PLC在水利節(jié)制閘中的應用
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郭益年1由 分享
摘要： 介紹九曲河樞紐工程節(jié)制閘液壓系統(tǒng)的構(gòu)成，同步誤差的形成，以及基于S7-300型PLC系統(tǒng)的硬件組成和軟件設計方法。
關(guān)鍵詞： 液壓啟閉機；液壓同步；PLC；系統(tǒng)
中圖分類號：TV文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2011）0320134－02
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)制閘閘門采用露頂式實腹鋼梁平面鋼閘門，門底高程-1.0米，門頂高程9.0米。門寬12.66米。啟閉機采用倒掛式液壓啟閉機，型號為QPPYⅡ－2*400-11.8。
根據(jù)液壓啟閉機運行實踐表明：單吊點閘門啟閉技術(shù)已非常成熟，而雙側(cè)傳動的液壓啟閉機的同步控制，仍然是水利水電技術(shù)研究方面的一個重要課題。在各設計院和制造廠的努力下，盡管大部分閘門的同步控制是成功的，但也有一部分雙吊點閘門，尤其是大中型寬跨度的液壓啟閉機雙缸同步問題未獲得根本解決，從而導致閘門傾斜卡死，甚至吊點拉脫，造成閘門失事。而我們九曲河樞紐工程的節(jié)制閘就是采用雙吊點且為大中型寬跨度的液壓啟閉機系統(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，保證了閘門能夠長期平穩(wěn)的運行。
1 同步誤差的形成
在水利工程中使用的液壓啟閉機同工程機械相比有其特殊性。首先液壓啟閉機所操作的不是自由懸掛的重物，而是沿著導向門槽作上下移動或者是繞著支鉸作旋轉(zhuǎn)運動的閘門。因此閘門作為牽引構(gòu)件上的載荷，不僅取決于閘門重量，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(wěn)定的，因為它與水封和支撐行走機構(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槽，以及埋沒部件結(jié)冰等都會使運行阻力大大增加 。此外，在水中操作閘門，載荷的大小還隨著閘門的開度而變化的動水壓力有關(guān)。這些載荷的變化使雙缸承受負載不同，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，從系統(tǒng)本身來講，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。雙缸運動副摩擦力不同，由于雙缸的制造精度不同，安裝時的運動副摩擦力也不相等，摩擦力大的液壓缸運行慢；液壓系統(tǒng)的內(nèi)外泄露和壓縮不可能相等；油管長度和彎頭數(shù)目的不同將造成雙缸沿程阻力的不相等；長時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(tǒng)構(gòu)成
解決雙吊點液壓啟閉機系統(tǒng)不同步問題就是在上述因素對系統(tǒng)影響不可避免的情況下，如何利用PLC來實時控制液壓啟閉機雙缸同步精度。如圖所示為液壓系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)采用二臺型號為YYB2255-4，功率為37KW的異步電動機帶動變量液壓泵為系統(tǒng)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(gòu)成一個小型控制系統(tǒng)。如圖1。
下位機和上位機之間通過MPI協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，PLC中央機架和擴展機架之間通過IM360和IM361接口模塊進行連接。
由于特殊的工藝特點，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)。能滿足中等性能的要求；主要有以下特點：
1）大范圍的各種功能模塊，可以滿足和適應自動控制任務。
2）簡單實用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡功能。
3）控制靈活，可靠性高，方便用戶。
4）CUP處理速度快，集成功能強。
5）當控制任務增加時，模塊擴展方便靈活。
液壓啟閉機系統(tǒng)輸入信號主要有手動/自動/遠程控制開關(guān)量的輸入，系統(tǒng)壓力傳感器的輸入，油泵電壓輸入，開度傳感器的輸入，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關(guān)量的輸入。根據(jù)液壓啟閉機系統(tǒng)的控制要求和被控制器的特點，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，通過背板總線向各模塊供電，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操作面板進行通訊主要用來執(zhí)行用戶程序，控制I/O模塊和與上位機通訊。
3）SM321數(shù)字量輸入模塊：16點輸入。
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點輸出，24V/DC。
7）SM338型智能計數(shù)模塊：8通道，用于通用計數(shù)和測量任務，可實現(xiàn)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，可以實現(xiàn)PPI通訊Pp。
9）OP7/DP鍵盤顯示及觸摸屏，一個RS232通訊接口可以與PLC，計算機，打印機連接，一個RS485接口可與PLC計算機連接。
在控制系統(tǒng)的輸入電路中，由壓力變送器檢測到實時液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力，輸出4-20mA的壓力信號，經(jīng)過IC7轉(zhuǎn)換為0-5V的電壓信號，送入到模擬量輸入模塊。由系統(tǒng)液壓到PLC控制器的輸入信號或由PLC控制器到配電部分的控制信號，均經(jīng)過光電耦合電路進行隔離，以提高系統(tǒng)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(tǒng)軟件設計
該自動化控制系統(tǒng)可以方便實現(xiàn)三種操作方式；
“現(xiàn)地操作”（手動）即現(xiàn)場電氣柜或機旁操作箱上按鈕進行操作。
“遠控操作”（自動）即由計算機上操作。
“檢修操作”用于安裝，檢修時調(diào)試操作。
為提高系統(tǒng)的可靠性，PLC控制器通過繼電器控制接觸器的工作，而不是由PLC直接驅(qū)動接觸器。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計做簡要說明。
1）主程序
主程序主要對液壓系統(tǒng)的正常工作與安全保護進行控制。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，自動啟動子程序，手動啟動子程序，檢修啟動子程序，糾偏計算子程序，繼電器控制子程序，定時中斷程序等。繼電器控制器子程序主要完成油泵的運轉(zhuǎn)和停止控制，通過糾偏計算子程序不斷計算兩個液壓缸是否同步，當糾偏量不為零時，對系統(tǒng)進行糾偏，對速度快的油缸停止供油，當油缸同步時再同時供油。在定時中斷程序中，要實現(xiàn)內(nèi)外水位的監(jiān)測與比較，當水位差達到設定值時，自動啟動子程序啟動。
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，所以當硬件檢測到現(xiàn)場信號發(fā)生時（發(fā)生故障），便自動執(zhí)行硬件中斷處理程序塊
?。∣B40）根據(jù)故障等級，在OB40中執(zhí)行正常停機，安全停機或緊急停機，從而保證故障及時得到處理。
4）安全保護設計
為保證整個液壓啟閉系統(tǒng)的安全，可靠運行，安全保護環(huán)節(jié)應該在軟件和硬件兩方面進行，油泵電機的硬件安全設計按照faile-safe原則進行設計，即當控制系統(tǒng)失效時，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。安全鏈主要有一個類似與門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)多個閉合觸點組成。這些組成安全鏈的常閉觸點包括緊急停機，壓力超上限開關(guān)，壓力超下限開關(guān)。
安全鏈的多個觸點均為常閉觸點，只要其中一個觸點斷開，安全鏈就將失效，切除所有執(zhí)行機構(gòu)的電源，所有執(zhí)行機構(gòu)將全部停止工作。必須在故障排除以后，給安全鏈復位，系統(tǒng)才能正常工作。
3 結(jié)束語
實踐證明，將PLC引入液壓啟閉系統(tǒng)，成功解決了雙缸同步的問題，且控制方便，可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)計算機直接控制。系統(tǒng)自2002年投入試運行至今，效果很好。
參考文獻：
[1]鄧則名、鄺惠芳、程良倫，電器與可編程控制器應用技術(shù)，機械工業(yè)出版社，1997.1.
[2]施光林、史維祥、李天石，液壓同步閉環(huán)控制及其應用，機床與液壓，1997.4.
[3]田勇、沈祖詒，雙吊點閘門液壓啟閉機同步方法與策略，液壓與氣動，2004.5.
關(guān)鍵詞： 液壓啟閉機；液壓同步；PLC；系統(tǒng)
中圖分類號：TV文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2011）0320134－02
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)制閘閘門采用露頂式實腹鋼梁平面鋼閘門，門底高程-1.0米，門頂高程9.0米。門寬12.66米。啟閉機采用倒掛式液壓啟閉機，型號為QPPYⅡ－2*400-11.8。
根據(jù)液壓啟閉機運行實踐表明：單吊點閘門啟閉技術(shù)已非常成熟，而雙側(cè)傳動的液壓啟閉機的同步控制，仍然是水利水電技術(shù)研究方面的一個重要課題。在各設計院和制造廠的努力下，盡管大部分閘門的同步控制是成功的，但也有一部分雙吊點閘門，尤其是大中型寬跨度的液壓啟閉機雙缸同步問題未獲得根本解決，從而導致閘門傾斜卡死，甚至吊點拉脫，造成閘門失事。而我們九曲河樞紐工程的節(jié)制閘就是采用雙吊點且為大中型寬跨度的液壓啟閉機系統(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，保證了閘門能夠長期平穩(wěn)的運行。
1 同步誤差的形成
在水利工程中使用的液壓啟閉機同工程機械相比有其特殊性。首先液壓啟閉機所操作的不是自由懸掛的重物，而是沿著導向門槽作上下移動或者是繞著支鉸作旋轉(zhuǎn)運動的閘門。因此閘門作為牽引構(gòu)件上的載荷，不僅取決于閘門重量，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(wěn)定的，因為它與水封和支撐行走機構(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槽，以及埋沒部件結(jié)冰等都會使運行阻力大大增加 。此外，在水中操作閘門，載荷的大小還隨著閘門的開度而變化的動水壓力有關(guān)。這些載荷的變化使雙缸承受負載不同，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，從系統(tǒng)本身來講，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。雙缸運動副摩擦力不同，由于雙缸的制造精度不同，安裝時的運動副摩擦力也不相等，摩擦力大的液壓缸運行慢；液壓系統(tǒng)的內(nèi)外泄露和壓縮不可能相等；油管長度和彎頭數(shù)目的不同將造成雙缸沿程阻力的不相等；長時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(tǒng)構(gòu)成
解決雙吊點液壓啟閉機系統(tǒng)不同步問題就是在上述因素對系統(tǒng)影響不可避免的情況下，如何利用PLC來實時控制液壓啟閉機雙缸同步精度。如圖所示為液壓系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)采用二臺型號為YYB2255-4，功率為37KW的異步電動機帶動變量液壓泵為系統(tǒng)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(gòu)成一個小型控制系統(tǒng)。如圖1。
下位機和上位機之間通過MPI協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，PLC中央機架和擴展機架之間通過IM360和IM361接口模塊進行連接。
由于特殊的工藝特點，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)。能滿足中等性能的要求；主要有以下特點：
1）大范圍的各種功能模塊，可以滿足和適應自動控制任務。
2）簡單實用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡功能。
3）控制靈活，可靠性高，方便用戶。
4）CUP處理速度快，集成功能強。
5）當控制任務增加時，模塊擴展方便靈活。
液壓啟閉機系統(tǒng)輸入信號主要有手動/自動/遠程控制開關(guān)量的輸入，系統(tǒng)壓力傳感器的輸入，油泵電壓輸入，開度傳感器的輸入，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關(guān)量的輸入。根據(jù)液壓啟閉機系統(tǒng)的控制要求和被控制器的特點，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，通過背板總線向各模塊供電，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操作面板進行通訊主要用來執(zhí)行用戶程序，控制I/O模塊和與上位機通訊。
3）SM321數(shù)字量輸入模塊：16點輸入。
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點輸出，24V/DC。
7）SM338型智能計數(shù)模塊：8通道，用于通用計數(shù)和測量任務，可實現(xiàn)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，可以實現(xiàn)PPI通訊Pp。
9）OP7/DP鍵盤顯示及觸摸屏，一個RS232通訊接口可以與PLC，計算機，打印機連接，一個RS485接口可與PLC計算機連接。
在控制系統(tǒng)的輸入電路中，由壓力變送器檢測到實時液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力，輸出4-20mA的壓力信號，經(jīng)過IC7轉(zhuǎn)換為0-5V的電壓信號，送入到模擬量輸入模塊。由系統(tǒng)液壓到PLC控制器的輸入信號或由PLC控制器到配電部分的控制信號，均經(jīng)過光電耦合電路進行隔離，以提高系統(tǒng)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(tǒng)軟件設計
該自動化控制系統(tǒng)可以方便實現(xiàn)三種操作方式；
“現(xiàn)地操作”（手動）即現(xiàn)場電氣柜或機旁操作箱上按鈕進行操作。
“遠控操作”（自動）即由計算機上操作。
“檢修操作”用于安裝，檢修時調(diào)試操作。
為提高系統(tǒng)的可靠性，PLC控制器通過繼電器控制接觸器的工作，而不是由PLC直接驅(qū)動接觸器。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計做簡要說明。
1）主程序
主程序主要對液壓系統(tǒng)的正常工作與安全保護進行控制。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，自動啟動子程序，手動啟動子程序，檢修啟動子程序，糾偏計算子程序，繼電器控制子程序，定時中斷程序等。繼電器控制器子程序主要完成油泵的運轉(zhuǎn)和停止控制，通過糾偏計算子程序不斷計算兩個液壓缸是否同步，當糾偏量不為零時，對系統(tǒng)進行糾偏，對速度快的油缸停止供油，當油缸同步時再同時供油。在定時中斷程序中，要實現(xiàn)內(nèi)外水位的監(jiān)測與比較，當水位差達到設定值時，自動啟動子程序啟動。
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，所以當硬件檢測到現(xiàn)場信號發(fā)生時（發(fā)生故障），便自動執(zhí)行硬件中斷處理程序塊
?。∣B40）根據(jù)故障等級，在OB40中執(zhí)行正常停機，安全停機或緊急停機，從而保證故障及時得到處理。
4）安全保護設計
為保證整個液壓啟閉系統(tǒng)的安全，可靠運行，安全保護環(huán)節(jié)應該在軟件和硬件兩方面進行，油泵電機的硬件安全設計按照faile-safe原則進行設計，即當控制系統(tǒng)失效時，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。安全鏈主要有一個類似與門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)多個閉合觸點組成。這些組成安全鏈的常閉觸點包括緊急停機，壓力超上限開關(guān)，壓力超下限開關(guān)。
安全鏈的多個觸點均為常閉觸點，只要其中一個觸點斷開，安全鏈就將失效，切除所有執(zhí)行機構(gòu)的電源，所有執(zhí)行機構(gòu)將全部停止工作。必須在故障排除以后，給安全鏈復位，系統(tǒng)才能正常工作。
3 結(jié)束語
實踐證明，將PLC引入液壓啟閉系統(tǒng)，成功解決了雙缸同步的問題，且控制方便，可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)計算機直接控制。系統(tǒng)自2002年投入試運行至今，效果很好。
參考文獻：
[1]鄧則名、鄺惠芳、程良倫，電器與可編程控制器應用技術(shù)，機械工業(yè)出版社，1997.1.
[2]施光林、史維祥、李天石，液壓同步閉環(huán)控制及其應用，機床與液壓，1997.4.
[3]田勇、沈祖詒，雙吊點閘門液壓啟閉機同步方法與策略，液壓與氣動，2004.5.