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摘要:随着我国经济以及科学技术的发展,越来越多的水闸工程开始选择使用自动化系统,系统功能主要包括闸门的电脑控制、水工数据的自动观测、以及水闸数字化视频监控等,水闸自动化系统的建设对于提高水闸管理水平,发挥水闸功能有着重要的意义。
中图分类号: TV66 文献标识码: A 文章编号:
在我国民经济发展中,水利工程占有十分重要的地位和作用,且关系到国家的经济建设,以及人民的生命、财产安全等重大社会问题。在深圳地区,河网密布,河涌众多,雨量充沛,在河涌治理的过程中,闸门自动化控制系统的建设显得十分重要。可编程控制器,简称PLC(Programmable logic Controller),是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置,凭借其结构特点得到了广泛的应用。
一、PLC的应用特点
1.可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百分之一甚至数千分之一,故障也就大大降低。此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样,整个系统具有极高的可靠性。
2.配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了各种规模的系列化产品,可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC是面向生产过程的工控设备。它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事系统工程控制打开了方便之门。
4.系统设计,工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时日常维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。
三、闸门自动化控制系统
在闸门自动化控制系统建设或者改造的过程中,闸门控制操作一般分为三级控制模式:第一级为现场在没有电的情况下手动操作模式;第二级为现场控制柜操作电动控制模式;第三级为计算机自动调控控制模式。这三种操作模式中,第一、二级可以脱离PLC系统独立运行。第三级完全依赖PLC系统才能实现其功能。
在闸门自动化控制系统故障、测试、检修或其他特殊情况下,管理人员按第一级或第二级方式临时调度控制闸门,确保生命和财产的安全。对于闸门PLC自动化控制系统来说,其主要监控参数包括:上、下游水位、闸门开度、手/自动选择指示、开闸运行指示、关闸运行指示、故障指示、电源指示、电源合闸指示、开闸控制、关闸控制、电流、电压、功率、有功功率、功率因数等。电量的监测一般采用智能电量仪表,采用MODBUS协议与PLC进行通讯,PLC与上位机通讯可以采用RS232、RS485、TCP/IP通讯协议,通讯介质可以采用电缆、光缆、无线传输。对于单扇闸门的I/O点数目统计为:
DI(开关量输入,水位计、闸门开度仪输入信号采用格雷码):42点;DO(开关量输出):2~3点。
闸门自动化控制系统电气控制一次回路图如图1所示:
闸门自动化控制系统二次回路图如图2所示:
三、实例分析
随着深圳市雨季防汛任务的日益繁重,原有的防洪排涝系统控制手段落后,设备陈旧,且泵站水闸分布广泛,站点分散,使得防洪调度管理工作比较被动。为了在城市防汛管理工作中能够科学、及时、准确地监控泵站水闸等防洪设施,高效快速应对水涝灾害,确保城市安全度汛,对水闸进行综合自动化改造,实现基于网络的泵站水闸远程监控系统。
1、系统结构功能
水闸控制系统有3个部分:第一部分:上位机数据组态集监控系统 第二部分:可编程序控制器核心控制系统。用户通过上位机来对水库水文数据、水闸开度等数据进行记录,对水闸进行监控。可编程序控制器接收上位机的指令,完成对数据的采集和设备的控制第三部分:视频监视系统。由于一般中控室都位于与现场相距较远的地方 整个系统的所有数据都使用光纤传送。系统结构如图1所示。
图1 水闸控制系统结构
1.1系统硬件及软件
采用 SiemensS7-300 系列 PLC 来作为水库闸门监控系统核心,与之相配 SiemensSIMATICWinCC7.0 先进组态软件作为远程操作系统软件核心。根据过程变量中的数量和扩展容量及闸门监控系统要求,综合可靠性、使用环境等因素,我们选择西门子 PLCS7-300 控制器作为系统主要硬件,选择系统主要硬件,如表1 所示。
表 1 控制器硬件组成
1.2系統输入和输出量
(1)系统输入量。输入信号:6扇闸门的上升、下降、停止按钮 紧急停机按钮;现场手动/远程/自动转换开关;电源状态检测;闸门位置输入,使用 WFH-2 型全量机械编码水位计传感器,每扇闸门高度用10位的二进制格雷码表示;水库的坝前及坝后水位输入,也使用WFH-2 型全量机械编码水位计传感器,水位用 11位的二进制格雷码表示。
(2)系统输出量。输出信号:6 扇闸门提升、下降、停止动作等,共18点输出。
1.3系统阀位水位数据采集
WFH-2 型全量机械编码水位计是以浮子感测水位,轴角编码器编码的机械式遥测水位传感器。本仪器传感器根据感测天然水体水位的变化,同时通过轴角编码器将水位模拟量A转换为数字编码D。由数字编码D通过传输介质并行输出到控制柜上的显示器,直接显示当前水位,同时,此数字编码D又输入S7-300PLC 控制器当中,进行数据处理。WFH-2 型全量机械编码水位计可以直接显示出闸门提升下降后的实际高度,抗干扰能力强;在系统掉电及再上电后,水位计显示出位置量不变。系统根据工作人员的需求,设置检测报警的参数值,利用系统软件来判断水位计的输出值与设定值的关系,并给出相应的控制指令和报警输出信号。控制系统的总线拓扑结构如图 2 所示。
图 2 控制系统的总线拓扑结构
2、WinCC监控系统软件
系统上位机的用户层均采用西门子PLCS7-300控制器附带的组态软件 WinCC作为用户的操作界面,并且实现与 PLCS7-300控制器的网络通讯接口的连接。操作界面采用符合人性化的图形界面。用户利用组态软件窗口下的各种操作指令下达对闸门的控制命令,同时能够在界面上看到闸门的实时运行状态,包括坝前、坝后水位、阀位、电机运转情况、上下限位情况、自动/手动旋钮位置等信息,详见图3。
图3水闸计算机监控系统
3、视频监控系统
视频监控系统由前端设备和监控设备组成。前设备主要是指各种摄像机、镜头、 云台、护罩、解码器等设备;监控设备包括(终端显示、控制部分)VGA监视器 ,视频监控录像主机、云台镜头控制器、控制键盘、矩阵切换器等。前端设备的功能有:摄像机的功能是用来获取监视现场的图像。云台用来控制摄像机内部电机的转动方向,承载摄像机进行水平和垂直两个方向转动,调整监控可视范围。镜头调整摄像机的焦距,从而起到调整图像的清晰度和图像的远近。解码器接收主机控制信号,进行模拟量与数字信号之间的转换,输出指令实现对云台的运动方向及镜头焦距的控制。从而保证对监控现场进行全方位的实时监控。后端监控设备的功能:VGA监视器是用来显示视频的设备,视频监控录像主机主要负责对前端监控通过控制键盘发送指令,获取前端监控设备的反馈的一些参数,从而达到控制前端监控设备的目的;矩阵切换器则是在多路信号输入的情况下,可独立地根据监控对像需要选择多路信号进行输出,完成信号的选择。作为自动控制系统的补充,视频监控系统主要用于监视水库上下游水位,中控房设备和闸门运行情况等,工作人员能够对现场关键设备进行直接的观察和了解。
五、总结
水闸自动化系统作为深圳市水闸业务系统中不可缺少的一部分,为水闸运行调度提供决策依据,进一步发挥水闸在服务社会、服务民生,保障水环境安全等方面的重要作用。现代化生产是快节奏、高效益、高自动化的一种生产模式,使得PLC系统成为自动化控制系统的主角,在闸门自动化控制系统建设中,可以充分发挥可编程逻辑控制器的优势,一方面,可以达到无人值守,自动按要求运行,自动检测故障,由它替代人力去工作;另一方面对于老系统的改造方面,可编程控制器的使用,可以使改造变得更简单,费用更少,时间更短。经过多年的发展,深圳市水闸自动化系统建设已初具规模,但还有很多需要改进和完善的地方。今后,我们应总结经验,统筹规划,朝着“建设好、使用好、养护好”的方向,让水闸自动化系统能够更好的发挥作用,为浦东的水利事业添砖加瓦。
中图分类号: TV66 文献标识码: A 文章编号:
在我国民经济发展中,水利工程占有十分重要的地位和作用,且关系到国家的经济建设,以及人民的生命、财产安全等重大社会问题。在深圳地区,河网密布,河涌众多,雨量充沛,在河涌治理的过程中,闸门自动化控制系统的建设显得十分重要。可编程控制器,简称PLC(Programmable logic Controller),是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置,凭借其结构特点得到了广泛的应用。
一、PLC的应用特点
1.可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百分之一甚至数千分之一,故障也就大大降低。此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样,整个系统具有极高的可靠性。
2.配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了各种规模的系列化产品,可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC是面向生产过程的工控设备。它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事系统工程控制打开了方便之门。
4.系统设计,工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时日常维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。
三、闸门自动化控制系统
在闸门自动化控制系统建设或者改造的过程中,闸门控制操作一般分为三级控制模式:第一级为现场在没有电的情况下手动操作模式;第二级为现场控制柜操作电动控制模式;第三级为计算机自动调控控制模式。这三种操作模式中,第一、二级可以脱离PLC系统独立运行。第三级完全依赖PLC系统才能实现其功能。
在闸门自动化控制系统故障、测试、检修或其他特殊情况下,管理人员按第一级或第二级方式临时调度控制闸门,确保生命和财产的安全。对于闸门PLC自动化控制系统来说,其主要监控参数包括:上、下游水位、闸门开度、手/自动选择指示、开闸运行指示、关闸运行指示、故障指示、电源指示、电源合闸指示、开闸控制、关闸控制、电流、电压、功率、有功功率、功率因数等。电量的监测一般采用智能电量仪表,采用MODBUS协议与PLC进行通讯,PLC与上位机通讯可以采用RS232、RS485、TCP/IP通讯协议,通讯介质可以采用电缆、光缆、无线传输。对于单扇闸门的I/O点数目统计为:
DI(开关量输入,水位计、闸门开度仪输入信号采用格雷码):42点;DO(开关量输出):2~3点。
闸门自动化控制系统电气控制一次回路图如图1所示:
闸门自动化控制系统二次回路图如图2所示:
三、实例分析
随着深圳市雨季防汛任务的日益繁重,原有的防洪排涝系统控制手段落后,设备陈旧,且泵站水闸分布广泛,站点分散,使得防洪调度管理工作比较被动。为了在城市防汛管理工作中能够科学、及时、准确地监控泵站水闸等防洪设施,高效快速应对水涝灾害,确保城市安全度汛,对水闸进行综合自动化改造,实现基于网络的泵站水闸远程监控系统。
1、系统结构功能
水闸控制系统有3个部分:第一部分:上位机数据组态集监控系统 第二部分:可编程序控制器核心控制系统。用户通过上位机来对水库水文数据、水闸开度等数据进行记录,对水闸进行监控。可编程序控制器接收上位机的指令,完成对数据的采集和设备的控制第三部分:视频监视系统。由于一般中控室都位于与现场相距较远的地方 整个系统的所有数据都使用光纤传送。系统结构如图1所示。
图1 水闸控制系统结构
1.1系统硬件及软件
采用 SiemensS7-300 系列 PLC 来作为水库闸门监控系统核心,与之相配 SiemensSIMATICWinCC7.0 先进组态软件作为远程操作系统软件核心。根据过程变量中的数量和扩展容量及闸门监控系统要求,综合可靠性、使用环境等因素,我们选择西门子 PLCS7-300 控制器作为系统主要硬件,选择系统主要硬件,如表1 所示。
表 1 控制器硬件组成
1.2系統输入和输出量
(1)系统输入量。输入信号:6扇闸门的上升、下降、停止按钮 紧急停机按钮;现场手动/远程/自动转换开关;电源状态检测;闸门位置输入,使用 WFH-2 型全量机械编码水位计传感器,每扇闸门高度用10位的二进制格雷码表示;水库的坝前及坝后水位输入,也使用WFH-2 型全量机械编码水位计传感器,水位用 11位的二进制格雷码表示。
(2)系统输出量。输出信号:6 扇闸门提升、下降、停止动作等,共18点输出。
1.3系统阀位水位数据采集
WFH-2 型全量机械编码水位计是以浮子感测水位,轴角编码器编码的机械式遥测水位传感器。本仪器传感器根据感测天然水体水位的变化,同时通过轴角编码器将水位模拟量A转换为数字编码D。由数字编码D通过传输介质并行输出到控制柜上的显示器,直接显示当前水位,同时,此数字编码D又输入S7-300PLC 控制器当中,进行数据处理。WFH-2 型全量机械编码水位计可以直接显示出闸门提升下降后的实际高度,抗干扰能力强;在系统掉电及再上电后,水位计显示出位置量不变。系统根据工作人员的需求,设置检测报警的参数值,利用系统软件来判断水位计的输出值与设定值的关系,并给出相应的控制指令和报警输出信号。控制系统的总线拓扑结构如图 2 所示。
图 2 控制系统的总线拓扑结构
2、WinCC监控系统软件
系统上位机的用户层均采用西门子PLCS7-300控制器附带的组态软件 WinCC作为用户的操作界面,并且实现与 PLCS7-300控制器的网络通讯接口的连接。操作界面采用符合人性化的图形界面。用户利用组态软件窗口下的各种操作指令下达对闸门的控制命令,同时能够在界面上看到闸门的实时运行状态,包括坝前、坝后水位、阀位、电机运转情况、上下限位情况、自动/手动旋钮位置等信息,详见图3。
图3水闸计算机监控系统
3、视频监控系统
视频监控系统由前端设备和监控设备组成。前设备主要是指各种摄像机、镜头、 云台、护罩、解码器等设备;监控设备包括(终端显示、控制部分)VGA监视器 ,视频监控录像主机、云台镜头控制器、控制键盘、矩阵切换器等。前端设备的功能有:摄像机的功能是用来获取监视现场的图像。云台用来控制摄像机内部电机的转动方向,承载摄像机进行水平和垂直两个方向转动,调整监控可视范围。镜头调整摄像机的焦距,从而起到调整图像的清晰度和图像的远近。解码器接收主机控制信号,进行模拟量与数字信号之间的转换,输出指令实现对云台的运动方向及镜头焦距的控制。从而保证对监控现场进行全方位的实时监控。后端监控设备的功能:VGA监视器是用来显示视频的设备,视频监控录像主机主要负责对前端监控通过控制键盘发送指令,获取前端监控设备的反馈的一些参数,从而达到控制前端监控设备的目的;矩阵切换器则是在多路信号输入的情况下,可独立地根据监控对像需要选择多路信号进行输出,完成信号的选择。作为自动控制系统的补充,视频监控系统主要用于监视水库上下游水位,中控房设备和闸门运行情况等,工作人员能够对现场关键设备进行直接的观察和了解。
五、总结
水闸自动化系统作为深圳市水闸业务系统中不可缺少的一部分,为水闸运行调度提供决策依据,进一步发挥水闸在服务社会、服务民生,保障水环境安全等方面的重要作用。现代化生产是快节奏、高效益、高自动化的一种生产模式,使得PLC系统成为自动化控制系统的主角,在闸门自动化控制系统建设中,可以充分发挥可编程逻辑控制器的优势,一方面,可以达到无人值守,自动按要求运行,自动检测故障,由它替代人力去工作;另一方面对于老系统的改造方面,可编程控制器的使用,可以使改造变得更简单,费用更少,时间更短。经过多年的发展,深圳市水闸自动化系统建设已初具规模,但还有很多需要改进和完善的地方。今后,我们应总结经验,统筹规划,朝着“建设好、使用好、养护好”的方向,让水闸自动化系统能够更好的发挥作用,为浦东的水利事业添砖加瓦。