摘要：本文介绍了兴隆枢纽泄水闸液压启闭机现地监控系统结构、软件程序结构、PLC程序总体设计和模块化分层设计思路做了说明。特别是对PLC程序采用指令层、指令表决和信息处理层、指令执行层的模式方面做了一些详细分析，可供参考借鉴。
关键词：现地监控系统结构；软件程序结构；PLC程序的总体设计；模块化分层设计思想
1．工程概况
兴隆水利枢纽位于汉江下游湖北省潜江、天门市境内，上距丹江口枢纽378.3km，下距河口273.7km，是南水北调中线汉江中下游四项治理工程之一，同时也是汉江中下游水资源综合开发利用的一项重要工程。
兴隆水利枢纽泄水闸为56孔开敞式平底闸，其中54孔为泄水孔，另两孔具备泄水和排漂双重功能。闸室内顺水流向依次布置事故检修门、弧形工作门及浮式检修门。
本项目为54孔泄水孔的其中28孔提供2×1000kN液压启闭机设备。启闭机总体布置形式为双吊点、两端铰接方式，液压启闭机油缸布置在每个闸孔两侧闸墙上，油缸支铰座埋件中心高程42.00m。液压泵站和电气控制柜等布置在闸墩高程45.20m的机房内，采用“二机一站”方式驱动和控制（闸墩上每个机房内布置有两台（套）启闭机共用的一套液压泵站，每两台（套）启闭机共用一套控制系统）。
2．监控系统结构设计
整个泄水闸监控系统以LCU柜、100/1000M光纤环网交换机、工作站、打印机为核心，以光缆为通信介质实现现地监控系统（又称子站系统）与远程监控系统之间环网互联。
现地监控系统（又称子站系统）采用“二机一站”控制传动方式。硬件设备由动力柜、LCU柜、端子箱以及闸门开度位置检测装置、电缆等组成。以PLC 控制器为核心硬件设备，PLC下位机软件采用Schneider电气公司面向Unity过程控制平台的全新Unity Pro编程软件，根据现场控制功能要求编制实时控制应用软件。
现地监控系统实现三种操作运行方式：远方控制、现地单机控制和现地检修运行。完成以下控制功能：（1）集中远方控制；（2）现地控制；（3）检修单步运行；（4）紧急操作；（6）其它设备控制。
3．现地监控系统软件功能设计
根据液压启闭机控制系统要求，按照模块化设计原则设计以下主要功能模块：
●指令输入程序块
●集中控制功能模块（含动作指令）
●现地单机控制功能模块（含动作指令）
●现地检修调试单步手动控制功能模块（含动作指令）
●信息采集、分析、处理程序块
●通讯接口及相关检测模块
●控制指令采集转换模块
●限位、极限开关信号采集表决模块
●开度检测及输出显示模块
●自诊断、故障检测报警处理模块
●停止处理模块
●运行状态显示模块
●输出执行模块
●油泵空载启动、启动装置控制模块
●闸门关闭控制模块
●闸门开启控制模块
●闸门下滑回升控制模块
●溢流卸载控制模块
4．PLC软件设计特点
4．1程序的总体设计
针对本泄水闸的特点，编制PLC控制软件和现地控制面板操作软件（触摸屏软件）各一套。软件的各项性能完善、运行可靠、控制方式灵活方便、与上位机接口方便、响应快速迅捷、各项保护功能安全有效、现地彩色图形操作面板的软件监控功能完善、界面美观、管理功能实用、符合泄水闸运行工艺要求和操作人员习惯。
PLC采集现场传感器信息、闭锁条件、对侧信号、现地监控系统控制台指令等，并根据网上获得的集控信息，控制子站控制柜中的开关、接触器、中间继电器，实现对拖动系统及液压启闭机系统的控制，同时检测动力柜及控制柜中的重要自动空气开关、接触器、中间继电器的动作，现地监控系统的主要功能如下：
在现地控制状态下，采集处理现地控制信号，可独立完成本现地监控系统的阀门和闸门的现地控制，并可以控制对侧的闸、阀门的开及关。
在集中控制状态下，可以通过通讯网络接收集控指令，完成集控室对现地监控系统的控制，并返回现地监控系统状态信息。
对现地故障自动报警，根据其故障等级采取相应措施，并通过网络通知上位机，以便上位机进行报警及故障诊断处理。
图2 泄水闸监控系统PLC流程描述
4．2程序的模块化分层设计
根据PLC的总体设计思想对现地监控系统（子站）PLC程序进行模块化分层设计，分为指令层、指令表决和信息处理层、指令执行层3层。
图3 PLC模块分层示意图
4．3指令层
指令层负责指令采集面板按钮控制指令，或通过网络通讯接收集控控制指令、彩色图形操作面板控制指令，经综合判断，生成统一的指令并传递到指令表决及信号处理层。指令划分为集控指令、现地子站现地操作指令。
集控指令：指集控系统通过通讯网络发给现地子站的单机操作指令和集控联动控制指令。
现地监控系统控制指令：指在现地运行方式下，机柜面板按钮开关的控制指令以及操作人员通过彩色图形操作面板下达的控制指令。
4．4指令表决和信息处理层
指令表决及信息处理层接收指令层传递的指令信息，并采集外部传感器信号、闭锁信号、报警信号等，经各功能模块综合处理，形成控制指令下达至执行层，并由执行层执行。
4.4.1控制指令表决处理模块
指令表决处理模块接收指令层传递的指令信息，根据系统控制状态，判断控制指令是否有效，并根据指令的优先等级进行处理。当判别某一操作指令有效并执行时，通过蜂鸣器发出一声短笛表示操作确认，并在彩色图形操作面板上给予提示：当判别操作无效时，发出报警提示。
4.4.2通讯接口及检测模块
PLC现地监控系统之间、PLC和上位机之间通讯接口的设置及通讯检测，完成对通讯数据的处理以及对输入信号抗干扰处理。包括：
负责PLC与PLC之间、PLC与彩色图形操作面板之间、PLC与集控系统之间的网络通讯数据的链接及交换。
通讯状态检测程序：读取通讯模块状态参数、调用通讯功能块，接受或发送网络检测信息其它PLC现地监控系统和上位机，判断通讯状态是否正常。
通讯数据的处理程序：对网络通讯数据进行刷新、处理，并传递给相关的功能模块。如网络通讯故障，将原接受数据清零。
4.4.3信号采集处理模块
主要完成对闭锁信号、执行器件状态检测信号、传感器信号等信号的采集及预处理工作，为控制命令的执行和故障及诊断提供依据。
器件状态检测：对现地监控系统控制柜中的电机电源主空开、控制电源主空开、电机接触器、部分中间继电器等重要器件的状态及动作进行实时监控，以便发现异常立即自动处理及报警。
传感器信号：传感器信号主要包括油压报警信号、闸阀门开度信号、闸阀门行程开关信号等。
闸阀门开度处理程序：采集闹阀门开度绝对型轴角编码器数值，计算出闸阀门的开度，供闸门同步运行、现地操作面板及上位机显示和数据采集。
其框图如下：
图4 信号采集处理流程
4.4.4运行参数处理模块
通过现地操作面板对系统运行的参数进行设置，参数处理模块负责其它控制模块对设置参数的调用，以及参数的刷新。
4.4.5信号显示模块
信号显示模块包括现地监控系统运行状态、闸阀门位置显示、通航信号显示、现地操作面板信息显示等。
4.4.6故障检测、报警和应急处理模块
故障检测、报警和应急处理程序检测现场热继电器、压力继电器、行程开关、油压开度信息、相关执行器件的状态信息等，判断故障状态，按故障的严重程度进行分级报警和应急处理。
上位机和操作面板可检测所有报警信号级别、位置和发生时间，并显示、记录存档或打印。
4．5指令执行层
指令执行层包括闸门运行控制模块、阀门运行控制模块、电机启停控制模块、比例阀控制模块、溢流控制模块等。以上模块根据泄水闸运行工艺液压系统的具体要求及保护措施进行设计。
5．结束语
该系统在兴隆水利枢纽运行近6年，各项功能均正常工作，为大坝安全的运行和以后流域水资源联合调度奠定了基础。本系统的PLC监控软件不仅对整个系统的自动化设备进行有效监控，而且明显提高了泄水闸管理能力和运行效率，又大大简化了繁琐的管理工作和完善了运行手段，起到了很好的效果。
论文作者:陈卫1,曹国锋1,黄峥嵘2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年12期
论文发表时间:2019/9/30
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