基于PLC的水闸监控系统的设计及仿真样本.doc

第一章 绪论1.1 研究闸门监控系统意义及目随着国民经济及科学技术进一步发展，科学管理水资源越来越显示其重要性和必要性，特别是在国内水资源并不充裕状况下，水资源必然成为国民经济发展及人民生活水平提高制约因素。故要从工程水利向数字水利转变，从老式水利向当代水利转变。进一步发挥水利工程效益，提高供水设备精确性和可靠性，已成为当前迫切任务。【1】因而对水库闸门监控系统研究，有助于国内水资源合理运用，对解决国内将来水资源短缺问题将具备重要战略意义。一方面，运用闸门监控系统，可以实时跟踪、监控闸门开度、水位数据，为合理调度水资源提供第一手数据资料。依照闸门上、下游水位以及闸门当前开度，再依照水资源调度详细需求，从而拟定出当前闸门详细控制方案。上游水位高，而此时上游用水量也呈现增长趋势，那么此时不要急于提高闸门，而要等到上游用水量需求趋减，而下游需求呈现增长趋势时，则可以考虑提高闸门，当关闭闸门时，状况与上述相反。另一方面，闸门监控系统在泄洪抗灾、水利发电等方面具备不可代替作用。在江河、湖泊发生洪水时，水位数据变化大，变化很迅速，此时靠人工手段很难跟踪这些数据变化。并且此时也规定迅速精确对闸门实现精准控制，这也是手工操作所做不到。在水利发电中，为了保证水利发电可靠性，提高发电质量，更离不开对闸门实时监控。最后，采用闸门监控系统可觉得咱们节约大量人力、物力、财力，真正实现了“无人值守，少人值守”。过去水资源调度中，手工操作既费时，又费力，并且达不到良好控制效果，使用闸门监控系统后，咱们可以在远离现场控制室里，对闸门、水位各项数居进行实时记录，以及实现对闸门实时，远程控制。1.2 闸门监控系统国内外研究概况 在水工建筑物固定式和移动式机械中占有重要地位闸门启闭机械，初期以绳毅式、链条式、多节拉杆式为主，但由于其操作不是自由悬挂重物，而是沿导向门槽作上下移动或者是绕着支绞作旋转运动闸门。可靠性，安全系数低，很难精准控制。随着经济和液压技术不断发展，传动稳定液压启闭机逐渐取代了那些比较落后绳毅式、链条式、多节拉杆式启闭机。作为一种比较完善而又经济先进传动装置，其动力机构为油缸，由于油缸可以产生很大下压力，因此，当采用液压启闭机操作闸门下降时，闸门就无需加重，因而也就可以减少驱动装置额定启升容量。 1.2.1 老式液压启闭机控制系统重要存在着如下缺陷和局限性2一方面，在硬件上，老式液压启闭机控制系统普通是采用继电接触器线路来控制闸门运营。这种系统最大缺陷就是线路复杂，维护工作繁重，操作麻烦，可靠性低，故障率高。此外，当控制系统需要改进时，就必要变化整个控制线路，实现起来十分麻烦。另一方面，在控制规模上，老式液压启闭机控制系统普通只能对水电站单个闸门运营进行控制，而不能对整个水电站进行自动控制。 最后在远程通讯上，老式液压启闭机控制系统通讯功能基本没有，只能传送执行闸门开、关、停等几种开关量信号，而主线不能传送整个水电站所有电气自动化设备状态信号，更不说远程控制这些电气自动化设备，和依照电机组生产需要自动调节闸门开度。1.2.2在液压启闭机控制系统中采用自动控制及监控重要性 鉴于液压启闭机控制系统控制对象和工作实际环境，在液压启闭机控制系统中采用自动控制及监控是十分必要:一方面，液压启闭机控制系统不但关系闸门正常运营，并且还维系到本地生命、财产安全。而初期继电回路控制模式液压启闭机控制系统采用人工手动控制，自动化限度低，操作一台闸门要多人协同完毕，因而操作耗时较长，生产效率极其低下，并且一旦遭遇近年罕见洪水，也许延误泄洪，对大坝安全是一种潜在隐患，因而提高液压启闭机控制系统自动化限度是极其重要任务。 另一方面，通过在液压启闭机控制系统采用上位机监控，使得操作人员可通过上位机极其容易控制各个闸门开、闭及开度大小，并且通过上位机中与实际现场同步实时动画监控，操作人员无需到现场观测即可精确掌握到各个闸门所处状态和其他设备运营状况，使得水电站得以履行无人值班、少人值守生产管理模式，提高了生产效率。1.2.3 基于PLC闸门远程监控系统提出 一种典型水闸自动化监控系统，其现地控制单元LCU(Local Control Unit)有采用8位或16位单片机，致命缺陷是不便于扩充;而可编程控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC因其具备逻辑判断、定期、计数、记忆和算术运算、数据解决、联网通信及PID回路调节等功能在闸门监控系统中得到了广泛应用。PLC更符合工业现场规定：高可靠性、强抗各种干扰能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。由于老式液压启闭机控制系统存在控制线路复杂，维护工作繁重，可靠性低，不能对整个水电站进行自动控制，远程通讯能力欠缺等缺陷和局限性，因此越来越不能满足水电站生产发展。基于PLC和液压启闭机控制系统闸门监控系统，由于其控制方式优越性，使它非常有效地解决了老式液压启闭机控制系统存在缺陷和局限性: 一方面，在硬件上，由于基于PLC和液压启闭机控制系统,采用可编程逻辑控制器与上位机构成控制网络作为重要控制设备，因此控制线路相对老式液压启闭机控制系统要简朴多，并且可靠性高，只需要修改控制程序就可达到改进控制规定。 另一方面，基于PLC和液压启闭机控制系统，采用是分层分步式控制构造，实现了对闸门远程监控和多级管理。1.3 论文重要研究内容本论文所设计基于PLC闸门控制系统，摒弃水电站闸门老式继电器控制和卷扬启闭机正反转控制闸门升降模式；采用PLC和液压控制模式对闸门进行控制。将控制系统分为集中控制单元层(上位机)、远程控制层(中心站)和现地控制层(现地设备)三级。通过该系统，操作员可在中控室及时理解现场闸门各种运营状态，分析故障因素，并及时依照现场状况做出相应调节和控制。现场控制设备PLC将收集到各种信息通过总线源源不断送到中控室上位机;同步上位机也可把操作人员发出命令通过总线精确无误传送给现场控制设备，从而实现依照需水规定及时调节闸开度功能。在PLC网络浮现不可修复故障状况下，操作人员还可启用设立在中控室内备用系统，对闸群进行紧急手动远程控制。在需要现场控制闸门启闭时，操作人员也可在相应闸门旁现地控制柜上进行操作，同样可以通过控制柜上观测到闸门实时开度和荷重。其研究重要内容如下:（1）讨论了闸门控制系统中有关数据采集；分析了各个采集设备工作原理，通过比较选定了本控制系统中所选用设备类型。（2） 对于闸门升降控制，本论文摒弃老式控制中采用电机正反转来提高和下降闸门模式；采用品有体积小，起重量大、负载刚性大、自动化限度高、安全可靠性好等特点液压启闭机控制闸门升降，详细简介了液压控制系统工作原理，液压系统中各个回路功能以及系统中器件作用等，实现了闸门可靠升降控制。（3）讨论了闸门监控系统实现；对闸门现地控制层和集中控制层功能进行了分析，给出了其硬件选型；完毕了闸门控制程序设计流程图，给出了硬件电气线路和软件程序设计。并且对监控组态软件进行了简介。 第二章 基于PLC闸门监控系统总体设计2.1 闸门监控系统构造分析和拟定 2.1.1 分布式监控系统简介在国内自动化控制领域中自动化控制系统重要分为分布式监控系统和集中式监控系统。分布式监控系统以控制对象分散为重要特性。以控制对象为单元设立多套相应装置，构成现地控制单元，完毕控制对象数据采集和解决、电机机组等重要设备控制和调节以及装置数据通信等。每孔闸门或一定数量闸门配备一种现地控制单元(Local ControlUnit，简称LCU)，每个LCU可构成一种独立控制回路。其中某一种现场控制单元发生故障不会影响其她现场控制单元正常工作。 2.1.2分布式系统在闸门监控系统中运用本控制系统采用分层分布式构造，一种较原则PLC闸群控制系统总体构造图，其可分为三层式构造:现地控制层、集中控制层和远程监控层。现地控制层每孔闸门配备一种现地PLC，收集闸位、水位和各种现场开关量、模仿量信息并上传至集控层PLC，同步接受集控PLC命令并通过接口执行。集控层PLC重要目是作为上位机和现地PLC交互信息硬件中转站，有着速度快、功能强大和稳定性高等特点。集控层上位机人机交互系统普通由相应组态软件构成，在监控闸群系统同步，肩负着与远程监控层交互信息功能，因而远地监控层也可通过公众网络或专用网络实时监测闸群控制状况。详细来说，该控制方案有着如下明显长处：(1)现地PLC功能强大:由于是工业级产品，现地层PLC均为模块化构造，设计、安装、维护非常以便;且功能强大、稳定性高、可扩展性强;设备接口种类选取面也很广。(2)集控层功能增强:集控层在上位机和现地PLC之间加设了高性能主控PLC，作为硬件信息中转站，使得集控层工作更稳定;同步，由于分担了上位机大某些工作，因而上位机可增长上传通讯功能，使得建立更高档远地监控层成为现实。(3)增长了远地监控层:在闸群控制发展方向上，江河流域控制以及跨流域控制是其中重要一项内容。因而，远地监控层建立成为必然趋势，而PLC系统强大功能为其建立打下了坚实基本。2.2 闸门监控系统主从站PLC选取 2.2.1 闸门监控系统从站PLC选取闸控系统从站PLC重要用于接受主站命令和上传现场信息，因而较强实时通讯能力是必备。由于现场闸位信息、荷重信息和水位信息需要在本地计算和显示，因此从站PLC不能只具备输入/输出功能，还必要具备一定计算能力，即现场智能设备必要具备CPU单元。此外，由于闸控现场需要某些必要开关量输入/输出信号交互，因而如果从站PLC能集成一定数量Dl/DO点。2.2.2 闸控系统主站PLC选取闸控系统主站在整个控制系统中起到了承上启下核心中枢作用。对于下级现地层设备来说，它负责实时收集所有闸门现场设备状态信息，并下达相应操作命令;对于上级上位机操作系统来说，它负责解决各种现场上传状态信息并将相应信息上传给上位机用于显示和判断，同步也接受上位机下达命令。因而，在主站PLC选取上，选取S7-400 系列PLC，特别是在通讯能力和解决速度上2.3 闸门控系统通讯方式本文给出闸控系统在现场控制层面，采用了PorfiBus一DP工业现场总线作为集控层与现地层之间通讯方式。从站PLC通过ProfiBus一DP总线与集中控制层主站PLC采用主从方式连网通讯，现场各种外围设备状态信息均通过从站上传到主站中，同步主站也通过度布在相应闸门旁从站向现场控制和保护设备发送命令。在集中控制层面，采用工业以太网通讯方式。主站PLC通过以太网口直接与上位机连接，采用以太网通讯方式与上位机交互信息。上位机采用WinCC软件对现地控制层和集中控制层进行组态和建立人机交互界面.ProfiBus-DP通过优化高速、便宜通信连接，专为自动控制系统和设备己分散I/0之间通信设计，使用ProfiBus-DP模块可取代价格昂贵24V或020mA并行信号线。ProfiBus-DP用于分布式控制系统高速数据传.输。 PROFIBUS-DP基本功能有:DP主站和DP从站间循环顾客数据传送;各DP从站动态激活和解除激活;检查DP从站组态;强大诊断功能，三级诊断信息(本站诊断、模块诊断、通道诊断);输入或输出同步;通过总线给DP从站分派地址:保证每个DP从站最大为246字节输入和输出数据:通过总线给DP主站进行配备。34与老式控制办法相比，Profibus 闸门监控系统有如下突出长处:用一条电缆实现现场设备和现场控制了系统匀_连以及现场控制了系统和集中控制级系统及中央控制级系统匀_连，使用数字化通信代替了420 mA或24V DC信号，增强了现场级信息集成量.系统开放性、可操作性、匀_换性大大增强.不同厂家产品和特长技术只要使用同一总线原则，即可进行系统集成.系统可靠性、可维护性好.采用Profibus连接方式代替一对一I/ O连接，减少了由接线点导致不可靠因素，同步系统具备现场级设备在线故障诊断、报警、记录功能，可完毕现场设备远程参数设定、修改等参数化工作，增强了系统可维修性.减少了系统及工程造价对于大范畴、大规模I/ O分布式系统，Profibus节约了大量线缆,I/O模块及电缆敷设工程费用，从而减少了工程成本.综上所述，Profibus现场总线技术对于闸门监控系统提供了可行解决方案，代表着控制技术数字化、智能化、网络化发展方向，具备辽阔应用前景.第三章 闸门双缸液压启闭控制在水利工程中，闸门启闭作业具备起重大(闸门自重达几百吨)，跨距长(闸门跨度可达十几米以上)，外界环境恶劣，闸门启闭时受水冲击力和风速影响使提高系统负载变化大等特点，而液压式启闭机由于油缸内油液为柔性工作介质，能达到减轻闸门局部启动时，高速水流对闸门产生振动，具备实现闸门平稳运营作用，因此在国内外水利工程建设中，闸门启闭机普通采用双作用液压双缸工作来实现闸门提高，下降控制。同电机正反转控制系统相比，液压系统具备如下突出长处：5（1）体积小，重量轻，启闭力大，与相似起重量其他设备相比，液压提高设备体积仅为它们1/4一1/10，而提高重量却能达到其自重40倍甚至更多;（2）液压系统负载刚性大，具备较好抗负载特性，定位精度受负载变化影响小;（3）安全可靠性好。液压系统可以安全、可靠并迅速地实现频繁带载起动和制动。（4）液压油缸多为双作用式，即可以提高闸门，也可以向闸门施加闭门力；相比之下，卷扬启闭机则无法形成闭门力，必要加铸铁或混凝土配备。 3.1 液压系统简介 3.1.1 液压系统基本构成元件普通液压系统均有如下几种基本某些构成：把机械能转化成液体压力能动力元件液压泵；把液体压力能转化成机械能执行元件，普通常用形式是液压缸和液压马达；对液体压力、流量和流动方向进行控制和调节控制元件。尚有净化油液过滤器、储存压力能蓄能器、油管、油箱等辅助元件；现结合本控制系统详细简介液压系统；从整体构造构成方面，液压启闭系统涉及 ：油泵电动机组，液压控制回路、液压元器件及辅助设备等。此外，还设有功能齐全、动作可靠安全运营保护装置，涉及过载、超压、欠压和短路保护断路器、油箱内液位液温报警，滤油器堵塞报警等。63.1.1.1 油泵电动机组每套液压系统设有两套油泵电动机组，一套油泵电动机组工作，一套备用；平时备用油泵电机不工作，当主油泵电机浮现故障时，备用油泵电机才投入运营。3.1.1.2液压控制回路液压控制系统中涉及许多液压控制阀（简称液压阀），液压阀是液压系统中控制元件，用来控制液压系统中流体压力、流量及流动方向。无论何种液压系统，都是由某些完毕一定功能基本液压回路构成，而液压回路重要是由各种液压控制阀按一定需要组合而成。液压控制阀按其作用可分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀三大类，相应地可由这些阀构成三种基本回路：方向控制回路、压力控制回路和调速回路。在此着重简介方向控制回路和压力控制回路。（1）方向控制回路 任何一种液压系统都具有一种或各种方向控制回路。惯用方向控制回路有启停回路、换向回路和锁紧回路。方向控制回路重要控制阀是换向阀； 换向阀是运用阀芯和阀体间相对位置不同来变换不同管路间通断关系，实现接通、切断，或变化油液流动方向从而实现液压缸运动方向变化，也即实现了闸门提高和下降操作。本系统中方向控制回路有换向回路和液压锁紧回路。(a) 换向回路换向回路采用三位四通电磁换向阀如下图所示；三位四通电磁换向阀阀芯有三个工作位置，其中中间一种方框表达其原始位置（即阀芯未受到操纵力时所处位置），左右方框表达两个换向位，其左位和右位各油口连通方式均为直通或交叉相通；阀体上有四个各不相通且可与系统中不同油管相连油道接口（P为进油口，T为回油口，A，B为阀与液压缸连接油口），不同油道之间只能通过阀芯移位时阀口开关来沟通。电磁换向阀是运用电磁铁吸力推动阀芯来变化阀工作位置。三位四通电磁换向阀阀体两端各装有一种电磁铁，当两端电磁铁都断电时，阀芯处在中间位置。此时P、A、B、T各油腔互不相通；当左端电磁铁通电时，该电磁铁吸合，并推动阀芯向右移动，使P和B连通，A和T连通，形成图3-1右方框所示交叉油路。当其断电后，右端复位弹簧作用力可使阀芯回到中间位置，恢复本来四个油腔互相封闭状态；当右端电磁铁通电时其衔铁将通过推杆推动阀芯向左移动，P和A相通、B和T相通，形成图3-1左方框所示平行油路。电磁铁断电，阀芯则在左弹簧作用下回到中间位置。 图3-1三位四通电磁换向阀图形符号(b) 液压锁紧回路锁紧回路可使液压缸活塞在任一位置停止，并可防止其停止后窜动。锁紧回路采用液控单向阀，其锁紧回路如图3-3所示。液控单向阀是容许液流向一种方向流动，反向启动则必要通过液压控制来实现单向阀，液控单向阀提供了一种控制油口，当控制口 K处无压力油通入时，它工作和普通单向阀同样，压力油只能从进油口A流向出油口B，不能反向流动。当控制口K处有压力油通入时，在液压力作用下活塞向上移动，推动顶杆顶开阀芯，使油口A和B接通，油液就可以从B口流向A口；如图所示这两个液控单向阀构成“液压锁”，当一种液压单向阀油口A到B没有压力油流通时，另一种液压单向阀控制油口就没有足够压力油顶开阀芯，则它压力油就不会从B口流到A口，即液压缸中压力油就是恒定，保证系统压力不变。即液压缸被锁紧了，同步此时闸门停止。由于液控单向阀有良好密封性能，虽然在外力作用下，也能使执行元件长期锁紧。3-3 锁紧回路（2） 油泵空载启动和压力控制回路由三位四通电磁换向阀和溢流阀一起调节系统压力。将一种溢流阀并联于液压泵出口，该溢流阀可以使液压泵出口压力恒定，其前提条件是泵出口压力是由负载（其中涉及外负载和各种液阻）大小决定。如果泵出口压力低于溢流阀调定压力，泵出口压力就是当前这个低值，此时溢流阀关闭；只有泵出口压力达到溢流阀调定压力时，溢流阀打开，且有溢流量，泵出口压力才是定值。溢流阀在定量泵节流调速回路中起两个作用：以是保证液压泵出口压力恒定；二是“分流了泵多余流量。油泵电动机组启动过程如下:液压油先经三位四通阀中位直接流回油箱，延时约10s后，依照所需执行操作动作需要，使相应电磁阀得电，系统随后建压。3.2 液压启闭系统工作原理当液压控制系统接受到闸门启动或关闭信号时,由液压泵站通过各类阀组向液压油缸提供动力油,通过压力油在油缸有杆腔和无杆腔施压与排放、活塞杆在油缸中伸缩对闸门实行推力或拉力，从而达到启闭闸门目。如图3-4为液压启闭系统工作原理图。78智能控制单元PLC通过控制如图3一4所示液压启闭机系统中电磁阀得、失电而实现对整个闸门操作。在闸门启动过程中，当现地控制级PLC发出升门信号后，油泵电动机组空载启动，二位二通电磁阀2.1 电磁铁5DT得电则二位二通电磁阀2.1油口处在接通状态，它进油口恰与先导溢流阀先导阀相连，当先导溢流阀5.1打开，将系统压力调高至系统工作压力，此时泵卸荷。三位四通换向电磁阀7电磁铁1DT得电平行油路（P-A,B-T）接通，液压油通过油路P-A通过调速阀9和液压锁10进入油缸有杆腔，而无杆腔油通过换向阀7B-T油路回到油箱，油缸活塞杆缩回，闸门启动；在闸门下降过程中，三位四通电磁换向阀7电磁铁2DT得电，液压油通过该阀交叉油路(P-B,A-T)接通液压油通过油路P-B通过液压锁10进入油缸无杆腔，而有杆腔油通过液压锁10、调速阀9和换向阀7A-T油路回到油箱，油缸活塞杆伸出，闸门关闭。3.3 液压启闭系统实现重要功能9(1)液压泵电动机组空载卸荷当机械工作部件短时停止工作时，普通都让液压系统中液压泵空载运转。在液压泵驱动电动机不频繁启闭状况下，使液压泵在功率损耗接近于零状况下运转或输出很小流量压力油，以减少功率损耗，减少系统发热，延长泵和电机寿命。 本系统中采用卸荷回路有: 采用三位阀卸荷回路 三位换向阀阀芯在中间位置时各种油口接通关系不同、这可满足不同使用规定，这称之为三位阀中位机能。使用M、H和K型中位机能三位换向阀处在中位时，泵都卸荷。如图3-4液压控制系统中三位四通换向阀采用是H型中位卸荷。即压力油从定量泵口出来后来，经三位四通换向阀H中位，直接流回油箱。 用先导式溢滚阀卸荷回路 在先导式溢流阀5.1遥控口C接一种二位二通电磁阀2.1。这样组合功能是：不卸荷时用作设定系统(油泵)主压力；当卸荷状态时，用一种作用于电磁阀电信号使电磁阀油路有断开转换为接通，压力油直接返回油箱,系统压力为0. 从而实现了遥控远程卸荷。当系统压力达到溢流阀启动压力时，溢流阀启动，泵卸荷；当系统压力降至溢流阀关闭压力时，溢流阀关闭，泵向系统加载(2) 闸门锁定及同步 为了提高闸门开度控制精度，在液压启闭机系统中设立了液压锁与相匹配三位四通(Y型机能)电磁阀。当闸门运营到指定开度后，通过控制系统使电磁线圈1DT，2DT均失电，三位四通电磁阀回到中位，液压锁迅速锁紧，闸门可靠地锁定在预定开度，虽然在外力作用下闸门也不能下滑。本系统中还在油路上设立了调速阀9，通过调速阀可以调节两只油缸运动速度，使两只油缸在运动中保持同步。（3）水电站闸门控制系统不但关系电站运营生产，并且还维系到本地生命、财产安全，因而闸门启、闭可靠性是液压启闭机设计核心，特别是遇到百年罕见洪灾时，就显得更为重要了。因而在该液压启闭机系统中设立了由手动泵和手动换向阀构成应急系统，当遇到主控液压动力站系统浮现故障时可通过该应急系统保证启闭机正常工作。将手动控制泵和手动换向阀按钮都安装在现地控制柜上，便于手动控制。此外在该液压系统中进、回路还设立了截止阀13.1，13.2和二位二通电磁阀2.2，2.3，当遇到紧急状况规定闸门迅速关闭时，可通过控制系统使电磁阀2.2，2.3得电或手动打开截止阀13.1， 13.2，则要进入有杆内压力油就通过电磁阀2.2，2.3接通这个通道直接流回了邮箱，故而实现了迅速关闸门。同步若要迅速升门，则也可通过截止阀13.4，13.3和单向阀6.3使无杆腔内压力油迅速流回油箱。（4） 纠偏控制10 在闸门启动和关闭过程中,由于两侧受力不完全一致且两侧油缸也不也许完全相似等各种因素，使两侧油缸动作不同步，闸门不能行保持水平地升降，引起闸门卡滞故障，甚至导致事故。因而为保持闸门。左右油缸动作同步，必要设立纠偏功能；为防止闸门卡死现象浮现，该液压启闭机系统中不但在有杆腔进油路上设立了调速阀，并且还在该系统中设立了由电磁阀11和节流阀12.1， 12.2共同构成纠偏系统其原理是在连接液压缸有杆腔管路上设立一种三位四通电磁换向阀11，其回油口与油箱连通。根据闸门开度检测装置检测到得闸门左右开度偏差值，在闸门启闭运营过程，当闸门左端高出闸门右端开度值超过了系统预定值（即左超），或者闸门右端高出闸门左端开度值超过了系统预定值（即右超）时，依照偏差信号，让闸门三位四通电磁换向阀11电磁铁得电，启动电磁换向阀平行或交叉油路，实现闸门左右端不同油路泄油至油箱，从而调节双缸相对行程。当双缸偏差达到设定容许值时，关闭电磁换向阀。如此不断地对两侧液压缸行程进行开关式调节，达到双缸同步运营规定。例如：在闸门上升过程中浮现左超时，阐明左端液压缸提高闸门速度太快，即该液压缸中有杆腔油压过大；则让三位四通电磁换向阀11电磁铁4DT得电，故此时电磁阀交叉油路接通，左端液压缸泄油。现总结如下，无论闸门在上升还是下降过程中，只要闸门左端开度值不不大于闸门右端开度值，且偏差值超过了系统预设值，则接通电磁阀交叉油路；同理，当闸门右端开度值不不大于闸门左端开度值，且偏差值超过了系统预设值，则接通电磁阀。（5） 液压启闭机运营状态监视油缸固定机架转轴上安装接近行程开关装置用于限定闸门提门、落门极限，反映每个闸门全开全关位置;系统压力、油温通过传感器送入可编程控制器模仿量输入模块;启门左右缸压力、系统压力、滤油器、油位、电磁阀有关执行器件状态、故障状态等信号等直接送入PLC开关量模块;用来实现启闭机运营故障状态监视功能。3.4 本章小结本章结合闸门控制需要，简介了液压控制系统构成、控制回路，给出了液压启闭机系本统原理图，并着重简介了液压启闭机系统工作过程（即闸门提高和下降实现过程），同步还简介了本液压控制系统中同步控制功能实现过程。第四章 信号采集传播 2.1 数据采集单元实现 2.1.1 闸门开度采集 闸门开度是闸门运营管理最基本指标之一,只有实时精确监测到闸门开度,才干安全地实现闸门自动启闭控制；闸门开度仪表由编码器和传感器构成。 2.1.1.1 编码器编码器如以信号原理来分，有增量型编码器和绝对型编码器。增量型编码器价格低廉，接口简朴，采用计数器计数方式拟定相对位置。但检测绝对位置时，则需要提供初始位置信息，并且容易受干扰影响，断电数据丢失，数据出错时必要回归原点，因此普通仅用于相对位置检测；绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16 线。编排，这样，在编码器每一种位置，通过读取每道刻线通、暗，获得一组从2零次方到2n-1次方唯一2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样编码器是由光电码盘机械位置决定，它不受停电、干扰影响。绝对编码器由机械位置决定每个位置是唯一，它无需记忆，无需找参照点，并且不用始终计数，什么时候需要懂得位置，什么时候就去读取它位置。这样，编码器抗干扰特性、数据可靠性大大提高了。绝对值型编码器普通采用格雷码制，这是由于二进制产生进位时，也许有各种数据位发生变化，由于读取数据时各数据位时序上差别，也许导致读数错误。而格雷码进位时只有一种数据位发生变化，可减少读数错误。11此在抗电磁干扰能力强，误码率低及输出稳定性高等方面有着较明显优势 在本闸门控制系统设计中，采用多圈绝对型光电编码器，所谓光电编码器就是一种通过光电转换，将输至轴上机械、几何位移量转换成脉冲或数字量传感器，它重要用于速度或位置（角度）检测；2.1.1.2 闸门开度测量原理1213当闸门做启闭运动时，带动闸门动作两个油缸各自驱动自己绝对型光电编码器,将油缸位移信号转换为格雷码形式数字量输出，传送给闸门开度仪，通过一定算法间接测量出闸门开度；如下图2-1所示为闸门开度仪与编码器、PLC接线图；图2-1 闸门开度仪与编码器PLC接线图本系统采用闸门开度仪表+绝对型光电编码器测量闸门实际直线位移;如图所示，多圈绝对型光电编码器与闸门开度仪之间有2条电源线，有时钟线和数据线一共4根（即CLocK+，CLocK一，DATA+，DATA一）；系统中采用是串行数据传播。串行传播占用较少数据线；应用最多是原则RS一422接口和RS一485接口。其中RS一422接口是全双工工作方式，通讯合同为SSI，它是用于传播编码器输出数据到控制装置同步串行接口合同，工作过程为控制模块发送一串时钟脉冲信号，编码器则响应位置数据。并且RS422接口与供电电源是电器隔离。RS一485接口编码器为半双工，将编码数字信号转换成RS一485串行信号输出，这种输出方式普通用于编码器远距离传播，可节约电缆，同编码器数据通过电缆传送给闸门开度仪。（有问题） 图与字论述对不上啊（显示）一方面在现地控制屏上显示两个闸门开度,另一方面则采集旋转编码器数字量输出送入P L C 控制器开关量输入端，PLC 通过对格雷码译码获得闸门开度二进制数字量，再通过PLC 特定算法程序计算出闸门开度。并输送到远程监控级上位主机进行远方显示。2.1.2 水位采集惯用液位传感器有:旋转编码浮子式传感器(机械式和光电式)、超声波传感器、压力式传感器、磁浮子式传感器等14。其辨别率从毫米级到厘米级不等，测量范畴从几十厘米到几十米。一方面，从各个水位计基本行能指标，价格方面进行比较 另一方面，根据不同水位计工作原理，以及它们优缺陷相比较。（1） 浮子式水位计它是用浮子和平衡锤作为水位感应部件，通过金属绳带动水位轮变化传递给记录仪，自动记录水位。旋转编码浮子式传感器分为机械式和光电式两种，光电式又分为绝对型和增量型。此类传感器输出普通为并行二进制码、串行二进制码和脉冲信号。（2） 压力式水位计它是通过测量水压力（即测点以上水柱重力）来推算水位。较惯用测量水压办法有电测水位，压力天平测量水压和水压式水位计。故压力式水位计带有变送某些，要将测得水位信号转换成原则电流信号(4一20mA)。这种水位计长处是不需要建造测井。安装不受地形限制，室外设施简朴，但规定水比重稳定因而，不合用于水比重变化地区。（3） 超声波水位计15此类水位计是通过发射超声波脉冲，依照超声波在空气中传播速度和接受到水面回波所需时间来测定所通过距离而计算水位。它特点是不需要建造测井，仪器构造简朴。但是，由于超声波盲区影响，因而应用时需要有一定水深以保证观测精度，再就是泥沙、风浪、水流中漂浮物等都会对超声波有干扰作用，因而不合用于河流多、风浪大、漂浮物多河流。(4)磁浮子式水位计此类水位计原理是，当液位变化时，磁浮子将随液位在测杆上滑动，继而引起电路中电阻值发生变化，检测电路电阻值就可以获得液面位置。水位检测规定精度较高综合上述比较，因此选用压力式水位计测量闸门上下游水位。第五章 闸门监控系统实现5.1 现地控制系统实现5.1.1现地控制系统功能 现地控制层系统实现闸门现场控制，具备整个闸控系统中最高控制优先级。重要目是：通过控制液压启闭系统中定量泵，以及有关压力电磁阀，方向电磁阀等阀组实现对闸门启闭控制。控制功能涉及:闸门上升、下降、停止；监控功能涉及:水位信息、闸位信息、荷重信息；通讯功能涉及:水位、闸位、荷重以及现场设备有关参数实时上传；对闸门保护功能涉及:电机保护、限位保护、手动急停保护等。 （1）基本控制功能每孔闸门现地层控制系统是一种具备完备控制能力相对独立本地控制系统。可实现远程和现地操作方式切换，并在现地操作方式下，可通过手动方式即每孔闸门在现场都设立一种现场控制柜实现对被控闸门升/降/停操作。（2）实现信息采集和监控功能(a)闸位信息 16：采用高精度旋转编码器型传感器，实时采集闸位信息，并通过格雷码方式向现场PLC输入高精度并行编码信息。同步，该闸位信息需在现场实时显示，并上传到集中控制层上位机中显示。且由于闸位传感器质量直接关系到闸门控制精确性，故在本控制系统中，通过价格，性能各方面比较决定选用德国海德汉公司ROQ425型绝对型光电编码器,该编码器每一圈最大辨别率为13位，即最大可区别8192个位置，多圈圈数为12位，也即最大4096圈可被辨认；故量程为81924096，输出码为25位格雷码。（输出信号为SSI同步串行信号。最后传送到闸门开度仪；）一方面在现地控制柜文本显示屏上显示两个闸门开度,另一方面则将旋转编码器输出格雷送入P L C 控制器开关量输入端，PLC 通过对格雷码译码获得闸门开度二进制数字量，再通过PLC 特定算法程序计算出闸门开度，这个过程都通过编写”闸门开度采集子程序”并载入从站PLC中完毕。最后将闸门开度输送到远程监控级上位主机进行远方显示。（b）水位信息:选取水库区三个水位进行测量，分别定位在水库上游（水库大坝坝前）、闸门迈进水口处以及水库下游。系统水位采集时采用水位传感器是压力式水位变送器，输出信号是420mA电流信号。由于PLC自带有模仿信号输入通道，使得原则电流信号可直接输入PLC中，不需要再扩展AD模块。模仿信号在PLC模仿输入通道中自动完毕AD变换。并且在PLC主程序中将采集到得模仿量放到指定数据块中，依照模仿量转换公式将420mA电流信号转换成相相应水位实数并显示出来。同步，实时上传到集控层上位机中，采集时间间隔可由上位机操作人员自定。（c）各种现场设备参数:各种现场设备运营参数或故障参数在现场PLC中解决、分析，在现场人机交互界面上显示，并实时上传到集控中心上位机中显示或报警。(3) 保护功能 (a) 限位保护:在现地闸门控制系统中，使用软硬件限位保护。硬件保护：当闸门正常运营过程中也许浮现闸门开度达最大值而任然启动这种状况，针对这种状况设立一种行程开关。当PLC检测到行程开关动作后将断开闸门回路，使闸门及时停止启动。同样，当闸门关闭时，也设立一种行程开关。使闸门停止工作。软件保护：采用软件控制方式，通过旋转编码器传递数据计算当前闸门所处位置，并在程序中设定上、下限位置。（b）电机急停保护 在现地三相动力电源进线处加设断路器，这种断路器带有分励脱扣器，具备智能分励脱扣功能，合用于交流50Hz(或60Hz)，额定工作电压为230/400V，额定电流63A线路中，对线路进行远距离控制分断或自动信号控制分断，同步对线路起过载和短路保护作用，当线路发生严重过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路。在现地手动控制操作无法正常停止闸门电机运动时，现场操作人员通过现地控制柜上“急停”开关直接控制断路器断开，即直接切断闸门电机动力电源。在集中控制层控制时，可由远端控制线路，通过信号线给断路器和智能分励脱扣器极上施加控制电压，即信号电压，当需要远程控制断路器断开时，可以断开信号电压，则将断路器断开。 （c）软件保护:除以上硬件保护办法外，现场PLC还具备:闸门失速、闸门下滑、上/下越限等软件保护程序。且现地层诊测出任何故障均需在本地显示并上传至集控中心。 (d) 电磁和防雷保护:每孔闸门控制设备均置于一种防护控制柜中。整个控制系统采用了专门防雷和防电磁干扰办法。 5.1.2现地控制系统硬件实现 依照闸门控制系统中从站PLC规定要有：与上位机较强实时通讯能力；对于水位，闸位信息等信息有很强数据解决能力；对采集来信息要有相称数量数字或模仿量输入，输出口进行输入输出；对于上位机下达命令执行速度要快。故从站选取具备：循环周期短、解决速度高;指令集功能强大、可用于复杂功能;产品设计紧凑、可用于空间有限场合;模块化构造、适合密集安装;有不同档次CPU、各种功能模块和输入输出模块可供选取S7-300PLC.即从站采用SMATIC S7-300系列CPU224 ,一种文本显示屏(TOD110，4行文本显示)、一种16点数字量输入数字量模块、一种ProfiBus一DP总线模块以及相应闸位计，水位计等传感器和中间继电器构成，形成了一种具备完备控制能力相对独立本地控制系统。该系统具备完善控制启闭机和采集数据以及与集控层PLC通讯等功能。PLC在本地进行闸门控制时重要有4个方面功能:控制闸门启闭、显示有关信息、采集现地信息、接受保护系统报警信息。PLC硬件配备及重要输入输出信号如图5-1所示。图5-1 PLC硬件配备及重要输入输出信号5.3 闸门控制方式分析91920闸门控制分现地控制和远程控制。现地控制又涉及现地自动和现地手动两种控制方式，当现地闸门控制装置设立在“自动”控制状态下，现地控制单元PLC(从站)接到开、关闸门命令信号，则通过PLC 程序自动控制闸门启动和关闭，当设立在“手动”控制状态下，则通过现地控制柜上开关、停控制按钮直接操作闸门；现地手动控制保证闸门在系统自动控制功能产生故障状况下，闸门启动、关闭，全开或全关。 远程控制也涉及两种控制