用OMRON公司的CP1H系列PLC)組成，共17臺。其功能是實(shí)現在現場(chǎng)對閘門(mén)的手動(dòng)控制，對水位、閘門(mén)開(kāi)度、閘門(mén)運行狀態(tài)和錯誤信息的現場(chǎng)采集與監視，并且完成與集中控制級的實(shí)時(shí)通信，包括：接收控制信息，完成閘門(mén)控制動(dòng)作，發(fā)送用于遠程監控的閘門(mén)運行狀態(tài)、錯誤信息到主站。

　　集中控制級是由設置于閘門(mén)控制房?jì)鹊囊粋€(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與下級系統進(jìn)行通信，處理相關(guān)數據，向監控主機發(fā)送閘門(mén)的運行狀態(tài)、錯誤等信息以及接收監控主機的指令后向下轉發(fā)。

　　監控主機通過(guò)監控軟件(本系統采用的是組態(tài)王)接收并顯示閘門(mén)開(kāi)度、狀態(tài)等信息，對錯誤信息進(jìn)行報警，并且可以發(fā)出指令，控制閘門(mén)的運行，同時(shí)生成報表。UPS電源用來(lái)在停電時(shí)為兩級控制系統供電，保證系統不間斷工作。

3　系統配置及硬件接線(xiàn)

　　現場(chǎng)級單個(gè)閘門(mén)控制柜的輸入輸出點(diǎn)個(gè)數為：DI=16，DO=6，AI=2(第一孔)。本系統現場(chǎng)控制級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擴展的一塊通訊從單元SRT21完成，此通訊從單元節點(diǎn)號為O。根據PLC地址分配規則，輸入地址為ClO2，輸出地址為ClO102。

　　集中控制級的控制柜CPU采用了CJ1G 系列PLC擴展兩塊SRM21主站單元組成，其單元號分別為0和2。根據CJ1G的地址分配規則，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)行數據交換，并與監控主機進(jìn)行通信。監控主機與CJ1G通過(guò)RS232線(xiàn)纜連接。兩級系統之間的通信采用的OMRON的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議CompoBus／S完成。

　　CompoBus／S通信模式可分為遠距離通信和高速通信兩種。當工作模式為遠距離通信模式時(shí)，傳輸速率為83．75Kbps，傳輸距離可達500m； 當為高速通信模式時(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(kāi)關(guān)設定。本系統選擇遠距離通信模式。

　　由于集中控制級的實(shí)現比較簡(jiǎn)單，這里只是介紹現場(chǎng)級控制柜PLC(第一孔)的接線(xiàn)圖與軟件實(shí)現?，F場(chǎng)級控制柜的接線(xiàn)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：0.07接旋轉編碼器，進(jìn)行閘門(mén)開(kāi)度狀態(tài)的采集。0CH通道高4位進(jìn)行現場(chǎng)閘門(mén)控制操作以及系統其他一些狀態(tài)的采集。在1CH(輸入)通道中I：1.08進(jìn)行現場(chǎng)／集中控制的選擇。I：1.09是為了清除錯誤報警位設立，當錯誤排出后，對I：1.09的輸入使得錯誤信息復位，系統可以運行。1CH后兩位提供了閘門(mén)運行的一種保護。

　　輸出通道100CH的輸出為閘門(mén)的控制信號以及提示、報警信息。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現場(chǎng)接線(xiàn)原理圖

4　軟件設計

　　現場(chǎng)一號控制柜的軟件編寫(xiě)如下：系統的自動(dòng)控制功能可分為現場(chǎng)級控制、集中開(kāi)／閉環(huán)控制。其控制的程序流程圖如圖3?，F場(chǎng)控制級具有最高的優(yōu)先級，這是由于對閘門(mén)的控制要求有較高的安全性和可靠性。當選擇現場(chǎng)級控制后，集中開(kāi)／閉環(huán)控制都被屏蔽。PLC采集現場(chǎng)控制柜的升、降、?？刂戚斎霠顟B(tài)，對閘門(mén)進(jìn)行升降停操作。此時(shí)閘門(mén)的開(kāi)度信息、運行狀態(tài)可以在現地控制柜上的文本顯示屏進(jìn)行顯示輸出，并同時(shí)上傳到監控主機顯示。如發(fā)生錯誤，則發(fā)出報警并停止閘門(mén)運行。

圖3  系統軟件控制流程圖

　　當W2．05復位時(shí)，進(jìn)行集中開(kāi)環(huán)控制。遠程開(kāi)環(huán)控制可以在監控主機上點(diǎn)擊操作界面(本系統采用的是組態(tài)王)上的升、降、停按鈕，完成對閘門(mén)的遠程控制。當升、降、停按鈕被點(diǎn)擊時(shí)，主機會(huì )置位集中控制級PLC 的存儲位，并通過(guò)CompoBus／S總線(xiàn)將置位信息傳送給分散控制級PLC，其內存地址為W2.00、W2.01、W2.02。CP1H根據此三個(gè)開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)進(jìn)行閘門(mén)操作?？紤]到升、降、停的快速切換可能會(huì )導致出錯，所以要全都采用了互鎖。當有錯誤發(fā)生時(shí)不管閘門(mén)的運行在何種狀態(tài)都必須馬上停止閘門(mén)，并發(fā)出報警，直到錯誤排出后，通過(guò)CP1H的故障復位按鈕(CIO1.09)清除故障報警，并重新運行。

　　閘位的采集通過(guò)8位增量式旋轉編碼器輸入得到。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換指令(GRY)將其轉化為BIN(-進(jìn)制化16進(jìn)制)數據(存儲與D20)。由于編碼器的位數僅8位，因此還要對編碼器所轉過(guò)的圈數(D70)進(jìn)行軟件的采集計算。最后根據編碼器的圈數D70和此時(shí)編碼器的值D20計算閘門(mén)的運行距離(D250)。其計算公式為：D250=D70*單圈高度+D20。其流程圖如圖4。

圖4  閘門(mén)開(kāi)度采集子程序

　　系統水位采集時(shí)采用的水位傳感器是壓力式水位變送器，輸出信號是4～20mA電流信號。由于PLC 自帶有模擬信號輸入通道，使得標準電流信號可直接輸入PLC(本系統采用CIO200、CIO201分別為閘前、閘后水位輸入通道)，不需要再擴展A／D模塊。模擬信號在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(xiàn)性變換，分辨率為1／6000或者1／12000，分辨率的選擇通過(guò)PLC設定。閘門(mén)運行時(shí)的錯誤信息主要包括：閘門(mén)卡滯，閘門(mén)運行失速， 以及閘門(mén)開(kāi)度過(guò)大引起的上升越限和下降過(guò)度引起的下越陷等。這些錯誤信息的采集比較簡(jiǎn)單，這里就不詳細介紹。

5 　總結

　　系統自投運以來(lái)，取得了顯著(zhù)的效益，體現在以下幾個(gè)方面：

　?。?）提高了設備的使用效率。本方案通過(guò)對閘門(mén)控制的綜合自動(dòng)化，排除以往靠人工觀(guān)察和經(jīng)驗進(jìn)行操作，實(shí)現河壩閘門(mén)的優(yōu)化運行，降低了主體設備的損壞率，延長(cháng)其使用壽命和維護周期，每年節省備件消耗可達百萬(wàn)元同時(shí)本方案采用了實(shí)時(shí)負荷控制，提高設備的利用率，減少了設備的空轉率，實(shí)現節能3%~5%。

　?。?）增強了可靠性和安全性。本設計方案實(shí)現了主體設備的聯(lián)鎖控制和異常報警和及時(shí)關(guān)停。工程師站設立授權以對有關(guān)參數進(jìn)行修改，主控站以授權方式操作，避免了人為誤操作等可能造成的設備損壞，增強了系統運行的安全性、可靠性。

　?。?）減輕了職工的勞動(dòng)強度自動(dòng)控制 本設計方案實(shí)現集控室的遠程監視并相應進(jìn)行相應操作即可，現場(chǎng)只需不定期巡視，減少了職工的所需數量和勞動(dòng)強度，達到減員增效的目的自動(dòng)控制