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[摘 要]PLC技术在水电站控制系统中的应用实现了电站减人增效，提高了设备安全运行水平，而且实现了电站无人或少人值班的运行模式。本文对基于PLC的中小型水电站闸门监控系统进行了分析探讨。
[关键词]水电站；PLC技术；闸门监控
中图分类号：TV523 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0043-02
1.水电站闸门监控系统的功能和结构
1.1 水电站闸门监控系统的功能
中小型水电站闸门监控系统完成的功能主要有（1）具备控制水电站所有闸门开启或关闭到指定开度、事故状态下紧急落门及紧急抱闸刹车等闸门控制功能.（2）具备水电站上下水位数据的采集和处理、闸门位移数据的采集和处理、控制闸门电气开关柜的数据采集和处理等闸门运行状态信号的采集和处理功能.（3）具备对下位机传来的数据进行计算、判断、上报和报警等功能.（4）具有对闸门出现片滞、飞车、粘连、下滑、越限等现象时一的保护功能.（5）监控中心与现地控制单儿都具有人机联系和通信功能.（6}在线运行时一具有对闸门LCU的硬件及软件进行自诊断能力。
1.2 水电站监控系统的结构
根据当前我国中小型水电站闸门监控系统的要求，闸门监控系统通常设置闸门监控中心和闸门现场控制单元 LCU 两个控制层，两层之间通过以太网进行通信和联系，其结构如图1。
闸门监控中心主要负责集中监视和控制、运行记录和指导、自诊断和报警、上下层通信、培训及开发等方面的功能.闸门现场控制单LCU主要包括PLC控制器、闸门开度及水位等电测量传感器和闸门动力执行机构等. PLC控制器是闸门现场控制单儿的核心，其主要功能是读取和接收各类传感器的信息，在本级存储和处理之后，上传至闸门监控中心，并按照监控中心发出的指令进行现场控制.若与监控中心失去联系，亦能通过自诊断功能或人土对现场进行控制和保护.传感器则主要包括闸门开度传感器、水位传感器、电量传感器等.闸门动力执行机构主要包括电机、油泵、阀组以及其他驱动或控制设施等。
2.闸门监控系统现场控制单元PLC的选择与设计
2.1 现场控制单PLC的控制要求
闸门监控系统现场控制单 PLC需要处理和控制多路现场设备，其核心要求是控制闸门的启闭.一般情况下，PLC控制单儿通过执行用户预先编好的程序，来控制电磁阀的得失电，来实现对闸门的升降控制、同步纠偏控制、下滑报警控制及紧急抱闸刹车等.水电站水位测量则是在上下游水位装两个水位传感器，水位传感器与PLC的模拟量模块相连接，再通过PLC把测量值送至监控中心，监控中心根据水位的变化，对闸门来进行控制.水电站闸门的开度则是在闸门的两侧装上闸门开度仪，闸门开度仪与PLC通常采用并行连接，直接以数字量送入PLC的输入模块中，再与预设的闸门开度进行比较，对闸门进行纠偏、全启闭的控制以及自动防下滑的报警控制.闸门监控系统现场控制单儿控制功能主要包括：
（1）能够接收监控中心的运行指令，并向监控中心发送现场采集的各类设备运行实时一参数与状态信号.
（2）能够根据监控中心的指令对水电站各台闸门实施自动控制和单门操作.
（3）能够在现场实时进行闸门控制范围调整.
（4）在失去监控中心联系时，能够进行系统自诊断，对现场进行控制和保护.同时一具备现进行人土操作控制。
2.2 PLC的选择与设计
由于闸门监控系统现场控制单儿需要处理和控制的现场设备和信号较多，由电机引起的电磁干扰较强，闸门所在地湿度较大，同时水中常有杂物阻塞，使得闸门监控系统所处的现场环境还是较为恶劣，因此要合理选择PLC控制器.
对于中小型水电站闸门监控系统现地PLC控制器可根据闸门控制实际情况，一般可以选用美国通用电气（GE）公司生产的90 -30系列产品或西门子公司的S7 -300系列产品.以GE 90 -30系列产品为例，它的CPU功能强大，内装有PID控制算法，具有结构化编程、间接寻址、中断控制等功能模块，能完成复杂的操作.此外还有高速计数器模块、轴定位模块、BASIC和C语言协处理器模块及Genius通讯模块等特殊模块可供用户选择.它开关量I/0和模拟量I/0丰富，具有简化启动和故障自诊功能，既可以作为单独的PLC控制器来使用，也可以与其它PLC组成分布式大型控制系统，在功能上完全能够满足中小型水电站闸门监控系统的需求。
GE 90 -30系列PLC可选用IC693CPU360型CPU模块，它拥有240 K可配置内存，4K I/0存储区，支持8个机架，内置一个RS-485端口和一个SNP通信串口，使用的内部电源为670 mA@ 5SVDC.通信方式可选用TCP/IP MODBUS协议下标准型号网络接口形式，经Profibus-DP与ModbuS协议转换网关，连接到PROFI-BUS-DP现场总线，实施与以太网的链接与通信.
3.闸门监控系统现场控制单元PLC软件的设计
3.1 控制算法
采用PID控制技术进行闸门的闭环控制，将有效完成闸门的调偏控制，保证闸门提升、降落或关闭的控制精度.GE 90 -30系列PLC内部集成了PID控制算法，完全能够满足中小型水电站闸门现地监控系统的需要.PID控制器由比例单儿（P）、积分单儿（I）和微分单儿（D）组成.其输入e（t）与输出u（（t）的关系为
式中，u（t）为PI D控制器的输出；e（t）为参考输入与系统实际输出之间的偏差，即控制器的输入；K为比例系数；T为积分时一间常数；T。为微分时一间常数.
对于中小型水电站闸门进行 PID 控制，通常选取闸门两侧油缸上升或下降的速度差作为调控目标来进行闸门的调偏控制. 一般以左边油缸速度为参考标准，通过 PID 调节方式令另外一边的油缸速度趋近于一致，使得闸门运行得更加平稳和安全.PID调节方式中，K、T和T都有各自的调节功能，改变K可提高响应速度，减小静态误差，但太大会增大超调量和稳定时-间·T与K的作用基本相似，主要保证静态误差为0.T则主要是为了减小超调，减小稳定时间.实际调试中以微调K的数值为主，根据左右油缸的偏差幅度，通常以0. 2为数量级进行上下调动，以使偏差趋近于零，以达到理想的控制结果.其系统结构图如图2所示。 GE 90 -30系列PLC支持Logic master （ DOS） ， Versa（Windows） ，ProficyLogic，Proficy Machine Edition等编程软件.以GE公司推出的Versa Pro编程软件为例，该软件可以完成现场应用程序的建立、编辑、检查、调试以及监控，同时还具有完善的维护功能，支持功能模块化，有功能块图、梯形图、语句表.
3.2编程软件
C语言等编程方式，能够编译和检查程序，实现程序和数据的上载及下载，可对PLC的运行状态或内存数据进行实时的监控和测试，能够实施程序清单打印、文档管理等功能.编程者一可以选择485串行通讯、以太网通讯、232串行通讯等方式与PLC进行通讯.软件
可直接对I/0模块进行配置，对于模拟量量程直接设定，无须进行运算转换.另外，Versa Pro编程软件支持离线调试，减少了联机调试的时间，提高了工作效率.
在利用Proficy Machine Edition编程时，首先是对系统硬件结构进行组态，确定系统所用的机架，并在机架的各个槽中插入相应的输入、输出模块、模拟量模块或其他的智能模块，如图3中所用的主机架选用了IC693 CHS391模块，第0槽为电源模块，第2槽为CPU模块363，第3槽为以太网通信模块IC693 CMM321，第4，5槽为二个32点的开关量输入模块IC693 CMM655，第5槽为32点的开关量输出模块753最后一个模块为4路的模拟量输入模块IC693 ALG223。
3.3 软件设计
根据闸门监控系统现地控制的要求，现场控制单元PLC软件的设计主要应包括开机初始化程序，闸门的提升模块、闸门的降落模块、闸门的自动回升模块、闸门正常工作状态判断模块和报警及事故处理模块。下面仅以闸门监控系统现地开机初始化程序和闸门的提升与降落主程序流程作一介绍：
闸门监控系统现地开机初始化程序和闸门的提升与降落主程序流程如图4所示。闸门现地监控系统接通电源之后，首先进行开机初始化和自动检测，然后开始读取闸门开度数据，判断是否有提升或者降落闸门命令，若有提升或者降落闸门命令，则转入提门与落门子程序，若没有，则返回。闸门的提升和降落子程序中，首先判断系统是否发出提门或落门命令，若有命令，则执行提门或落门程序，待提门或落门过程结束之后，再判断系统是否发出停门信号，如有停门命令，则执行停门返回。 若没有停门命令，则继续执行提门或落门操作，先判断阐门开度是否等于预期值，若不等于预期值，则返回继续执行提门或落门操作，直至等于预期值并停门返回，闸门提升或降落过程完成。
4.结束语
中小型水电站闸门现地监控系统必须服从水电站综合自动化系统的整体要求。 随着PLC技术的快速发展，其功能也会越来越强大，可靠性也会越来越高，它不仅在中小型水电站监控系统中得到广泛的应用，也必将在大型水电站综合自动化系统中得到广泛应用。
作者简介
管建豪（1975-），广东梅县人，工程师，大专，研究方向：机电、水利电气专业。
[关键词]水电站；PLC技术；闸门监控
中图分类号：TV523 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0043-02
1.水电站闸门监控系统的功能和结构
1.1 水电站闸门监控系统的功能
中小型水电站闸门监控系统完成的功能主要有（1）具备控制水电站所有闸门开启或关闭到指定开度、事故状态下紧急落门及紧急抱闸刹车等闸门控制功能.（2）具备水电站上下水位数据的采集和处理、闸门位移数据的采集和处理、控制闸门电气开关柜的数据采集和处理等闸门运行状态信号的采集和处理功能.（3）具备对下位机传来的数据进行计算、判断、上报和报警等功能.（4）具有对闸门出现片滞、飞车、粘连、下滑、越限等现象时一的保护功能.（5）监控中心与现地控制单儿都具有人机联系和通信功能.（6}在线运行时一具有对闸门LCU的硬件及软件进行自诊断能力。
1.2 水电站监控系统的结构
根据当前我国中小型水电站闸门监控系统的要求，闸门监控系统通常设置闸门监控中心和闸门现场控制单元 LCU 两个控制层，两层之间通过以太网进行通信和联系，其结构如图1。
闸门监控中心主要负责集中监视和控制、运行记录和指导、自诊断和报警、上下层通信、培训及开发等方面的功能.闸门现场控制单LCU主要包括PLC控制器、闸门开度及水位等电测量传感器和闸门动力执行机构等. PLC控制器是闸门现场控制单儿的核心，其主要功能是读取和接收各类传感器的信息，在本级存储和处理之后，上传至闸门监控中心，并按照监控中心发出的指令进行现场控制.若与监控中心失去联系，亦能通过自诊断功能或人土对现场进行控制和保护.传感器则主要包括闸门开度传感器、水位传感器、电量传感器等.闸门动力执行机构主要包括电机、油泵、阀组以及其他驱动或控制设施等。
2.闸门监控系统现场控制单元PLC的选择与设计
2.1 现场控制单PLC的控制要求
闸门监控系统现场控制单 PLC需要处理和控制多路现场设备，其核心要求是控制闸门的启闭.一般情况下，PLC控制单儿通过执行用户预先编好的程序，来控制电磁阀的得失电，来实现对闸门的升降控制、同步纠偏控制、下滑报警控制及紧急抱闸刹车等.水电站水位测量则是在上下游水位装两个水位传感器，水位传感器与PLC的模拟量模块相连接，再通过PLC把测量值送至监控中心，监控中心根据水位的变化，对闸门来进行控制.水电站闸门的开度则是在闸门的两侧装上闸门开度仪，闸门开度仪与PLC通常采用并行连接，直接以数字量送入PLC的输入模块中，再与预设的闸门开度进行比较，对闸门进行纠偏、全启闭的控制以及自动防下滑的报警控制.闸门监控系统现场控制单儿控制功能主要包括：
（1）能够接收监控中心的运行指令，并向监控中心发送现场采集的各类设备运行实时一参数与状态信号.
（2）能够根据监控中心的指令对水电站各台闸门实施自动控制和单门操作.
（3）能够在现场实时进行闸门控制范围调整.
（4）在失去监控中心联系时，能够进行系统自诊断，对现场进行控制和保护.同时一具备现进行人土操作控制。
2.2 PLC的选择与设计
由于闸门监控系统现场控制单儿需要处理和控制的现场设备和信号较多，由电机引起的电磁干扰较强，闸门所在地湿度较大，同时水中常有杂物阻塞，使得闸门监控系统所处的现场环境还是较为恶劣，因此要合理选择PLC控制器.
对于中小型水电站闸门监控系统现地PLC控制器可根据闸门控制实际情况，一般可以选用美国通用电气（GE）公司生产的90 -30系列产品或西门子公司的S7 -300系列产品.以GE 90 -30系列产品为例，它的CPU功能强大，内装有PID控制算法，具有结构化编程、间接寻址、中断控制等功能模块，能完成复杂的操作.此外还有高速计数器模块、轴定位模块、BASIC和C语言协处理器模块及Genius通讯模块等特殊模块可供用户选择.它开关量I/0和模拟量I/0丰富，具有简化启动和故障自诊功能，既可以作为单独的PLC控制器来使用，也可以与其它PLC组成分布式大型控制系统，在功能上完全能够满足中小型水电站闸门监控系统的需求。
GE 90 -30系列PLC可选用IC693CPU360型CPU模块，它拥有240 K可配置内存，4K I/0存储区，支持8个机架，内置一个RS-485端口和一个SNP通信串口，使用的内部电源为670 mA@ 5SVDC.通信方式可选用TCP/IP MODBUS协议下标准型号网络接口形式，经Profibus-DP与ModbuS协议转换网关，连接到PROFI-BUS-DP现场总线，实施与以太网的链接与通信.
3.闸门监控系统现场控制单元PLC软件的设计
3.1 控制算法
采用PID控制技术进行闸门的闭环控制，将有效完成闸门的调偏控制，保证闸门提升、降落或关闭的控制精度.GE 90 -30系列PLC内部集成了PID控制算法，完全能够满足中小型水电站闸门现地监控系统的需要.PID控制器由比例单儿（P）、积分单儿（I）和微分单儿（D）组成.其输入e（t）与输出u（（t）的关系为
式中，u（t）为PI D控制器的输出；e（t）为参考输入与系统实际输出之间的偏差，即控制器的输入；K为比例系数；T为积分时一间常数；T。为微分时一间常数.
对于中小型水电站闸门进行 PID 控制，通常选取闸门两侧油缸上升或下降的速度差作为调控目标来进行闸门的调偏控制. 一般以左边油缸速度为参考标准，通过 PID 调节方式令另外一边的油缸速度趋近于一致，使得闸门运行得更加平稳和安全.PID调节方式中，K、T和T都有各自的调节功能，改变K可提高响应速度，减小静态误差，但太大会增大超调量和稳定时-间·T与K的作用基本相似，主要保证静态误差为0.T则主要是为了减小超调，减小稳定时间.实际调试中以微调K的数值为主，根据左右油缸的偏差幅度，通常以0. 2为数量级进行上下调动，以使偏差趋近于零，以达到理想的控制结果.其系统结构图如图2所示。 GE 90 -30系列PLC支持Logic master （ DOS） ， Versa（Windows） ，ProficyLogic，Proficy Machine Edition等编程软件.以GE公司推出的Versa Pro编程软件为例，该软件可以完成现场应用程序的建立、编辑、检查、调试以及监控，同时还具有完善的维护功能，支持功能模块化，有功能块图、梯形图、语句表.
3.2编程软件
C语言等编程方式，能够编译和检查程序，实现程序和数据的上载及下载，可对PLC的运行状态或内存数据进行实时的监控和测试，能够实施程序清单打印、文档管理等功能.编程者一可以选择485串行通讯、以太网通讯、232串行通讯等方式与PLC进行通讯.软件
可直接对I/0模块进行配置，对于模拟量量程直接设定，无须进行运算转换.另外，Versa Pro编程软件支持离线调试，减少了联机调试的时间，提高了工作效率.
在利用Proficy Machine Edition编程时，首先是对系统硬件结构进行组态，确定系统所用的机架，并在机架的各个槽中插入相应的输入、输出模块、模拟量模块或其他的智能模块，如图3中所用的主机架选用了IC693 CHS391模块，第0槽为电源模块，第2槽为CPU模块363，第3槽为以太网通信模块IC693 CMM321，第4，5槽为二个32点的开关量输入模块IC693 CMM655，第5槽为32点的开关量输出模块753最后一个模块为4路的模拟量输入模块IC693 ALG223。
3.3 软件设计
根据闸门监控系统现地控制的要求，现场控制单元PLC软件的设计主要应包括开机初始化程序，闸门的提升模块、闸门的降落模块、闸门的自动回升模块、闸门正常工作状态判断模块和报警及事故处理模块。下面仅以闸门监控系统现地开机初始化程序和闸门的提升与降落主程序流程作一介绍：
闸门监控系统现地开机初始化程序和闸门的提升与降落主程序流程如图4所示。闸门现地监控系统接通电源之后，首先进行开机初始化和自动检测，然后开始读取闸门开度数据，判断是否有提升或者降落闸门命令，若有提升或者降落闸门命令，则转入提门与落门子程序，若没有，则返回。闸门的提升和降落子程序中，首先判断系统是否发出提门或落门命令，若有命令，则执行提门或落门程序，待提门或落门过程结束之后，再判断系统是否发出停门信号，如有停门命令，则执行停门返回。 若没有停门命令，则继续执行提门或落门操作，先判断阐门开度是否等于预期值，若不等于预期值，则返回继续执行提门或落门操作，直至等于预期值并停门返回，闸门提升或降落过程完成。
4.结束语
中小型水电站闸门现地监控系统必须服从水电站综合自动化系统的整体要求。 随着PLC技术的快速发展，其功能也会越来越强大，可靠性也会越来越高，它不仅在中小型水电站监控系统中得到广泛的应用，也必将在大型水电站综合自动化系统中得到广泛应用。
作者简介
管建豪（1975-），广东梅县人，工程师，大专，研究方向：机电、水利电气专业。