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摘要：本文紧密结合工程设计的需要，对PLC的关键技术进行了分析，阐述传感器输出4—20mA电流转换为实际工程值，闸门开度测量等关键技术有效解决方法。该系统设计思想新颖，实用，对从事水利自动化的工程技术人员有着很好的借鉴作用。该系统在实际工程中得到成功的应用。
关键词：可编程逻辑控制器（PLC）；闸门开度测量；现地控制单元(LCU)
0 引言
临泉县杨桥闸枢纽分设节制闸和分洪闸，节制闸设计规模7孔；分洪闸设计规模28孔，监控系统对两个闸门分别进行控制和管理，由于该工程区域地处雷电多发地区，因此从系统通信和网络信号的传输的可靠性考虑，采用光纤以太网的组网方式。
1 监控系统结构
1.1 系统组网方案如图1所示系统结构框图
图1 闸门监控系统框图
系统包括中控室上位机监控系统、现地测控单元、扬压力监测系统、工业电视监控系统。
中控室配置24口工业级网络交换机，闸门监控主机、通信主机、多媒体工作站等设备通过交换机接入主干网。中控室监控系统可与远程计算机监控系统、水情自动测报系统互联，交互数据通信信息，系统提供TCP/IP和UDP接口用于上级调度系统的互联。
分洪闸和节制闸启闭机房内分别配置台光端机，将启闭机机房以及节制闸和分洪闸上下游的视频信号传递到监控主机。分洪闸7个LCU单元的PLC，节制闸2个LCU单元的PLC的信号分别通过光端机接入主干网。现地控制单元PLC模块通过4-20MA实现与闸门开度，荷重，智能化测量仪表的数据采集，在10LCU实现上下游水位，10个渗压测点的扬压力，柴油发电机组参数控制采集单元与上位机的通信通信，整个系统组成工业计算机以太网。
1.2 系统硬件配置
中控室设有2台调度员工作站/工程师工作站及1台通信工作站、打印机及UPS电源组成，在中控室调度中心能完成对闸门启闭机、柴油发电机组、电高低压侧电参量、闸门扬压力、上下游水位的远程实现时监控；工况的图像实时监控和录制；可将监控和监测数据实时上传回调度中心计算机系统，并可执行调度中心传来的调试命令；
现地控制单元（LCU）选择美国GE公司VersaMax系列可编程序控制器PLC，采用IC200CPUE05型CPU模块，对于1-9LCU模拟量输人模块IC200ALG260 ( A I )2块，分别对4个启闭机的开度，荷重传感器的输出以及电压、电流表4—20mA的模拟量进行测量；数字量输人模块IC200MDL640( D I )3块，检测开度信号到位，荷重报警，现地/远方及启闭机的工作状态等数字信号输入；数字量输出模块IC200MDL740(DO )1块，开关信号，对4个启闭机进行升降停控制。对10LCU则略去一块模拟量输入模块(AI)，主要用于水位，变压器电压、电流的采集，数字量输人模块( D I )检测配电设备的工作状态；数字量输出模块(DO )对配电设备和柴油发电机的启动和停止进行控制。
工业电视监控系统29台摄像机组成，分别用于监视启闭机房内设备，分洪闸和节制闸上、下游河道情况及闸门工作情况。控制室内配有1台32路数字硬盘录像机和1套矩阵控制主机，主要完成对前端摄像机的图像采集、浏览、录像和回放，摄像机云台和解码器的控制。
杨桥闸枢纽共纳入自动化监测的渗压点为10个，上、下游水位计2点，共计12个测点，在控制室内能通过数据采集单元对各个监测点进行巡测和指定某个点的实时监测，集中控制室与数据采集单元之间及被监测点之间的通信安全可靠。
2 监控系统软件设计思想
2.1人机界面软件模块功能
本项目闸门监控中心计算机的人机界面软件开发系统MCGS，运行平台为WINxp以上的中文操作系统，软件的开发平台为Delphi5.0,并以其为界面和数据库的编程工具，采用多线程编程方式。
(1)控制功能。调度人员只需图标激活的方式完成闸门操作员可通过键盘和鼠标对闸门进行远方控制，即：单孔和批量多孔控制闸门起闭控制；闸门开度设定。柴油发动机启动和停止的远方控制。操作简单，可靠性安全性极高。
(2) 安全保护功能。有故障时， 系统通过电铃、语音、画面显示报警，给出事故处理指示。
(3) 系统生成的运行日志、操作记录、运行状态等各种报表均可通过CRT显示或打印出来。当发生系统故障，系统将事故发生时刻前后一段时间内系统所采集到的所有参数保存下来,以供事故分析。
(4) 发现故障自动报警。能随机诊断自身设备, 有故障时， 系统通过电铃、语音、画面显示报警，给出事故处理指示。
(5) 方便、友好的人机界面。显示闸门升降过程、闸门开度实时值、当前泄水流量、报警信号及电机运行电压、电流等所有可以显示的参数均以图形显示出来。
(6) 数据检索和报表功能。可以检索和以报表形式显示、打印自诊断结果、设备状况、报警信息、流量、水量、开闸次数、运行时间动作次数统计、操作人员及有关电气量等。
(7) 报警功能。出现事故、故障时发出声光报警信号。
上位机组态软件动能如图2
图2 监控组态应用软件功能表
3 PLC现地控制单元（LCU）的软件设计思想
3.1 开度信号工程值得转换方法
对于PLC现地控制单元（LCU），闸门开度传感器，荷重传感器，上下游水位传感器，以及电压，电流等模拟信号，都是4—20mA电流输出，然后经A/D转换为数字量值，这些参数，都是实际工程值，必须将各传感器输出的标准4—20mA电流输出转换为相应的工程值。其准确性直接影响数据采集的精度和控制，是闸门监控必须要解决的关键技术。
本系统选择的模拟量输入模块为IC200ALG260，当输入电流为4mA时，对应的A/D转换值为0，当输入电流为20mA时，对应的AD转换值应为32768。按此计算，A/D转换值Val与输入电流值I(mA)之间的关系为：Val = (I-4)×32768/16.38也可写成I=16.38×Val/32768 ＋ 4 (mA) 得 I-4 = Val×16.38/32768 （mA） （1）
假设4mA时对应的工程量记为A1，20mA时的工程量为A2，则输入电流与工程量间的转换系数(也可称为当量或斜率)K＝(A2－A1)/(20-4)。A2－A1为传感器输出工程量量程，20－4为输入电流量程。因为是线性系统传感器输出工程值 ＝ (I－4)×K + A1 （2）单位为工程量位。
由（1）（2）可得(3)式为 Val×A2×16.38/32768 /(20-4)= Val×A2×0.00003124237060546875 + 0.0
例如：如果闸门开度满度值=10.5m 则对任意开度传感器的输出工程值= Val×0.000328044891357421875 利用PLC 的乘法指令很容易实现。根据精度要求，取相应的有效位，系统取0.000328045为开度设定值。传感器输出工程值计算公式可简化为
Val×0.000328045 + 0.0 （4）
公式（4）实现梯形图如图3。aiKD1为1号启闭机（本文中梯形图均以1号启闭机为例）的开度传感器信号4-—20mA值，即上述公式中的Val值。Val值首先整数转换为实数rKDtmp1，乘法器MUL完成公式（4）的前一部分乘法运算。加法器设定初始值A1，即IN2的输入端为0.0。如果考虑A1不为0的时候，IN2的输入端为0..0。乘法器MUL的开度设定值也要根据公式（3）重新计算。工程值rKDval1存于数据寄存器％R中。同时逻辑线圈mKDdone1置位。
以上介绍的方法均可利用于荷重，水位，扬压力，母线电压，电流的采集和工程值的转换。
图3 开度工程值转换梯形图
3.2 闸门开度控制程序
对于开度信号，采集、计算完成后，便可进行闸门开度控制，其控制程序如图4。在上位机处于远方控制时，将闸门开度的设定值送下位机PLC，，如果直接将该设定值与开度采集值比较，由于闸门开度信号的传输延时，闸
图4 闸门开度控制框图
门开度信号大于或小于设定值，闸门电机频繁正反转，造成“超调振荡”，很容易造成电机绕组过热和烧毁。因此在设计中，将设定值0.01的区间,定位为允许误差范围，即设定值+0.01定位上限值，设定值-0.01定位下限值，闸门开度转换工程值如果大于下限值，小于上限值，则启动停机程序，如果闸门开度转换工程值如果大于上限值，则启动闸门降程序，闸门开度转换工程值小于下限值，则启动闸门升程序。
4 闸门开度控制流程
4.1 PLC执行的升闸流程
根据PLC的测点设计情况，在PLC中设定的开闸门时的判别条件是：
接收到来自主控计算机的升闸命令（脉冲信号）；闸门就地/远方操作信号在远方位；闸门电源未投信号无：闸门荷重超限信号无；闸门过负荷动作信号无；荷重未达到最大值的105％；开度小于设定值；无闸门降信号，(由降闸转为升闸应该先停机后才能升闸)；全部满足以上条件后，把闸门启闭机开启信号置高1.5S后撤销。
4.2在PLC中设定的降闸门条件是：
接收到来自主控计算机的降闸命令（脉冲信号）； 闸门就地/远方操作信号在远方位；闸门过负荷动作信号无；开度大于设定值；无闸门升启信号；无闸门启闭机信号；全部满足以上条件后，把闸门启闭机关闭信号置高1,5S后撤销。
4.3 PLC执行的停闸流程
停机流程按设计要求，分为在远方控制位的停机与现地控制位的停机两种操作。远方控制位指闸门的提升，下降，停止是由上位机控制的，现地控制位指闸门的提升，下降，停止是由电器柜上的按钮控制的。参阅图5闸门停止程序梯形图。
1. 远方控制位停机流程：
闸门IXD-YK1就地/远方操作信号在远方位； FST_SCN（开机第一次扫描为“1”，其他时间为“0”），停启闭机信号mZMt1有效，
图5 闸门停止程序梯形图
1）接收到来自主控计算机的紧急停机命令mZMstop1（脉冲信号）；
2）开度等于设定值信号mKDeq1 信号有；
3）闸门过负荷动作信号iGFH1有；
4）闸门升信号iKQ1有的条件下，闸门荷重超限即荷重达到最大值的105％信号mHZ105有，并且闸门降信号iGB1 无；即在闸门升的时候检查闸门荷重超限，闸门降的时候不检查，以便闸门荷重超限时，能够降闸门检修。
满足以上一条，PLC通过延时计数器QFDT把闸门启闭机停止信号置高1.5S后撤销。
2. 现地控制位停机流程：
闸门就地/远方操作信号在现地位；注意：现地控制位指闸门的提升，下降，停止是由电器柜上的按钮控制的。
1 )闸门开度到位信号iKDDW1有。此为控制柜开度仪到位信号。
2）闸门升信号iKQ1有的条件下，闸门荷重超限信号有mHZ105，即荷重达到最大值的105％。
同时满足以上两条时，PLC把闸门启闭机停止信号置高1.5S后撤销。目前执行的是：到位后停，若再次按下升或降，则直到头！
现地控制时，iKQ1、iGB1分别是电气柜上闸门正在升、闸门正在降信号(不是按钮)，iKDDW1是由开度仪表给出的节点信号，当开度值大于仪表内的设定值时，iKDDW1断开，否则闭合。现地控制的操作要求是：通过开度仪表设定拟把闸门升或降时的目标高度，即设定值，按下闸门升或闸门降按钮，闸门到达设定位置后自动停止。
5 结论
该闸门监测系统成功应用在淮河水利工程临泉县杨桥镇杨桥闸枢纽工程，该自动控制工程06年竣工并投入使用，已经过多个汛期的考验，在实际应用中工作稳定，操作方便，运行可靠。得到业主和主管部门一致好评。同时该系统软件“金海迪尔水利控制系统”被评为安徽省优秀软件产品。
论文作者:李秀安
论文发表刊物:《防护工程》2017年第22期
论文发表时间:2017/12/29
标签：闸门论文; 信号论文; 现地论文; 荷重论文; 设定值论文; 系统论文; 分洪闸论文; 《防护工程》2017年第22期论文;