浅谈水电站闸门PLC远程监控系统

摘要：传统的液压启闭机控制系统通常是采用继电接触器线路来控制闸门的运行。这种系统的最大缺点就是线路复杂，维护工作繁重，操作麻烦，可靠性低，故障率高。故本论文主要浅要讨论基于plc的闸门控制系统，水电站闸门的传统继电器控制和卷扬启闭机正反转控制闸门升降的模式；采用plc和液压控制的模式对闸门进行控制。
关键词：闸门；plc；监控系统
在水工建筑物的固定式和移动式机械中占有重要地位的闸门启闭机械，早期以绳毅式、链条式、多节拉杆式为主，但由于其操作的不是自由悬挂的重物，而是沿导向门槽作上下移动或者是绕着支绞作旋转运动的闸门。可靠性，安全系数低，很难精确的控制。
随着经济和液压技术的不断发展，传动稳定的液压启闭机逐步取代了那些比较落后的绳毅式、链条式、多节拉杆式的启闭机。作为一种比较完善而又经济的先进的传动装置，其动力机构为油缸，由于油缸能够产生很大的下压力，所以，当采用液压启闭机操作闸门下降时，闸门就无需加重，因此也就可以减少驱动装置的额定启升容量。
一种典型的水闸自动化监控系统，其现地控制单元lcu(local control unit)有的采用8位或16位单片机，致命的缺点是不便于扩充；而可编程控制器(programmable logic controller)简称plc因其具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及pid回路调节等功能在闸门监控系统中得到了广泛的应用。plc更符合工业现场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。
由于传统的液压启闭机控制系统存在控制线路复杂，维护工作繁重，可靠性低，不能对整个水电站进行自动控制，远程通讯能力欠缺等缺点和局限性，所以越来越不能满足水电站的生产发展。
1分布式监控系统的介绍
在我国的自动化控制领域中自动化控制系统主要分为分布式监控系统和集中式监控系统。分布式监控系统以控制对象分散为主要特征。以控制对象为单元设置多套相应的装置，构成现地控制单元，完成控制对象的数据采集和处理、电机机组等主要设备的控制和调节以及装置的数据通信等。每孔闸门或一定数量的闸门配置一个现地控制单元(local controlunit，简称lcu)，每个lcu可构成一个独立的控制回路。其中某一个现场控制单元发生故障不会影响其他现场控制单元的正常工作。
2分布式系统在闸门监控系统中的运用
控制系统采用分层分布式结构，一个较标准的plc闸群控制系统的总体结构图，其可分为三层式结构：现地控制层、集中控制层和远程监控层。
现地控制层的每孔闸门配置一个现地plc，收集闸位、水位和各种现场开关量、模拟量信息并上传至集控层plc，同时接受集控plc的命令并通过接口执行。集控层plc主要目的是作为上位机和现地plc交互信息的硬件中转站，有着速度快、功能强大和稳定性高等特点。集控层上位机的人机交互系统一般由相应的组态软件构成，在监控闸群系统的同时，肩负着与远程监控层交互信息的功能，因此远地监控层也可通过公众网络或专用网络实时监测闸群控制的状况。
具体来说，该控制方案有着以下显著优点：
(1)现地plc功能强大：由于是工业级产品，现地层plc均为模块化结构，设计、安装、维护非常方便；且功能强大、稳定性高、可扩展性强；设备接口种类的选择面也很广。
(2)集控层功能增强：集控层在上位机和现地plc之间加设了高性能的主控plc，作为硬件的信息中转站，使得集控层工作更稳定；同时，由于分担了上位机的大部分工作，因此上位机可增加上传通讯的功能，使得建立更高级的远地监控层成为现实。
(3)增加了远地监控层：在闸群控制的发展方向上，江河流域控制以及跨流域控制是其中重要的一项内容。因此，远地监控层的建立成为必然趋势，而plc系统的强大功能为其建立打下了坚实的基础。
3闸门监控系统的主从站plc选择
3.1闸门监控系统从站plc的选择
闸控系统从站plc主要用于接受主站命令和上传现场信息，因此较强的实时通讯能力是必备的。由于现场的闸位信息、荷重信息和水位信息需要在本地计算和显示，所以从站plc不能只具备输入/输出功能，还必须具有一定的计算能力，即现场智能设备必须具备cpu单元。另外，由于闸控现场需要一些必要的开关量输入/输出的信号交互，因此如果从站plc能集成一定数量的dl/do点。
3.2闸控系统的主站plc选择
闸控系统的主站在整个控制系统中起到了承上启下的关键中枢作用。对于下级的现地层设备来说，它负责实时收集全部闸门现场设备的状态信息，并下达相应的操作命令；对于上级的上位机操作系统来说，它负责处理各种现场上传的状态信息并将相应的信息上传给上位机用于显示和判断，同时也接受上位机下达的命令。因此，在主站plc选择上，选择s7-400 系列plc。
4闸门控系统的通讯方式
闸控系统在现场控制层面，采用了porfibus一dp工业现场总线作为集控层与现地层之间的通讯方式。从站plc通过profibus一dp总线与集中控制层的主站plc采用主——从方式连网通讯，现场各种外围设备的状态信息均通过从站上传到主站中，同时主站也通过分布在相应闸门旁的从站向现场控制和保护设备发送命令。在集中控制层面，采用的工业以太网的通讯方式。主站plc通过以太网口直接与上位机连接，采用以太网通讯的方式与上位机交互信息。上位机采用wincc软件对现地控制层和集中控制层进行组态和建立人机交互界面。
profibus-dp经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统和设备己分散的i/0之间通信设计，使用profibus-dp模块可取代价格昂贵的24v或0～20ma并行信号线。profibus-dp用于分布式控制系统的高速数据传.输。
profibus-dp的基本功能有：dp主站和dp从站间的循环用户数据传送；各dp从站的动态激活和解除激活；检查dp从站的组态；强大的诊断功能，三级诊断信息(本站诊断、模块诊断、通道诊断)；输入或输出的同步；通过总线给dp从站分配地址：保证每个dp从站最大为246字节的输入和输出数据：通过总线给dp主站进行配置。
与传统的控制方法相比，profibus 闸门监控系统有以下突出优点：①用一条电缆实现现场设备和现场控制了系统的转连以及现场控制了系统和集中控制级系统及中央控制级系统的转连，使用数字化通信代替了4～20 ma或24v dc信号，增强了现场级信息集成量；②系统的开放性、可操作性、转换性大大增强，不同厂家的产品和专长技术只要使用同一总线标准，即可进行系统集成；③系统的可靠性、可维护性好，采用profibus连接方式替代一对一的i/ o连接，减少了由接线点造成的不可靠因素，同时系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，增强了系统的可维修性；④降低了系统及工程造价
对于大范围、大规模i/ o的分布式系统，profibus节省了大量的线缆，i/o模块及电缆敷设工程费用，从而减少了工程成本.综上所述，profibus现场总线技术对于闸门监控系统提供了可行的解决方案，代表着控制技术数字化、智能化、网络化的发展方向，具有广阔的应用前景。
5总结
本论文主要浅要讨论基于plc的闸门控制系统，水电站闸门的传统继电器控制和卷扬启闭机正反转控制闸门升降的模式，采用plc和液压控制的模式对闸门进行控制。
参考文献：
[1]高伟.基于profibus-dp现场总线的闸门监控系统的设计与实现[j]. 西安石油学院学报， 2003.5， 18（3）：73～75
[2]顾燕，徐立中，孙保平，刘大奎.基于现场总线的分布式闸门监控系统[j].水利水文自动化，2001，(2)：16～18