基于M340PLC的泄洪閘門集控系統

鄧世杰

摘要：本文介紹了施耐德M340系列PLC在水電廠泄洪閘門集控系統的詳細應用，實現了泄洪閘門啟閉的全自動操作。通過PLC對控制系統故障信息的處理，提高控制系統可靠性，確保閘門能正常運行。并給出系統的實施過程、控制方法，為行業中類似的改造提供依據和參考。

關鍵詞：M340 ；PLC；閘門集控系統

泄洪閘門系統屬于水利樞紐的重要系統，它對水庫調控水位、航運暢通、汛期安全泄洪等起著重要作用。長湖水電廠位于英德市滃江下游河段上，泄洪大壩由5扇弧形泄洪閘門組成。由于長湖水庫流域集雨面積大（4800平方公里），有效庫容小（0.55億立方米），每逢39月的雨季，泄洪閘門需要頻繁操作，年平均泄洪量達12.69億m3，汛期的泄洪任務繁重對泄洪閘門集控系統的可靠性提出更高的要求。改造后的泄洪閘門集控系統以施耐德M340可編程邏輯控制器為控制核心，具有可靠、穩定的特點。

1 系統結構

改造后的泄洪閘閘門集控系統從結構上采用由主控級和現地控制級組成分布式控制系統。主控級采用南瑞NC2000計算機監控系統為集控平臺，現地控制柜采用施耐德M340系列PLC組成控制核心。系統由一臺集控上位機、一臺操作員站及五套閘門現地控制柜組成。主控級和現地控制級采用光纖以太星型網通信，局域網按IEEE802.3設計，通信規約采用TCP/IP協議。網絡結構分為兩層，其中上層為光纖結構的以太網，底層為基于ModBus的總線網絡。

2 系統控制方式

泄洪閘門的控制方式包括遠方自動、現地自動、現地手動三種控制方式。前兩種方式通過發送控制令到現場控制柜可編程控制器PLC對閘門進行啟閉控制，現地手動控制方式通過現場控制柜自動回路手動點動操作。遠方自動、現地自動方式可以對相應閘門進行任意閘門開度以及全開、全關的操作，具有操作精度高、動作迅速等特點。在PLC正常情況下，一般以PLC作為核心控制器選擇遠方自動、現地自動兩種操作方式的其中一種進行控制。當出現現場控制柜PLC故障時，采用現地手動方式對閘門進行控制。

3 控制系統狀態監測及其處理

要實現閘門控制的高可靠性、高安全性，必須要實時監測閘門升降過程中的各種狀態數據，其中最重要的數據包括閘門位置狀態、控制系統狀態信號。施耐德M340PLC自身可配置對應的開關量、模擬量模塊，為信號的采集提供便捷途徑。

3.1 閘門狀態信號檢測

閘門開度信號檢測：閘門開度信號的檢測關系到整個閘門控制系統自動控制精度的高低，因此我們選擇倍加福絕對型SSI信號編碼器進行數據采集。該編碼器具有非常優秀的抗沖擊性和抗震性，防護等級高達IP67，具有高分辨率的特點，測量精度高。通過編碼器測量卷揚機的實時轉動位置信號并傳送至開度儀，由開度儀解碼并轉換為4～20mA的閘門開度信號至PLC模擬量模塊，實現閘門任意開度的啟閉操作以及閘門故障預測及處理。

閘門位置信號檢測：閘門位置信號包括電氣全關位、電氣全開位、機械全關位及機械全開位信號。其中電氣全關、全開信號由開度儀采集開度信號并根據用戶設置判斷并上送閘門全關、全開開關量信號。機械全關、全開位置信號屬于極限位置保護信號，信號由機械主令開關產生。PLC通過采集以上信號實現閘門的開終、關終控制。

3.2 控制系統狀態信號檢測

閘門控制系統狀態信號包括控制回路電源信號、動力回路電源信號、抱閘動作信號、變頻器故障信號、制動電阻過熱信號等。此類信號用于判斷系統所處的狀態，并跟據系統故障情況由PLC做出處理。控制回路電源信號及動力回路電源信號通過相應的開關輔助接點獲得，抱閘動作信號、變頻器故障信號、制動電阻過熱信號由相應的設備檢測獲得。

4 控制系統可靠性措施

泄洪閘門的正常運行關系到水電廠大壩的安全度汛，因此，閘門集控系統設計的可靠性是第一指標。在閘門集控系統的設計、實施過程中采取了一系列有效的可靠性措施。

4.1 編碼器抗干擾措施

由于采用變頻器的方式對啟閉電機進行控制，變頻器產生的諧波干擾將影響編碼器的正常運行，干擾方式主要包括電磁輻射、感應耦合及傳導三種。為減少電磁干擾，主要采取的措施包括：

1）采用外加箔狀屏蔽的雙屏蔽線纜，并且線纜安裝時遠離干擾源（變頻器、電機、抱閘線圈等感性器件），信號電纜與動力電纜分開線纜槽并避免了與動力電纜平行敷設。采用此方法后能有效地減少輻射干擾。

2）信號電纜屏蔽線和接頭、端子盒和接收器的外殼屏蔽端子相連。信號電纜屏蔽線采取雙端接地連接的方式。

4.2 系統故障處理措施

閘門集控系統故障分為兩大類。一類是一般故障，當此類故障出現時，停止正在執行中的自動流程，復歸開出繼電器，但在該信號恢復前，仍然可以通過現地手動進行操作。另一類是嚴重故障，當此類故障出現時除了停止正在執行中的自動流程，復歸開出繼電器外，還將直接開出動作主回路斷路器分勵線圈的繼電器，跳開開關。在故障信號復歸前，閘門將不能進行任何操作。

1）閘門開度儀故障、電流表故障、變頻器故障、抱閘未動作故障為一般故障。對于開度儀故障及電流表故障，通過PLC判斷其模擬量品質的好壞來確定是否存在故障。一般而言，上送至PLC的閘門開度及電流表工程值正常范圍為4000～20000，當數據超出此范圍時判定開度儀或電流表存在故障。為減少誤動作的可能，加入故障延時啟動，即故障出現時間Ton累積達到2s（該值可根據實際情況修改）才啟動故障流程。

2）電阻過熱、電機電流越限、閘門卡滯、閘門失速為嚴重故障。電阻過熱故障判斷通過電機電阻箱反饋的開關量接點監測。電機電流越限主要通過PLC實時判斷電流表上送的模擬量數據是否大于設置定值來確定。PLC每隔0.5s采集并記錄此時閘門開度，并記為當前閘門開度（AI_VALUE）。每隔1s把前0.5s的閘門開度記錄下，并記為0.5s前閘門開度（AI_VALUE）。閘門動作時，當0.5s前閘門開度值與當前閘門開度值相等時判斷為閘門卡滯；當0.5s前閘門開度值與當前閘門開度值相減的絕對值大于10cm時判斷為閘門失速。以上故障加入故障延時啟動，防止誤動作的可能。

5 結語

長湖水電廠泄洪閘門集控系統改造充分發揮了施耐德M340 PLC的強大控制運算能力，同時利用PLC的I/O擴展能力，實現了對泄洪閘門集控系統的狀態信息處理及控制。本次改造的成功實施，提高了閘門集控系統的安全性和可靠性，也可為同類閘門集控系統升級改造提供依據和參考。