南水北調興隆水利樞紐船閘控制系統改進方案及實施

李強　張濤　朱喬航

摘 要：該文對某公司系列PLC在湖北省漢江興隆水利樞紐興隆船閘電氣系統中的改進方案做出詳細描述。主要的描述內容包括：概況，電氣控制系統結構，系統改進前存在的問題，改進內容，改進現地主、從站PLC的程序過程，改進完成后效果等。此方案已用于湖北省漢江興隆水利樞紐興隆船閘電氣系統。

關鍵詞：興隆船閘 電氣控制 PLC

中圖分類號：U641.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）10（a）-0038-02

漢江興隆水利樞紐船閘位于漢江下游湖北省潛江、天門市境內，上距丹江口樞紐378.3 km，下距河口273.7 km，興隆船閘航道等級為III級，主體段由上閘首、閘室、下閘首下游消能段組成，總長268 m，閘室平面有效尺寸為180 m×23 m×3.5 m（長×寬×最小檻上水深）。漢江興隆水利樞紐工程船閘電控系統由2套上位操作員站、上閘首左現地子站、上閘首右現地子站、下閘首左現地子站、下閘首右現地子站組成。上位操作員站主要設備為2臺工作站，其他4個子站以Quantum PLC為核心。該電控系統采用開放式、分層分布式網絡結構，上位操作員站與上閘首左現地子站、下閘首左現地子站之間通過10 Mbps/100 Mbps以太網，上閘首左現地子站與上閘首右現地子站間通過熱備光纖及同軸電纜相聯，下閘首左現地子站與下閘首右現地子站間通過熱備光纖及同軸電纜相聯。各閘首現地子站主PLC與從站PLC之間為RS485協議進行通訊，該系統總體運行可靠、穩定。但隨著運行年限的增長，該系統的薄弱性凸顯出來。為提高整個電控系統的可靠性、安全性，對該系統進行局部改進是相當必要的。

1 電氣控制系統結構

興隆船閘電控系統采用開放式、分層分布式網絡結構， 主要有遠程RIO控制網絡、Modbus 485現場總線網絡、工業以太網絡。

1.1 網絡結構

興隆船閘通過以太網交換機系統把視頻監控上位機、網絡打印機、熱備冗余的PLC控制器、現地控制柜內HMI人機界面等聯系在一起組成一個統一的通信系統。興隆船閘選擇帶有熱備冗余功能的PLC控制器，是因為熱備冗余技術在現代工業控制領域應用廣泛也很成熟，采用熱備冗余技術后在其中一臺PLC控制器出現間斷或故障時，另外一臺PLC控制器可以無間隙地完全接管全部工作，從而使系統運行不受影響。

興隆船閘整個網絡系統主體采用現代工業以太網，以光纜作為主通訊介質，各單元柜內采用電纜作為通訊介質，組成整個網絡通訊系統，提高了系統通訊的快速性、準確性和抗干擾性能。在每個通訊單元內設置一個光電轉換機作為鏈接分支器，實現通訊單元至通訊網絡的鏈入。整個系統網絡采用環形工業以太網，以確保系統通訊的可靠性。

1.2 現地子站PLC控制說明

興隆船閘現地控制單元采用Quantum系列雙機熱備PLC+RIO的模式，完成對所管轄的受控設備的監控。興隆船閘Quantum系列雙機熱備PLC選用型號為Quantum CPU-67160，它是目前法國施耐德公司生產的較高端的PLC控制器，該控制器數據接口豐富，它具有一個Modbus （RS232）、一個Modbus Plus（RS485）、一個USB接口、一個以太網接口等接口。它具有兩個內存擴展插槽可以根據所需容量插入內存卡的容量大小將內存容量擴展，而PLC本身自帶有4 M內存，離散量地址可到65 528 kB，寄存器地址可到64 976 kB。滿足同時它具有熱備冗余功能，兩臺PLC控制器可以通過同步光纖完成數據交換，在一臺出故障時，另一臺可以同步接管所有工作，切換工作瞬時完成，不會對控制流程造成中斷，從而對設備控制運行沒有任何影響。RIO模塊選擇法國施耐德公司Quantum系列的配套RIO模塊140-CRP-93100模塊，該模塊的傳輸速率為1.544 MB/s，很好地滿足了興隆船閘遠程RIO通信運行需求。

2 系統改進前存在的問題

（1）興隆船閘控制系統在油缸行程數據采集、傳輸過程中，各閘首現地子站主PLC（Quantum系列，負責主控程序運行）與從站PLC（Premium系列，負責采集油缸行程數據）的串口通訊接口長時間的連續運行容易出現元件老化，且有時行程數據采集、傳輸過程中不連續，導致發生數據丟包現象，出現設備停機故障，影響了通航效率。

（2）上位機監控操作界面手動操作未設活動橋頂升停止功能，工作人員需手動停止。

3 改進內容

基于興隆船閘控制系統的組網情況，整個控制系統已經組建了光纖以太網，將各閘首現地子站主PLC與從站PLC之間的串口通訊改為以太網通訊，可有效防止數據交換時的丟包現象，也不會影響各閘首現地子站主PLC之間的雙機熱備功能。

該改進方案的主要工作內容如下。

（1）更換4塊從站PLC（Premium系列）的處理器模塊（品牌： 施耐德/SCHNEIDER處理器：TSXP571634M Unity Premium 571x4 CPU，帶Ethernet口），敷設網線，將其與交換機相連。

（2）開發4套從站PLC（Premium系列）的配置程序。

（3）開發2套各閘首現地子站主PLC（Quantum系列）的控制程序，結合興隆船閘的組網方式和其他特點，完善通訊功能、在上位監控畫面中增加活動橋的提升高度值的預設定功能，配置相應的通訊點。

4 改進各啟閉機室現地主、從站PLC的程序過程

PLC程序完成的主要工作有以下幾個方面：對現地主站PLC的程序完善后，將開發4套從站PLC（Premium系列）的配置程序實時數據通信，PLC通過以太網與上位機進行實時通訊，PLC將程序處理好的信號例如主提升油缸位移等信號通過寄存器上送至上位機。上位機將動作指令下發至PLC。

PLC通過DI、AI等輸入模塊實時采集來自配電系統、控制系統、液壓系統等分系統的實時信號，工作人員對采集數據不斷進行監視、修改、優化，按現場實際情況完善程序模塊。

完善通訊功能，在上位監控畫面中增加活動橋的提升高度值的預設定功能，配置相應的通訊點，上位機發送頂升指令后，經工作人員確認，提升到預設高度位置后，系統可自動停止。

完善報警功能，PLC將采集到報警信號處理后上送至上位機和人機界面，用戶通過上位機或人機界面可以查詢系統中的報警信息。

5 改進完成后效果

改進前后的處理器見圖1、圖2。

將原來4個啟閉機室內從站PLC（Premium系列）的處理器模塊TSXP57104M更換4塊PLC（Premium系列）的處理器模塊（帶以太網通訊接口）TSXP571634，可有效防止數據交換時的丟包現象，不會影響主PLC的雙機熱備功能。

改進前各閘首現地子站主PLC與從站PLC通訊方式為通過RS485協議進行通訊，從站通訊時傳送速度為9 600位/s，瞬間延遲23 ms，通訊時具有一定的時間間隔，且有時交換數據時不連續，改進后各閘首現地子站主PLC與從站PLC通訊方式為以太網TCP/IP協議通訊，通訊時數據將更加準確，速度將更快且數據是連續的；改進前各閘首現地子站主PLC與從站PLC連接串口為Modbus端口，工作人員如果需要查看從站PLC程序必須要專用施耐德Premium系列編程電纜進行連接；改進后各閘首現地子站主PLC與從站PLC可直接用以太網端口進行在線連接，方便快捷。

6 結語

該控制系統改進方案已實現，已用于湖北省漢江興隆水利樞紐興隆船閘，對于其他同類型電氣系統同樣改進適用，具有較強的指導借鑒意義。

參考文獻

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