【正文】 圖 。 Network13～Netwok16 為閘門上升子程序 ， Network17～ Netwok20 為閘門 下降 子程序 ，其過(guò)程已在上面講 29 明，不再贅述 其中 MW MW4 為閘門預(yù)設(shè)開度 。 下面對(duì)圖 中的 梯形圖程序予以簡(jiǎn)單的解釋 ： 首先，把 閘門的左右 開度 IB IB2 送入中間變量 MW MW2 中 ，這樣就可以實(shí)現(xiàn)閘門左右開度的比較 。 梯形圖程序見 圖 所示。其子程序流程圖如下圖所示 。 在第三章中的液壓?jiǎn)㈤]原理中我們已經(jīng)得知 閘門上升的基本原理以及如何去控制閘門的上升，下面就來(lái)具體說(shuō)明用 PLC 的梯形圖來(lái)控制閘門上升的流程。 圖 西門子 S7300型 PLC Siemens S7300 PLC PLC 的軟件設(shè)計(jì) 輸入量、輸出量的介紹 在本液壓?jiǎn)㈤]控制系統(tǒng)中，輸入量包括按鈕、常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)等開關(guān)量， 8 位格雷碼數(shù)字量以及液位變送器等模擬量。 四至七號(hào)槽位分別為 數(shù)字量輸入、輸出模塊，模擬量輸入、輸出模塊。本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 如 圖 所示 ，其中從左至右依次為 1 號(hào)槽位到 9 號(hào)槽位 ，在這里，槽位號(hào)只是 相對(duì)的，實(shí)際上不存在物理槽位，每個(gè)模塊用背部總線 相 連接。 S7300 按 I/O 點(diǎn)數(shù)及內(nèi)存分類屬于中型PLC，存儲(chǔ)器為 2KB， 每一個(gè)數(shù)字量模塊中有 32 個(gè)點(diǎn)，支持 PROFIBUS、工業(yè)以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)。 具體程序見 軟件設(shè)計(jì)部分。 例如 自然 二進(jìn)制數(shù) 7 和 8 為 0111 和 1000， 每一位都不同， 用格雷碼表示為 0100 和 1100，這樣就只差了一個(gè)數(shù)。 選擇 及測(cè)量方法 本系統(tǒng)采用 并行輸出方式傳輸數(shù)據(jù)，光電碼盤選用 多圈 格雷碼盤 。 絕對(duì)編碼器光碼盤上有許多道 光通道 刻線，每道刻線依次以 2 線、 4 線、 8 線、 16 線編排，這樣，在編碼器的每 一個(gè)位置，通過(guò)讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從 2 的零次方到 2 的 n1 次方的唯一的 2 進(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為 n 位絕對(duì)編碼器。其與 PLC 的連接如 圖 所示。其量程為 0～ 200M，采用二線制標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，輸出為 4～ 20MA的電流值。這是閘門最基本的控制要求。 24 （ 2） 在閘門的兩側(cè)裝上閘門開度儀，來(lái)測(cè)量閘門的開度。 PLC 的硬件設(shè)計(jì) 總體控制要求的分析 本控制系統(tǒng)的核心要求 是 控制水閘閘門的啟閉。 I/O 單元是 PLC 與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)連接的接口。 23 第五 章 PLC 的軟、硬件設(shè)計(jì) PLC 的 基本結(jié)構(gòu) 繼 電 器電 磁 閥C P U系 統(tǒng) 程 序 存 儲(chǔ) 器用 戶 程 序 存 儲(chǔ) 器按 鈕接 觸 開 關(guān)行 程 開 關(guān)指 示 燈電 源輸入單元編 程 器輸出單元 圖 PLC的基本結(jié)構(gòu) Basic structure of PLC 如圖 所示，為 PLC 的基本結(jié)構(gòu)圖， PLC 實(shí)質(zhì)上是一種工業(yè)計(jì)算機(jī)，與計(jì)算機(jī)的組成十分相似，主要是由中央處理單元（ CPU）、存儲(chǔ)器、輸入輸出單元（ I/O 單元）、電源等組成。電機(jī)軟啟動(dòng)流程圖 如圖 所 示 。 當(dāng)進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)（本回路圖沒有畫出），上位機(jī)發(fā)出控制程序給 PLC，然后讓相應(yīng)的中間繼電器得電，以此來(lái)接通 KM1，從而使電機(jī)進(jìn)入軟啟動(dòng)階段。手動(dòng)控制即利用控制柜上的按鈕來(lái)直接對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制，自動(dòng)控制即當(dāng)上位機(jī)發(fā)出控制信號(hào)時(shí)，通過(guò)執(zhí)行 PLC 中預(yù)先編寫的梯形圖指令來(lái)控制 KM1 的通斷，從而達(dá)到自動(dòng)控制的目的。 當(dāng)油泵電機(jī)軟啟動(dòng)時(shí)，首先接通隔離開關(guān) QS QS2，再接通斷路器 QF QF2，當(dāng)發(fā)出控制信號(hào)以后，接觸器 KM1 得電閉合，電機(jī)進(jìn)入到軟啟動(dòng)階段。圖中 QF KM1 分別在軟啟動(dòng)器的左端， QF1 對(duì)整個(gè)電氣回路起到了過(guò)載、欠壓、短路保護(hù) 作用 。 SB SB2 為開關(guān)。 QF為斷路器，它不僅能通斷正常負(fù)荷電流，而且能接通和承受一定時(shí)間的短路電流，并能在保護(hù)裝置作用下自動(dòng)跳閘，切除短路故障。分別如圖 和t0II 1Ie 20 圖 所示，其中圖 是電機(jī)軟啟 動(dòng)的主回路圖，圖 是電機(jī)軟啟動(dòng)的控制回路圖。其次 在運(yùn)行過(guò)程中， 當(dāng) 油泵出現(xiàn)故障時(shí)，備用油泵能及時(shí)自動(dòng)投入運(yùn)行。對(duì)于 像油泵電機(jī)等 啟動(dòng)負(fù)載較輕的設(shè)備，可選擇功能簡(jiǎn)單、價(jià)格較低、操作方便的軟啟動(dòng)器。電流斜坡啟動(dòng)模式具有較強(qiáng)的加速能力，適用于兩極電動(dòng)機(jī)，也可在一定范圍內(nèi)縮短啟動(dòng)時(shí)間。 這種控制方式適用于電源容量小，必須限制啟動(dòng)電流的場(chǎng)合。它的電壓按一個(gè)預(yù)先設(shè)定好的曲線變化，其斜坡由斜坡上升時(shí)間 t 決定； 另外，當(dāng)起始電壓 U0 低于一定值時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)并不能運(yùn)轉(zhuǎn)，反而使電機(jī)發(fā)熱。 圖 直接啟動(dòng) 圖 Y△ 啟動(dòng) Direct starting Y△ starting 三相異步電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)一般都要采用降壓?jiǎn)?dòng)的手段。 Y△啟動(dòng) Y△ 啟 動(dòng)是一種降壓?jiǎn)?dòng)方 法， 啟 動(dòng)時(shí)將異步電動(dòng)機(jī)三相定子繞組接成星型，等啟動(dòng)完成以后，再接成三角形，如圖 所示。又因?yàn)榫чl管的導(dǎo)通角 θ 與觸發(fā)角 α 有關(guān)，因此只需在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中控制晶閘管觸發(fā)角 α 的大小，就可 以使異步電機(jī)的定子端電壓和啟動(dòng)電流根據(jù)控制要求來(lái)進(jìn)行變化。 16 第四章 電機(jī)的軟啟動(dòng)控制 軟啟動(dòng)器簡(jiǎn)介 軟啟動(dòng)器的基本概念 軟啟動(dòng)器是一種控制三相異步電機(jī)啟動(dòng)與停止過(guò)程的新設(shè)備，主要由串接于電源與異步電機(jī)之間的三相反并聯(lián)晶閘管組成， 通過(guò) 對(duì) 內(nèi)部的單片機(jī)調(diào)整 來(lái) 改變觸發(fā)脈沖的觸發(fā)時(shí)間 ，繼而 改變晶閘管的導(dǎo)通角 。糾偏控制流程圖如圖 所示。左超表示在閘門啟閉運(yùn)行過(guò)程中 ，閘門左端 開度高于閘門右端 開度 ；右超表示在閘門啟閉運(yùn)行過(guò)程中 ，閘門右端開度高于閘門左端 開度 。本系統(tǒng)采用電磁換向閥控制同步回路 ，其與 PLC 的連接如圖 所示 。 伺服同步控制 能形成精確的控制 系統(tǒng) ，其控制質(zhì)量 受工作條件變化的影響較小 。 （ 3） 電磁換向閥 控制同步回路 本液壓系統(tǒng)的同步控制方案 采 用此種同步回路 ， 同步 回路由圖 中二位二通電磁閥 、 ， 節(jié)流閥 、 ， 以及三位三通電磁閥 8 組成。此法同樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且可以調(diào)速，但是由于受到油溫變化以及調(diào)速閥性能差異等影響 ，同步精度較低，一般在 5%～ 7%左右。因?yàn)樗こ讨胁捎玫囊簤簡(jiǎn)㈤]機(jī) 往往都是大容量 ，活塞桿行程長(zhǎng)， 若采用此回路，對(duì)液壓缸的面積要求精度高，也難以控制。 即圖中 1 缸的右腔排出的油液被送入到 2 缸的左腔中去 。綜上，本系統(tǒng)采用的是閉環(huán)控制， 即從液壓缸的上腔引出一條回路至油箱。 開、閉環(huán)控制系統(tǒng)的介紹 使兩個(gè)或兩個(gè)以上的液壓缸 ，在運(yùn)動(dòng)中保持相同位移或相同速度 的回路稱為 同步回路。 自動(dòng)防下滑功能 閘門因自身重力的作用 以及 油液的泄露，會(huì)導(dǎo)致閘門產(chǎn)生不同程度上的下滑 ， 使 閘門開度與預(yù)先的設(shè)定值有所偏差，影響閘門啟閉的精度 。 2． 過(guò)載保護(hù) 12 當(dāng)閘門開度控制失靈時(shí) ，或閘門到達(dá)極限位置液壓泵仍在執(zhí)行 啟、閉閘門動(dòng)作時(shí) ，會(huì)引起液壓系統(tǒng)中的壓力急劇上升 從而破壞液壓系統(tǒng)，甚至?xí)劤墒鹿?。 啟閉機(jī)空載卸荷和過(guò)載保護(hù) 1． 空載卸荷 在整個(gè)水閘 控制 系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，需要 根據(jù)實(shí)際情況 頻繁的對(duì)閘門進(jìn)行調(diào)整 ， 這就需要頻繁的對(duì)液壓泵進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作?？刂茊卧?可編程邏輯控制器 （ PLC） ，通過(guò)讀取 PLC 的梯形圖程序 ，使得相應(yīng)的電磁換向閥得、失電， 實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的控制。具體過(guò)程為 ，當(dāng)油液經(jīng)調(diào)速閥流 11 向單向閥 時(shí)，其另一端流向 ，使 反向?qū)ǎl門上升；當(dāng) 液壓泵停止工作時(shí)， 與 都被反向截止 ，閘門停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)換向閥左位或者右位得電時(shí)，換向閥 則 工作在左位或右位 。 （ 3） 壓力控制回路 如圖 ， 由 二位二通電磁閥 和先導(dǎo)溢流閥 4 組成。 液壓 控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)不易追查原因，維修困難。 液壓系統(tǒng) 元件 實(shí)現(xiàn)了系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化， 所以容易設(shè)計(jì)、推廣使用。 容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作、集中操作或遠(yuǎn)距離控制，而且省力。 液壓系統(tǒng)有它自己的特點(diǎn)， 下面分別論述。 9 第三章 閘門的液壓?jiǎn)㈤]控制 3． 1 概述 在水電站 的發(fā)電過(guò)程中 ，舉足輕重的一步即是水流的勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)?電能的過(guò)程。 2． 現(xiàn)地控制單元 下位機(jī)由于使用了 PLC 作為硬件設(shè)備，因此就要 選擇與 PLC 相應(yīng)的一款編程軟件，本系統(tǒng)采用與西門子公司的 S7300 型 PLC 相配套的 step7 編程軟件 。 （ 4） 不間斷電源 （ UPS） 當(dāng) 電網(wǎng)突然掉電 ，而計(jì)算機(jī)不能停止工作或者需要一個(gè)充足的時(shí)間保護(hù)重要數(shù)據(jù)時(shí)，就要用到 UPS。 （ 2） 時(shí)鐘系統(tǒng) 系統(tǒng)提供一套高精度的 GPS 時(shí)鐘系統(tǒng)，時(shí)鐘誤差為二十四小時(shí)不超過(guò)。液壓控制設(shè)備包括換向閥、流量控制閥、壓力閥、單向閥等。 （ 3） 軟啟動(dòng)器 軟啟動(dòng)器主要用于電機(jī)的啟停操作過(guò)程中改善電機(jī)啟動(dòng)特性，減少對(duì)用電系統(tǒng)的沖擊，對(duì)啟動(dòng)過(guò)程及運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的電機(jī)實(shí)施保護(hù)及參數(shù)監(jiān)測(cè)。 本控制系統(tǒng)將采用西門子公司生產(chǎn)的 S7300 型 PLC，其具體結(jié)構(gòu)與功能將會(huì)在第五章予以介紹，這里不再贅述。 綜上所述，在本控制系統(tǒng) 中總體結(jié)構(gòu)采用 DCS 結(jié)構(gòu)，其中上位機(jī) 之間 的通信方式采用工業(yè)以太網(wǎng)通信方式， 現(xiàn)場(chǎng) PC 與 PLC 采用 PROFIBUSDP 總線相連 ，通信 接口 為 RS232。 PROFIBUS 的物理層是 RS485，最高傳輸速率為 12MB/S，使用光纖作為通信介質(zhì) ，通信距離可達(dá) 90KM。 綜上，由于本論文僅限于理論上的研究， 不考慮成本上的問(wèn)題， 因此本控制系統(tǒng) 的組成結(jié)構(gòu) 采用集散控制系統(tǒng) ，以便于對(duì)下面一些問(wèn)題的研究與討論。由于采用了 DCS 結(jié)構(gòu)，可靠性高，一個(gè) LCU 出現(xiàn)故障不影響其他 LCU 的正常工作。所以推廣與應(yīng)用集散控制系統(tǒng)，研究與開發(fā)更先進(jìn)的集散控制系統(tǒng)，已成為整個(gè)工業(yè)控制界的重要任務(wù)。它繼承和發(fā)展了常規(guī)儀表控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也彌補(bǔ)了各自的不足。 集散控制系統(tǒng)是以微處理器為基礎(chǔ)的集中分散型控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。 （ 3） 閘門控制范圍根據(jù)實(shí)際情況而定。 （ 7） 具有良好的中文人機(jī)界面 ，易于操作 。 （ 3） 根據(jù)上下游水位的變化，自動(dòng)控制閘門開啟高度，監(jiān)視開啟速度，限制 閘門運(yùn)動(dòng)速度在安全范圍內(nèi)。現(xiàn)地與中 央 控制單元的具體結(jié)構(gòu)及作用將會(huì)在下面 章節(jié)中進(jìn)行更加具體的介紹。 因此安全保密性對(duì)辦公自動(dòng)化系統(tǒng)顯得尤其重要，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)必須充分考慮 到 這一點(diǎn)。 （ 3） 可擴(kuò)充、可維護(hù)性原則 根據(jù)軟件工程的理論，系統(tǒng)維護(hù)在整個(gè)軟件的生命周期中所占比重是最大的，因此，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)充性和可維護(hù)性是 水閘監(jiān)控系統(tǒng)的 必備手段 。 （ 4） 閘門的位移測(cè)量采用 絕對(duì)值光電 編碼器 ,直接輸出數(shù)字量 。 此 外，在閘門監(jiān)控系統(tǒng)中 還 應(yīng)用了一些先進(jìn) 的 技術(shù)，如集散控制 系統(tǒng) DCS、分布式技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)等 ， 總之 我國(guó)水閘監(jiān)控系統(tǒng) 在 總體上 還有很大的提升空間。 3 第二章 水閘控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 水閘控制系統(tǒng)的 研究背景 目前水閘自動(dòng) 監(jiān)控系統(tǒng)在全國(guó) 水庫(kù)上的應(yīng)用還 比較少， 應(yīng)用水平 也 參次不齊。 具體來(lái)說(shuō)， 本文在第二章中 主要 介紹了 系統(tǒng)總體框架，本控制系統(tǒng)采用 集中控制 +分散控制的控制方式， 上位機(jī)采用集中控制方式，由一臺(tái) PC 機(jī)控制多臺(tái) PLC 的運(yùn)行，并對(duì)閘門的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。截至 2021 年，以小灣 4 號(hào)機(jī)組投產(chǎn)為標(biāo)志，我國(guó)水電裝機(jī)已突破 2 億千瓦。截至 1999 年底，中國(guó)水電裝機(jī)容量已達(dá) 7739萬(wàn)千瓦，年發(fā)電量 2219 億千 瓦時(shí)，人均裝機(jī)和發(fā)電量為 千瓦、 千瓦時(shí)。世紀(jì)之交，更有萬(wàn)家寨、二灘、小浪底、天生橋一二級(jí)、大朝山等一大批水電站建成投產(chǎn)。 1975 年，劉家峽水電站建成，此后中國(guó)又陸續(xù)建設(shè)了一批百萬(wàn)千瓦級(jí)的水電站。 我國(guó)水電發(fā)展 歷程及 其展望 新中國(guó)成立后，水電發(fā)展翻開了新的一頁(yè)。 另一方面 ， 閘門監(jiān)控系統(tǒng)的建立 是水利工 程 歷史性 的一個(gè) 轉(zhuǎn)變。本 論文 致力于閘門監(jiān)控系統(tǒng)的研究，通過(guò)提高控制系統(tǒng)的精 度， 來(lái) 提高 水資源利用率以及防洪抗旱能力 。 最后設(shè)計(jì)了 PLC 與閘門開度儀、液位變送器等傳感器的連接，制定了閘門控制系統(tǒng)的具體流程，確定了 PLC 的型號(hào)，并繪制出了相應(yīng)的梯形圖程序。 本文首先對(duì)系統(tǒng)總體方案進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，分析了系統(tǒng)的功能，確定了以集散控制系統(tǒng)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng)的軟、硬件予以了介紹。 如今在水閘監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，人們可以利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，提高 系統(tǒng)的 自動(dòng)化的水平，對(duì)水利的發(fā)展 具 有重要意義。 同時(shí)，通過(guò) 研究 電機(jī) 軟啟動(dòng)原理，設(shè)計(jì)了軟啟動(dòng)控制電氣原理圖，并詳細(xì)介紹了電機(jī)軟啟動(dòng)的工作流程，