浅谈PLC在宝应船闸的应用

浅谈PLC在宝应船闸扩容工程中的应用 单位：江苏省宝应船闸管理所 作者：徐立新 日期：2013年10月08日目录一、概述21.1 船闸简述21.2 船闸扩容2二、PLC在船闸中的应用22.1 PLC的应用22.2欧姆龙PLC在宝应船闸控制系统的构成32.3 PLC硬件配置42.4宝应船闸控制系统组成42.5控制系统的功能52.6系统运行故障的处理62.6.1电机驱动回路应故障62.6.2控制回路故障62.6.3液压系统故障62.6.4 上位机、PLC、触摸屏及网络系统故障72.6.5 水位计故障72.6.6 开度及限位开关故障检测72.6.7 上下游闭锁信号故障72.6.8 PLC采集模块故障72.6.9 其它故障7四、参考文献88一、概述1.1 船闸简述宝应船闸上游连接京杭大运河,下游连接盐宝线航道,是苏北大运河通往里下河地区的重要水上枢纽。始建于1968年，1969年竣工并投入使用。闸室长135米，宽13米，正常水落差5.5米,设计年通过量300万吨。实行24小时不间断通航运行，是全省重点加强通航管理的船闸之一。1.2 船闸扩容近年来随着水运事业不断改造升级，原设计年通过量300万吨的宝应船闸已成为京杭运河航线上最拥挤的船闸，严重不能适应船舶过闸量的增加、船型标准化、和船舶吨位提高的需要，而且规模等级达不到四级通航建筑物的标准，成为制约京杭运河到里下河地区的航运瓶颈，因此于2011年5月正式对宝应船闸投资1.6亿元进行扩容改造扩容改造，闸室尺寸23*180*4米，输水方式由短廊道集中输水改为长分散廊道，年通过能力由300万吨提升至3600万吨，闸室尺寸23*180*4米，打破制约京杭运河到里下河地区的航运瓶颈。宝应船闸扩容后，盐宝线将成为苏北运河通往里下河地区的“黄金水道”，成为内河地区策应国家沿海开发的战略通道。因此在扩容改造工程中，根据船闸运行安全畅通要求，船闸运行电气控制系统的高度自动化，运行安全可靠、故障率低、便于维保成为设计重点和客观需求。二、PLC在船闸中的应用2.1 PLC的应用 随着计算机技术和通信技术的迅猛，PLC采用微处理器作为其控制核心，它的功能已不再局限于逻辑控制的范畴。因此，1980年美国电气制造协会(NEMA)将其命名为Programmable Controller(PC)，但为避免与个人计算机(Personal Computer)的简称PC混淆，习惯上仍将其称为PLC。 可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。它还具有模块化结构、配置灵活、编程简化、功能完善、可靠性高、抗干扰能力强等特点，被广泛使用。 根据过闸流程和宝应船闸人字闸门和平板阀门、启闭机形式以及输水方式等要求，宝应船闸采用液压直推式启闭机，液压泵站系统是派克汉尼汾流体传动产品（上海）有限公司生产，配电液比例变量泵。电气控制系统采用机电人员熟悉的OMRON欧姆龙PLC控制,现本人参加宝应船闸扩容改造电气施工监理，对宝应船闸PLC控制系统应用和检测做以下介绍。2.2欧姆龙PLC在宝应船闸控制系统的构成 考虑到船闸控制运行的安全性，可靠性等因素，船闸控制系统采用计算机集散控制系统结构，控制中心是船闸的核心，它由工作站、数据库服务器、交换机、监控主机、打印机等共同组成，实现对船闸的集中控制、数据管理、统计报表及打印功能等，下位机则为由四套OMRON的PLC分别实现现地对上、下闸首闸、阀门等机械设备的现地控制，两者之间通过专用电缆相连。另外，在闸首机房动力控制柜现地考虑应急控制按钮供船闸紧急情况及维修调试等场合下使用。 控制系统采用冗余光纤工业以太网交换机把控制系统网络组成环型结构，网络通信协议采用TCP/IP+以太网协议，通过100Mbps全双工交换方式。单模光纤环网实现船闸监控中心监控主机和上、下闸首机房现地PLC之间及上、下闸首机房现地PLC之间的网络通信。由于光纤环网具有线路冗余功能及属于完全工业级的网络产品，具有电源冗余和环网切换时间500ms等优点，极大地提高了控制系统网络传输地可靠性，同时也保证了数据传输的实时性。船闸PLC网络连接图2.3 PLC硬件配置CPU模块：CS1G-CPU43H电源模块：C200HW-PA204开关量输入模块：CS1W-ID231开关量输出模块：CS1-OD231模拟量输入模块：CS1W-161-V1模拟量输出模块:CS1W-DA041以太网模块：CS1W-ETN21CLK模块：CS1W-CLK232.4宝应船闸控制系统组成 宝应船闸控制系统采用三级控制系统,由现地手动后备控制级、PLC分散程控级组成，集中程序控制级组成。分别在上下游闸首配置工控机控制，是以通讯网络为纽带的三级控制系统。以集中控制为主，手动后备控制用于现场检修、调试时使用。系统采用兼容性好应用广泛的windows XP操作系统、Webacess组态软件、SQL数据库等软件，提高了系统的稳定性。2.5控制系统的功能u 对动力柜主开关、闸、阀门、通航灯、照明灯进行PLC集散控制和直接手动控制。u 调速功能 以前宝应船闸的闸门的调速是根据开度仪的开度量进行变频调速，扩容后的闸门调速是通过电控比例阀调整变量泵的流量来调速。 人字门运行时负载较大，根据水动力特性试验可知。负载将按一定的规律变化。因此人字门必须按“慢-快-慢”运行方式进行开、关门动作，并且在开关接近终位时左、右人字门的同步处理达到同时开关终的目的。根据闸门开度的反馈，由PLC的D/A模块输出0-10V电压给放大板控制比例阀，通过比例阀位移控制轴向柱塞变量泵斜盘的倾角来改变油泵输出流量大小，流量的大小控制油缸控制油缸的伸缩速度，油缸带动人字门，在电磁阀按顺序动作油路畅通下，实现闸阀门慢-快-慢的调速要求。u 数据采集、打印功能 对上下游和闸室中的水位、闸、阀门的开度、启闭设备运行卡状态、电气参数（电流、电压、功率、变压器状态）进行实时采集、处理、传输、显示、打印。电气参数通过高低压柜上安装的数字仪表的RS485通讯接口接入PLC，装于现场的水位压力传感器测得上游、闸室、下游水位变化，并产生相对于量程范围的4-20mA电流信号，经信号处理后产生上游水位、闸室水位、下游水位以及上游与闸室水位差和下游与闸室水位差信号，该信号一路送到控制屏进行LED数显，另一路通过RS-485总线送入工控机。水位仪检测的上、下游与闸室水位平信号直接输入到PLC。装于闸阀门阀门油缸上的开度仪将各个工作闸阀门开关度的量程信号以开关量形式送入到PLC，PLC根据输入的运行操作程序驱动相应中间继电器控制相应电机的启停完成对工作闸门的启闭。 各运行交通指示灯来的状态信号、运行信号、操作信号和故障信号均以开关量形式送入到PLC，PLC根据程序亮灭相应指示灯。 PLC通过RS-485总线完成与工控机的通讯，控制室操作员在控制台计算机上可通过键盘、鼠标实现运行控制。 控制中心服务器主机以局域网的形式与工控机相连，在主机上可随时了解到船闸各个控制设备运行情况，并具有打印功能。u 报警、保护和显示功能 本系统可通过数据的采集功能，对运行状态以及各种参数进行监测，一旦发现不正常状态如限位失常、电流超限、欠压、短路等，系统会报警，并自动进行相应的操作、停止设备运行。在显示器上及时弹出报警窗口，发出警声并提示报警原因，保证了设备的安全，阻止了故障的扩大，给机电保养人员提供了故障信息，使设备得到便捷准确的维修。 现场显示器能显示每个闸阀门的开度、上下游、闸室内的水位、电气参数和限位开关的状况以及液压系统的压力，使操作和维护人员较为直观的观察了解到设备的运行状态。2.6系统运行故障的处理为保证系统能安全可靠运行，控制系统具有系统故障检测与报警功能。根据故障对设备安全运行的影响，将故障分为3个等级：非停机类故障（如水位传感器故障，一般通讯故障等），仅做报警显示，不影响系统运行。停机类故障（如电机过流/未启动，油温油压不正常等），出现故障后，系统禁止运行，如系统正在运行，则进入停机。紧急故障（如闭锁信号丢失，与集控通讯故障等），出现故障后，系统禁止集中控制和程序控制运行，如果系统正在运行，同时系统自动采用相应动作保护系统安全。 2.6.1电机驱动回路应故障 电机驱动回路主要由断路器、交流接触器、热继电器组成，具有过流、过载、欠压及缺相等保护功能，PLC通过对动力电源三相电压监测、电机电流监测、断路器分断监测、交流接触器吸合监测、热继电器动作监测等信号，综合判断电机驱动回路有无故障、故障类别，并准确定位故障位置。 2.6.2控制回路故障交流控制电压由UPS输出经小型断路器隔离，PLC检测UPS进线电压值及小型断路器分断情况，具过载、短路、过流、失压等保护、故障判断及报警功能。直流控制电压由外部24V直流稳压电源输出经小型断路器隔离，PLC检测24V直流稳压电源输出电流值及小型断路器分断情况，同样具过载、短路、过流、失压等保护、故障判断及报警功能。 2.6.3液压系统故障PLC通过实时采集液压启闭机系统上的系统油压传感器信号，在现地和集中控制室提供油压监测数据，并可根据船闸开/关阀门运行时系统压力的变化规律，实现对液压启闭机系统的保护。PLC还实时采集液压系统的电磁阀阀件工作状态、油温、油位、压力报警继电器、过滤器等信号，进行故障报警、定位及应急处理，保护液压系统的安全运行。 2.6.4 上位机、PLC、触摸屏及网络系统故障上位机、PLC、触摸屏在运行过程中通过自检及相互通讯是否正常，判断各设备及网络通讯是否故障并进行相应处理，保证整个控制系统安全运行，例如：在集控运行状态下，如发现网络故障，各现地站应立即中断集控运行，并由集控状态切换至现地后备控制状态，保证操作人员在现地顺利的运行操作。 2.6.5 水位计故障水位计是影响船闸安全可靠运行重要传感器之一，水平信号发布准确性将直接影响闸门的安全开启，保证闸门开门两侧水位差30cm。 2.6.6 开度及限位开关故障检测通过双限位开关发讯位置、时间差异的比较，并配合开度仪在各位置的读数，开度仪读数的变化速度及稳定性等，程序工步过长或过短检测，自动判断各限位开关及开度仪是否处于故障状态，保证开度仪读数的正确性及闸、阀门的精确控制。 2.6.7 上下游闭锁信号故障准确可靠的上下游闭锁信号是保证安全闸、阀门开启的基本条件，在输水过程中（非开通闸状态下），一旦发生闭锁信号丢失故障，系统应自动采取紧急关阀措施。 2.6.8 PLC采集模块故障完善的PLC开关量输入模块（DI）/开关量输出模块（DO）和模拟量输入模块（AI）检测，一旦发现采集模块故障，系统应自动停机并准确定位故障位置。 2.6.9 其它故障以上列举了部分影响系统安全可靠运行的故障的检测、报警及处理方法，还有许多其他故障，如：闸阀门启闭超时、闸阀门启闭超行程等，根据船闸控制系统设计实施的经验，进一步完善了船闸运行故障检测、报警及紧急处理的功能，能确保船闸安全可靠运行。三、结束语欧姆龙PLC在宝应船闸的应用，将大提高了船闸运行电气自动化程度，双限位的互锁加上PLC程序互锁，将为机电设备的安全运行提供了保障；报警提示和保护功能，即能及时保护了设备的安全又能给机电保养人员准确判断故障和快捷排除故障提供条件. 通过温度传感器控制加热棒工作，确保液压油温在指定温度内工作；通过闸室地板的压力传感器提供的数据，监测船闸结构的变化状况。 四、参考文献1、微机可编程序控制器原理、使用及应用实例耿文学、华熔