船闸计算机(PLC)监控系统改造设计思路.doc

船闸计算机（PLC）监控系统改造设计思路1 概况高港船闸管理所为江苏省泰州引江河管理处下属单位，该船闸主要运行设备为两台横拉门和六扇输水阀门，在设备控制方面已实现现地控制单元LCU功能。LCU包括1台松下PLC，1套常规集中控制台，2套上、下闸首现场控制箱及1套水位及阀门开度测量屏。常规集控主要利用原有的PLC集控台上的开关和按钮，通过PLC实现闸、阀门的启闭。系统未建立计算机监控系统的上位机，而PLC的功能有待完善和扩展。本文以高港船闸计算机（PLC）监控系统改造设计为例，简述计算机（PLC）监控系统在船闸中应用的特点、功能和工作原理，以供参考。2 控制系统构成该计算机监控系统采用开放式全分布方式，由主控级（操作室工控机）及现地控制级LCU构成。主控级设备用一台上位机（工控机）作为船闸的控制中枢，设有一套PLC控制单元，PLC控制单元控制船闸的上、下闸首闸、阀门启闭设备以及公用电气设备。现地控制级LCU设在上下闸首控制室内，各设立一套PLC控制单元用于对本侧闸、阀门的现场控制。中央控制台主控级通过控制权可以进行实时数据、状态量（开关量）、数字量信号量等的采集和处理。操作员可根据权限登录系统，根据过闸流程要求，通过操作台上计算机或控制按钮对主要监控对象闸、阀门进行实时控制。系统具有安全运行监视及事件报警功能，主控级计算机显示屏上能以数字、文字、图形、表格、棒图、动画等多种形式组织画面对上、下游、闸室水位、闸、阀门开度模拟、闸、阀门启闭机电动机工作电流、交通信号灯状态，各操作状态及过程记录和打印以及系统硬件和软件故障诊断等功能。现地控制单元（LCU）分手动或自动控制操作。控制核心采用施耐德PLC，完成对闸门的手动或自动控制操作与监视。在主控级故障时，LCU与主控级脱离后仍能在现地实现手动或自动对有关设备的监测和控制功能，当与主控级恢复联系后又能自动地服从主控级的控制和管理。工控机通过以太网TCP/IP协议及MODICON UNI-TELWAY分别与服务器和PLC连接实现通讯，用RS-485 总线方式与水位测量仪、阀门开度仪等连接。3 系统工作原理装于现场的水位压力传感器测得上游、闸室、下游水位变幅，并产生相对于量程范围的4-20mA电流信号传送至中控室控制屏内的水位仪，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。装于六扇阀门启闭机上的JBS智能传感器将各个工作阀门开关度的量程信号通过中控室控制屏内的开度仪和RS-485总线送入工控机。从闸门主令器上传来的闸门开关度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。闸管所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。4 改造方案原系统安装的PLC为松下电工的FP3系列，由电源模块AFP3638，CPU模块AFP3211C，开入模块AFP33027（64点），3个开出模块AFP33203（16点，继电器输出），以及5槽底板AFP3501组成，无模入模块；水位测量仪及阀门开度仪无RS-485接口；各电流、电压表无数显等。根据上述情况，为建设完整的计算机监控系统采用以下改造方案：1.新增一台研华上位工控机，作为监控系统的核心。更换施耐德PLC，配置以太网接口，新增上位机监控软件，实现计算机监控功能。2.对水位测量仪和阀门开度仪进行改造，增加RS485输出；对动力柜上各电流表进行智能数显表改造，新增总进线单相电压智能数显表（CD194U-4S1）和单相电流智能数显表。智能数显表既可进行LED数字显示，又可提供RS485输出（Mod Bus RTU协议）。以上水位、闸阀门开度、电压、电流数据均通过RS485总线上送到操作室工控机（内插RS485串口卡），以对这些数据量进行监控和模拟显示（棒图、带刻度，如水位等）。3.新建控制台，将现有集中控制台的设备移往操作台，并将系统计算机（显示器、鼠标、打印机）等置于其上。5 闸、阀门控制及通信可靠性措施闸、阀门启、闭到位的正常控制保护靠机械式上、下限行程开关完成，但在实际操作中可能出现因机械故障发生越限而造成重大事故或因闸门未完全关到位引起漏水现象。本方案在LCU启闭机控制电路中除设有机械式上下限行程限位开关互锁外，还设有电气联锁控制功能，即在机械式上下限行程开关动作保护前，通过开度仪或PLC输出的一组闸门启、闭到位的开关量控制信号，同时还在关闭门控制程序中设有闭门零位控制程序，防止因人为操作错误出现如通闸等重大运行事故的发生。阀门启闭由于是钢丝绳鼓启闭机结构，实际使用中行程检测受钢丝绳影响较大。当阀门到全闭位时，下限行程开关应动作或开度仪和PLC检测值为零，由于行程开关的碰触受钢丝绳拉伸影响，每次启闭零位可能都有变化，使其零位调节困难。若调节不到位，阀门未到全闭位就停机，阀门与底块间出现缝隙引起漏水；若调节过头，阀门已到底坎但未停机，使阀门止水橡胶垫受过度挤压影响其寿命。为解决好这个问题，可将电气下限触点输出从全关位前移到离全关位适当的位置，例如3cm（需经现场试验确定），即当闸位检测到距底坎3cm时，控制程序停止电机，闸门靠自重落到底坎上，而不会出现漏水或过压现象。6 通信网络的安全和防雷保护考虑到计算机监控系统的安全等问题，采取以下措施：1.选用高可靠性和具有高抗干扰能力的通信接口器件，提高自身抗干扰能力。2.为计算机通信接口及电源系统加装电源避雷器，提供有效的防雷保护。3.合理的布线和规范的接地，以降低雷电可能引起的危害。7 其他可靠性设计措施1.本系统采用分布式系统结构，各现地控制级LCU在正常工作状态下处于主控制级的集中指挥，在紧急或故障时，能够与主控制级分开独立运行，保证了船闸正常通航不受影响。2.系统软件和硬件设置看门狗（Watch Dog）功能。3.数据采集与监视控制系统SCADA选用组态王软件，确保软件运行的高可靠性和安全性。4.对控制命令的发布规定操