PLC在长洲水利枢纽三线四线船闸控制系统的应用

刘俊江

（广西西江投资集团有限公司长洲三线四线船闸管理处 广西梧州 543100）

PLC在长洲水利枢纽三线四线船闸控制系统的应用

刘俊江

（广西西江投资集团有限公司长洲三线四线船闸管理处 广西梧州 543100）

本文介绍了PLC的主要功能，主要分析了PLC在长洲水利枢纽三线四线船闸控制系统的具体应用，以期提升我国船闸企业的生产质量及效率，使之更好地为国家和社会的发展、建设服务。

船闸；PLC；生产；机电一体化；有效应用

1 前言

PLC属于逻辑控制设备中的一种，在结构上主要由各个模块组成。因此，将PLC应用在一体化的机电生产系统中，PLC可对生产设备进行有效操控，为机电系统能够抗干扰、灵活的开展生产活动提供了有效保障。近些年来，在微电子、网络以及计算机技术快速发展和普及使用的社会背景下，PLC已经广泛应用到我国的船闸控制中，实践表明，PLC的有效使用，使得船闸在自动化控制水平有了很大提高。

2 PLC的基本概述

PLC属于电子装置的一种，最适用于工业环境条件下的应用。因PLC的存储器具有编程功能，因此，该项技术可以用来执行顺序运算、逻辑运算、计数以及计时等多项操作指令。同时，PLC也可采用模拟式或者数字式的输出、输入操作对生产系统中的各类生产过程以及机械生产操作进行有效控制。本文主要总结PLC的功能如下：控制顺序，这一功能转变了以往继电器中的顺序控制，可以增加生产企业的生产效率，增长了企业的经济利益；联网通信功能；控制程序功能；处理数据功能。PLC技术在使用中可构成相应的监控系统，在对生产过程控制时主要通过采集及处理数据来完成。基于上述分析可知，PLC在企业的生产活动中具有很高的应用价值，为机电企业实现一体化生产提供了重要保障。其中，PLC的构成如图1所示，以下所列各个组成部分均在运行过程中有着各自的作用，且各具特点具有自己的特点。

图1 PLC构成图

3 长洲水利枢纽三线四线船闸工程概况

长洲水利枢纽三线四线船闸工程位于梧州市上游12km的西江干线上，是广西打造西江亿吨黄金水道，解决广西内河运输瓶颈的一个关键项目，是世界上通过能力最大的单级船闸。工程按一级船闸建设，主要建设3000t级船闸两座、总长4.5km的上下引航道，有效尺度为340m×34m×5.8m（长×宽×门槛水深），设计年单向通过能力9600万t。

长洲水利枢纽三四线船闸控制系统由北京机械工业自动化研究所提供，结合北京机械工业自动化研究所在船闸行业内丰富的实践经验，将长洲三线、四线船闸工程设计为管理系统和控制系统融为一体的管控一体化系统，实现各种信息的无缝连接及资源共享。

整个管控系统采用“集中监视管理、分散控制”的多层分布式结构，并由四个层次现地设备层、现地控制层、集中控制层和计算机信息管理层组成，进而实现对船闸的机电设备、控制设备、网络设备和船闸运行的自动化、信息化的控制和管理。此外，系统根据集中控制和就地分散控制相结合的原则进行总体设计，最终完成了船闸自动控制系统、船闸通信系统、船闸工业电视监控系统和四线船闸联合调度信息管理系统。

4 PLC在长洲水利枢纽三线四线船闸控制系统中的具体应用

4.1 系统结构与组成

长洲水利枢纽三线四线船闸管控系统采用“集中监视管理、分散控制”的多层分布式结构，由四个层次现地设备层、现地控制层、集中控制层和计算机信息管理层构成，实现对船闸的机电设备、控制设备、网络设备和船闸运行的自动化、信息化的控制和管理。

4.1.1 现地设备层

该层主要由三、四线船闸的上、下闸首机房及两闸间连通阀机房内外各现场机电设备组成，主要包括：电机、液压泵站、开度仪、行程开关、水位计、交通信号灯等设备。

4.1.2 现地控制层

该层主要由三线、四线船闸上闸首机房、下闸首机房及两闸间连通阀机房内的PLC控制设备组成。主要完成对现地设备层各设备运行/故障信号的采集和控制。

PLC系统配置为双机热备系统，即双机架，双CPU、双电源、双远程I/O网络、双以太网通讯，以保证系统的高度可靠性。热备系统的数据交换，采用100M光纤，直接连接至CPU的热备光纤接口，以保证数据交换的效率。

自动控制系统采用工业以太网交换机把控制系统网络组成双环形结构，网络通信协议采用TCP/IP，通过光纤环网实现船闸监控中心上位机和上、下闸首现地控制室PLC之间的网络通信。由于光纤环网具有线路冗余功能且环网切换时间短，属于工业级的网络产品，极大提高了控制系统网络传输的可靠性，同时也保证了数据传输的实时性。

CPU双机热备的PLC主站向下与4个远程EIO站采用环形以太网进行通信，交换机支持双环网（MRP和RSTP协议）。向上通过双环形工业以太网与监控中心CPU双机热备的PLC及上位机进行通信。

4.1.3 集中控制层

该层由四台监控上位机、二套IO服务器、一套实时数据库服务器、一套网络设备、一套UPS不间断电源及雷电保护装置等组成。二台监控上位机用于监视一线、二线船闸的过闸作业情况，另二台监控上位机用于监视三线、四线船闸的过闸作业情况。两套IO服务器互为冗余热备，以提高数据采集和存储的可靠性。本层主要完成对三、四线船闸的过闸作业集中控制操作、照明控制、PLC系统编程、功能组态、控制参数在线修改和设置及打印、故障报警等功能，能直观地显示一线-四线船闸各工艺流程段的实时工况、各工艺参数的趋势画面，使操作人员及时掌握船闸的运行情况。

4.1.4 计算机信息管理层

该层为一线-四线船闸的管理局域网络，它一方面可以接收集中控制层传送来的各种实时数据和历史数据，以便各部门管理人员随时了解船闸运行的各类实时运行状况和历史数据，对数据进行管理，形成报表，将报表情况及时通过网络系统上传上级管理部门；另一方面承担着整个1～4线船闸的调度管理。

4.2 控制系统控制方式

长洲三、四线船闸控制方式分现地控制、集中控制和点动控制三种。现地控制是指运行人员利用设置在上下闸首左侧现地控制柜上的触摸屏实现对左右闸阀门的单项运行控制。控制柜上设置“本侧/双侧/对侧”选择按钮，可实现对本闸首左、右闸阀门的同步操作或单机操作。集中控制在船闸监控中心实现的程序操作和单项操作。在集控室可通过上位机完成程序控制、单项控制操作。在现地上下闸首的左侧机房可通过控制柜上的触摸屏完成本闸首单项控制。在控制柜上设有红色蘑菇头急停按钮，操作员按下急停按钮能立即切断四个现地机房控制动力电源，确保人身和设备的安全。

以上两种控制方式都是由可编程控制器（PLC）完成的。

点动控制是利用动力柜上的点动操作按钮以及现地控制柜触摸屏中的点动操作按钮进行点动操作。设备调试阶段和设备检修时，在不影响系统安全的前提下控制电机、电磁阀得电或单独运行，以便对局部设备或线路进行检修、维护。当将控制柜上的“程控/点动”钥匙选择开关扳到“点动”时，点动操作回路得电。如果PLC工作正常，将任一控制柜上的“程控/点动”钥匙选择开关扳到“点动”时，所有PLC电机、电磁阀输出禁止，同时在现地和上位机发出报警提示。此种方式只用于设备调试阶段和设备检修时。

4.3 控制系统工艺流程

此次船闸控制分为三种工艺流程：

（1）上下游水位差大于8m（由现场确定）时，开启连通闸工作阀门，三、四线船闸互充互泄水，当两闸室内水位差小于4m时，再开启输水廊道充、泄水阀门进行充水或泄水；

（2）上下游水位差大于4m小于8m（由现场确定）时，无需连通闸工作阀门工作，三、四线船闸可独自完成充泄水，可以一线充水、另一线泄水，但不能两线船闸同时充水或泄水；

（3）上下游水位差小于4m（最终由现场确定）时，三、四线船闸可以同时充水或泄水。

4.4 控制系统保护功能

（1）控制系统控制回路具备过载、短路、失压等保护功能。

控制系统每个回路都设有断路器，对控制回路进行过载、短路保护。对于PLC控制电源回路，还设置了电源滤波器，防止对PLC控制电源的干扰。

（2）各种操作方式之间有互琐、闸阀门之间有符合船闸工艺的闭锁，所有违反船闸工艺流程和操作规程的操作均无效。除此之外，为确保在用上位机进行操作时不发生误操作，对关键的操作设置重复确认，在上位机还可设置口令保护。

（3）液压系统的监测保护。根据液压系统承包商提供的接口，控制系统对液压泵站的监视保护主要包括液压系统压力（包括压力传感器和压力继电器）、油位、油温、油过滤器堵塞等。

（4）主要电气元件的状态、参数监测。

控制系统根据故障对设备安全运行的影响，将故障分为三个等级：

非停机类故障——如水位计故障，仅作报警显示，不影响系统运行

停机类故障——如液压泵站压力过高/过低，电机故障等，该类故障出现后，系统禁止运行同时发出报警信息。如果系统正在运行中，直接进入停机状态。

紧急故障——上下游闸阀门互锁信号消失等，此类故障一旦出现，系统禁止运行同时发出报警信息，同时如果系统正在运行，自动采取相应动作以保证系统安全。例如，上闸首正在执行开阀门动作，这时如果下游闸阀门闭锁信号消失，上游开阀门动作自动转为强落阀门动作，同时发出声光报警。

4.5 控制系统软件

PLC编程组态软件UnityPro，UnityPro是一个基于Windows环境的编程软件套件，为整个控制系统的开发提供一个统一的开发环境，借助于熟悉、标准的编辑器，用户可在同一数据库中使PLC程序、通讯、诊断等有机的结合在一起。UnityPro能使用户快速、高效地开发、调试、维护、扩展控制系统软件，减少人力的投入，大大降低软件成本、提高工作效率。UnityPro提供了使用简单、友好的用户界面，可重复使用的程序、强劲的搜索功能、自由格式的图形编辑器、完善的在线帮助，使得对自动化控制系统的程序编写软件调试系统无与伦比的简单。

4.6 控制系统应用软件

（1）PLC应用软件

现地PLC应用程序是在施耐德电气公司的UNITY PRO软件下编制的，它是船闸控制系统运行的核心。船闸在正常控制系统的运行是靠PLC应用程序的执行。在设备选型先进可靠的基础下，现地PLC应用程序编制的是否周密、完善，对船闸能否安全可靠的运行起主导作用。同时完善的应用程序也可以最大程度的发挥PLC等先进设备的优越性能。

（2）上位机图形监控及管理软件

上位机图形监控及管理软件是在INTOUCH 2012 R2的基础上组态开发的应用程序。主要功能包括：船闸操作流程简介、船闸集控运行操作、船闸运行工况实时显示、控制系统设备在线监视、故障报警显示及报警信息提示、运行操作记录及统计、消防泵站设备监测、运行及故障报表的自动生成、管理及打印、船闸相关数据的统计及趋势分析、自动广播等。

（3）触摸屏软件

现地触摸屏应用软件在施耐德电气公司的Vijeo Designer软件下编制而成。画面主要包括：操作员登录画面、操作运行主画面、本闸首液压泵站系统监视画面、报警画面等。实现船闸控制设备的在线监测，包括闸阀门限位开关、开度、水位计、交通信号灯、电机、液压泵站系统（电磁阀、比例泵放大器、电加热、压力、油温、液位）等参数，完成本闸首左右两侧闸阀门的单项操作（本侧/双侧/对侧运行），支持报警、停机信息实时查询。

5 结束语

综上所述，随着水运物流业的发展，对船闸的自动化水平也有了更高的要求，积极探讨PLC在船闸中的应用意义深远。PLC作为一种现代化的新型科技技术，在自动控制系统应用广泛，加之与网络、计算机等先进技术的有机结合，可以帮助生产企业的生产系统在更少的经济投入基础上实现高效生产的目的，这正充分展现了PLC的经济、环保、节能、高效等应用优势。为满足生产企业对PLC的实际使用需求，相关单位应该不断加强对该项技术的研发和改进，以促进船闸自动化水平的稳定发展。

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[2]张振国.PLC技术在电气工程自动化控制中的应用[J].电子技术与软件工程，2015，13（09）：163.

[3]冯占营.浅谈PLC在机电一体化生产系统中的应用[J].河南科技，2013（11）.

U641.5

A

1004-7344（2016）02-0272-02

2015-12-30

刘俊江（1983-），男，助理工程师，本科，主要从事对水电厂、船闸设备的运行及维护工作，现负责长洲水利枢纽三线四线船闸设备的维护、技术把关工作。