基于PLC的水庫閘門控制系統(tǒng)設計

黃鉦武

珠江水利科學研究院 廣東廣州 510000

摘要：為提高水庫閘門的控制系統(tǒng)的可靠性、安全性、穩(wěn)定性，使得水庫閘門控制系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠地運行，本文以某水庫閘門為研究對象，采用可編程控制器（PLC）設計了一套水庫閘門控制系統(tǒng)，并從系統(tǒng)硬件、軟件、上位機等對該設計進行了詳細的介紹，以望能為類似設計提供參考借鑒。

關鍵詞：水庫閘門；PLC；系統(tǒng)硬件設計；系統(tǒng)軟件設計；上位機設計

引言

隨著我國網(wǎng)絡信息技術的發(fā)展及信息化進程的加快，自動控制技術、計算機網(wǎng)絡技術、傳感器技術、通信技術等技術也被引入到水庫閘門的控制系統(tǒng)中，使得水庫閘門的控制系統(tǒng)也由傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制方式向自動化集成水平更高的自動閘門控制方式發(fā)展。將PLC應用于水庫閘門控制系統(tǒng)中，能夠有效提高系統(tǒng)的管理效率、運行能力，降低人力資源成本，減少人為操作失誤。對此，筆者對基于PLC的水庫閘門控制系統(tǒng)設計進行了介紹。

1 系統(tǒng)組成及硬件設計

該系統(tǒng)設計以某水庫的溢洪道和泄洪洞的18孔閘門作為研究對象。系統(tǒng)設計方案以“無人值班、少人值守”為原則，以可編程控制器（PLC）為核心，采用分層、分布式組網(wǎng)，且綜合運用傳感器技術自動采集現(xiàn)場狀況，通過以太網(wǎng)通信技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送至遠程監(jiān)控室，便于上位機監(jiān)視現(xiàn)場，從而實現(xiàn)了閘門的遠程監(jiān)控。水閘遠程監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 水閘遠程監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

1.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分現(xiàn)地級、監(jiān)控級和管理級三個等級。距閘門越近，控制級別越高。

（1）現(xiàn)地級。處于網(wǎng)絡的最底層，其控制級別最高。PLC作為網(wǎng)絡節(jié)點的形式掛靠在工業(yè)以太網(wǎng)上。現(xiàn)場電氣控制柜中的智能儀器負責采集測量閘門用的編碼器、荷重儀的數(shù)據(jù)，然后將此信號通過RS485接口傳送到PLC中；液位儀的數(shù)據(jù)直接由PLC的模擬量模塊采集；同時現(xiàn)場電氣控制柜可直接控制啟閉機的起停，PLC的I/O模塊也可直接采集并控制這些開關量。PLC模塊中的模擬量和開關量數(shù)據(jù)都傳送到觸摸屏中顯示，經(jīng)處理后傳送到上層網(wǎng)絡。

（2）監(jiān)控級。主要包括局域網(wǎng)內(nèi)的監(jiān)控主機和服務器等。通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機將PLC、操作員站和工程師站的主機聯(lián)系，傳輸介質(zhì)為光纖，傳輸速率為10Mbps，抗干擾能力強，采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是任何一個節(jié)點故障，對其他節(jié)點的工作不產(chǎn)生影響。

（3）管理級。處于網(wǎng)絡的最上層，也稱遠程監(jiān)控層，控制級別最低。此局域網(wǎng)與管理層的內(nèi)部信息網(wǎng)相連通，采用瀏覽器的方式即可觀察水庫的設備和周圍環(huán)境的信息，實現(xiàn)監(jiān)測、控制、管理和調(diào)度的一體化。

1.2 系統(tǒng)硬件設計

閘門監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要由現(xiàn)地控制單元、PLC控制單元、人機界面單元和通信設備單元四部分組成。

（1）現(xiàn)地控制單元。主要由主回路、控制回路和傳感器信息采集三部分組成。主回路和控制回路使用的器件主要有斷路器、接觸器、熔斷器、繼電器、指示燈和按鈕等；傳感器信息采集包括帶有RS485接口的絕對型編碼器、荷重傳感器及電參數(shù)模塊等。

（2）PLC控制單元。本系統(tǒng)選用了施耐德Premium系列的PLC作為主要控制器，選用TSX573623作為整個過程的中心控制單元，通過以太網(wǎng)模塊ETYPORT與工業(yè)以太網(wǎng)相連接。另外，還配置了電源模塊（PSY）、數(shù)字量輸入模塊（DEY）、數(shù)字量輸出模塊（DSY）及模擬量輸入模塊（AEY）等。

（3）人機界面單元。放置于現(xiàn)場的觸摸屏選用施耐德系列XBTGT5330，可通過其配有的RJ45接口連接到以太網(wǎng)上建立通訊；操作員站和工程師站選用研華IPC-610/AIMB-763VG/E53002.6G/1G/160G工控機作為主機，另配置19寸液晶顯示器、UPS電源、打印機。工控機中裝有組態(tài)王（King View）6.53版組態(tài)軟件，實現(xiàn)對水庫數(shù)據(jù)信息的監(jiān)控。

（4）通信設備單元。通信選用工業(yè)以太網(wǎng)交換機TP-LINK系列產(chǎn)品TL-SL1226，符合IEEE802.3以太網(wǎng)標準，傳輸速率為10/100/1000Mbps，具有組網(wǎng)靈活、結(jié)構(gòu)先進、使用簡單、安裝方便、性能優(yōu)越等特點。在本系統(tǒng)中，PLC、觸摸屏及工控機均可通過工業(yè)交換機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互傳輸。鑒于主機位置分布較廣，故選用光纖收發(fā)器實現(xiàn)遠距離傳輸，光纖收發(fā)信號具有高可靠性、遠距離傳輸?shù)忍攸c。

2 系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)編程軟件采用施耐德公司的PL7PROV4.4版本，采用模塊式結(jié)構(gòu)編制程序，將復雜的控制任務劃分為各個子任務，由相應的程序塊執(zhí)行，主程序可通過不斷調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、過程控制和保護等復雜的控制算法。閘門的控制方式分為現(xiàn)地手動控制、現(xiàn)地自動控制和遠方自動控制3種，并設有通道報警、掉電報警、限位報警、過流過壓保護等。一旦發(fā)生故障，則發(fā)出聲光報警，故障解除后才可重啟閘門。閘門程序控制流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)程序流程圖

3 模糊控制

閘門控制著水的流量，但流量控制系統(tǒng)具有時變性、非線性及不確定性等特點，若采用常規(guī)算法，用一組固定不變的參數(shù)進行控制，其超調(diào)量及振蕩都較強，將出現(xiàn)較長的穩(wěn)定時間，效果不理想。因此，為提高閘門的調(diào)節(jié)精度及穩(wěn)定性、避免閘門的頻繁動作，采用模糊控制的方法，用PLC構(gòu)成模糊控制器對閘門的開度進行實時控制。通過模糊控制可滿足對水位控制的快速性、精確性等要求，并具有較好的魯棒性。閘門控制系統(tǒng)的模糊控制原理見圖3。

圖3 模糊控制器原理圖

該系統(tǒng)選用的模糊控制器為二維模糊控制器。圖中，偏差e為r與c的差值；ec為偏差的變化率。以e和ec為輸入變量，以控制量的改變量u為輸出變量，在運行中通過不斷檢測e和ec，再根據(jù)模糊控制原理對u進行在線修改，以滿足不同e和ec對控制器參數(shù)的不同要求。通過輸入、輸出量的模糊化、建立模糊控制規(guī)則、控制決策、生成模糊查詢表，再分別