1 前言

　　我國的水力資源在地域分布上極不平衡，總體來看，西部多、東部少，水力資源相對集中在西南地區，而經濟發達、能源需求量大的東部地區水力資源量極小，因此，西部水力資源開發除了西部電力市場自身需求以外，更重要的是要考慮東部市場，實行水電的"西電東送"戰略歐姆龍 但是在水力資源開發尤其是內河河壩控制系統方面，仍然普遍存在設備落后、功能差和老化嚴重等問題，相應的系統能耗大，效率低，且面臨技術改造和維修問題PLC 很多河壩的閘門控制系統設備落后，自動化水平低，甚至存在相當大比例的人工操作，效率低，亟需系統的升級改進以滿足更高更安全的控制需求PLC

　　作為通用工業控制計算機, 可編程控制器近40年來從無到有,其功能從弱到強,其應用領域從小到大PLC 今天的可編程控制器正在成為工業控制領域的主流控制設備,在世界各地發揮著越來越大的作用閘門 本文基于大型攔河壩閘門控制的具體情況，提出一個基于PLC和現場總線控制的整體設計方案閘門

　　該攔河壩由17孔啟閉式閘門組成閘門 其跨度約為300m，閘門的最大開度可達1.7m。閘門控制房距離大壩迎水面40m。由于地理跨度較大，本閘門控制系統采用總線分布式分級控制方式進行設計。

2　系統組成

　　系統采用總線分布式的控制方式，分為現場控制和集中控制兩級。總線采用OMRON公司的CompoBus／S現場總線協議，見圖1。

圖1 系統總體示意圖

　　現場級是由在每個閘門現場都安裝的閘門控制柜(CPU采用OMRON公司的CP1H系列PLC)組成，共17臺。其功能是實現在現場對閘門的手動控制，對水位、閘門開度、閘門運行狀態和錯誤信息的現場采集與監視，并且完成與集中控制級的實時通信，包括：接收控制信息，完成閘門控制動作，發送用于遠程監控的閘門運行狀態、錯誤信息到主站。

　　集中控制級是由設置于閘門控制房內的一個控制柜(CPU采用OMRON公司的CJ1G 系列PLC)。其主要功能是：通過CompoBus／S與下級系統進行通信，處理相關數據，向監控主機發送閘門的運行狀態、錯誤等信息以及接收監控主機的指令后向下轉發。

　　監控主機通過監控軟件(本系統采用的是組態王)接收并顯示閘門開度、狀態等信息，對錯誤信息進行報警，并且可以發出指令，控制閘門的運行，同時生成報表。UPS電源用來在停電時為兩級控制系統供電，保證系統不間斷工作。

3　系統配置及硬件接線

　　現場級單個閘門控制柜的輸入輸出點個數為：DI=16，DO=6，AI=2(第一孔)。本系統現場控制級CPU采用具有40個輸入輸出點的OMRON公司的CP1H系列PLC。由于一號控制柜將進行水位的采集，所以采用自帶有模擬輸入輸出模塊的CP1H—XA40D，此型號的PLC有4點的模擬量輸入，2點的模擬量輸出，其功能對于水位采集已經夠用。其余控制柜采用不帶模入／模出模塊的CP1H—X40D。通信是通過CP1H擴展的一塊通訊從單元SRT21完成，此通訊從單元節點號為O。根據PLC地址分配規則，輸入地址為ClO2，輸出地址為ClO102。

　　集中控制級的控制柜CPU采用了CJ1G 系列PLC擴展兩塊SRM21主站單元組成，其單元號分別為0和2。根據CJ1G的地址分配規則，其地址分別為CfO2O00與CfO202O。兩塊主站單元分別與下邊的8個和9個從站單元進行數據交換，并與監控主機進行通信。監控主機與CJ1G通過RS232線纜連接。兩級系統之間的通信采用的OMRON的現場總線協議CompoBus／S完成。

　　CompoBus／S通信模式可分為遠距離通信和高速通信兩種。當工作模式為遠距離通信模式時，傳輸速率為83．75Kbps，傳輸距離可達500m； 當為高速通信模式時，傳輸速率為750Kbps，傳輸距離為100m。通信模式通過I／O連接單元的DIP開關設定。本系統選擇遠距離通信模式。

　　由于集中控制級的實現比較簡單，這里只是介紹現場級控制柜PLC(第一孔)的接線圖與軟件實現。現場級控制柜的接線原理圖如圖2。

　　PLC 由UPS電源提供220VC 電源。PLC的0CH和1CH為輸入通道，100CH和101CH為輸出通道。其0CH通道的低8位I：0.00～I：0.07接旋轉編碼器，進行閘門開度狀態的采集。0CH通道高4位進行現場閘門控制操作以及系統其他一些狀態的采集。在1CH(輸入)通道中I：1.08進行現場／集中控制的選擇。I：1.09是為了清除錯誤報警位設立，當錯誤排出后，對I：1.09的輸入使得錯誤信息復位，系統可以運行。1CH后兩位提供了閘門運行的一種保護。

　　輸出通道100CH的輸出為閘門的控制信號以及提示、報警信息。圖中的IN1+、IN1一為模擬量輸入通道。它與水位儀連接。由于CP1H系列PLC提供了一個24VDC的電源輸出，所以可以直接作為水位儀的電源。

圖2     PLC現場接線原理圖

4　軟件設計

　　現場一號控制柜的軟件編寫如下：系統的自動控制功能可分為現場級控制、集中開／閉環控制。其控制的程序流程圖如圖3。現場控制級具有最高的優先級，這是由于對閘門的控制要求有較高的安全性和可靠性。當選擇現場級控制后，集中開／閉環控制都被屏蔽。PLC采集現場控制柜的升、降、停控制輸入狀態，對閘門進行升降停操作。此時閘門的開度信息、運行狀態可以在現地控制柜上的文本顯示屏進行顯示輸出，并同時上傳到監控主機顯示。如發生錯誤，則發出報警并停止閘門運行。

圖3  系統軟件控制流程圖

　　當W2．05復位時，進行集中開環控制。遠程開環控制可以在監控主機上點擊操作界面(本系統采用的是組態王)上的升、降、停按鈕，完成對閘門的遠程控制。當升、降、停按鈕被點擊時，主機會置位集中控制級PLC 的存儲位，并通過CompoBus／S總線將置位信息傳送給分散控制級PLC，其內存地址為W2.00、W2.01、W2.02。CP1H根據此三個開關量的狀態進行閘門操作。考慮到升、降、停的快速切換可能會導致出錯，所以要全都采用了互鎖。當有錯誤發生時不管閘門的運行在何種狀態都必須馬上停止閘門，并發出報警，直到錯誤排出后，通過CP1H的故障復位按鈕(CIO1.09)清除故障報警，并重新運行。

　　閘位的采集通過8位增量式旋轉編碼器輸入得到。其輸入通道為CIO0.00～CIO0.07。由于編碼器輸入的是格雷碼，所以需要采用格雷碼轉換指令(GRY)將其轉化為BIN(-進制化16進制)數據(存儲與D20)。由于編碼器的位數僅8位，因此還要對編碼器所轉過的圈數(D70)進行軟件的采集計算。最后根據編碼器的圈數D70和此時編碼器的值D20計算閘門的運行距離(D250)。其計算公式為：D250=D70*單圈高度+D20。其流程圖如圖4。

圖4  閘門開度采集子程序

　　系統水位采集時采用的水位傳感器是壓力式水位變送器，輸出信號是4～20mA電流信號。由于PLC 自帶有模擬信號輸入通道，使得標準電流信號可直接輸入PLC(本系統采用CIO200、CIO201分別為閘前、閘后水位輸入通道)，不需要再擴展A／D模塊。模擬信號在PLC模擬輸入通道中自動完成A／D變換。這里的A／D變換全部采用的是線性變換，分辨率為1／6000或者1／12000，分辨率的選擇通過PLC設定。閘門運行時的錯誤信息主要包括：閘門卡滯，閘門運行失速， 以及閘門開度過大引起的上升越限和下降過度引起的下越陷等。這些錯誤信息的采集比較簡單，這里就不詳細介紹。

5 　總結

　　系統自投運以來，取得了顯著的效益，體現在以下幾個方面：

　　（1）提高了設備的使用效率。本方案通過對閘門控制的綜合自動化，排除以往靠人工觀察和經驗進行操作，實現河壩閘門的優化運行，降低了主體設備的損壞率，延長其使用壽命和維護周期，每年節省備件消耗可達百萬元同時本方案采用了實時負荷控制，提高設備的利用率，減少了設備的空轉率，實現節能3%~5%。

　　（2）增強了可靠性和安全性。本設計方案實現了主體設備的聯鎖控制和異常報警和及時關停。工程師站設立授權以對有關參數進行修改，主控站以授權方式操作，避免了人為誤操作等可能造成的設備損壞，增強了系統運行的安全性、可靠性。

　　（3）減輕了職工的勞動強度自動控制 本設計方案實現集控室的遠程監視并相應進行相應操作即可，現場只需不定期巡視，減少了職工的所需數量和勞動強度，達到減員增效的目的自動控制