基于PLC控制的水電站閘門泄洪應急聯動系統設計

王來印

(山東省調水工程運行維護中心 東營分中心，山東 東營 257000)

0 引 言

泄洪閘門是控制水電站水流不可或缺的組成部分，泄洪閘門的精準控制能夠對突然到來的洪水進行合理的調度，對于大壩安全和防洪保障具有重要的意義。泄洪閘門控制系統在正常運行時，不僅能夠應對多變的氣候條件，還能保證水電站的持續發電，因此需要水電站泄洪閘門的應急聯動系統具有較高的安全可靠性[1-3]。

文獻[4]提出一種西門子S7-1200PLC的水電站泄水閘門控制系統，分析了西門子S7-1200PLC的控制優勢，并將其與上位機組態軟件相結合，有效提升了相鄰閘門的開度控制效果，但是閘門高度控制精度不佳。文獻[5]提出一種雙向防水閘門聯動控制系統，設計了雙向防水閘門硐室，利用可編程控制方法實現防水閘門聯動控制,此系統能夠有效防止閘門漏水問題,但是聯動控制的速度較慢。

上述閘門泄洪應急聯動系統中，由于缺少對泄洪閘門的受力分析，導致控制過程中受到外界阻力的干擾，影響閘門開啟高度的控制準確性的問題。本文設計一種基于PLC控制的水電站閘門泄洪應急聯動系統，有效提升了閘門高度控制精度。

1 基于PLC控制的水電站閘門泄洪應急聯動系統設計

水電站閘門泄洪系統主要由兩部分組成，即閘門監控管理中心和現場控制單元。閘門監控管理中心與PLC控制器通過工業以太網相連接，水位和閘位輸入到PLC控制器中，以此來控制電氣開關柜。閘門監控管理中心的主要作用就是采集并處理現場數據，實現自動化的管理、監控和報警；現場控制單元主要包括PLC控制器、測量傳感器和閘門的動力設施。設計的系統整體網絡結構見圖1。

圖1 閘門泄洪應急聯動系統網絡結構圖

1.1 硬件設計

1.1.1 選擇傳感器

傳感器主要分為閘門開度傳感器和水位傳感器兩種。閘門開度是閘門泄洪系統中重要的控制指標，為了能夠準確、可靠地實現閘門開度的控制，就要對閘門的實際開度進行精確的測量[6-7]。本文選擇的閘門開度傳感器型號為ZKC-3，該型號的傳感器能夠針對閘門的特性實現精確測量，其測量范圍從5 m至160 m，都可以實現精確測量。其分辨率與所配的編碼器有關，本文所配的是接觸式絕對編碼器，型號為GD-32768/64，每周分辨率為512碼，連續旋轉64圈，內部配備精密齒輪，方便安裝，并能夠適應惡劣的工作環境，即使遇到突然掉電的情況，也能夠保存歷史記錄[8-9]。傳感器能夠輸出的信號包括小毫安的標準模擬量、RS485串行通訊接口(C)、SSI同步串行接口(S)，將這些輸出的信號通過齒輪或聯軸器與啟閉器卷筒傳遞到閘門開度儀中。本文選擇的傳感器的有效傳輸距離最大為2 km。本文選擇的閘門開度傳感器結合了檢測和A/D轉換功能，適用于水閘等的測量和控制。

水位傳感器主要是測量閘門上下游的水位，為閘門的控制提供參考依據。因此需要根據水電站的實際情況，選擇抗干擾能力以及機械性能都比較好的水位傳感器。本文的水位傳感器選擇的是YFC-3浮游子式液位傳感器，主要包括浮子、變速機構、線輪、防浪錘、重錘以及不銹鋼絲繩等部件，將其安裝在需要進行水位監控的區域，能夠第一時間采集到水位信息[10-11]。相關參數見表1。

表1 水位傳感器相關參數

該型號傳感器能夠保證性能的穩定，并長期處于工作狀態。當水位傳感器所在的位置水位升高或降低時，浮子的測繩能夠帶動線輪作旋轉運動，由同軸連接的編碼器來輸出與當前水位對應的數字信號，并通過顯示器呈現出來，實現對水位的觀測。

1.1.2 PLC的選取

可編程邏輯控制器(PLC)采用可編程的存儲器，內部可以執行一些控制、計數和運算等指令。它是一種能夠專門用于工業現場的自動控制裝置，相對于單片機而言，PLC能夠適應惡劣、極端的生產環境，且數據處理能力、聯網通信功能更加可靠[12]。PLC主要由中央處理器CPU、RAM/ROM存儲器、輸入/輸出接口、電源、編程器以及其他接口電路構成，能夠實現邏輯控制、定時技術控制、時序控制、數據處理、轉換、過程控制、遠程控制、監控以及擴展等功能。分析閘門的需求并結合電氣控制圖，PLC的電路接線見圖2。

圖2 PLC的電路接線圖

本文設計的PLC在運行過程中穩定可靠，抗外界干擾的能力比較強，包括14個輸入點和10個輸出點，對于一些規模較大的控制系統，能夠連接多個擴展模塊，在設計和維護的過程中更加方便。由圖2可知，將S7-200PLC與EM235相連接，使泄洪應急聯動系統增加四路模擬量輸入端和一路模擬量輸出端。將圖2的輸入和輸出端口進行功能配置，見表2。

表2 PLC端口功能配置

至此完成PLC控制器的選取與設計。

1.2 軟件設計

1.2.1 閘門啟閉過程受力分析

泄洪閘門上的荷載主要有靜水壓力、閘門自重和啟閉力等。靜水壓力與閘門類型、上下游水位有關，上游受到的水平壓力和豎直壓力可以表示為：

(1)

式中：γ為水的容重；Hs為上游水位到堰頂的距離；B為閘孔的寬度；R為弧門面板曲率半徑；φ1、φ2分別為上支臂和下支臂與支鉸水平線的夾角，且當支鉸位置高于上游水位時φ1為正，否則為負。

下游受到的水平壓力和豎直壓力可以表示為：

(2)

式中：Hx為下游水位到堰頂的距離；β為弧門面板與下游水位交點到支鉸的連線與弧門下支臂的夾角；β1為弧門面板與下游水位交點到支鉸的連線與通過支鉸心的水平線的夾角。

在閘門啟閉的過程中，需要克服閘門重力、止水摩擦力、鉸軸摩擦力和下吸力等4種力矩。在閘門打開的過程中，溢洪道閘孔為單孔，在閘孔寬度已知的情況下，能夠計算出溢洪道閘孔出流流量：

(3)

式中：Q為閘門開啟時的水流量，m3/s；μ0為閘孔的水流量系數；e為閘門開啟的高度；n為閘孔數量；b為閘孔寬度；H0為含行近流速的堰上水頭。

根據上式能夠計算出閘門開度與流量之間的關系。因此，在閘門啟閉的過程中，要注意速度均勻，高度分檔，且在閘門調度運行過程中，發現異常情況要及時進行閘門的控制調整。

1.2.2PLC智能控制算法

(4)

式中：t為繩槽間距；D為卷筒直徑。

則鋼絲繩纏繞卷筒一圈的長度為：

(5)

式中：R1為鋼絲繩的纏繞半徑，當卷揚機卷筒與角編碼器協同控制時，鋼絲繩纏繞n圈，角編碼器纏繞n×i1圈，i1為大小齒輪的傳動比，那么角編碼器的的編碼數存在以下函數關系：

N=K1·n·i1

(6)

式中：K1為滑輪組的倍率。

根據上述內容，可以求出每個編碼卷揚機的提升高度，由于這個高度為常數，因此閘門的高度僅僅與編碼器的存儲器數量有關，計算出編碼器值與閘門開度之間存在的函數關系式，就能夠準確計算出閘門的開度。但是編碼器值與閘門開度都是動態的數據，需要通過軟件工具在同一時刻完成測量，才能夠得到它們之間的函數關系。本文采用上位力控軟件進行測量和分析，對采樣得到的數據進行校正，剔除原始數據中的顯著誤差數據，進行多次測量，并構成時間與空間的冗余信息，保證數據的校正效果。至此，完成基于PLC的閘門泄洪應急聯動系統的設計。

2 仿真實驗

2.1 搭建仿真平臺

為了驗證上文設計的水電站閘門泄洪應急聯動系統的控制精確性，需要設計仿真實驗進行驗證。運用Step-7編程軟件、MATLAB軟件中的SIMULINK進行水電站泄洪閘門現地控制系統進行仿真。在仿真軟件中完成PLC的控制仿真，見圖3。

圖3 仿真界面

對仿真軟件中的仿真系統進行初始的參數設置，包括功率儀表、HMI、絕對值編碼器、PLC閘門開度計算段程序。仿真模型選取東營市膠東調水子槽段，在2019年8月10日9時至12日11時，東營全市平均降水量322 mm，整個降雨過程的降水量折合水量超過5×108m3。這組數字也意味著在剛剛過去的不到3天時間內，臺風“利奇馬”為東營帶來近200個清風湖的水，這個水量也接近是小清河一年的流量，相當于黃河利津段6天的流量。膠東調水子槽段除承接本地雨水排澇外，上游淄博等地河道洪水也進入子槽河段。膠東調水子槽段下節制閘前水位最高達到5.5 m。以上述條件為模型，在軟件中建立仿真環境。啟閉機相關參數見表3。

表3 啟閉機相關參數

在仿真過程中，分別使用本文設計的系統與文獻[4]系統、文獻[5]系統對仿真環境下的閘門進行控制，在下節制閘安裝控制系統，調度人員遠程控制閘門開啟。為防止開啟閘門后出現沖刷下游堤岸情況，首先開啟中孔閘門0.5m高，待閘門下游水流鋪滿河床后，再開啟兩側閘門高度至0.5 m高。按照這個順序逐漸開啟閘門，每次開啟高度控制在0.5 m高以內，最終閘門高度達到5 m，洪水能夠順利通過閘門，達到保護堤壩、沿途村莊的目的。在系統運行的過程中，增加激光測距儀同時測量閘門提升的高度值，在快速閘門從零點位運行到上限位共設置10個點停時刻來記錄閘門提升高度，并與預定高度進行對比，將實驗結果進行分析。

2.2 實驗結果分析

2.2.1 閘門提升高度差值

在上述實驗條件下，得到兩個系統在測試過程中的閘門控制實際高度，見圖4。

10組數據分別對應10個點停時刻閘門提升高度。分析圖4可知，對于序號5來說，閘門預定提升高度為2.9 m，激光測距儀測出文獻[4]系統的閘門實際高度與預定高度差值為0.115 m，光測距儀測出文獻[5]系統的閘門實際高度與預定高度差值為0.21 m，光測距儀測出本文系統的閘門實際高度與預定高度差值僅為0.055 m。對于序號8來說，閘門預定提升高度為4.2 m，激光測距儀測出文獻[4]系統的閘門實際高度與預定高度差值為0.093 m，光測距儀測出文獻[5]系統的閘門實際高度與預定高度差值為0.099 m，光測距儀測出本文系統的閘門實際高度與預定高度差值僅為0.012 m。本文系統的控制閘門高度差值始終最小，說明其精度控制效果最佳。

圖4 不同系統的閘門預定提升高度差值

2.2.2 聯動控制速度

為了進一步驗證水電站閘門泄洪應急聯動系統的聯動控制速度，獲得上述3種系統在不同閘門提升高度下的聯動控制時間，結果見圖5。

圖5 不同系統的應急聯動控制時間

分析圖5可知，當閘門提升高度為2.0 m時，文獻[4]系統的閘門應急聯動控制時間為39 min，文獻[5]系統的閘門應急聯動控制時間為28 min，本文系統的閘門應急聯動控制時間僅為8 min。當閘門提升高度為4.5 m時，文獻[4]系統的閘門應急聯動控制時間為66 min，文獻[5]系統的閘門應急聯動控制時間為65 min，本文系統的閘門應急聯動控制時間僅為15 min。本文設計系統在不同的高度下，應急聯動控制時間始終在15 min之內，具有較高的控制效率。

3 結 語

本文將PLC控制器作為閘門應急聯動系統的核心組成部分，能夠實現遠程控制閘門的高效和智能，提升精度，將高端的科技應用到系統中，經過精確計算，達到科學、精準、合理的水資源調用，為實現水電站安全、穩定運行提供了思路。

但是由于時間和技術的限制，本文設計的系統還有很多未完善之處。在今后的研究中，要將系統實際應用在現場中，驗證其實際應用中的意義。