基于PLC的渠首樞紐測控系統

李善欽

四川某渠一處灌區,幅員面積1811平方公里,灌溉面積達200多萬畝,是四川平原重要的水利工程之一。該渠一處渠首樞紐工程由5孔進水閘、7孔節制閘組成。節制閘主要用于擋水并兼汛期泄洪,而整個灌區的用水調度則通過進水閘實現。改造前,整個渠首樞紐工程操作控制方式均為常規的人工操作控制,已不能適應現代化管理和依法治水、提高有限的水資源的利用率的現實需求,因此提出了對渠首樞紐工程進行信息化和自動化改造,以提高信息化和自動化管理水平,從而實現對水資源更加有效的管理利用,提高整個灌區的綜合效益的方案。

一、設計概述

閘門控制系統對于系統的安全性、穩定性要求都比較高。尤其是在閘門(群)控制系統中,各類閘門眾多,閘門操作運行可靠性直接關系到工程和人民生命財產的安全,在閘門控制的設計中充分考慮技術先進性和操作安全可靠性。為此該渠首樞紐控制采用工控計算機、可編程邏輯控制器、通信網絡、自動化元件等來組成完整控制系統,該閘門控制系統不僅要進行現地啟閉控制和遠方啟閉控制,同時還要對這些閘門的工作狀態以及其它參數進行監視,并與水情調度系統等進行信息交換。

在該渠首樞紐閘門控制系統中,采用由上位機系統(主控級)及基礎自動化級系統(可編程控制器和現地執行控制器)組成的分層分布式控制系統。主控級采用雙機互為熱備用方式,通信網絡采用單總線以太網,若某處設備出現故障,就不影響其他設備的正常運行,會在硬件上確保整個系統簡單、安全、可靠。主控級可設多套操作員工作站。

每套操作員工作站由計算機、外圍設備以及不間斷電源(UPS)等組成。主控級采用雙工控計算機系統,以一主一備的方式運行,能夠實現無間隔切換。基礎自動化級系統采用可編程邏輯控制器PLC和電機啟動、停止、保護等控制模塊(器件)互聯,構成現地控制箱,并布置在每臺啟閉機旁。現地控制箱通過profibus總線與主控級進行通訊。

二、設計原則

1.安全可靠和先進實用的原則

采用工控機作為該渠首樞紐過程控制信息集中管理上位機,可使控制危險分散,提高系統的可靠性。現場各種數據通過PLC采集,并通過高速總線傳送到中央控制室集中監視和管理;同樣中央控制室主機的控制命令也通過上述profibus總線傳送至PLC的測控終端,實施對各單元的分散監測和控制。

2.集散型分布式構架方案設計

采用分布式遠程群閘控制系統,是針對渠首閘門開啟、運行實施實時控制,對監視閘門實現實時圖像傳輸和狀態數據(包括現場數據和控制命令)傳輸。要保證數據傳輸的快速性、一致性,圖像傳輸的實時性及控制策略實施的可靠性,必須采用可靠的傳輸構架。對于該渠首樞紐遠程的,分散的監視系統采用總站一分站構架。建立渠首樞紐控制中心,與水情調度中心通過ADSL或光纖網絡進行通信。

3.信息分層管理和控制權限分級的原則

按照安全可靠、經濟實用原則,將該渠首樞紐閘門控制系統設計成一個綜合了計算機技術、自動控制技術、網絡通信技術、圖像顯示技術一體的全分布開放型集散控制管理系統。在邏輯結構上采用分層式的結構,一般整個控制系統分為三層:第一層為生產調度層,第二層為中間監視管理層,第三層為現場測量控制層。各層之間通過專有的工業以太網或者租用其他通信網絡進行信息傳輸和資源共享。

(1)生產調度層。生產調度層具有實時參數查詢,報表統計功能,同時給生產調度層授予了現場組態畫面監視權限和視頻圖像瀏覽權限,在該系統中生產調度層不具備設備控制權限和操作權限,在整個系統中具有最低的訪問權限,生產調度層主要由站相關生產單位和站領導的電腦終端組成。

(2)中間監視管理層。中間監視管理層主要是提供系統的宏觀控制,協調各分站的運行和處理局部發生的事故和緊急狀態,維護系統的整體協調。它集中于控制中心內,主要由工作站(工控機)、操作站、視頻監視終端、視頻圖像監視器、視頻圖像分割器、硬盤錄像機、網絡交換機、服務器、UPS等設備組成。在現地控制層授權允許的情況下,中間監視層具有遠端設備監視權限和實際參數設定權限,在系統中具有中級訪問操作權限,中間監視管理層設置在該渠首樞紐控制中心。

(3)現場測量控制層。現場測量控制層也稱就地自動控制層主要是通過現場PLC的邏輯控制功能實現設備的自動控制(聯動及連鎖控制)。根據各站的控制要求不同,該控制層的控制方法,策略也有所不同。現場測量控制層具有較高級的操作控制權限,能給中央控制層授予操作控制權。現場測量控制層也能下發操作控制命令和設備參數設定,并且優先于中央控制層或者互斥于中央控制層。在系統中具有高級訪問操作權限。

(4)系統的開放性和可擴展性原則。渠首樞紐控制中心主站的工控機通過通信控制器及相關的通信設備與各分站進行數據交換。分站由具有邏輯控制功能的PLC和遠程通訊終端、儀表、控制器件組成。它主要完成對現場工藝數據,電氣數據的采集和對電氣設備的控制,同時負責向主站傳送采集的數據,報告分站的運行情況。充分考慮到以后的擴展,軟硬件的配置采用開放式結構,并在系統資源方面增加適當的冗余,以便今后新建項目時,實現可靠的無縫對接。

4.閘門現地控制單元

每臺閘門現地控制單元安裝在相應閘門啟閉機旁,由可編程控制器、閘門開度儀、控制電器、邏輯保護電路、操作按鈕、狀態指示燈、電流電壓顯示表等組成,成套于一臺機柜內,通過線端子與閘位傳感器、荷重傳感器、機械限位、閉鎖保護、啟閉機電機、三相交流電源進線等連接。具有以下功能:

(1)顯示功能。數字顯示閘位、荷重、行程設定值、荷重兩極報警設定值、電網電壓、運行電流等參數;提升、降落等各種運行狀態指示。

(2)參數設定。通過按鍵設定行程值、上下限位值、荷重兩級報警設定值等參數。

(3)操作閘門。通過按鍵可提升、降落閘門到指定位置。

(4)安全保護。具有數字電子限位、機械限位、負載過荷、工作超時、閘門啟閉機過電流、缺相、方式閉鎖等多重保護功能,確保閘門運行安全可靠。

(5)通訊功能。遠程修改參數,遵循最后一次有效原則;實時過程參數、運行狀態上傳;接收并執行遠程遙控控制命令,精確提升、降落閘門到指定位置。通訊方式:現場總線、無線、光纖、電話線

(6)多種控制方式。手動控制:在智能閘門測控儀、PLC計算機等設備發生故障的情況下,可手動提升、降落閘門。

自動控制:預置閘門行程設定值,可精確提升、降落閘門到指定位置。

遠程控制:接收并執行遠程遙控命令,精確提升、降落閘門到指定位置。

三種控制方式的優先級依次是手動控制、自動控制、遠程控制。

系統于2006月通過驗收,改造后的渠首樞紐控制系統運行良好,各項功能指標均達到項目要求,實現了自動監控、故障報警、數據處理、報表打印、遠程通訊的功能,自動化、信息化水平大大提高,有效地提高了水資源的利用率。

(作者單位:廣東省中山市技師學院)