基于PLC的水文測流系統研究及設計

(1.長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局，湖北 武漢 430010;2.長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010)

目前，水文測流儀器正在向遙測、遙控、全自動、智能化、存貯式、走航式方向發展，流速儀也同樣如此。如今，幾乎所有水文測流儀器都與計算機聯接，測量數據由計算機處理、繪制、打印，這是一種必然趨勢。現有的可編程邏輯控制器(PLC)控制研究多應用于工業控制，而水文測流設備的控制系統發展相對較為單一。本文將PLC和觸摸屏引入水文測流控制系統，使系統得到更好擴展，并將PLC和觸摸屏技術與現有的互聯網技術及微電腦控制相結合。

現有的水文測流系統，其設備和控制部分都是通過按鈕加繼電器的線路連接實現的，或采用人工放ADCP探頭入水的方式，存在以下不足。

(1)可靠性低。制造過程中復雜的線路連接和回路通斷連線使設備的可靠性大大降低，操作臺上同時有多達30個按鈕占用了大量空間，易造成水文測流人員點擊錯誤或操作失誤，從而釀成設備損壞或安全事故。

(2)測量易受干擾。每次測流，需要手動將ADCP多普勒測流聲納安裝于測船船舷邊，安裝人員面臨隨船跌入江中的危險，同時船的走水擾流也對ADCP多普勒聲納測流精度產生干擾。

(3)現有系統的可擴展空間非常小，如要更改設計滿足其他客戶要求或增加功能，操作復雜和繁瑣，同時也不易掌握設備的延時和時間控制。

(4)制作、安裝、調試一套微機測流系統，工作量大、時間周期長。

因此，迫切需要引入自動化、模塊化、機械化的系統，將取沙器下降到相應的測深深度，ADCP多普勒探頭可自動伸入水中，并與船舷保留一定距離，實現更準確、高效的測量，實現自動測流，同時能提高功能的擴展性，加大擴展空間。

1 PLC控制系統設計概述

1.1 PLC控制系統設計流程

(1)明確控制對象。被控對象包括：液壓電磁閥12個，施耐德ATV71HU40N4變頻器2臺，380 V異步電機2臺，380 V油泵電機1臺。

(2)PLC選型。根據輸入輸出設備以及整個系統I/O數量和設備所需信號的具體要求，選定合適的PLC型號。該系統選擇三菱FX3U-32MT可編程控制器和擴展模塊FX2N-8EX、模擬量輸出模塊FX2N-2DA。

(3)明確每個輸入和輸出點的地址，并且制定I/O構成圖。明確輸入輸出設備以及PLC機型，繪制關于輸入輸出設備和PLC的I/O點的地址分配表。整個設計總共需要16個輸入，20個輸出，另加2個DA轉換輸出。

(4)確定軟件與硬件分工。控制系統的部分功能可用硬件和軟件實現，除了必要的應急控制測流，取沙器的電機上升、下降和停止按鈕，電機和油泵的動力輸入按鈕，手動自動切換、變頻速度控制手動自動切換按鈕之外，系統控制盡量通過軟件實現。

(5)設計PLC的硬件和軟件。硬件設計主要包括設計電氣線路，繪制輸入輸出接線圖、電氣控制結構圖、電氣設備安裝圖等。軟件設計的主要內容有制作梯形圖、狀態表、指令表等，設計控制程序是整個PLC系統中最核心的內容。在此之前，要把控整個生產工藝流程、明確系統的控制目標，通過控制目標的具體特性把握整個PLC系統的控制要求。①確定基本控制方法，包括速度控制、電流電壓控制等；②確定需要完成的動作，包括控制變頻器正反轉，實現電機升降、電磁閥的點動開閉；③確定操作方式，包括手動(手動點動)，液壓疊臂的聯鎖、互鎖、延時，現場顯示，故障診斷等。

(6)進行總裝統調。首先，通過調試檢驗不帶有輸入輸出模塊的指示燈是否正常。發現問題可及時解決，直至排除故障。然后聯機試運行，在確保各輸出設備正常工作之后，讓系統攜帶負載運行，一直到認為系統無誤為止。可通過修改或調整軟硬件設計，使之符合設計的要求。

(7)完成PLC控制系統的設計，投入實際使用。總裝統調后，還要經過一段時間的試運行，以檢驗系統的可靠性。

水文測流PLC控制系統的設計框圖如圖1所示。

圖1 水文測流PLC控制系統

1.2 PLC供電方式選擇及輸入輸出模塊選型

PLC供電方式為同時需24 V直流和220 V交流兩種。I/O設備的直流供電應當采用獨立的直流電源供電，以減少輸出設備，主要是感性負載對輸入的干擾。

(1)PLC控制系統I/O點數估算。①控制電磁閥所需的12個I/O點數全部為輸出口，控制對應的12個電磁閥。②控制三相380 V電動機所需的10個I/O點數，其中6個輸入口用來讀取按鈕信號，4個輸出口用來輸出，以控制2臺變頻器對應控制的2臺電機動作。8個I/O負責限位開關和垂線自動信號的輸入檢測和判別。

各控制按鈕(應急上升，應急下降、應急停止，油泵電源通斷和變頻電源通斷)共8個輸入按鈕信號口、4個外部信號(測流限位開關)輸入口，電氣連接如圖2所示；FX2N-8EX輸入模塊上的4個外部輸入I/O信號(取沙限位開關)電氣連接如圖3所示；限位開關、垂線自動信號與PLC電氣連接如圖4所示；垂線自動的控制與PLC電氣連接如圖5所示。

(2)輸入模塊選擇FX2N-8EX。輸入模塊的功能主要是檢測來自限位開關和垂線自動的輸入信號，選取電壓為24 V的直流電作為輸出模塊電流鏡輸入信號，轉換成PLC內部處理的電平信號。然后將電平信號轉換成可以與外部負載繼電器匹配的線圈通電信號。

圖2 按鈕與PLC電氣連接部分

圖3 外部控制信號與PLC連接部分

圖4 限位開關、垂線自動信號與PLC的連接

圖5 PLC控制液壓臂繼電器

三菱PLCFX3U-32MT和臺達觸摸屏DOP-B07S411都以24 V直流為電源，同時電磁閥和繼電器也以24 V直流為驅動電源，而PLC的交流電源為220 V。

2 PLC組成的動力控制系統設計

根據控制系統的工作原理與要求，系統采用的PLC型號為FX3U_32MT，D/A模擬量輸出功能模塊為FX2N-2DA，施耐德變頻器型號是ATV71HU40N4，電動機是普通三相異步電動機，歐姆龍360轉編碼器(型號為E6B2CWZ6C)直接與電動機通過蝸輪蝸桿帶動的滾筒鋼絲繩轉向輪軸相連接。

經過變換并根據功能需求，在原有基礎上加入油泵電機驅動的液壓伸展臂，可實現4組8個動作，以及動作中疊臂鎖緊和解鎖的延時控制，并預留了取沙動作中的擴展空間，同時通過PLC模擬量擴展模塊和觸摸屏控制變頻器的速度調節。

系統工作時，PLC通過D/A功能模塊輸入設定值，再與旋轉編碼器的反饋值進行比較，根據差值按照一定的算法給定變頻器的控制量，然后由變頻器控制電動機運行。編碼器的脈沖頻率顯示電動機的轉速值。限位開關采用施耐德滾輪式接近開關，型號為XCKP2118G11。電位器產生連續可調的電壓值作為系統的給定信號，即給定速度或位移值。PLC輸出控制量使變頻器擁有兩種方式：①用開關量控制；②用模擬量控制，系統工作只能按其中一種方式運行。

變頻器控制電動機運行有3種方式：變頻器面板鍵盤控制、外部模擬輸入端AVI控制和標準通信485接口控制。PLC輸出為模擬量控制，變頻器運行狀態由外部模擬輸入端AVI控制，頻率由電位器RW1來控制，調節RW1可以改變變頻器的輸入頻率，從而改變電動機轉速。由外部模擬輸入信號控制電動機的運行和停止。

觸摸屏選用臺達的DOP-B07S411，將屏幕分為3個切換界面，分別控制鉛魚上升下降按鈕和各電氣狀態顯示界面、液壓臂的伸出收回操作按鈕界面以及變頻器速度控制的設置界面，觸摸屏通過RS232轉AVI接口與PLC通訊。PLC與觸摸屏的電氣連接如圖6所示。

圖6 PLC與液晶觸摸屏的連接

3 各項特殊功能的實現

3.1 ADCP自動化機械伸展液壓臂電路設計

通過PLC輸出口的電壓控制繼電器24V電源的通斷，實現對應電磁閥電源的通斷，從而實現測流和取沙兩個液壓臂的伸縮，以及ADCP折疊臂4組對應動作。

該部分是PLC的輸出口，分別輸出控制繼電器，然后前4個繼電器分別控制測流和取沙變頻器的正反轉端口。后面8個繼電器分別控制測流和取沙2個液壓臂的伸出收回以及ADCP變形臂主臂的伸出收回、疊臂打開收回、疊臂鎖緊解鎖和底臂伸出收回。

3.2 PLC+觸摸屏控制變頻器變速程序

第三界面通過設置變頻器0～50Hz的數值或者觸摸屏點擊增速、減速按鈕控制PLC模擬量輸出模塊，從而控制變頻器0～50Hz電機的速度。

若FX2N-2DA模擬量輸出模塊位于2號模塊位置，CH1設定為電壓輸出，CH2設定為電流輸出，并要求當PLC從RUN轉為STOP狀態后，最后的輸出值保持不變。FX2N—2DA模擬量輸出模塊位于2號模塊位置上，由I/O口擴展模塊來實現對模塊FX2N-2DA編號的識別。

3.3 液壓臂控制測試效果

PLC控制變頻器調速和運轉流程如圖7所示，首先控制測流液壓臂伸出，然后控制液壓主臂伸出并打開折疊臂，控制液壓底臂伸向水面，最后伸入水中，控制效果見圖8。

4 結 語

由于時間和實驗條件的限制，本文還存在以下不足，有待進一步完善。

(1)將PLC系統與計算機或通信處理單元、通信轉換單元相連構成局域網絡，以實現信息的交換，并構成“集中管理、分散控制”的多級分布式控制系統，以滿足自動化 (FA)系統發展的需要。

圖7 PLC控制變頻器調速和運轉流程圖8 液壓臂控制效果

(2)將PLC和觸摸屏技術與現有的互聯網技術、微電腦控制技術相結合。中心控制站通過網絡通信控制計算機和PLC實現聯機控制，再加入遠程監控系統，實現遠程遙控纜道測流系統和船測系統控制機械設備的無人自動化測流，真正實現“互聯網+”在水文監測中的應用。

(3) 引入遠程監控系統和廣域網，在“互聯網+”模式下，實現纜道站無人監測。通過攝像頭遠程觀測纜道斷面情況，利用互聯廣域網、PLC聯機和移動APP實現手機端遠程觀測斷面情況，控制纜道站鉛魚的上升、下降、前進、后退，也可通過控制中心遠程控制纜道站測流。