嚴 勵

(淮安市淮安區(qū)二堡船閘管理所， 江蘇 淮安 223200)

淮安市淮安區(qū)二堡船閘位于京杭大運河和頭溪河交匯處，被江蘇省水利廳批準為省一級水利工程管理單位。船閘上、下游閘首凈寬8 m，閘室寬12 m，長106 m。上游最高通航水位▽8.5 m，最低通航水位▽5.5 m，下游最低通航水位▽1.0 m。為提高船閘自動化控制水平，采用PLC可編程控制器、變頻器、液晶觸摸屏、遠程控制上位機、組態(tài)控制軟件等對傳統(tǒng)繼電器控制進行了更新，實現(xiàn)了現(xiàn)地、遠程2種方式對閘門啟閉機的開關(guān)及運行速度控制。本文介紹自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用。

1 控制對象

二堡船閘自動化控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的是根據(jù)調(diào)度要求及水位情況通過啟閉機對閘門的開關(guān)和運行速度實現(xiàn)控制。船閘上、下游閘首凈寬8 m，安裝人字鋼閘門(如圖1所示)，閘首兩側(cè)各配一臺YJQ-RC200-3.0A型集成式油壓推桿啟閉機控制人字閘門開關(guān)。閘首兩側(cè)輸水廊道凈寬2 m，高1.3 m，其頂部為矢高0.5 m的拱，安裝平板鋼閘門，閘首兩側(cè)各配一臺YJQ-PZ100-2.5A型油壓啟閉機控制輸水閘門開關(guān)，啟閉機布置方式(如圖2所示)。液壓啟閉機配YVF2-160L型變頻調(diào)速三相異步電動機。液壓啟閉機推桿運動方向及速度由齒輪油泵控制，油泵的轉(zhuǎn)向及速度由電動機轉(zhuǎn)向及速度控制，對各電動機轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)速的控制由PLC編程及變頻器實現(xiàn)。

圖1 人字門布置

圖2 啟閉機布置

2 PLC控制系統(tǒng)

2.1 PLC配置與聯(lián)接

可編程控制器(PLC)，是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程[1]。PLC主要特點有可靠性高、通用性好、擴展功能強等。船閘分上下游左右兩側(cè)，共4個閘首，其中上游左側(cè)閘首作為主控側(cè)，主控側(cè)現(xiàn)地控制PLC采用Schneider TWDLCAE40DRF一體型控制器，其具有24路24V DC輸入通道，14路繼電器2路晶體管輸出通道，內(nèi)置100Base-TX Ethernet網(wǎng)絡(luò)端口[2]。另外配數(shù)字量擴展輸入模塊TWDDDI16DT2塊、模擬量擴展輸出模塊TWDAV02HT、TWDNAC485T通信適配器、模擬量擴展輸入模塊TWDAMI8HT。其他閘首為副控側(cè)，副控側(cè)現(xiàn)地控制PLC采用Schneider TWDLMDA40DTK模塊化控制器，配數(shù)字量擴展輸入模塊TWDDDI16DT兩塊、模擬量擴展輸出模塊TWDAV02HT、TWDNOZ485T通信擴展模塊。主控與副控PLC之間采用MODBUS連接協(xié)議通信。

2.2 閘門開度檢測

在PLC控制過程中需要實時讀取人字閘門和輸水閘門的開度數(shù)值，通過YQX-II型外置式閘門開度儀進行檢測。檢測裝置通過傳動鋼絲繩的一端與油壓缸活塞桿吊頭部位相連接，當活塞桿外伸時，傳動鋼絲繩被拉出并帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，與卷筒同軸安裝的發(fā)條式板卷彈簧則被同步卷緊在芯軸上蓄力，當活塞桿回縮時，依靠發(fā)條式彈簧的蓄力帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩被回收卷繞在卷筒上。卷筒軸的一端通過聯(lián)軸器與編碼器相聯(lián)，卷筒轉(zhuǎn)動時將鋼絲繩的直線位移量轉(zhuǎn)換為編碼器的輸出信號。開度的位移量信號通過不銹鋼絲繩傳遞給絕對式編碼器產(chǎn)生格雷碼(Binary Gray Code)得到旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，格雷碼傳送到PLC數(shù)字量擴展輸入模塊TWDDDI16DT,經(jīng)PLC編程處理轉(zhuǎn)換為二進制編碼。PLC利用轉(zhuǎn)數(shù)及每轉(zhuǎn)周長計算得到人字門和輸水門的開度位移量，閘門開度計算梯形圖程序(如圖3所示)。

圖3 閘門開度計算程序

2.3 水位檢測

船閘上游、閘室、下游各安裝2臺UTG-21型超聲波液位計測量各處水位，儀表的探頭發(fā)出超聲波打到液位后反射回探頭，探頭接收到后計算發(fā)波到收波的時間，計算得到測量距離，儀表安裝高度減去測量距離將得到當前液位。液位計測量得到的4-20MA模擬量通過模擬量擴展輸入模塊TWDAMI8HT轉(zhuǎn)換為PLC數(shù)字量。之所以上游、閘室、下游各安裝2臺液位計，是為防止液位計故障產(chǎn)生錯誤數(shù)值。PLC采集到各處水位值后，首先判斷是否在有效范圍之內(nèi)，同時對相鄰水位計差值判斷是否在合理范圍內(nèi)，然后計算相鄰水位均值。在水位信息處理過程中發(fā)現(xiàn)超出合理范圍則產(chǎn)生報警信號。在人字鋼閘門內(nèi)外水位差小于15cm時滿足開啟條件。

2.4 變頻調(diào)速

在輸水閘門開啟過程中，考慮水位差帶來的水流速對輸水閘門及閘室的沖擊，所以在水位差較大的啟門初始時間內(nèi)，采用低速運行，到水位差縮小后加速運行。人字閘門運行控制采用“慢-快-慢”的方式，以保護閘門不因慣性引起的硬性碰撞損壞。液壓啟閉機配YVF2-160L型變頻調(diào)速三相異步電動機。定子繞組連接三相交流電時采用三角形聯(lián)結(jié)。采用VLT? Micro Drive FC 51通用變頻器控制電機轉(zhuǎn)速。交流異步電動機的實際轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動速度則與三相交流電的頻率和級對數(shù)有關(guān)，即 n=60f/p(1-s), 式中：n為電動機轉(zhuǎn)速，f為三相交流電的頻率，p為電動機極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率。通過改變交流電頻率的方式實現(xiàn)交流電動機速度控制的技術(shù)就叫變頻技術(shù)[3]。變頻器采用u/f控制方式，為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進行調(diào)速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，低速時需要降低電壓，保持磁通量恒定。變頻器輸入端接PLC的模擬量擴展輸出模塊TWDAV02HT的0-10V電壓模擬輸出信號。模擬量擴展輸出模塊輸出電壓根據(jù)閘門開度值而改變，其PLC梯形圖程序(如圖4所示)。變頻器則相應(yīng)產(chǎn)生不同頻率與電壓的電動機輸入電源，從而實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的控制。

圖4 電壓輸出控制梯形圖程序

3 現(xiàn)地和遠程的人機交互

3.1 現(xiàn)地控制

各閘首現(xiàn)地控制的人機交互采用Weinview TK6070iH液晶觸摸屏實現(xiàn)，觸摸屏通過Modbus RTU protocl通訊模式與PLC通信。觸摸屏設(shè)計有主控、參數(shù)設(shè)置、故障報警、系統(tǒng)說明4個窗口，利用頂部4個觸摸按鍵進行切換。其中主控畫面(如圖5所示)有輸水門控制、人字門控制、狀態(tài)監(jiān)視3個部分。輸水門控制部分可以讀取輸水門開度值，并可在初始維護時實現(xiàn)開度清零，在輸水門處于全開或全關(guān)狀態(tài)時有閃爍提示，有實現(xiàn)輸水門開啟、停止、關(guān)閉的操作按鈕，有反映輸水門電機運行及故障的狀態(tài)閃爍提示。人字門控制部分可以讀取人字門開度值，并可在初始維護時實現(xiàn)開度清零，在人字門處于全開或全關(guān)狀態(tài)時有閃爍提示，有實現(xiàn)人字門開啟、停止、關(guān)閉的操作按鈕，有反映人字門電機運行及故障的狀態(tài)閃爍提示。狀態(tài)監(jiān)視部分反映系統(tǒng)目前處于自動、遠方、單側(cè)、聯(lián)動的狀態(tài)。參數(shù)設(shè)置窗口有輸水門全開值、全關(guān)值、下滑設(shè)置，人字門全開值、全關(guān)值、糾偏值、超差值、下滑設(shè)置。故障報警窗口有報警信息時間及類型記錄。系統(tǒng)說明窗口用圖形化方式對操作運行系統(tǒng)進行了講解。另外在控制柜上裝有可實現(xiàn)輸水門和人字門的開啟、停止、關(guān)閉的手動機械按鈕，及緊急停止和故障復位按鈕，實現(xiàn)自動、遠方、單側(cè)、聯(lián)動的狀態(tài)切換的機械旋轉(zhuǎn)開關(guān)。

圖5 觸摸屏主控窗口

3.2 遠程控制

遠控室計算機與主控閘首Schneider TWDLCAE40DRF一體型PLC控制器的內(nèi)置以太網(wǎng)接口采用Modbus TCP/IP協(xié)議通信。Modbus協(xié)議最初由Modicon公司開發(fā)出來，在1979年末，該公司成為施耐德自動化部門的一部分，現(xiàn)在Modbus已經(jīng)是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議[4]。具有Modbus接口的PLC可以很方便地進行組態(tài)。組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，一般英文簡稱有3種，分別HMI/MMI/SCADA。二堡船閘遠程控制系統(tǒng)上位機組態(tài)軟件采集水位、閘首電壓、電流、各閘首人字閘門開度、各閘首輸水閘門開度等現(xiàn)場數(shù)據(jù)。系統(tǒng)分為上游控制、下游控制、運行動畫模擬部分(如圖6所示)。上游控制部分實時顯示上游左右兩側(cè)人字閘門、輸水閘門的開度信息，上游左右兩側(cè)房機的電壓電流值，人字閘門和輸水閘門全開全關(guān)的閃爍提示，人字閘門開、停、關(guān)的操作按鈕，輸水閘門開、停、關(guān)的操作按鈕。下游控制部分實時顯示下游左右兩側(cè)人字閘門、輸水閘門的開度信息，下游左右兩側(cè)房機的電壓電流值，人字閘門和輸水閘門全開全關(guān)的閃爍提示，人字閘門開、停、關(guān)的操作按鈕，輸水閘門開、停、關(guān)的操作按鈕。運行動畫模擬部分實時顯示人字閘門及輸水閘門的位置動畫模擬，上游水位、閘室水位、下游水位及其動態(tài)模擬。遠控室對閘首控制電源采用遠程控制斷路器的方式實現(xiàn)遠程分合閘控制。同時采集各閘首啟閉機、人字閘門、輸水閘門、閘首現(xiàn)地控制柜、上下游及閘室各處水位的現(xiàn)場頻視到遠控室大屏顯示，遠控操作人員在進行遠程控制時同時關(guān)注組態(tài)軟件采集的各種信息和現(xiàn)場視頻，確保信息準確。

圖6 遠程控制窗口

4 結(jié) 語

二堡船閘自動化控制系統(tǒng)各種操作方式之間互鎖，具有保證系統(tǒng)安全的電機聯(lián)鎖、電氣保護，操作靈活適應(yīng)各種運行方式，力求線路簡練便于維護。相較傳統(tǒng)繼電器控制方式有可靠性高、通用性好、擴展功能強的優(yōu)點，有效提升了水利工程管理單位運行自動化水平。