施耐德系列PLC在苏北运河船闸中的应用
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1 引言
近年来，随着水运市场的繁荣与发展，苏北运河作为贯通南北的水上交通大动脉，越来越得到人们的高度重视，成为了名符其实的“黄金水道”。而船闸则是这条黄金水道上的重要交通枢纽，单线船闸年均通过量近4000万吨左右，双线船闸则近8000万吨，而长江三峡货运量加上翻坝货运量每年在4300万，一个苏北运河上的复线船闸年通过量相当于两个三峡。可以说，船闸的安全与畅通直接影响到全省乃至全国的经济社会发展，成为世人瞩目的焦点。船闸的电气控制系统则是船闸安全与畅通的前提。因而船闸电气控制系统的高度自动化、运行安全可靠、故障率低、便于维修已成为各个船闸的客观需求。
2 船闸电气自动控制的内容及其基本要求
2.1 运河船闸工作原理
船闸电气自动控制主要是根据船闸的闸阀门的门型、启闭机的类型、输水的形式及过闸工艺要求等来控制闸阀门启闭机组的运行及进出闸信号的转换、涨泄水语音广播等。目前，苏北运河各船闸中闸门多为人字门，少数船闸是横拉门(只有刘山、邵伯和施桥船闸三家)，阀门都是平板式提升门。人字门和阀门多采用电力液压驱动启闭机，这类电气控制的主要对象是液压泵站的电机接触器线圈和液压阀件线圈;横拉门采用的是电动机械传动启闭机，这类电气控制的主要对象是启闭电动机和电磁制动器的接触线圈或可控硅触发电路[1]。输水系统均采用短廊道集中输水形式，因苏北运河各船闸的水位落差均在3~5m之间(宿迁闸小一些，1~2m左右)，涨泄水时间为5~8min。过闸工艺流程，苏北运河各闸是一致的，如果以闸阀门关终及下游水位为初始状态，则过闸的工艺流程框图如图1所示。
图1 船闸工艺流程图
2.2 运行闭锁控制要求
上述流程当中有着严格的运行闭锁要求。
(1) 上游的闸阀门未关到位,下游阀门不能开启,同样,下游的闸阀门没有关到位,上游阀门不能开启；
(2) 上游阀门开启之后，只有待闸室水位与上游平齐，才能开启上游闸门，闸门开到边后，出闸信号灯应为绿色。同样，下游阀门开启之后，只有待闸室水位与下游平齐，才能开启下游闸门，闸门开到边后，出闸信号灯应为绿色；
(3) 关阀应再闸门开到边之后，自动或手动操作完成；
(4) 当闸室船舶全部出完之后，进闸信号才能转换成绿灯，通知船舶进闸，面出闸信号应变成红灯；
(5)闸门关闭，应当由现场值班人员在船舶进入闸室之后手动操作，此时进闸信号灯应由绿色变成红色，禁止船舶再进闸；
(6) 船闸一旦发生故障，要有紧急切断电源或开关闸阀门的应急措施。
2.3 运行安全控制要求
根据船闸的工艺流程要求及现场运行维护需要，人们对船闸电气控制系统提出了一些基本要求，即船闸的电气控制系统应安全可靠、操作简单、维护方便、经济实用，以即使有误操作而绝不误动作为前提。
(1) 具有满足过闸工艺要求的各种功能及必要的机电连锁和电气保护电路，确保自控系统安全可靠;
(2) 具备生产运行和调试所必需的操作方式，做到操作灵活以适应各种运行方式的需要;
(3)满足船闸预定的操作程序和信号显示的要求。在此前提下，力求线路简练、使用元件最省、系统电压种类最少，便于维护;
(4) 各种操作方式之间要有互锁，电路应有使违反工艺流程的误操作失灵的保安措施;
(5) 闸阀门应设有运行到位和越位检测保护开关，人字闸门应有检测闸门合拢的设施和处理合拢失败的措施;
(6) 选用的元件、材料耐用、可靠[1-2]。
3 船闸电气控制系统的发展及PLC的引入
多年来，船闸的工艺流程未发生大的变化，但为了缩短船舶通过时间，不断提高船闸电气控制系统的自动化水平，随着科学技术的发展及新产品、新技术的不断引入和应用，船闸的电气控制系统也得到了长足发展。最原始的闸阀门开闭采用人工手摇游丝缆方式，后来发展到采用继电器——接触器控制卷扬机来进行闸阀门的开闭控制，进而随着液压传动在船闸上的广泛应用，与之配套步进器—接触器控制系统的得到了大范围的应用，并有了集中控制和分散控制二种模式，但由于这种控制系统故障率高，查找和维修故障费时费用，船闸的通航保率得不到保障，在使用几年之后，人们开始寻求一种更为先进的控制系统。由于PLC具有很强的灵活性、编程方便、功能多、体积小、抗干扰能力强等诸多优点，得到了船闸电气工程师们的青睐，并被引入到船闸控制系统中，且在极短的时间内取代了以往的其它形式的船闸电气控制系统。目前，苏北运河复线船闸的控制系统多采用某系列PLC控制，并将闸门错位检测、闸阀门电机的过流、过压、缺相、短路等故障检测、交通信号指示及语音广播等功能纳入了系统，同样可实现集中控制和现场分散操作，极大提高了控制系统的安全性能，降低了故障机率，有力保障了苏北运河的安全与畅通，但由于该系列PLC受运算速度、函数功能、网络接口及支技网络协议等限制，已逐步被施耐德Quantum系列PLC取代。施耐德Quantum系列PLC性能较好，能满足船闸运行的要求，对模拟量的运算处理性能较一般PLC有很大优势，同时具备完善的网络接口，扩展空间较大，便于与其它船闸进行联网控制，因而为近年来苏北运河新建三线船闸所普遍采用，并在一些新电改的复线船闸(如施桥一线、皂河二线等船闸)得到了推广和使用。由于苏北运河各船闸的施耐德Quantum PLC控制系统都极为相近，下面以笔者参加施工监理的皂河二线船闸电气控制系统为例，介绍一下施耐德Quantum PLC船闸控制系统的实现。
4 施耐德Quantum系列PLC船闸控制系统的构成
皂河二线船闸电气控制系统于2006年6月进行了电气改造。使用施耐德Quantum PLC进行控制，其组成框图如图2所示。
图2 Quantum PLC系统配置图
4.1 PLC硬件配置
CPU模块:140CPU43412A;
电源模块:140CPS11420(双电源冗余);
以太网模块:140NOE77111;
开关量输入模块:140DDI35300(3块);
模拟量输入模块:140ACI04000(2块);
继电器输出模块:140DRA84000(6块);
工业网络交换机:499NES18100;
工业光电收发器:499NTR10100。
4.2 周边配置设计
采用三台研华原装工业控制计算机(PIV 2.4G，512 MDDR，80G×2，WIN2000 SP4，RAID 1镜像)。选用三台三星液晶17寸显示器SAMSUNG 173P+(1280×1024@75Hz)，不闪烁，无辐射。组态软件选用组态王6.51(2005年12月发布)。变频调速系统:施耐德ATV-71变频器及其成套滤波附件。本系统中所选用的所有接触器、断路器、中间继电器均为法国施耐德公司TE、梅兰日兰系列产品。
考虑到船闸控制系统既能进行集中操作，也满足分散现地运行的需要，并且保证控制系统在船闸大修等特殊时期的安全运行，将船闸控制柜、动力柜放置于下游左岸三楼机房，并配置了一个集中操作台，满足船闸集中操作运行的需要。操作台面板上安装上、下游闸阀门运行状态指示灯，以便于直观了解船闸闸阀门运行状况。同时安装程控/分散控制手动转换开关以及船闸控制的相应操作按钮。
上下游值班岗亭内各设置一台操作台，上下游操作台上各配置一台原装研华工控计算机并配以组态软件，面板上各配一台液晶显示器，并将收费系统显示器嵌放于操作台面板上，收费计算机放置于操作台内部，操作员既能直观了解船闸状况及PLC工作状态，在上位机上可以进行船闸的所有控制操作，又不影响船闸收费系统的正常运行。上下游两操作台功能完全相同，且互为备用，即一旦某一操作台的上位机发生故障，另一操作台任可进行船闸的所有操作。两操作台上位机与集控室PLC之间通讯采用光纤连接，既保证通讯的速度，亦可有效避免外界干扰、雷电波对系统安全稳定性的影响。
上下游机房手动箱上安装上、下游闸阀门状态指示灯及船闸控制的相应操作按钮。操作员可通过上位机进行船闸操作，也可通过控制按钮进行船闸操作，两种操作方法互为备用。
闸门采用变频调速系统，保证闸门安全平稳运行，同时，为减少变频器对电网及控制系统的干扰，对变频器加装相应的设备以减少高次谐波对系统的干扰。
5 系统的功能与安全设计
5.1 系统的功能设计
该PLC控制系统能直接和上位机相连，并使用组态控制软件，能在线编程和操作控制，使船闸的控制更为直观。系统采取程控与分散运行相结合，正常程序运行情况下，系统自动控制闸阀门的开关动作，并具备多重自动保护功能，自动检测动力、控制电源的电压、电流，闸阀门电机电流，自动形成数据库存入计算机，系统管理员能准确了解系统在过去任意时刻动力、控制电压、电流数值，以及电机运行时电流大小情况。由于在上下游闸首及闸室安放水位传感器，能实时观测船闸三级水位，保证船闸安全运行。同时，在上下游闸首分别配置一套广播系统，上位机可进行自动广播，操作全部可在操作面板上进行。对通航信号指示灯系统根据船闸运行的实际状况自动进行切换控制。上位机平时显示闸阀门状态画面及三级水位，需要时，可进入报表界面，参数记录界面及故障报报警界面。
控制系统采用施耐德电动操作机构，可实现远程遥控分合闸。在船闸遇特殊情况需断开所有动力电源时，操作员按任一个“急停”按钮后，系统立即断开船闸所有动力电源。在故障排除后，只需按“合闸”按钮，系统自动合上动力电源。此外，考虑到今后扩展、联网的需要，系统的所有开关量、模拟量输入、输出模块留有一定的空余点数，所有控制电缆均留有一定的未用芯数，所有动力电缆的容量也留有一定的裕度。使得一旦系统的功能需要进一步完善，现有的PLC输入输出点及电缆能在一定范围内满足要求。
5.2 系统的主要安全保护措施
控制系统电源与动力电源完全隔离，控制电源经精密净化稳压后再经在线式UPS输出到控制系统，控制按钮全部使用24V直流电源。有效保护操作员及机电人员的操作、维护安全。
接触器采用施耐德产品，具有质量好、体积小、噪音小、使用寿命长等优点。接触器上端安装断路器，便断开电源检修维护。
PLC输出端全部安装自动空气断路器，任一线路发生短路等故障时，能迅速断开，机电养护人员能迅速知道故障原因，并且无需更换熔丝。
对闸阀门电机采用双重保护措施：
(1) 动力驱动柜内安装阀门电机综合保护器(闸门变频器本身就是性能较好的电机保护器)，在电机过压、过流、缺相、短路等情况下自动断开电源以保护电机;
(2) 在闸阀门电机上端加装电流传感器，信号送至PLC，PLC对传感器信号进行模/数处理后，发现异常情况断开相应的接触器电源。
闸阀门限位开关均使用进口元器件，动作可靠，并全部使用双限位，即一旦某一限位开关发生故障后，不影响船闸的安全运行，系统对限位开关的运行状况具有自动检测功能，便于机电养护人员进行检修。
6 结束语
自施耐德Quantum系列PLC在船闸控制系统中应用以来，以其优异的性能，极低的故障率，大大提高了船闸控制系统的安全性与可靠性，有力地保障了苏北运船闸的安全与畅通。可以预见，随着船闸电气自动化控制要求的逐步提高，最终将实现船闸综合自动化，施耐德Quantum PLC必将在船闸有着更广泛的应用。
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