PLC在三星发电分公司泄洪闸坝上的应用

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PLC（programmable logic controller），即可编程逻辑控制器，是一种以微处理器为核心，按照预定的逻辑条件进行动作的智能装置。PLC以其体积小、功能强、可靠性高、使用灵活、维护方便、抗干扰能力强，在自动控制领域得到广泛应用，尤其是在水电站，由于其适应性的特点，更是得到了广泛的运用，解决了很多过去在水电站需要大量电子设备的繁杂问题，既简洁明了，效率和性能又高且可靠。
PLC在我厂的应用中随处可见，主要的工业控制系统就采用的上位机-下位机- PLC的控制方式，所有的数据经过PLC采集、整理后到LCU（现地控制单元），上送中控室主机，由运行人员监视，或由内置的程序判断后发出相应的控制命令传回给PLC，再由PLC的DO部分输出给开出继电器。在整个过程中，PLC起着纽带和核心的关键作用。在油压控制装置，低压气控制装置，事故闸门控制装置，调速系统控制装置等都采用了PLC控制方式，轻松灵活的实现了以前需要大量人和设备来共同完成的工作。PLC的广泛应用让水电站逐步进入自动化，向智能化迈进的时代。
我厂的大坝泄洪闸门与主厂房之间的直线距离约600多米，每到防洪季节，闸门数据的准确传送和实时控制便成为一个很大的问题，中控室无法及时得知闸门提升和下降的准确数据，以及闸门的现有开度，往往就需要大量的人手来完成，并且需要在闸门控制的现地驻守，在本来人员紧缺的防洪时期就显得很是困难。建厂时使用的闸门控制系统是徐州电子技术研究所生产，由型号为SZC-4的闸门开度测控仪，型号为ZKH的荷重仪和YXS-4显控仪组成，开度仪完成对闸门开度的数据采集和上、下限的保护，荷重仪测量闸门的荷重情况，用来避免因电机失控和钢丝绳卡阻而引起的荷重过载情况，开度显控仪用来显示闸门的开度，左右各一个的荷重仪显示闸门实时的负荷情况，过载时荷重仪保护切断电机。这套闸门控制系统属于传统的单片机控制方式，存在的主要问题：
1) 整个控制部分设备庞大，引出接线复杂，实现单一功能需要单独的一个对应设备；
2) 开度上下限制和荷重保护的值是通过老式的拨码开关来实现的，存贮在EPROM中，拨码开关属于一种机械式的调整方式，在调整的过程中经常出现误调和调整卡塞现象，影响数据设置和引起误动；
3) 测量精度较差；
4) 由于电子板路的固有特性，使得数据经常发生跳跃和不规则线性，引起闸门误启、误停，甚至是连续不断的反复启停，导致电流元件过流烧损；
5) 缺乏必要的上送功能与联机功能，不易实现远方的监视控制。
由于以上存在的诸多问题，以及控制技术的发展，我厂于2006-2008年先后完成了对大坝泄洪控制系统的改造，将1-13号泄洪闸门升级为PLC控制系统 。
首先在2006年对2号和3号闸门的尝试性改造，采用四川卓越科技工程有限公司的型号为ZYZM-JQ的卷扬启闭机电气控制柜，由交、直流双路电源220v-DC24v电源模件，开关、熔断器、PLC、开入开出继电器、空开组、接触器组以及主回路端子排构成，整体取代了旧的控制柜。而操作部分集中在外层面板上，由7个状态指示灯，一个显示控制液晶屏、一个方式选择切换开关，4个操控按钮组成，如下图

可以进行4种闸门状态指示，2种故障指示，手动-自动-远方选择把手可以灵活的选择需要的控制方式。中间继电器采用日本OMRON公司生产的MY系列，触点容量5A 240VAC和5A 28VDC,线圈激励电压为24VDC和220VAC两种，具有触点容量大、体积小等特点，继电器上接有状态指示灯，当指示灯点亮时表示该继电器处于工作状态，可用来判断是否因继电器原因引起的故障。PLC采用使用较广泛的西门子S7-200系列，处理器模块为CPU226，接口输出共两组，由com1口与显示屏进行通讯，通讯协议为modbus，另可通过com0口与上位机通讯，CPU模块具有24个输入通道，采用24v正逻辑，16个输出通道，CPU还扩展出一个离散量输入/输出模块（EM223），用于接受绝对编码器的16位二进制并行信号，输出4组数据（每组4根数据线）作为驱动4位BCD数码管来显示闸门开度。显示屏为配套产品TD200系列，是一种两行显示的液晶显示器，每行可最大显示20个字符。
                            PLC-CPU模块




PLC上共有25个开入点（DI）和16个开出点（DO）,，用来接受开入信号和输出开出信号，其中控制闸门起落的有3对，第一对：107 现地提升（SB2），109 现地停止(SB3)，111 现地下降(SB4)；第二对：113 现地扩展提升（由K4继电器闭合启动，可扩展一路现地提升按钮），115 现地扩展下降 (由K5继电器闭合启动，可扩展一路现地下降按钮；第三对：135 远方提升,137远方下降，139 远方停止，（由远方的PLC或中控室主机控制），考虑到实际的距离情况，我厂在该接口输入点并接一组出线给集中控制台远控。


闸门开度传感器元件采用了德国的TURCK公司的绝对编码器，开度信号直接接入现地单元的PLC中，采用 BCD编码方式，分辨率为4096,（占用12根数据线），考虑实际闸门的开度为18m，而卷筒每一圏为0.72m，所以编码器所需转的圏数为18/0.72=27（占用5根数据线）总共需要的数据线就是17根，显示数据可精确到小数点后三位，即毫米。并通过一个附加模块（EM232 2AO）输出两组模拟量（4-20mA电流输出），分别上送给集控台和下位机。上送信号均采用RS485通讯协议，9600波特率。经改造后较以往体现出以下优势：
1) 柜体内部元件清晰明了，布线简单，结构简洁；
2) 由于整体元器件，包括主回路元件的更新，而控制回路由220v变为24v，使得元件寿命大大的延长；
3) 整合集中程度大大提升，闸门的开度、荷重测量控制，所有的逻辑和动作需要都由PLC内部梯形图实现，不再需要对单个功能的实现而单独提供设备；
4) 保护功能更加强大，闸门的上下限制、荷重限制，电机的过载保护，闸门的卡阻保护、失电保护等一应俱全；
5) 方便修改，如需增加新的功能只需要对内部梯形图更改即可；
6) 更加安全高效，由于PLC本身的高稳定可靠性，使得闸门的整体控制测量都非常准确，误动几率极小；
7) 上送于受控方便，可通过增加协议与多重设备之间实时通讯，组成网络，并可接受远方发出的控制命令。
经过近3年多的使用，该套控制设备满足我厂对大坝泄洪闸门的要求，中控室值班人员很方便在主机上的闸门控制页面中查看到闸门当前的实时开度情况（由于PLC采用扫描周期来检测，略有延迟），并可点击画面相应按钮来启动远方闸门的提升、下降和停止顺控流程，在闸门开关量页面中能反映出各闸门的所有开关量信号，如某号闸门的故障或极限指示。数据通过机房中心集线器后使用转换器将以太网信号转换为可长距离传输的光纤信号送至泄洪闸门，对侧再将其还原成以太网信号，交由LCU5,传递给其PLC，PLC逻辑判断后驱动开出继电器给闸门现地PLC远端开入点开入信号，最终完成对远方闸门的控制，绝对编码器实时地将开度信号反馈至远方中控室，闸门开度与给定值比较后一致时，中控室主机发停止信号给泄洪闸现地PLC完成此次调控。当设备故障或意外停止时，中控室将收到未完成的信号，和闸门故障信号，查看后通知检修人员处理即可。集中控制台或闸门柜体现地也可进行升降操作，只要将选择开关旋转到相应的位置即可，远方启动时，现地就无法动作，现地动作时，远方就不可调，这样就形成了互锁的功能。整套设备经过了近三年多的运行，工况良好，大大减少了故障几率和人员维护量，让我厂在泄洪闸的控制上基本实现了远距离自动化操控，数据准确，动作可靠。
经过改造后的实际方式为：

2007年，我厂继续对剩余的所有闸门进行了改造，其中5号、6号闸门，继续使用了四川卓越科技工程有限公司的拦河闸门卷扬启闭机整体控制系统柜，而1号、4号，7-13号闸门考虑到经济适用性，仅仅对控制关键的PLC部分进行改造，电气一次部分仍保留了以前的柜体，选用四川明科机电工程有限公司的PLC控制箱。该控制箱仅包括了PLC主体及必要的电源部件和开入开出继电器，外加一个扩展模块。PLC依然采用西门子的S7-200系列，CPU模件型号为224，有15个开入点和10个开出点，由于仅仅需要5个开入点（启升、下降、停止、现地开度编解码器两点），5个开出点（全开、全关、上升、下降、停止）各点均对应一个开出继电器（KA1-KA5）,继电器采用日本欧姆龙公司的产品，其开出可靠性能极高，开度编码器则是意大利的ELTAR系列，精度4096，可显示到小数点后三位，完全满足需求，且该产品上限数值可指示到25m，有充足的过调空间，当数据需要反转时仅仅只要出线对调即可，非常方便。该套PLC依靠扩展的EM232模块上送模拟量信号，可输出两组4-20mA的模拟电流，分供LCU和集中控制台。两组数据可相互对调，不影响输出值。经过实际运行，因为在控制硬件部分上的相同，所以依旧非常可靠和稳定，但不足的是由于空间较小，较卓越的PLC缺少必要的状态输出，另外一次部分因为没有改造，实际动作时的震动和噪音很大，电流部件损伤也较大。
我厂1-13号泄洪闸门均改造为PLC控制，单台闸门相互独立，互不影响，但它们与我厂主监控系统LCU5连接，由LCU5总体控制监视，并通过光纤传至远方中控室，构成网络，在洪水季节，泄洪闸可实现三级控制，多级监视，确保万无一失，实现了自动化，高性能、低投入的要求。经过四年多时间的运行，验证了改造成果，让PLC的性能最大化的得到了应用.