基于PLC的小型水庫閘門自動控制系統設計

常宏斌

（賀州學院，廣西 賀州 542899）

0 引 言

我國河流眾多，水資源貯藏量居世界第一。在廣西賀州地區，數量眾多的小型水電站是電網可靠供電的重要組成部分，并對保護環境等起著不可估量的作用。小型水庫閘門控制系統擔負調節水電站發電來水量、汛期水庫泄洪等任務，其動作是否正常可靠，直接關系到發電機組的運行和人民群眾安全。傳統水閘啟閉機控制系統一般采用繼電器-接觸器，通過按鈕來操作啟動和關閉，由于電器觸點可靠性比較差，控制手段落后，閘門開度也多憑肉眼觀察，誤差大；并且不能根據水位或其它狀態的變化實現自動控制；維修方式采用事后維修和計劃維修，這些方法都是基于人工或現場操作人員的經驗，實時性差、可靠性低，不能準確定位故障發生的實際部位和原因，一旦出現故障則需要全站停機檢修，造成較大的損失；而且傳統的控制方式導致人員臃腫，分工過于繁密，工作效率低，浪費人力與物力的同時又不能充分發揮每個人的效能。因此迫切需要對閘門控制方式進行自動化改造。

1 系統方案確定與儀器選擇

1.1 系統方案確定

系統要實現自動和手動功能。自動控制是利用PLC的邏輯處理功能和數據運算功能，自動控制水閘閘門的啟閉，根據水位傳感器傳來的數據，自動調節閘門的開度。手動部分是根據現場的控制面板上的開關、按鈕來控制閘門的啟閉。水位傳感器的計數存儲在PLC 上，PLC 經過數據處理作用在現場設備上［1］。

1.2 儀器選擇確定

根據控制系統實現的控制功能，選定：1）PLC［2］。輸入口至少15 個，輸出口至少9 個，PLC 最大的負載電壓不能大于24 V，電流2 A，選用FX2N-48 MR 共計24 點輸入，24 點輸出。2）水位傳感器［3］。選用UXP-91 靜壓式水位計；4-25 mA 的電流信號輸出，精度高，性能可靠，價格低廉。3）模擬量輸入模塊。FX2N-4AD，共4 路模擬量輸入端口。

2 外部+電路設計

2.1 PLC 輸入輸出接線圖

圖1 PLC 輸入/輸出接線圖

圖1 表示的是PLC 的輸入和輸出。工作原理：首先要閉合總開關，當開關選擇到手動擋時，現場控制面板上的按鈕有效，當需要放水時，按下SB3，A 閘上升，A 閘上升指示燈亮，按下SB5，B 閘上升，B 閘上升指示燈亮；如果水位安全，按下SB1，SB2，A、B 閘停止上升。如果沒有按下SB1，SB2，當A、B 閘上升到上限時，限位開關SQ1、SQ3 自動斷開，致使A、B 閘門停止。同理，A、B 閘下降也是同樣的原理。

當選擇開關選擇到自動擋時，控制面板上的A、B 閘按鈕無效，PLC 會根據水位傳感器傳來的數據與預置值相比較，自動調節閘門開度，例如：天正在下大雨，水位很快就到了危險水位，則水位傳感器能立刻將數據傳到PLC 存儲器中，PLC 經過與預置值比較，發現危險水位，就會立刻作用于電動機正傳，從而使得A、B 閘門開啟，進行泄洪調節。

2.2 外部電器控制電氣原理

外部電器控制主要實現控制閘門電機的正反傳，分別通過接觸器KM1、KM2 實現閘門A 的上升和下降，通過接觸器KM2、KM3 實現閘門B 的上升和下降。系統接通電源后，按下SB3、SB5，接觸器KM1、KM3 得電吸合，電動機A、B 轉正轉，A、B 閘門上升；按下SB1、SB2，電動機A、B 停止，從而閘門A、B 停止；再按下SB4、SB6，電動機A、B 反轉，閘門A、B 下降；按下SB1、SB2，電動機A、B 停止，從而閘門A、B 停止。

3 系統軟件設計

3.1 程序流程圖

程序分系統參數初始化，手動和自動控制部分。核心部分即自動控制流程圖，如圖2 所示。系統先初始化水位參數。水位參數就是在PLC 存儲器中寫入枯水水位、安全水位和危險水位的數據，目的是和水位傳感器傳來的數據做比較。然后到開關判斷，系統會檢測是手動擋還是自動擋。如果是手動擋，轉入手動控制；如果是自動擋，即為圖2 的自動控制流程。首先，系統要讀入安全水位，再讀入當前水位，然后比較兩數值；如果水位安全，系統就比較閘門預置值和當前閘門的位移，從而把閘門控制到預置值位置；如果水位不安全，系統就會判斷是枯水還是危險，從而控制閘門的上升和下降。

圖2 自動控制部分流程圖

3.2 I/O 分配表

PLC 的I/O 分配：X0-X7、X10-X16 分別接A、B 閘門的停止開頭、手動升降按鈕、上下限開關、自動開關等；Y1-Y7、Y10-Y13 分別接A、B 的閘門的電機正反轉繼電器和必要的升降指示燈。具體分配見圖1。

3.3 PLC 梯形圖

根據流程圖和I/O 分配表，使用三菱公司的GX Developer 編程仿真軟件設計出PLC 梯形圖，這是控制系統軟件的關鍵，系統程序采用步進順控指令設計，以便做到程序清晰明了。

4 系統仿真

利用GX Developer 的仿真功能。給定輸入，觀察輸出結果是否與預先設置的數據一致，直到將程序調到正確為止。通過仿真，模擬了多種運行情況，明確了各個開關之間的優先級，實現了預期的設計目標。仿真界面及部分結果如圖3 所示。

圖3 梯形圖仿真

5 結 語

由小型水電站水閘的控制目標，設計了PLC 外部電路和控制程序，初步實現了水庫閘門的自動控制系統。下一步研究工作：通過傳感器采集閘門開度、水流量等信息，利用上位PC 機輸入各種參數啟動各種操作，進行遠程閘門控制，并顯示閘門的運行狀態、水流量及各種故障信息等。

［1］ 鞠石泉，侯玉成，等.PLC 在水電工程液壓啟閉機控制系統中的應用［J］.水利水電施工，2012（3）：76-77.

［2］ 徐昌榮.PLC 工程應用實例解析［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［3］ 古天祥.電子測量原理［M］.北京：機械工業出版社，2005.