【基于PLC的船闸自动控制系统设计13000字（论文）】

基于PLC的船闸自动控制系统设计摘要随着经济的不断发展，国内外航运的货流量也日益增多，而航运所带来的经济与船闸密切相关。目前国内船闸控制系统并没有标准化和系统化，有的还在使用以往的继电器接触器方式，这大大限制了国内航运经济的发展。随着可编程控制器和计算机系统不断发展和应用，可编程控制器拥有交付周期短的优势，短时间内便可以完成工程，再加上“少人值守”概念的提出，将船闸自动控制系统与计算机通讯技术的有机结合，让工作人员在异地就可以对船闸进行远程遥控。设计主要以船闸自动控制系统为主，辅以计算机通讯技术，对系统的硬件及软件进行选择设计。关键词：船闸可编程控制器控制系统目录TOC\o"1-3"\h\u18718摘要 16209第一章绪论 4203501.1研究背景及意义 4178171.2研究现状 5170961.3本章小结 721482第二章船闸自动控制系统的总体 8207092.1船闸简介 8106272.2船闸自动控制系统 9202032.2.1控制系统要求 10141032.2.2控制对象 127262.2.3控制结构 12108842.2.4控制方式 1329882.2.5系统优点 14135132.3本章小结 145154第三章系统硬件设计 15257853.1监测系统的硬件设计 1527394监测系统组成 16256403.1.1水位监测部分 1650333.1.2闸门开度监测部分 1784723.2控制系统的硬件设计 1953673.3电气流程控制系统 20231423.4本章小结 2616161第四章系统软件设计 27179514.1PLC的选择 27322604.2程序编辑软件 28272404.3PLC程序的编辑 30145784.4本章小结 3925185总结 4030303参考文献 41第一章绪论1.1研究背景及意义通航建筑物的作用是在河段上建成堤坝后，这时形成了相当程度的上下游水位差，让船只通过通航建筑物大坝。通航建筑物主要有两种形式:一是设计和使用最广泛的船闸，二是升船机。船闸的机械部分是由上下游的闸门、出于上闸首下闸首的水阀和船只停靠的闸室组成。它是直接利用水体将船送到下游，或者利用水体将船浮送到上游，它的通航能力强大，但同时也要耗费相当的水量。20世纪80年代，在长江流域,我国建造了规模超大葛洲坝水利枢纽，葛洲坝的一号二号船闸可通过船队突破了一万吨这一重量级。图纸设计的船只单向通过能力突破到了4000万吨。在不同高等级的水位落差情况或其他情况下，设计不同的闸室例如多级。在普通常规的河段中。一级船闸即可以满足航运船只的通行，但随着自动控制技术的不断发展，应用于船闸控制系统的技术越来越先进。为了实现更加便利及现代化的船闸自动控制系统，也成为了水利工程重要方向之一。在2003年，全世界规模最大的三峡水利枢纽，设计出的双线五级即双通道五个等级连续船闸建成并进行运行，船闸设计最大总水头（上下游高度差）达到113m，上万吨级大型规模船队也可以随意通行。设计单向通过的船队能力更是高达5000万吨。这是世界上目前规模最大的,水头最高，技术含量最高的多级船闸。三峡水利枢纽建成改善了川江航道的船只通行条件。三峡水利枢纽船只航运量也飞速增长，又因为翻坝运输的缘故，在21世纪初期，三峡水利枢纽的船只的货物运量突破了7500万吨。这代表着我国大型船闸建设无论是在理论，还是在实际应用方面均达到了世界顶级水平。中国在船闸的建造建设方面，特别是三峡水利枢纽和葛洲坝水利枢纽，使世界在水闸的建造及其自动控制技术方面迈出了历史性的一步。尤其是关于三峡水利枢纽闸门的自动控制系统，为我国乃甚至是世界创造了历史，积累了丰富的经验，对改善船只通行能力、发展经济、防洪等方面起到至关重要的作用。在PLC还没研究运用之前，工业生产现场中的控制部分大部分采用继电器逻辑控制系统。继电器逻辑控制系统是根据现场实时的控制要求进行设计的，若控制要求需要升级改造，电气控制柜中的元器件就需要改变添加及减少，接线都需要按照新方案进行重新连接。它的缺点十分明显:首先是体积大占空间对地方也有要求、二是可靠性差、三是寿命短容易发生故障、四是运行速度慢跟不上新系统的要求、六是环境适应性差环境恶劣的情况下极其容易发生故障。为了改变这一现状，满足生产要求，和生产力的提高，人们希望寻求一种比继电器控制系统可靠性高、功能更齐全拓展性更好、响应速度更快能够满足生产的不断发展、体积更小空间要求小的新型工业控制装置。在航运高速发展和船闸设备技术朝着多级化高自动化发展的情况下，这就要求船闸自动控制系统高度可靠性。例如，船闸及其它设备设施的频繁启停，语音播报，交通灯的转换，监控仪表的显示和实际运行情况的监视，再加上随着越来越多的设备现场控制朝着无人值守的方向发展，人工操作早已满足不了要求。随着PLC，网络通信技术与工控组态软件的配合控制得以实现的人机交互技术在工控各个领域的普遍运用，工控产品的换代升级以及互联网技术的高速发展低延迟高可靠性再加上航运事业在全世界总体运输比例所占的份额及航运事业在全世界运输的特殊地位，这就需要船闸自动控制技术能够保证船闸安全可靠的运行前提下，满足现代社会的发展需求。船闸自动控制系统设计应将控制硬件设备的系统、对历史数据故障记录的管理系统和和基于互联网的视频监控系统密切地结合在一起，不但要通过多种类多数量的传感器（液位传感器、位移传感器）传输来的模拟信号进行信息处理，转换成相应的正确操作，再对设备进行远程控制，同时也要充分利用现场监控传输过来的实时画面来判断船闸区域的现场情况，并且进行逻辑判断，再通过设置好的广播通讯功能按钮对现场的船只进行通知，船闸运行过程的各种关键信息根据重要程度自动先后地写入系统的信息数据管理库最后保存，实现船闸自动控制系统的自动化。船闸自动化控制系统以安全性为第一要素、可靠要高、经济性强、并且实用、工作人员操作方便为标准，以实现“少人值守”的自动化监控的未来发展方向，所以要利用好计算机技术、通信技术的优势。以自动化控制行业的先进且成熟技术为设计标准，选用既安全又稳定、兼具经济性，和以便未来升级的可扩展性的方案。1.2研究现状在上世纪60年代末,由于计算机控制系统的研发出现，和船闸相关硬件设施的升级，在美国已经有了一种自动化控制系统运用在水利工程,在很大程度上实现了自动化运行所有的运输业务。20世纪70年代末,法国首先了在美国进行了一系列考察。实地学习有关水利工程。然后法国人对罗纳河的闸门进行升级，然后安装计算机控制系统来控制所有升级的闸门。河流流域的各种水坝的远程控制功能可以通过中央控制中心来实现，这也大大地减少了人力资源的浪费。在日本，1959年至1979年建造的水利枢纽控制系统已经更新和完成自动化。在美国的洛拉多河流域，对水利枢纽闸门的控制差不多上已经完成。在相对落后的中国，计算机通信技术起步也相对较晚，因此对于船只通过船闸的运行调度管理的技术也发展缓慢。直到上世纪90年代之后,计算机通信技术广泛应用,以计算机为基础的船闸自动化控制系统开始发展与运用。中国的船闸自动控制系统迎来了飞速发展。在现代科学技术飞快的进步和社会的快速发展的背景下，计算机控制技术在国内外都被广泛用于船闸自动控制系统。由于PLC技术的发展及不断应用，自动闸门控制系统已逐渐完善。PLC(可编程逻辑控制器)具有稳定的性能、简单的操作、短的开发周期在恶劣的环境下也能稳定可靠的运行，便于调试和安装等等好处。船闸自动控制系统通常具有多种功能：监测闸门的运行状态、上下游及闸室的水位监测，上下游闸门开度的监测，实时报告的生成、对历史操作数据的储存、实时对异常情况和事故的报警等。随着远程计算机信息技术的发展，远程操控已经实现。但是当前在国内和中国以外的国家，水利枢纽的船闸已经广泛采用了人工调度技术。现在研究的方向主要是通过船闸闸室内的水流流态进行动态控制和在船闸运行管理方面优化调度。在许多控制技术更为先进的国家，已经使用计算机控制软件对船闸集群进行了管理和控制。这些船闸自动控制软件不仅可以有效地控制船闸，还可以实时检测船闸的是否发生问题和针对该问题进行应急处理避免事故的发生。在计算机技术的支持下的船闸自动控制系统加上主要以船只的形状、大小和船闸以及引航道为基础，来提高船只通过船闸的效率的优化调度方法。这一方法已经发展成为一种模式。国外在这一方面的研究已经成熟化并运用到实际生产交通中去。近年来，由于闸门启闭导致的位置改变而引起的运动流场的变化。造成的船只安全威胁得到了高度重视。国内许多专家研究闸室内和闸门附近的水流量状况和流速分布。还有水位差所带来的安全影响。随着这一研究领域的各种研究的提出和发展，提出对应的优化管理的计算机动态控制方案将成为新的研究大方案。对于目前的闸门自动化系统的研究，工作人员使用互联网手动操控船闸自动控制系统让船只进行通过。人工工作量减少了，船只通过闸门的安全性提高了。在安全是第一情况下，同时兼具发展，让船只上的人员减少等待时间。1.3本章小结本章主要介绍了什么是船闸及船闸的作用，简单叙述了国内外船闸目前的发展情况和新的发展方向。介绍了船闸自动控制系统发展历程，PLC在船闸自动控制系统的应用给船闸自动控制系统带来的发展，再结合互联网技术和（少人值守）概念，对船闸自动控制系统带来的新发展。第二章船闸自动控制系统的总体2.1船闸简介在天然河道和人工运河中，通航船只在翻越水头差时，需要一种叫船闸的特殊水工建筑物的帮助，最符合航运要求的是闸室式船闸，它由一位于上下游河段之间的、轮流与上下游连通的空间（即闸室）构成。闸室内的水位在上下游水位之间升降，闸室内的船只也随之上升或下降。船闸具有两个闸首和一个闸室，两个闸首实际上就是两座水闸，其闸门称为船闸闸门。水电站建坝后形及水位落差，船只过坝须通过专门的通航过坝设施。船闸是一种最常见的通航过坝设施。船闸的分类：按在某一通道的布置数量，船闸可分为多个级数的船闸，分别有单级船闸、双级船闸和多级船闸。例如三峡就是五级船闸。按船闸的通道的布置数量可分为相应线级到的船闸，分别有单线船闸、双线船闸和多线船闸。常规船闸大多采用单线船闸。水头(即上、下游水位差)高低是决定船闸级数多少的关键参数。船闸线数主要取决于客货的运输量的多少及货物的种类多少。江西峡江水利枢纽船闸2.2船闸自动控制系统船闸自动控制系统首先将传感器采集现场的数据模拟量（水位等）进行转换，再通过编写好程序，程序进行逻辑判断处理，并将处理的结果输出给执行元件（闸门启闭机等），最终实现对船闸的自动化控制。船闸自动控制系统分为三方面内容：一是监测系统部分，二是控制系统部分，三是视频监控系统部分。监测系统：主要是通过水位传感器、位移传感器等硬件。来监测船闸闸门、充水阀、排水阀等硬件的启闭。控制系统：通过PLC来控制船闸闸门、充水阀、排水阀、通航灯等硬件的启闭监控系统：工作人员通过互联网软件，实时对船闸的运行情况进行监控，高级别用户实时对船闸进行调度。

在满足上述三大部分系统的内容的情况下，对于该船闸设计出一套自动控制系统并满足船闸所需的所有功能，例如对实时动态参数的设置全自控控制查询故障记录查询操作记录查询以往的历史数据能通过互联网软件集控室远程对船闸进行远程监控和调度。2.2.1控制系统要求对于船闸自动控制系统，其主要设计内容以安全性、可靠性、可维修性、经济性、实时性以及未来升级、扩容的可扩展性为中心。而且系统还应兼具良好的可操作性和可维修性。船闸自动控制系统的主要要求如下：1.安全性

安全性是自动控制系统最重要的性能指标，也是工程中关键的根本。本监控系统在安全性方面设计原则主要有以下几个方面:1)船闸计算机监控系统应对每个功能按钮及操作指令进行安全检查和后面的校核。这样就能保证操作人员下达和系统生成的控制信息或指令中的错误不会导致船闸系统出现事故性的故障。2)所有设备具有故障报警显示功能，当操作人员发生误操作时，系统应能自动识别禁止错误操作，并将其输出并发出报警提示，系统的网络通讯功能模和系统出现的故障自我诊断功能。如果设备出现故障，工作人员可以通过显示屏或远程互联网监控系统软件得到通知，然后查询，便于故障解除;3)在人机交互界面，系统应实时对工作人员的参数修改、操作过程、历史故障、系统运行参数、故障数据进行记录，以便工作人员及时进行查询降低事故发生的可能性;任何自动或手动操作，应提供事件的顺序记录，并可提供相关的操作指导。

4)在控制系统中设置使用权限，工作等级不同的工作人员分配对应的等级，最大程度保证船闸自动控制系统的安全;

5)硬件设备旁边现场控制装置（电器柜）与主控机的计算机控制装置相互闭锁，并以最后选择操作的上位机指令或现场控制指令为最高优先级进行执行命令。6)它应目有保障本系统运行数据及数据库安全的措施。7)集中控制系统设备和现地控制设备对自动控制系统发出控制指令后，系统应对响应有效信息或没有响应有效信息后给操作人员发出相应的提示，如果通信失败，系统应当能重复2~5次的对应操作指令并发出相关报警提示。

8)控制系统具有电源断电或故障的紧急保护功能和发生故障和司机自动重新启动能力，并能预置初态和重新预置，并记录下开关机时间原因。设备发生故障能自动切换至备用设备或切除，并发出故障报警信号。2.可靠性1)船闸自动控制系统中任何设备的单个元件发生故障时，系统不会发生关键性故障或外部设备进行错误动作，同时以防万一，应降低设备的多个元件或串联元件同时发生故障的可能性。2)可将自动控制系统采用分层分布式控制结构，以避免某一区块发生故障时，系统无法得到指令。其中的重要设备采用双机制，留有一台备用机，各种应用功能分别由各个单一工作站或单一计算机设备发出和完成，它们应具有独立承担所安排的任务的能力。3)本船闸自动控制系统采用西门子S7-200SMART工控产品作为凭仗，采用行业标准及相应的规范化设计，最大限度满足系统的可靠性和稳定性。3.实时性(1)船闸计算机监控系统数据开关量、模拟量采用集周期小于Is.(2)主计算机数据库中的数数据发生变化，应在1s的时间内复制到备用计算机数据库中。双机切换时应保证任务不中断。(3)船闸监控系统部分应满足船只通行的集中调度系统的实时数据传输要求：即调度系统的数据接收及下达。(4)集中控制站发出命令到现地控制站接受并执行命令的时间应小于1s.(5)工作人员操作计算机，调计算机响应后，展示新画面的时间小于1S。从数据库刷新后算起，各画面上实时数据刷新时间应小于1s.4.可维修性船闸控制系统硬件采用最新的行业标准，以便更换市面上仍在售卖的硬件。

5.先进性

船闸计算机监控系统应采用行业内成熟而且领先的技术，为使画面清晰可靠，采用高规格的摄像头。系统的设备配置与选型，也应符合计算机技术和通讯技术的未来发展趋势，以保证在今后相当长的一段时间内更新换代,不用大范围升级。同时系统应具有灵活性、简便性。

6.开放性

船闸自动控制系统应具有良好的开放性，硬件、软件平台、系统通讯接口及数据库结构。采用西门子S7-200SMART工控产品，以计算机国际开放系统的标准，保证系统选用不同计算机时的互连性，系统扩展和设备更新时的软件可移植性。兼容性和可扩性

1)在硬件选择设计和使用中，应采用行业内最新的统一标准。选择最先进的通讯协议，以方便未来自动控制系统的扩容及升级。

2)船闸自动控制系统系统应考虑留有和其他系统的接口如消防报警系统、排水系统设备的接口。系统应采取安全可靠的抗干扰措施，防止雷击、大气过电压、无线电和静电等干扰侵入系统内部，避免财产的损失。通过船只通过船闸的工作流程，为达到避免事故的发生，船闸自动控制系统对设备控制的要求一定要满足以下的互锁和要求：1)在任何情况下，上游船闸闸门和下游船闸闸门不可以同时开启。2)在任何情况下，上闸首充水阀和下闸首排水阀不可以同时开启。3)上闸首充水阀和下闸首排水阀在闸门开启状态不可以启动。4)在上游船闸闸门和下游船闸闸门运行状态或未完全打开的状态下，船只禁止通行。2.2.2控制对象船闸自动控制系统的主要控制对象为：1.控制上下游闸门的液压启闭机。2.上游充水阀和下游排水阀。3.引导船只通航的通航灯。2.2.3控制结构根据控制系统的功能要求。本船闸自动控制系统采用上位机2.2.4控制方式按控制地点可分为三类控制方式：远程网络控制、现场集中控制、现场就地控制。（1）远程网络控制远程网络控制：用户在远处使用互联网登录船闸自动控制系统，通过监控界面实时掌握船闸的目前的运作情况，从而对船闸进行远程调度。同时出于安全考虑，系统的功能划分不同的使用等级，用户对应不同的等级。高级管理人员，拥有最高的使用权限，可以远程对船闸自动控制系统的所有硬件设备进行控制。巡查员只能拥有普通的使用权限，远程调看监控系统。这样的策略可以大幅度提高闸门自动控制系统的安全性。现场集中控制现场集中控制：现场工作人员在集控室，通过现场总线在远程控制的模式下对船闸的液压启闭机、充水阀、排水阀、通航灯等设备进行集中控制。（3）现场就地控制现场就地控制：现场工作人员通过电气柜及触摸屏对液压启闭机、充水阀、排水阀、通航灯等设备进行单独控制。这个模式主要目的就是事故应急和对设备及系统的调试。这些控制方式，具有互锁保护，这些控制方式不能同时使用，以防止事故发生。同时所有控制方式中的紧急操作都拥有最优先级的权限。

按自动化程度分，可分为集中手动、集中半自动、集中自动三种:

(1)集中手动方式。集控系统主要完成对现地控制设备的单一机构操作，这些操作主要有运行、停机、进闸、出闸、开闸、关闸、开阀、关阀等。

(2)集中半自动方式。工作人员针对航行船只需要通过的闸首发出“船只通航指令”或船只航行完成后“关闭闸令”后该闸门及其它附属设备执行预先设置好的程序，当完成一个循环后程序结束。在“集中半自动”控制方式下，系统得到工作人员的操作指令后，根据实时监测数据，由程序自动按照设置好的步骤，其他设备运行工作，满足开启关闭条件后自动打开闸门或关闭闸门，工作人员无需再发出其他运行指令。

(3)集中自动方式这种控制方式。最关键的是船只探测系统。船只探测系统能够直接探测出船只是否全部进出闸门完毕，免去工作人员需要通过摄像头监控船只进出到位再下达关闭闸门的指令。当有船只需要通行时，工作人员只需要通过上行指令和下行指令两个按钮就可以完成船只上下行的功能。在紧急情况下，可通过集中控制中心的操作系统和互联网控制软件的“紧急暂停”按钮实现对双侧闸门及其它设备的紧急停止。2.2.5系统优点本船闸自动控制系统不但采用上位机控制，还使用了远程网络控制。用户在任何地方都可以使用互联网登录船闸自动控制系统，通过监控界面实时掌握船闸的目前的运作情况，从而对船闸进行远程调度。成本低，不受空间限制，通信速率快，可升级性高。2.3本章小结本章主要介绍了船闸的结构，船闸的分类。然后是简述了什么是船闸自动控制系统，对控制系统的要求、控制对象、控制结构、控制方式及其优点进行了说明。

第三章系统硬件设计船闸是由用闸门围起的闸室（停靠通航船只）、导引船只进出闸室前的上游引航道及下游引航道，为闸室充水与将闸室内的水排出的输水系统，以及控制闸门与阀门启闭的机械设备和船闸自动控制系统等组成。船闸通航的基本原则是“水位齐平，水域相通”，即船只通航进出闸室的关键条件是船闸室水位与上下游水位相同，或与多级船闸相邻的两个船闸室水位相同，井与水域相邻也需要保持足够的通航水深。为此，闸室的上、下闸首必须装设闸门。还要装设输水阀门并能控制充水或泄水量的输水系统。而操作这些闸门、阀门目前多用齿轮变速系统及液压启闭机。还有船闸计算机监控系统，对船闸的运行情况进行安全监视，对各个闸门和阀门的(液压启闭机)运行情况的实时监测。3.1监测系统的硬件设计监测系统在船闸的自动控制系统中占有最主要的地位，国内的葛洲坝水利枢纽和三峡水利枢纽的船闸为提高船闸自动化程度，采用了对水位（闸室及上下游有）检测、对船只动态位置检测、位移（闸门）检测及其他传感技术。通过这些传感器在船闸控制系统的运行，不但优化了运行流程，而且缩短了闸门每次运行时间，还降低事故发生的可能并实现了少人值守的目标。本节主要对监测系统的硬件部分进行选择与设计。最关键的就是船闸安全性，而决定控制系统安全的就是：1.水位的测量2.对闸门开度的测量。监测系统组成3.1.1水位监测部分液位传感器是测量液位位置的常用传感器。它将液位的高低位置转换为输出的电信号。本系统采用厦门安东电子有限公司的静压式液位传感器。首先通过硅压力传感器，将测得的压力转换成电信号，然后通过补偿电路对集放大电路进行放大和补偿，得到准确的值，最后通过4~20mA或0~10mA电流输出。

液位变送器主要参数：

供电电源:12-30VDC供电

测量范围:0-1m;

0-3m;

0-5m;

0-10m;可定制到200m

输出信号:4-20mA、0-20mA、0-5V、1-5V等

介质温度:-40°C-60°C

稳定性能:≤0.2%FS

过载能力:最大量程的200%

测量介质:油、水等其他非腐蚀性介质

外壳防护:IP68

温度漂移:≤0.01%FS/°C

测量精度:全量程默认精度为0.3%FS

可定制高精度型0.075%FS

(量程≥3m)

整体材质:芯体:316L;

外壳:304材质静压式液位传感器3.1.2闸门开度监测部分闸门开度仪实际上是一种行程检测装置，常见于水利工程中的水工金属结构设备。它是闸门启闭机上重要的检测启闭装置，在恶劣环境下的稳定性、可靠性和抗干扰能力等各项指标都直接关系到闸门和启闭机的运行安全。闸门开度仪通过位移传感器来实现闸门开度的实时测量，即采集船闸闸门的位移量，包括闸门开度，包括直门、平板门、弧形门、门机、桥机等。。位移传感器采用深圳米兰特科技有限公司的MPS拉绳位移传感器。拉绳位移传感器的用途是把机械的运动量（闸门上下位移量）转换成可以计量，记录或传送的电信号（电流值）。拉绳位移传感器由具有防滑功能的轮毂周围的可拉伸的不锈钢绳索或其他种类的绳索制成，并与高精度旋转传感器连接。当运动发生时，拉绳会伸展和收缩。内部弹簧可确保拉绳的张力保持不变。螺纹轮毂驱动精密旋转传感器旋转，并输出与拉绳移动距离成比例的电信号。将输出的电信号通过电缆介入plc，再经过转换程序，得出实际的闸门开度。

在实际的安装和使用上，将拉绳式位移传感器安装在固定位置，拉绳的另一端固定在运动物体（船闸顶部）上。拉绳的直线运动与运动物体的运动轴对齐，避免数据偏差。拉绳位移传感器主要参数供电电源:电压输出型与电流输出型常用15-24V供电，12V供电需要特殊说明;RS485输出型常用6-12V供电测量范围:XL型(超大型，15000-30000mm)。输出信号:电阻输出(5K或者10K)、电压输出(0-5V/0-10V,三线制或者四线制)、电流输出(4-20mA,二线制、三线制或者四线制)脉冲输出(AB相或者ABZ相脉冲方波、差分信号输出)、RS485数字信号输出或者绝对值编码输出。测量精度:电流输出型线性精度±0.15％重复性精度±0.02％RS485数字信号输出型线性精度±0.1％重复性精度±0.01％使用温度:-40°C-80°C防护等级:防水性IP67使用说明：1、选择拉绳位移传感器量程需留有余量,严禁超量程使用，一般在实际行程的基础上选大一规格的量程即可。2、拉绳传感器安装使用时,须注意拉绳与出绳口保持平行状态(容许最大偏差±3°)，以确保传感器测量精度与使用寿命。3、拉绳位移传感器往复运动的瞬间速度应低于0.5m/s.4、拉绳位移传感器拉绳运行方向应与出绳口方向保持水平,如果运行方向发生改变，应加装滑轮装置。MPS拉绳位移传感器3.2控制系统的硬件设计液压启闭机，即机器利用液体压力的能量来传导能量，从而控制闸门的打开或闭合。它主要分为电气控制系统和液压传动系统两个系统。它由液压泵单元、液压阀、液压缸、油箱和电气控制柜五个部件组成，通过液压系统的控制，液压缸内活塞的内壁在轴向进行来回的移动，从而使与活塞相连的连接杆以线性运动控制船闸闸门，最终到达闸口的开启和闭合。液压系统包括电机、控制装置、辅助设备等。一个液压系统可运用到多台启闭机。在我国水电工程中，液压启闭机已经应用了超过了二十年，尤其是最近几年，液压技术日趋成熟，应用越来越广泛。目前我国液压启闭机的设计和制造能力都是非常高的水平，规模也是十分大;最大启闭力可达到800吨，行程超过16米，油缸直径超过1米,活塞杆直径大于0.5米。国内的液压启闭机广泛运用在操作弧型闸门、人字闸门、快速闸门或高水头深孔事故闸门这些种类，主要原因是液压启闭机用于这几种型式的闸门上更能体现其优点。通过国内一些项目的实际运行情况，国内机械厂家生产的液压启闭机质量有了很大的提高，在生产成本降低的同时，项目的经济效益越来越好。与其它启闭机相比,液压启闭机具有以下优点:(1)它结构简单（维修方便）,布置紧凑,体积小（对空间要求地）,重量轻（便于运输）;(2)液压启闭机承载能力远高于其他种类的启闭机，可以实现远距离的动力传递;(3)传动工作时运行既稳定又平缓，调速方便，换向容易，缓冲能力好。(4)液压传动与电气控制的有机结合,自动化实现简单;(5)液压元件在国内已经系列化、标准化,设计简单，厂家制造到交付的时间短，可以节约大量的人力物力;(6)液压元件可以自行润滑,维修间隔长，使用寿命久;(7)防止过载的目的便于实现，工作安全性和可靠性高。液压启闭机的缺点主要是:一是液压缸与活塞杆配合精度高，加工要求较高;二是,当密封质量较差时，液压机中的油容易泄漏。3.3电气流程控制系统船只从下游引航道向上游行驶通过船闸的程序是:程序通过水位传感器采集的水位信息测。若上游水位和闸室水位不相同。开启下闸首排水阀门，将闸室多余的水排至下游，待下游水位和闸室水位齐平且水流态稳定后，打开下游的闸门，待船只通过下闸首闸门并停靠完全关闭下闸首闸门，开启充水阀门，上游的水向闸室充水，至闸室水位与上游引航道中的水位齐平且水流态稳定后，打开上游闸门，船舶驶出闸室。当船只从上游引航道向下游行驶通过船闸时，自动控制系统的流程操作相反。下游船只进入闸室流程图闸室船只进入上游流程图上游船只进入闸室流程图闸室船只进入下游流程图根据船闸自动控制系统的要求，对信号输入输出点及船闸控制系统的执行元件，进行I/O分配。如图所示。3.4本章小结主要讲的是船闸控制系统的硬件设计，对监测系统的硬件选择，监测部分的水位传感器、位移传感器。对控制系统的原理介绍、液压启闭机的优势。电气流程图的描绘I/O点的分配第四章系统软件设计可编程控制器(PLC)以微型处理器为根本驱动，它有机地利用了自动控制技术、计算机技术、数字技术以及通信技术和网络技术，发展成为了一种主流的工业自动控制工具。它面向控制过程和用户，适应工业各种恶劣环境，易于工作人员的管理，是目前全球工业自动控制的三大支柱之一。可编程序控制器已成为自动控制系统的必不可少的工具，PLC控制技术现在是自动化控制的最为先进的表现案例，在所有行业中都有广泛的运用。其发展历史：从早期的逻辑控制系统（继电器）中,最先的逻辑控制、顺序控制、再到逻辑判断、算术运算，再到数据处理、通讯网络和比例积分微分回路的调节功能的发展。PLC具有高度的可靠性、强大的功能、灵活和模块化的组合、易于上手容易理解的编程，适应复杂工业环境。维护起来既简单又快速。但是它又不完全等同于常见的计算机控制系统，它是作为计算机控制设备的一种特殊形式。它凭借于很多方面：一是系统结构、二是硬件组成、三是软件结构、四是用户界面。4.1PLC的选择本船闸自动控制系统采用西门子s7-200smart。根据上文的IO点分配，船闸自动控制系统选用SR60型号。其最大开关量I/O为188，最大模拟量I/O支持到24。其具有以下特性：1)提供不同类型的CPU模块以满足不同用户，I/O点数极为充足，多达60个单体I/O点，满足大多数小型自动化设备的控制要求。此外，CPU模块具有旗舰型和经济型的用户，更灵活的产品配置和最大程度上节约项目的成本。2.全新推出的信号板，满足更多需求的可扩展通信接口。还可以扩展更多的数字量输入输出通道和模拟量输入输出通道。信号板的扩展更适合用户的实际配置，不浪费用户宝贵的生产空间，增加了产品的使用程度，同时降低了用户的扩展成本。3.CPU模块的内部统一装备了以太网接口，通过以太网接口还可与其它触摸屏、计算机进行互联。4.CPU模块本体最多同时使用三路高速脉冲输出，在软件界面配以简单易懂的向导设置功能，方便新用户的初步进行使用，帮助资深用户快速实现设备调试等功能。5.s7200smart集成迷你SD卡插槽，将迷你SD卡插入插槽，通过简单的几步操作即可实现对更新PLC程序和升级PLC固件，让工程师对项目的服务质量得到提升，也省去了PLC固件发生故障或要升级必须返回生产厂家的麻烦，同时节约用户的时间。6.在保留了编程软件的过去高级功能的同时，加入了更多新型且人性化设计，如创新性的菜单、可随意拖动的界面窗口、易于理解的程序注释功能、强大的密码保护等。在体验高性能的同时，大幅提高开发效率，缩短项目投入运行时间。s7-200SMART4.2程序编辑软件STEP7MicroV2.5是S7200SMART控制器最新的组态、编程和操作软件。其具有以下优点：（1）能流畅运行在Windows7或最新Windows10操作系统上，以满足不同计算机系统。支持梯形图，符号表，语句表，功能块图，并支持交叉引用。一些编程语言之间可以相互转换，支持用户自定义库，安装文件小于200兆。（2）更人性化的UI设计使项目开发更加高效，即便是新用户编程也容易上手，项目开发时间减少，节约用户时间。用户可根据自动控制流程自定义变量名，变量名可以使用中文。用户在使用地址调用功能后，软件会自动命名使用变量，下次使用时可无需多余操作，直接调用变量名。软件提供了注释功能,用户可以为程序块,编程网络、变量等添加注释，提高用户了解程序的容易度。4.3PLC程序的编辑首先是对主程序的设置。主程序设置有两个模式，一是自动控制，二是手动控制。自动模式下的四个指令。分别是，上游船只下行指令（上游船只进入闸室）。闸室船只下行指令。下游船只上行指令（上游船只进入闸室），闸室船只上行指令。同时添加停止命令，在任何运行过程中，一旦发生紧急情况，按下停止按钮。避免事故的发生，增强控制系统的安全性。二是监测系统的模拟量换算。因为S7-200SMARTCPU内部用数值表示外部的模拟量信号，所以A/D（模拟量/数字量）、D/A转换之间存在一定的对应关系，两者之间有一定的数学关系。例如：当输入一个0-20mA的模拟量信号（水位传感器）。0-20mA在S7-200SMARTCPU内部对应数值范围0-27648；4-20mA的信号对应的数值范围为5530-27648。通过PLC输入/输出的模拟量都使用运用以下的通用换算公式进行运算：Ov=[(Osh-Osl)*(Iv-Isl)/(Ish-Isl)]+Osl注释：Ov:换算结果Iv:换算对象Osh:换算结果的高限Osl:换算结果的低限Ish:换算对象的高限Isl:换算对象的低限模拟量比例换算关系三是控制上闸首充水阀和下闸首排水阀。当上游船只准备下行时，通过监测得到的上游水位和闸室水位，当上游水位和闸室水位不相同时，打开上闸首充水阀。当上游水位和闸室水位相同时，便可以关闭上闸首充水阀。当闸室船只准备下行时，通过监测得到的下游水位和闸室水位，当下游水位和闸室水位不相同时，打开下闸首排水阀。当下游水位和闸室水位相同时，便可以关闭下闸首排水阀。当下游船只准备上行时，通过监测得到的下游水位和闸室水位，当下游水位和闸室水位不相同时，打开下闸首排水阀。当下游水位和闸室水位相同时，便可以关闭下闸首排水阀。当闸室船只准备上行时，通过监测得到的上游水位和闸室水位，当上游水位和闸室水位不相同时，打开上闸首充水阀。当上游水位和闸室水位相