PLC及比例放大板在喀麥隆曼維萊水電站主溢洪道弧門控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

李文祥 鄭 雄 陳 雷 廖妹姝

曼維萊水電站是喀麥隆在建的最大水力發(fā)電站，該工程主要包括擋水建筑物、泄水建筑、輸水建筑物和發(fā)電廠房等。主溢洪道設(shè)有5孔泄洪弧形閘門和1孔沖沙弧形閘門，每孔弧門均采用雙油缸液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，并配置現(xiàn)場(chǎng)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可編程控制器（PLC）、電氣元件、比例放大板、各種傳感器、電磁閥和計(jì)算機(jī)等組成，其中PLC是控制系統(tǒng)核心構(gòu)件，PLC的軟硬件設(shè)計(jì)和電磁閥比例放大板的設(shè)置對(duì)弧門平穩(wěn)啟閉起著重要作用。現(xiàn)地控制系統(tǒng)通過MB+首部樞紐控制室LCU連接，再通過光纖以太網(wǎng)與廠房中控室上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)弧門的遠(yuǎn)程控制和現(xiàn)地操作。

1 同案糾偏

由于每孔弧門為雙油缸啟閉，為保證兩支油缸的同步運(yùn)行，在液壓系統(tǒng)中設(shè)置2個(gè)油缸同步糾偏回路，以確保弧門運(yùn)行平穩(wěn)。兩油缸同步糾偏的主要工作原理為：當(dāng)2個(gè)油缸的位置偏差信號(hào)超出設(shè)定值時(shí)，油缸位移傳感器將反饋給PLC，PLC處理信號(hào)后，立即發(fā)出指令至比例放大板，使其調(diào)節(jié)比例閥供油流量，以減少兩缸的行程偏差，實(shí)現(xiàn)兩缸的同步運(yùn)行，確保弧門能夠平穩(wěn)啟閉，當(dāng)兩支液壓缸行程偏差值超出設(shè)定值（≥25 mm）時(shí)，液壓系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)并自動(dòng)停機(jī)。由于該液壓系統(tǒng)采用單缸調(diào)節(jié)，即右側(cè)油缸設(shè)有比例閥，而左側(cè)油缸實(shí)際運(yùn)行速度略高于右側(cè)油缸，通過右側(cè)比例閥調(diào)節(jié)2個(gè)油缸壓力，以此保證左右側(cè)油缸速度一致。

比例放大板對(duì)控制過程中反應(yīng)出來的微弱電壓量進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)比例閥參數(shù)按比例隨之變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的。

比例放大板是比例閥的控制元件，為比例閥對(duì)弧門的糾偏具有關(guān)鍵作用。

2 比例放大板的設(shè)置和調(diào)節(jié)

每孔弧門的現(xiàn)地控制柜裝有一塊比例放大板，可自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)比例放大板的輸出電壓，如圖1所示。

圖1 比例放大板原理圖

當(dāng)選擇手動(dòng)方式控制比例放大板電壓大小時(shí)，操作手動(dòng)旋鈕，手動(dòng)旋鈕旋轉(zhuǎn)指定的比例越大，比例放大板的輸出電壓越大；反之，則越小。當(dāng)手動(dòng)調(diào)節(jié)完以后，必須將手動(dòng)旋鈕旋轉(zhuǎn)到0位，這樣保證比例放大板沒有電壓輸出給比例閥，以避免比例閥及放大板長(zhǎng)期帶電燒壞設(shè)備。當(dāng)選擇自動(dòng)調(diào)節(jié)方式控制比例放大板電壓大小時(shí)，由PLC根據(jù)采集的左右油缸行程差值作為判斷條件按照預(yù)定程序，通過模擬量控制比例放大板，當(dāng)弧門上升時(shí)，若左缸行程大于右缸行程時(shí)，輸入比例放大板電壓為0～10 V，經(jīng)圖1中402和403引入比例放大板的差動(dòng)放大器24c、22a，差動(dòng)電壓再進(jìn)入輸入口（24c-22a） 后，斜坡階躍輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變成一個(gè)斜坡信號(hào)，其中上升沿和下降沿的斜坡時(shí)間可以通過電位器R1和R2調(diào)節(jié)，所給出的斜坡時(shí)間是以100%的設(shè)定值（0～6 V）為基礎(chǔ)，若給斜坡發(fā)生器的設(shè)定值小于最大設(shè)定值，則斜坡時(shí)間也會(huì)相應(yīng)縮短。斜坡發(fā)生器的輸出信號(hào)作為設(shè)定信號(hào)傳輸給PID調(diào)節(jié)器[2]，并與反饋信號(hào)進(jìn)行比較。振蕩器將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)，信號(hào)作用在位移傳感器上。感應(yīng)式位移傳感器回傳給放大器的信號(hào)與閥芯的大小有關(guān)。在解調(diào)器中，這個(gè)信號(hào)被重新轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)，該直流信號(hào)的大小與閥芯位置成比例。通過調(diào)節(jié)限制放大器的增益可以改變反饋值的大小，由于限值放大器的輸出信號(hào)作為實(shí)際值直接傳給PID調(diào)節(jié)器，因此，利用電位器R3就可改變電磁鐵的行程。PID調(diào)節(jié)器以及由電流調(diào)節(jié)器和功率放大器組成的自振蕩輸出終端，可與所控制的閥最佳匹配。PID調(diào)節(jié)器根據(jù)設(shè)定值和實(shí)際值差的大小傳給自振蕩輸出終端一個(gè)控制信號(hào)。最后，由功率放大器輸出的電流來控制電磁鐵。斷線識(shí)別器隨時(shí)監(jiān)測(cè)位移傳感器的連接電纜，一旦發(fā)生故障，它會(huì)通過電流調(diào)節(jié)器使電磁鐵斷電，與此同時(shí)，面板上用來顯示“斷線”的發(fā)光二極管也開始發(fā)光，以便運(yùn)維人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡快處理故障，以保障弧門的正常工作。

3 PLC功能和程序編寫

PLC可編程邏輯控制器是弧門電氣控制系統(tǒng)的核心，它采用模塊化設(shè)計(jì)，性能范圍寬廣的不同模板可以靈活組合，擴(kuò)展拆卸方便。一個(gè)系統(tǒng)可以包括：電源模塊（PS）、中央處理單元模塊（CPU）、數(shù)字量輸入和輸出模塊（DI/DO）、模擬量輸入和輸出模塊（AI/AO）、以太網(wǎng)模塊等等。其優(yōu)點(diǎn)是具有模塊化無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，堅(jiān)固耐用，容易擴(kuò)展及廣泛簡(jiǎn)單的通訊能力，易實(shí)現(xiàn)的分布式結(jié)構(gòu)以及便于用戶簡(jiǎn)單操作的編輯。

PLC控制應(yīng)用軟件主要采用施耐德編程軟件Unity Pro XL V8.0作為開發(fā)平臺(tái)，LAD梯形圖程序設(shè)計(jì)語言編制而成。程序固化在EEPROM存儲(chǔ)卡上正式投運(yùn)后不需要任何程序維護(hù)（除工藝變動(dòng)需修改程序）。

3.1 PLC程序編寫

弧門控制方式分為2種，自動(dòng)和手動(dòng)，當(dāng)選擇自動(dòng)時(shí)，將2臺(tái)電機(jī)和操作面板切換至自動(dòng)方式，通過觸摸屏登錄系統(tǒng)，在觸摸屏下發(fā)啟門令，開門、閉門和停止門命令，其程序（KDJS）如圖2所示。

任何一孔弧門均有2臺(tái)油泵，互為備用，按次數(shù)輪換，或當(dāng)故障時(shí)會(huì)自動(dòng)輪換至另1臺(tái)油泵，然后再運(yùn)行，油泵輪換程序如圖3所示。

啟動(dòng)油泵程序如圖4所示。

圖2 觸摸屏開、落、停門指令

圖3 油泵輪換程序

圖4 啟動(dòng)油泵程序

油泵啟動(dòng)后需延時(shí)，首先給比例閥一定的開出量，并使電磁閥供電，實(shí)現(xiàn)弧門平穩(wěn)啟閉門，其程序如圖5所示。

圖5 投比例閥程序

3.2 比例放大板和PLC對(duì)弧門啟閉中糾偏的作用

依據(jù)比例放大板PLC電磁閥及傳感器的工作原理，當(dāng)弧門上升時(shí)，若左缸行程大于右缸行程時(shí)，PLC將增加輸出電流，使右缸加速，追上左缸；若左缸行程小于等于右缸行程時(shí)，PLC減小輸出或不輸出電流，使右缸慢下來，讓左缸追上右缸。當(dāng)弧門下降時(shí)，情況相反，若右缸行程大于左缸，PLC增加輸出電流，使右缸慢下來，讓左缸追上右缸；若右缸行程小于左缸行程，PLC減小輸出電流，使右缸加速，追上左缸。如圖6所示。

圖6 弧門上升流程圖

弧門啟閉過程中若需糾偏時(shí)，首先通過閘門左右缸位置傳感器的值采集到PLC中，并換算成實(shí)際值，其程序段（KDJS）如圖7所示。

圖7 傳感器值轉(zhuǎn)換實(shí)際值程序

PLC計(jì)算出左右油缸實(shí)際偏差后，需對(duì)左右油缸行程差值進(jìn)行分段比較，為了讓閘門平穩(wěn)啟閉，PLC程序中把左右缸的行程差值分為6段進(jìn)行比較：分別為 1～3、3～6、6～10、10～15、15～18、18～25 mm，若差值小于10 mm不對(duì)其糾偏，若差值大于25 mm，閘門會(huì)自動(dòng)停止。每段之間輸出的電流值大小呈遞增狀態(tài)，這樣在不同差值之間變換，使弧門啟閉過程中不會(huì)出現(xiàn)左右晃動(dòng)，對(duì)應(yīng)的程序（KDJS）如圖8所示。

圖8 啟門控制比例閥調(diào)節(jié)的程序

圖 8 中“BLTJ_JD2，BLTJ_JD4， BLTJ_JD5，BLTJ_ZD1，BLTJ_ZD2， BLTJ_JD3”這6個(gè)變量即代表著弧門啟閉時(shí)6段行程差值。其中，%QW1.9.1=10 000，即為輸出的電流值為10 mA。在調(diào)試過程中，根據(jù)弧門啟閉情況，調(diào)整該6段行程差值的%QW1.9.1的輸出電流值（0～20 000之間）即可，使弧門啟閉過程中左右油缸行程速度保持一致，保證弧門的平穩(wěn)運(yùn)行。

3.3 PLC控制的可靠性與保護(hù)

液壓系統(tǒng)包括電氣和機(jī)械兩部分，其中電氣部分不僅能實(shí)現(xiàn)弧門自動(dòng)和遠(yuǎn)程控制，同時(shí)還對(duì)弧門機(jī)械部分進(jìn)行保護(hù)，確保弧門運(yùn)行過程的安全可靠。利用相關(guān)傳感器對(duì)液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力、油溫、油位、油缸位移等進(jìn)行全方位監(jiān)控，當(dāng)弧門啟閉過程中某些指標(biāo)超出設(shè)計(jì)值時(shí)，使弧門能夠發(fā)出警報(bào)，控制柜上的故障燈將會(huì)立即亮起，甚至停機(jī)，以保證弧門的安全運(yùn)行。若出現(xiàn)下列情況，將自動(dòng)開啟保護(hù)機(jī)制：?jiǎn)㈤]過程中系統(tǒng)壓力過低或過高，延時(shí)15 s后停門；油溫低于10℃、高于50℃，延時(shí)15 s后停門；啟閉門過程中任一側(cè)壓力過低、過高，延時(shí)15 s后停門；回油壓力過低，延時(shí)15 s后停門；油箱液位過低，延時(shí)15 s后停門；啟閉門過程中左缸或右缸在40 s之內(nèi)沒有動(dòng)作，延時(shí)15 s后停門；閘門下滑100 mm后，自動(dòng)提升時(shí)油泵運(yùn)行時(shí)間超過60 s，直接停門；弧門下滑200 mm后，自動(dòng)提升時(shí)油泵運(yùn)行時(shí)間超過120 s，直接停門。因此，提高整個(gè)液壓系統(tǒng)的可靠性，必須提高輸入信號(hào)的準(zhǔn)確性，即必須在PLC程序中設(shè)置相應(yīng)的準(zhǔn)確數(shù)值。

4 結(jié)語

自動(dòng)化控制系統(tǒng)是利用各種傳感器模擬PLC可處理的電壓或電流信號(hào)，來控制相應(yīng)的機(jī)械構(gòu)件，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械電氣自動(dòng)化。本文所述的比例放大板、電磁比例閥、兩側(cè)油缸位移傳感器和PLC共同構(gòu)成1套弧門啟閉同步糾偏回路，是一個(gè)典型的電氣化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了弧門啟閉自動(dòng)糾偏，達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行的目的。

雖然該系統(tǒng)有諸多優(yōu)點(diǎn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地操作和遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)保護(hù)，甚至可以達(dá)到“無人值班，少人值守”的目的，但對(duì)于技術(shù)相對(duì)落后的非洲國(guó)家，尤其濕度較大地區(qū)，也存在一些缺點(diǎn)，比如曼維萊水電站處于熱帶雨林氣候，濕度較大，電氣元件易受潮而損壞，損壞的電氣元件當(dāng)?shù)夭灰踪徺I，即使備件完整，由于當(dāng)?shù)丶夹g(shù)水平落后，維修保障也難以跟上，因此，電氣自動(dòng)化控制在落后非洲地區(qū)的推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全壽命周期管控，還存在較大的提升空間。