基于PLC的监控自动化在橡胶坝工程中的应用

　　摘要：水泵监控自动化是橡胶坝自动化的重用组成部分，也是自动控制的核心，它能否合理高效工作直接决定了整个自动化系统的效能。监控系统主要由监控/视频工作站、监控PLC、网络交换机、测量设备等组成，电源全部由UPS提供。
　　关键词：橡胶坝；PLC（ProgrammableLogicController）；监控系统
　　1、引言
　　橡胶坝是20世纪中期伴随着高分子合成材料工业的发展而出现的一种新型水工建筑物。橡胶坝具有造价低、投资少、节约材料、施工周期短、管理灵活简单、控制方便、运行稳定等优点。随着经济的迅猛发张和科技的快速进步，橡胶坝开始越来越多的被用来进行控制上游水位，这样既可以利用此橡胶坝来发电，也可以起到防洪的作用。橡胶坝使用简单、方便，被越来越广泛的运用。
　　橡胶坝大规模兴建应用以来，传统的控制方式一直存在效率低、运行速度慢、劳动强度大、控制复杂易误操作等问题。为了减轻工作人员负担，提高橡胶坝的自动化水平和运行速度，增强系统的抗干扰性，避免硬件的老化损失，我们研发了一种基于西门子PLC的橡胶坝自动控制系统。
　　2、橡胶坝控制系统的结构和工作过程
　　 山东省枣庄市水利勘测设计院结合多年的橡胶坝设计和运行经验开发了魏家沟自动控制项目，该项目采用充水式橡胶坝，系统结构如图1所示。
　　
　　图1
　　该橡胶坝为单跨式结构。1#泵和2#泵互为备用。1#阀—6#阀均为电动蝶阀，进水口和出水口之前均装设有金属滤网，保护电机和橡胶坝坝袋。
　　2.1自动监控系统主要部分：
　　1）监控PLC：整个自动化部分的核心。完成与生产运行相关的各项数据的采集、处理、数据上传，并自动控制系统运行或通过接收上位机的命令工作。设备选用西门子PLC-200型可编程控制器。
　　2）测量设备：橡胶坝充排水水位传感器、排污井水位传感器。选用型号DB101-G11TE205Z,规格为0---5米，配20米电缆。
　　3）执行机构：各电动蝶阀、接触器、断路器等。
　　4）监控/视频：工作站选用普通服务器，交换机选用EDS6008
　　2.2主要功能：
　　1）检测功能：三相电压、电流、有功功率、无功功率、用电量、水位的检测；电动机、阀门等各种开关量、模拟量的数据采集、计算和处理。
　　2）控制部分：充排水水泵、排污潜水泵以及各个阀门。
　　3）保护部分：由PLC与电动机控制器及各种电器完成水泵电动机的基本保护功能，主要包括：过电流、过负荷、短路、欠压、电机温度过热等。
　　4）监控/视频工作站：监控/视频工作站接受下级监控系统包括PLC、仪表等的数据，完成调度人员人机交互功能，显示各种监控画面、电力接线图、地理信息图形、视频监控画面、数据取向、统计报表、报警信息和管理信息等，提供水泵启停、开关控制和事故追忆、事故重演、等操作界面。监控/视频工作站可以驱动打印机、影响报警等，也可以察看现场视频信息。(注：采用PRISMAP壳体作为PLC监控屏，PLC监控屏设有S7-200型PLC可编程控制器、触摸屏、UPS电源、网络交换机等。)
　　2.3监视和工作系统：
　　
　　图2
　　橡胶坝工作系统的分布如图2所示，监视系统由三台视频编码器、三台一体化高速球机组成。一台安装于泵房，用于监视泵房水泵电机的运行工作情况；一台安装于控制室，用于监视控制室的情况；一台安装于橡胶坝附近大堤上，用于监视橡胶坝工作情况。
　　2.4软件功能：
　　1）数据采集和处理：模拟量、开关量和脉冲信号的数据采集、计算和处理，控制输出，事项记录（SOE），故障报警，防盗报警，各种监控画面的编辑和显示，实时曲线、历史曲线的显示等。
　　2）系统具有远方控制、批遥控、条件控制等功能。批遥控即可手工执行，也可定时自动执行，并可对遥控任务的执行进行条件限制。实施控制时，可以预先设定所需要调度的数据，实现智能控制和自动调度。
　　3）报警系统：系统运行过程中，有事故发生便产生报警，提供三级报警，用户可在开关库及限制库中执行定义所需要的报警级别。
　　4）事故追忆：出现事故时，将追忆缓冲区转存为磁盘数据库，追加时间戳记故障原因，以文件形式保存。
　　5）趋势曲线包括动态趋势、当前趋势、历史趋势、历史趋势、计划曲线等。数据来源于实时数据、历史数据、曲线数据、计划值数据。可在线定义和修改数据采样周期、数据点、曲线显示比例、范围、时间间隔等。
　　6）支持TCP/IP通信
　　7）数据转发
　　8）图形功能
　　2.5系统运行过程
　　系统运行过程：
　　1）当处于充涨坝过程时，1#阀门、5#阀门、6#阀门开启，其余阀门处于关闭状态1#水泵充水，或者1#阀门、4#阀门、6#阀门开启，其他阀门关闭，2#水泵充水。
　　2）当处于排水塌坝过程时，1#阀门、2#阀门、6#阀门开启依靠水压自排，或者2#阀门、3#阀门、6#阀门开启，其余阀门关闭，利用1#水泵或2#水泵强排。
　　橡胶坝控制软件的操作界面如图3所示，当手动按钮按下时，可通过逐个点击屏幕中红色的按钮打开或关闭相应的阀门和水泵来进行相应的充排水操作。当按下自动充水或者自动排水按钮，系统会按照程序自动给橡胶坝充排水，不需要点击任何按钮。当按下停止按钮，系统停止当前的所有动作，进入待机状态。当操作员发出与设定程序相违背的误操作时，系统自动弹出警示框并发出报警音提醒操作者。
　　
　　图3
　　在本系统应用之前，橡胶坝的充排水控制必须熟悉阀门的位置和线路才能操作，使用这套控制系统后，只要求管理人员会使用电脑的就能进行操作，极大地简化了工作程序，提升了工作效率。监控服务器设置了操作记录软件，能详细的记录操作员的每一步操作，简化了管理工作。
　　2.6远程监控的操作
　　远程监视系统设置了独立的IP地址和管理密码，系统接入互联网，所有拥有控制权限的用户可以登录监视系统的界面远程查看橡胶坝、控制室及泵房内的现状。
　　远程控制用户安装控制客户端后可通过客户端登录橡胶坝公共控制平台，获取权限后即可进行与权限对应的控制操作。
　　上述的所有远程操作均能记录在操作记录软件中，在与电信3G合作后，已能够选择将特定的操作记录和指令通过短信的形式发送到管理部门负责人的手机上。系统预留通讯接口，与物联网传感器互动，在物联网及传感器布设完毕后可完全实现智能化的橡胶坝控制。管理和运行工作将更容易，将能真正做到零时差反应。
　　3、系统结构拓扑
　　详细的系统结构如图4所示
　　
　　图4
　　4、结论
　　本系统已成功应用于南水北调项目枣庄万年闸段的魏家沟和三支沟等多座橡胶坝，从运行3年以来的结果表明，该系统完全满足设计要求，具有操作方便，可靠性强、数据完整、监控及时等优点，极大降低了工作人员的劳动强度、缩短了操作时间，受到了操作人员、维护人员和管理人员的一致好评。
　　参考文献
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　　[2]橡胶坝技术规范.中华人民共和国行业标准.北京:SI227-98水利部农村水利司．
　　[3]陈立定编著．电气控制与可编程序控制器的原理夏应用[M]．北京：机械工业出版社，2005.8.
　　[4]SIEMENS公司.北京:SIMATICS7-200可编程序控制器系统手册,2000.

《基于PLC的监控自动化在橡胶坝工程中的应用》

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