淺析基于PLC的閘門遠程控制系統安全隱患及應對措施

陳浩

摘要：介紹了人民渠一處灌區基于PLC的閘門自動控制系統的運行現狀和未來信息化建設的新目標，梳理了灌區閘門自動控制過程中4類核心安全隱患，分別從軟硬件方面提出并論述應對措施，對有效消除安全性隱患，提高閘門自動控制系統的安全性，確保閘門的運行安全提供借鑒。

關鍵詞：自動控制;安全隱患;軟硬件;應對措施

Abstract： This article introduces the current operation status of the PLC-based gate automatic control system in an irrigation area in People's Canal and the new goals of future informatization construction. It sorts out 4 types of core safety hazards in the automatic control process of gates in irrigation districts， proposes and discusses countermeasures from the aspects of software and hardware， which can effectively eliminate safety hazards， improve the safety of automatic gate control systems， and ensure the safe operation of gates.

0? 引言

本文簡要介紹人民渠一處灌區閘門自動控制系統的現狀和新的建設目標，針對閘門自動控制過程中閘位開度、上下限位、數據傳輸等重點環節可能出現的閘門啟閉超限、卡滯、失速、下滑，閘位異常波動、閘位失聯、通訊中斷、電機過流、防雷接地等問題，針對性重點闡述了閘門自動控制系統中采取的諸如軟硬件雙重限位、荷載與閘速異常偵測保護、通訊雙向心跳偵測、電機保護及防雷等軟硬件方面的應對措施。

1? 人民渠一處灌區閘門自動控制系統的現狀

人民渠一處灌區在2008年地震災后重建項目中，于17處主要樞紐處均建設安裝了閘門自動控制系統，但都是在就近的管理站、段實施控制，并未真正實現調度中心遠程控制閘門，統一調水。

2? 人民渠一處灌區未來實現遠程自動控制的建設目標

目前，人民渠一處最新編制的《四川省都江堰人民渠第一管理處信息化建設規劃大綱》中提出了我處信息化建設新的總目標：實現水資源調配，可視、可量、可傳、可控。推動處、站、段的三級管理轉變為以管理處為核心的一級管理的機制改革。

其中“可控”，就是要實現灌區干渠、分干渠、支渠、分水洞全部控制節點的遠程自動控制，為“一級管理”奠定基礎。

為此，本文就基于PLC的閘門遠程控制系統存在的安全隱患，提出了針對性的應對措施，以供今后實踐借鑒。

3? 閘門控制過程中4類核心安全隱患

基于PLC的閘門遠程控制系統主要是根據PLC模塊采集的閘位信號，通過CPU周期性運行程序來自動控制閘門升、降、停等操作。閘門電機的功率普遍較大，如果系統的軟硬件設計考慮不充分，閘門控制時就存在造成人身財產損失的安全隱患。我們必須充分考慮閘門控制中存在的安全隱患并采取應對措施。

結合人民渠一處灌區閘門自動控制系統的運行情況及故障案例，我們梳理出了4類核心安全隱患：

3.1 閘門限位問題

正常情況下，閘門運行到上限位或下限位時，應當立即停止，否則可能造成閘門、電機損壞等重大財產損失，甚至出現人員傷亡。比如，螺桿式升降閘門，運行過程中，如果上下限位出現異常，上下限運行到位后，電機提升或下降還在繼續，必定會造成閘門、螺桿損壞、同時，電機也會由于荷載過大而燒毀。另一方面，這類大體積重型設備設備損壞后，更換安裝難度大、時間周期長、維護費用也相當巨大。

3.2 閘門卡滯、失速、隱蔽性下滑、閘位異常波動及閘位失聯

3.2.1 閘門卡滯、失速、隱蔽性下滑

閘門升降過程中可能因異物阻擋，出現卡滯、升降失速、或處于停止狀態的閘門，仍隱蔽性下滑的情況。此時，如果閘門遠程自動控制系統沒有信號反饋及保護措施，電機、閘門、螺桿損壞、人員傷亡等危險情況隨時都可能發生。

3.2.2 閘位異常波動及閘位失聯

閘位異常波動，在實際案例中，部分老舊閘位傳感器，采集的閘位信號會出現不定期的異常波動，系統人機界面顯示的閘位數值在正常值與異常值間不定期跳動，嚴重影響正常使用。

閘位失聯，一般情況下是由于閘位計與轉軸間連接不良或傳感器損壞，導致閘門升降過程中，閘位數據不變。

兩種情況下，如果控制系統沒有信號反饋及保護措施，閘門控制的安全性和準確性將大大降低。

3.3 中控與遠程PLC通訊中斷

在基于PLC的遠程閘門控制系統中，通常采用分布式閘門監控系統，其拓撲結構可以分為現場測量控制層、網絡連接層、遠程監控層三層。如果網絡連接層核心設備，如：光纖收發器、交換機、設備電源或者線路故障導致網絡通訊中斷，現地控制PLC就會與遠程控制PLC失聯，當失聯出現時，遠程模式崩潰，如果控制系統沒有信號反饋及保護措施，現地閘門在操作員到達現地前，閘門升降狀態仍然繼續不受控制，相當危險。

3.4 電機過流及防雷問題

3.4.1 電機過流

閘門控制電機的啟動、工作電流較大，可以達到10A以上，而且當電流過大時，可能操作人員還來不及反應就已經燒壞了電機或其它控制設備。所以，為保障人員和設備安全，當電機電流過大時，必須在電路設計時加入保護措施，出現異常情況，第一時間斷開電路。

3.4.2 防雷

人民渠一處灌區閘房及管理站段中控室一般都在野外，樹木繁茂，地勢開闊，雷雨季節容易受雷電侵襲導致設備損壞。因此，良好的防雷和接地措施必不可少。2017年5月13日，人民渠一處渠首樞紐閘門自動控制系統因雷擊造成了10余萬元的重大經濟損失。

4? 4類安全隱患的應對措施簡述

4.1 軟硬件雙重限位

閘門限位問題可采取軟硬件雙重限位的辦法提高可靠性，實際效果良好。

硬件限位較穩定、可靠的方法是在閘門的行程上限和下限處安裝限位開關來實現。

軟件限位則是通過組態軟件實現上、下限閘位的人機交互設置，通過PLC編程軟件的編程，將實時閘位與設置的閘位上、下限實時比較，將“全開狀態”和“全關狀態”分別作為閘門升、降輸出的常閉觸點，實現閘位到限，即停。

4.2 荷載與閘速異常偵測保護

針對閘門卡滯、失速、隱蔽性下滑、閘位異常波動及閘位失聯的情況，可以從硬件兩方面采取措施：

硬件方面，可以設置荷載傳感器，實時檢測荷載值，當荷載超載時，系統自動報警并停止升降閘門。

軟件方面，在系統程序中建立閘速異常偵測保護，通過1s脈沖信號，制造延遲，記錄下上一秒閘位，用實時閘位與上一秒閘位做減法，得出1s閘位差值，并絕對值化。從接觸器反饋判斷運行狀態，在運行狀態下，1s閘位差值與組態軟件提供的人機界面上人為設置的卡滯、失聯，失速界限值做比較，比較值為1持續5s（可設定）以上，卡滯、失聯，失速故障報警置位，控制中心可實現聲光報警。值班人員到可以立即采取應急措施。在停止狀態下，1s閘位差值與組態軟件提供的人機界面上人為設置的下滑界限值做比較，比較值為1持續5s（可設定）以上，下滑故障報警置位，控制中心可實現聲光報警。值班人員到可以立即采取應急措施。

4.3 通訊雙向心跳偵測

針對中控與遠程PLC通訊中斷的情況，可以在系統程序中建立通訊雙向心跳偵測，方法如下：

利用0.1s脈沖信號建立心跳脈沖，使用數據傳輸指令實現現地PLC和中心PLC之間雙向傳輸，現地PLC接受中心PLC發出的心跳脈沖，并向中心PLC發出心跳脈沖，中心PLC接收現地PLC發出心跳脈沖，并向現地PLC發出心跳脈沖。當現地PLC和中心PLC接受彼此的心跳脈沖，出現連續1s以上脈沖值不變，則中心和現地側即刻發出通訊故障的報警。

此外，程序將通訊故障作為閘門升降輸出的常閉觸點，可實現一旦通訊失聯，現地閘門立即停止升降，最大程度保障系統安全。（圖1）

4.4 電機保護及防雷

4.4.1 電機保護

在電機動力線上接入過流保護器，當閘門出現過載情況時，電機電流增大，過流保護器自動斷開，保護電機不被燒毀，同時保護閘門及其他控制設備。

4.4.2 降低接地電阻，設置強弱電避雷器

中心機房、PLC控制柜要求做好接地，且必須使接地電阻的阻值達到規范要求。除了按規范做好強電系統多級防雷措施外，還可以針對弱電系統增設弱電防雷保護器。

4.4.3 視頻監控系統須設置避雷器

對于視頻監控系統，針對模擬攝像頭設置浪涌保護器，針對數字高清攝像頭設置信號避雷器，可有效保護上層設備不受雷擊損壞，縮小受災范圍。

4.4.4 閘門控制系統增設信號避雷器和信號隔離器

對于閘門遠程控制系統，通信線路應設置信號避雷器，另一方面，由于部分老舊壓力式水位傳感器設置在河水里，很容易引雷進入系統，故很有必要在傳感器與IO模塊間增設信號隔離器。

5? 結束語

本文分析了基于PLC控制系統在閘門控制過程中的四類安全因素，針對性闡述了四種提高閘門安全性的方法。做好這些重點環節安全隱患的應對措施，能有效提高閘門自動控制系統的可靠性、穩定性，確保閘門的安全運行。

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