【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 。 下面對圖 中的 梯形圖程序予以簡單的解釋 ： 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 。 在第三章中的液壓啟閉原理中我們已經(jīng)得知 閘門上升的基本原理以及如何去控制閘門的上升，下面就來具體說明用 PLC 的梯形圖來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 輸入量、輸出量的介紹 在本液壓啟閉控制系統(tǒng)中，輸入量包括按鈕、常開觸點、常閉觸點等開關(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 號槽位到 9 號槽位 ，在這里，槽位號只是 相對的，實際上不存在物理槽位，每個模塊用背部總線 相 連接。 S7300 按 I/O 點數(shù)及內(nèi)存分類屬于中型PLC，存儲器為 2KB， 每一個數(shù)字量模塊中有 32 個點，支持 PROFIBUS、工業(yè)以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)。 具體程序見 軟件設(shè)計部分。 例如 自然 二進制數(shù) 7 和 8 為 0111 和 1000， 每一位都不同， 用格雷碼表示為 0100 和 1100，這樣就只差了一個數(shù)。 選擇 及測量方法 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 一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從 2 的零次方到 2 的 n1 次方的唯一的 2 進制編碼（格雷碼），這就稱為 n 位絕對編碼器。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，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，來測量閘門的開度。 PLC 的硬件設(shè)計 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)場連接的接口。 23 第五 章 PLC 的軟、硬件設(shè)計 PLC 的 基本結(jié)構(gòu) 繼 電 器電 磁 閥C P U系 統(tǒng) 程 序 存 儲 器用 戶 程 序 存 儲 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 實質(zhì)上是一種工業(yè)計算機，與計算機的組成十分相似，主要是由中央處理單元（ CPU）、存儲器、輸入輸出單元（ I/O 單元）、電源等組成。電機軟啟動流程圖 如圖 所 示 。 當(dāng)進行自動控制時（本回路圖沒有畫出），上位機發(fā)出控制程序給 PLC，然后讓相應(yīng)的中間繼電器得電，以此來接通 KM1，從而使電機進入軟啟動階段。手動控制即利用控制柜上的按鈕來直接對電機的啟動過程進行控制，自動控制即當(dāng)上位機發(fā)出控制信號時，通過執(zhí)行 PLC 中預(yù)先編寫的梯形圖指令來控制 KM1 的通斷，從而達到自動控制的目的。 當(dāng)油泵電機軟啟動時，首先接通隔離開關(guān) QS QS2，再接通斷路器 QF QF2，當(dāng)發(fā)出控制信號以后，接觸器 KM1 得電閉合，電機進入到軟啟動階段。圖中 QF KM1 分別在軟啟動器的左端， QF1 對整個電氣回路起到了過載、欠壓、短路保護 作用 。 SB SB2 為開關(guān)。 QF為斷路器，它不僅能通斷正常負荷電流，而且能接通和承受一定時間的短路電流，并能在保護裝置作用下自動跳閘，切除短路故障。分別如圖 和t0II 1Ie 20 圖 所示，其中圖 是電機軟啟 動的主回路圖，圖 是電機軟啟動的控制回路圖。其次 在運行過程中， 當(dāng) 油泵出現(xiàn)故障時，備用油泵能及時自動投入運行。對于 像油泵電機等 啟動負載較輕的設(shè)備，可選擇功能簡單、價格較低、操作方便的軟啟動器。電流斜坡啟動模式具有較強的加速能力，適用于兩極電動機，也可在一定范圍內(nèi)縮短啟動時間。 這種控制方式適用于電源容量小，必須限制啟動電流的場合。它的電壓按一個預(yù)先設(shè)定好的曲線變化，其斜坡由斜坡上升時間 t 決定； 另外，當(dāng)起始電壓 U0 低于一定值時，電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，電機并不能運轉(zhuǎn)，反而使電機發(fā)熱。 圖 直接啟動 圖 Y△ 啟動 Direct starting Y△ starting 三相異步電機在啟動時一般都要采用降壓啟動的手段。 Y△啟動 Y△ 啟 動是一種降壓啟動方 法， 啟 動時將異步電動機三相定子繞組接成星型，等啟動完成以后，再接成三角形，如圖 所示。又因為晶閘管的導(dǎo)通角 θ 與觸發(fā)角 α 有關(guān)，因此只需在電動機啟動過程中控制晶閘管觸發(fā)角 α 的大小，就可 以使異步電機的定子端電壓和啟動電流根據(jù)控制要求來進行變化。 16 第四章 電機的軟啟動控制 軟啟動器簡介 軟啟動器的基本概念 軟啟動器是一種控制三相異步電機啟動與停止過程的新設(shè)備，主要由串接于電源與異步電機之間的三相反并聯(lián)晶閘管組成， 通過 對 內(nèi)部的單片機調(diào)整 來 改變觸發(fā)脈沖的觸發(fā)時間 ，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行過程中 ，閘門左端 開度高于閘門右端 開度 ；右超表示在閘門啟閉運行過程中 ，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。因為水利工程中采用的液壓啟閉機 往往都是大容量 ，活塞桿行程長， 若采用此回路，對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 使兩個或兩個以上的液壓缸 ，在運動中保持相同位移或相同速度 的回路稱為 同步回路。 自動防下滑功能 閘門因自身重力的作用 以及 油液的泄露，會導(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． 過載保護 12 當(dāng)閘門開度控制失靈時 ，或閘門到達極限位置液壓泵仍在執(zhí)行 啟、閉閘門動作時 ，會引起液壓系統(tǒng)中的壓力急劇上升 從而破壞液壓系統(tǒng)，甚至?xí)劤墒鹿?。 啟閉機空載卸荷和過載保護 1． 空載卸荷 在整個水閘 控制 系統(tǒng)的運行過程中，需要 根據(jù)實際情況 頻繁的對閘門進行調(diào)整 ， 這就需要頻繁的對液壓泵進行開關(guān)動作。控制單元即 可編程邏輯控制器 （ PLC） ，通過讀取 PLC 的梯形圖程序 ，使得相應(yīng)的電磁換向閥得、失電， 實現(xiàn)對閘門的控制。具體過程為 ，當(dāng)油液經(jīng)調(diào)速閥流 11 向單向閥 時，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， 與 都被反向截止 ，閘門停止運動。當(dāng)換向閥左位或者右位得電時，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)故障時不易追查原因，維修困難。 液壓系統(tǒng) 元件 實現(xiàn)了系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化， 所以容易設(shè)計、推廣使用。 容易實現(xiàn)復(fù)雜的動作、集中操作或遠距離控制，而且省力。 液壓系統(tǒng)有它自己的特點， 下面分別論述。 9 第三章 閘門的液壓啟閉控制 3． 1 概述 在水電站 的發(fā)電過程中 ，舉足輕重的一步即是水流的勢能轉(zhuǎn)變?yōu)?電能的過程。 2． 現(xiàn)地控制單元 下位機由于使用了 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 ，而計算機不能停止工作或者需要一個充足的時間保護重要數(shù)據(jù)時，就要用到 UPS。 （ 2） 時鐘系統(tǒng) 系統(tǒng)提供一套高精度的 GPS 時鐘系統(tǒng)，時鐘誤差為二十四小時不超過。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） 軟啟動器 軟啟動器主要用于電機的啟停操作過程中改善電機啟動特性，減少對用電系統(tǒng)的沖擊，對啟動過程及運轉(zhuǎn)過程中的電機實施保護及參數(shù)監(jiān)測。 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 之間 的通信方式采用工業(yè)以太網(wǎng)通信方式， 現(xiàn)場 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 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) ，以便于對下面一些問題的研究與討論。由于采用了 DCS 結(jié)構(gòu)，可靠性高，一個 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)更先進的集散控制系統(tǒng)，已成為整個工業(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)和計算機集中控制系統(tǒng)的優(yōu)點，同時也彌補了各自的不足。 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)的簡稱。 （ 3） 閘門控制范圍根據(jù)實際情況而定。 （ 7） 具有良好的中文人機界面 ，易于操作 。 （ 3） 根據(jù)上下游水位的變化，自動控制閘門開啟高度，監(jiān)視開啟速度，限制 閘門運動速度在安全范圍內(nèi)?，F(xiàn)地與中 央 控制單元的具體結(jié)構(gòu)及作用將會在下面 章節(jié)中進行更加具體的介紹。 因此安全保密性對辦公自動化系統(tǒng)顯得尤其重要，系統(tǒng)的總體設(shè)計必須充分考慮 到 這一點。 （ 3） 可擴充、可維護性原則 根據(jù)軟件工程的理論，系統(tǒng)維護在整個軟件的生命周期中所占比重是最大的，因此，提高系統(tǒng)的可擴充性和可維護性是 水閘監(jiān)控系統(tǒng)的 必備手段 。 （ 4） 閘門的位移測量采用 絕對值光電 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 的 技術(shù)，如集散控制 系統(tǒng) DCS、分布式技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)等 ， 總之 我國水閘監(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)計方案 水閘控制系統(tǒng)的 研究背景 目前水閘自動 監(jiān)控系統(tǒng)在全國 水庫上的應(yīng)用還 比較少， 應(yīng)用水平 也 參次不齊。 具體來說， 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， 上位機采用集中控制方式，由一臺 PC 機控制多臺 PLC 的運行，并對閘門的狀況進行實時監(jiān)控。截至 2021 年，以小灣 4 號機組投產(chǎn)為標(biāo)志，我國水電裝機已突破 2 億千瓦。截至 1999 年底，中國水電裝機容量已達 7739萬千瓦，年發(fā)電量 2219 億千 瓦時，人均裝機和發(fā)電量為 千瓦、 千瓦時。世紀(jì)之交，更有萬家寨、二灘、小浪底、天生橋一二級、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，此后中國又陸續(xù)建設(shè)了一批百萬千瓦級的水電站。 我國水電發(fā)展 歷程及 其展望 新中國成立后，水電發(fā)展翻開了新的一頁。 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 轉(zhuǎn)變。本 論文 致力于閘門監(jiān)控系統(tǒng)的研究，通過提高控制系統(tǒng)的精 度， 來 提高 水資源利用率以及防洪抗旱能力 。 最后設(shè)計了 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，并繪制出了相應(yīng)的梯形圖程序。 本文首先對系統(tǒng)總體方案進行了研究與設(shè)計，分析了系統(tǒng)的功能，確定了以集散控制系統(tǒng)作為整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng)的軟、硬件予以了介紹。 如今在水閘監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中，人們可以利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 自動控制技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，提高 系統(tǒng)的 自動化的水平，對水利的發(fā)展 具 有重要意義。 同時，通過 研究 電機 軟啟動原理，設(shè)計了軟啟動控制電氣原理圖，并詳細介紹了電機軟啟動的工作流程，