PLC在水利节制闸中的应用

        单吊点闸门启闭技术已非常成熟，而双侧传动的液压启闭机的同步控制，仍然是水利水电技术研究方面的一个重要课题。

前言
        九曲河枢纽工程是太湖流域综合治理十大骨干工程之一湖西引排工程的重要组成部分，其中节制闸为二孔一联整体式结构，单孔净宽12米，闸顶高程10.3米，底板高程-1.0米。节制闸闸门采用露顶式实腹钢梁平面钢闸门，门底高程-1.0米，门顶高程9.0米。门宽12.66米。启闭机采用倒挂式液压启闭机，型号为QPPYⅡ-2*400-11.8。
        根据液压启闭机运行实践表明：单吊点闸门启闭技术已非常成熟，而双侧传动的液压启闭机的同步控制，仍然是水利水电技术研究方面的一个重要课题。在各设计院和制造厂的努力下，尽管大部分闸门的同步控制是成功的，但也有一部分双吊点闸门，尤其是大中型宽跨度的液压启闭机双缸同步问题未获得根本解决，从而导致闸门倾斜卡死，甚至吊点拉脱，造成闸门失事。而我们九曲河枢纽工程的节制闸就是采用双吊点且为大中型宽跨度的液压启闭机系统，其双缸同步控制系统必须得到根本解决，我们引入了可编程序控制器(PLC)作为控制核心，保证了闸门能够长期平稳的运行。
1 同步误差的形成
        在水利工程中使用的液压启闭机同工程机械相比有其特殊性。首先液压启闭机所操作的不是自由悬挂的重物，而是沿着导向门槽作上下移动或者是绕着支铰作旋转运动的闸门。因此闸门作为牵引构件上的载荷，不仅取决于闸门重量，还在很大程度上取决于运行阻力的大小。而且这些阻力又是不稳定的，因为它与水封和支撑行走机构摩擦表面的状态密切相关，如内外水位差，泥沙淤积，建筑垃圾和各种漂浮物落入门槽，以及埋没部件结冰等都会使运行阻力大大增加。此外，在水中操作闸门，载荷的大小还随着闸门的开度而变化的动水压力有关。这些载荷的变化使双缸承受负载不同，根据压力——流量关系，承载大的液压缸比承载小的液压缸速度慢。
        同时，从系统本身来讲，下列因素也是造成不同步的原因。两油缸不是安装在同一闸墩上，这就产生了安装几何误差。双缸运动副摩擦力不同，由于双缸的制造精度不同，安装时的运动副摩擦力也不相等，摩擦力大的液压缸运行慢;液压系统的内外泄露和压缩不可能相等;油管长度和弯头数目的不同将造成双缸沿程阻力的不相等;长时间运行使液压缸的工作特性发生变化，而两缸的工作特性变化不可能相同等等。
2 系统构成
        解决双吊点液压启闭机系统不同步问题就是在上述因素对系统影响不可避免的情况下，如何利用PLC来实时控制液压启闭机双缸同步精度。如图所示为液压系统原理图。该系统采用二台型号为YYB2255-4，功率为37KW的异步电动机带动变量液压泵为系统供油，且液压泵电机组采用一用一备工作方式。
        2.1 硬件设计
        主要包括下位机和上位机的硬件，共同构成一个小型控制系统。

        下位机和上位机之间通过MPI协议进行数据传输，PLC中央机架和扩展机架之间通过IM360和IM361接口模块进行连接。
        由于特殊的工艺特点，经充分论证选择了SIEMENS公司的SIMATICS7-300系列PLC作为控制核心。S7-300系列是模块化小型PLC系统。能满足中等性能的要求;主要有以下特点：
        1)大范围的各种功能模块，可以满足和适应自动控制任务。
        2)简单实用的分散式结构和多界面网络功能。
        3)控制灵活，可靠性高，方便用户。
        4)CUP处理速度快，集成功能强。
        5)当控制任务增加时，模块扩展方便灵活。
        液压启闭机系统输入信号主要有手动/自动/远程控制开关量的输入，系统压力传感器的输入，油泵电压输入，开度传感器的输入，超差信号的输入及报警信号的输入等。既有模拟量的输入又有开关量的输入。根据液压启闭机系统的控制要求和被控制器的特点，可充分利用S7-300的系统资源，S7-300可编程控制器的硬件配置如下：
        1)电源模块：PS307，通过背板总线向各模块供电，输入电压为120/230V/AC，可提供输出24V/DC电源。
        2)CPU313-1AD03，64kb工作存储器，负载存储器集成96kbRAM，最大可以扩展512kb，MPI接口可以与OP7/DP操作面板进行通讯主要用来执行用户程序，控制I/O模块和与上位机通讯。
        3)SM321数字量输入模块：16点输入。
        4)SM321模拟量输入模块：8通道隔离输入。
        5)SM322模拟量输出模块。
        6)SM322数字量输出模块：16点输出，24V/DC。
        7)SM338型智能计数模块：8通道，用于通用计数和测量任务，可实现超差检测，并具有比较功能以及故障中断处理功能。
        8)CP通讯处理模块，可以实现PPI通讯Pp。
        9)OP7/DP键盘显示及触摸屏，一个RS232通讯接口可以与PLC，计算机，打印机连接，一个RS485接口可与PLC计算机连接。
        在控制系统的输入电路中，由压力变送器检测到实时液压系统的系统压力，输出4-20mA的压力信号，经过IC7转换为0-5V的电压信号，送入到模拟量输入模块。由系统液压到PLC控制器的输入信号或由PLC控制器到配电部分的控制信号，均经过光电耦合电路进行隔离，以提高系统的抗干扰能力。
        上位机硬件包括：
        1)一台PHILIPS电脑控制和Ecsy View触摸屏，电脑为远程控制站和操作员站。
        2)一台打印机：用于报警打印，操作记录打印。
        3)一台UPS(不间断电源)。
        2.2 系统软件设计
        该自动化控制系统可以方便实现三种操作方式;
        “现地操作”(手动)即现场电气柜或机旁操作箱上按钮进行操作。
        “远控操作”(自动)即由计算机上操作。
        “检修操作”用于安装，检修时调试操作。
        为提高系统的可靠性，PLC控制器通过继电器控制接触器的工作，而不是由PLC直接驱动接触器。程序的编制采用模块化结构。包括主程序，事件处理子程序，硬件中断程序等。下面就各模块的程序设计做简要说明。
        1)主程序
        主程序主要对液压系统的正常工作与安全保护进行控制。如图2。
        2)事件处理子程序
        事件处理子程序包括正常停机子程序，安全停机子程序，紧急停机子程序，自动启动子程序，手动启动子程序，检修启动子程序，纠偏计算子程序，继电器控制子程序，定时中断程序等。继电器控制器子程序主要完成油泵的运转和停止控制，通过纠偏计算子程序不断计算两个液压缸是否同步，当纠偏量不为零时，对系统进行纠偏，对速度快的油缸停止供油控制工程网版权所有，当油缸同步时再同时供油。在定时中断程序中，要实现内外水位的监测与比较，当水位差达到设定值时，自动启动子程序启动。
        3)硬件中断程序
        由于选用了具有中断能力的数字量和模拟量输入模块，所以当硬件检测到现场信号发生时(发生故障)，便自动执行硬件中断处理程序块
        (OB40)根据故障等级，在OB40中执行正常停机，安全停机或紧急停机，从而保证故障及时得到处理。
        4)安全保护设计
        为保证整个液压启闭系统的安全，可靠运行，安全保护环节应该在软件和硬件两方面进行，油泵电机的硬件安全设计按照faile-safe原则进行设计，即当控制系统失效时，为保证油泵电机的安全，最后一级的保护措施是安全链机械保护。安全链主要有一个类似与门的双路输入多路输出继电器构成控制核心。安全链回路由DC24V供电，经多个闭合触点组成。这些组成安全链的常闭触点包括紧急停机，压力超上限开关，压力超下限开关。
        安全链的多个触点均为常闭触点，只要其中一个触点断开，安全链就将失效，切除所有执行机构的电源，所有执行机构将全部停止工作。必须在故障排除以后，给安全链复位，系统才能正常工作。
3 结束语
        实践证明，将PLC引入液压启闭系统，成功解决了双缸同步的问题，且控制方便，可靠性高，结构简单，易于实现计算机直接控制。系统自2002年投入试运行至今，效果很好。
       
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