小型船閘的PLC控制設(shè)計說明

1、. . . . 小型船閘的PLC控制設(shè)計目 錄1、引言22、船閘控制系統(tǒng)設(shè)計22.1船閘的主體結(jié)構(gòu)22.2船閘的工作流程32.3船閘控制方案的選擇32.4 PLC功能模塊說明42.4.1 CPU模塊42.4.2 電源模塊42.4.3 開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集模塊42.4.4 通信模塊52.5 PLC系統(tǒng)的配置52.5.1 上閘首臨時工作門控制單元52.5.2 上閘首閘、控制單元52.5.3 下閘首閘、門控制單元52.5.4 I/O地址的確定與分配62.6船閘控制程序設(shè)計72.6.1 上閘首臨時工作門控制程序72.6.2 上閘首永久閘、閥門的控制程序82.6.3 下閘首閘、閥門的控制程序103、故障報警

2、與查詢系統(tǒng)113.1船閘電機故障分析113.2故障查詢的實現(xiàn)原理113.3硬件要求113.4軟件要求113.5編碼與可查詢的故障114、總結(jié)與展望125、致12參考文獻(xiàn)1221 / 21小型船閘的PLC控制設(shè)計摘要： 本文介紹用PLC實現(xiàn)小型船閘的自動控制，給出了比較詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計過程，系統(tǒng)的配置，與程序運行的結(jié)構(gòu)框圖。本文還對船閘自動報警與查詢系統(tǒng)作了探討與研究，對PLC船閘自動控制系統(tǒng)的完善具有重要意義。關(guān)鍵詞： PLC 船閘控制 結(jié)構(gòu)圖 自動報警1、引言船閘是河道最常用的交通設(shè)施之一，目前國船閘的自動化水平參差不齊建成較早的船閘控制裝置一般由繼電器、接觸器控制邏輯電路組成，存在功能弱、故

3、障多、壽命短等缺點，近年新建船閘一般采用計算機控制技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展對船閘自動化水平的要求越來越高，PLC技術(shù)的迅猛發(fā)展讓自動化控制又多了一個新的亮點，而船閘的PLC監(jiān)控越來越廣泛地被投入使用，它能使管理人員有效地對船閘的運行工況進(jìn)行自動檢測、優(yōu)化控制和集成管理，從而達(dá)到安全、高效、滿足社會需求的目標(biāo)。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，這種研究將得到越來越廣泛地應(yīng)用，而且這種研究具有重要的實用價值，它對于保障河道通道的暢通，與人民的生產(chǎn)和生活具有十分重要的意義，順應(yīng)時代發(fā)展的要求。本設(shè)計的目的就在于用PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器接觸控制邏輯電路，充分利用PLC的優(yōu)點實現(xiàn)小型船閘的自動控制。在掌握PLC對

4、船閘的功能控制的基礎(chǔ)上，還對船閘運行發(fā)生故障時的報警與查詢系統(tǒng)做了探討。2、船閘控制系統(tǒng)設(shè)計2.1 船閘的主體結(jié)構(gòu)船閘在物理建筑上分為閘室，臨時工作閘門，上閘首工作閘門，上閘首輸水閥門，下閘首工作閘門，下閘首輸水閥門。其主體結(jié)構(gòu)的平面圖如圖1（未包括臨時閘門）圖12.2 船閘的工作流程船閘的工作流程主要分為兩個過程：上行過程和下行過程。上行過程：當(dāng)下游水位與閘室的水位一致后，下閘首的通行指示燈自動亮，下游閘門打開，船只進(jìn)入閘室，當(dāng)船只全部進(jìn)入閘室后，關(guān)閉下游閘門，打開上游閥門，此時閘室處于充水狀態(tài)，等閘室水位與上游水位一致后，上閘首的通行指示燈自動亮，上游閘門打開，關(guān)上游閥門，船只離開閘室。下

5、行過程：當(dāng)上游水位與閘室的水位一致后，上閘首的通行指示燈自動亮，上游閘門打開，船只進(jìn)入閘室，當(dāng)船只全部進(jìn)入閘室后，關(guān)閉上游閘門，打開下游閥門，此時閘室處于充水狀態(tài)，等閘室水位與下游水位一致后，下閘首的通行指示燈自動亮，下游閘門打開，關(guān)下游閥門，船只離開閘室。臨時通行時的流程與上面流程基本一致。2.3 船閘控制方案的選擇由于PLC對元器件、電源、輸入輸出接口、結(jié)構(gòu)設(shè)計等采取了嚴(yán)格措施；在軟件上，采用循環(huán)掃描、程序語法檢查、故障檢測與診斷與出錯報警、保護(hù)數(shù)據(jù)、封鎖輸出與自動恢復(fù)等措施，使PLC的平均無故障時間達(dá)到了10萬小時以上8，非常適合于船閘的實際應(yīng)用環(huán)境，因此在對小型船閘的控制器件上選擇PL

6、C控制。為了讓此系統(tǒng)實現(xiàn)集中監(jiān)視、操作、管理和現(xiàn)場前端分散控制相統(tǒng)一，使系統(tǒng)能夠更好地完成船閘的順序控制，批量控制，數(shù)據(jù)采集與處理，使系統(tǒng)更貼近現(xiàn)實船閘的工藝要求，在此放棄了單機控制而采用計算機分布式監(jiān)控系統(tǒng)，上、下閘首工作閘閥門和臨時工作門，分別由獨立的PLC單元控制，各閘首的PLC通過CCM網(wǎng)絡(luò)與上位機相連進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊1。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2圖2采用分布市式計算機監(jiān)控系統(tǒng)能實現(xiàn)以下操作模式，集中控制操作：在集控室自動完成船閘過閘工藝。集中單步控制操作：根據(jù)工作需要，在集控室進(jìn)行人工手動單步操作，可單獨控制開閘門、關(guān)閘門、開閥門、關(guān)閥門、停機?，F(xiàn)地控制操作：根據(jù)工作需要脫離集控室控制，在閥門現(xiàn)場

7、進(jìn)行單步控制。集中控制、集中單步控制、現(xiàn)地控制均可實現(xiàn)以下控制功能：本側(cè)控制、雙側(cè)控制、對側(cè)控制。 系統(tǒng)可與時將閘、閥門電流、閥門開度、閘室水位與時送集控室并在模擬屏顯示，供操作人員與時了解設(shè)備運行狀況。2.4PLC功能模塊說明2.4.1 CPU模塊CPU是PLC系統(tǒng)的控制中心，其主要功能是：（1）將輸入信號（船閘控制系統(tǒng)運行程序和數(shù)據(jù)）送到PLC中存儲起來。（2）檢查電源、存儲器、I/O的狀態(tài)，診斷程序的語法錯誤。（3）按存放的先后順序取出程序，進(jìn)行編譯。（4）完成用戶程序規(guī)定的各種操作5。2.4.2 電源模塊利用開關(guān)穩(wěn)壓電源為部電路供電。開關(guān)電源的輸入電壓圍寬、體積小、重量輕、效益高、抗干

8、擾性能好。2.4.3 開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集模塊PLC對船閘運行過程中的各種開關(guān)量進(jìn)行實時采集，并將一些特殊規(guī)定的重要參量傳送至上位微機。在開關(guān)量的輸入變化時，據(jù)其變化的性質(zhì)，與時作出判斷、從而進(jìn)行正常的動作處理、事故處理。2.4.4 通信模塊各閘首的PLC單元分別與水位計、開度儀進(jìn)行數(shù)字通訊獲得相關(guān)信息，通過CCM網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機。采集的數(shù)字信號有：上游水位下游水位閘室水位上閘首的閘閥門開度下閘首的閘閥門開度2.5PLC系統(tǒng)的配置 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，結(jié)合教學(xué)實驗儀器的狀況，在此選用歐姆龍公司生產(chǎn)的CJ1M可編程控制器，其控制方式采用存儲程序、循環(huán)運算處理方式，其I0成批傳送與直接處理并用，I/O

9、與CJ1G/H型兼容。置定位功能，系統(tǒng)中包擴置脈沖輸入/輸出功能的CPU單元，該CPU單元利用用于簡單的定位系統(tǒng)。處理速度為100ns2。具體配置如下：2.5.1 上閘首臨時工作門控制單元機架 l塊CPU模塊 l塊開入模塊 4塊開出模塊 l塊2.5.2 上閘首閘、控制單元機架 1塊CPU模塊 1塊開入模塊 l塊可出模塊 4塊模擬量輸入模塊 l塊通訊模塊 l塊擴展機架 l塊擴展電源模塊 l塊擴展電纜 l塊2.5.3 下閘首閘、門控制單元機架 l塊CPU模塊 l塊開入模塊2塊可出模塊5塊模擬量輸入模塊 l塊通訊模塊l塊擴展機架 1塊擴展電源模塊 l塊擴展電纜 l塊2.5.4 I/O地址的確定與分配

10、船閘控制系統(tǒng)的控制核心是哪些信號需要輸入，哪些輸出信號需要驅(qū)動哪些負(fù)載，以與采用何種編程方式、輸入輸出點的確定，是設(shè)計整個控制系統(tǒng)的首要問題，決定系統(tǒng)的程序設(shè)計方案。輸入信號的確定在對船閘的運行過程中，將進(jìn)行開關(guān)閘/閥等動作，包括上閘首閥門的開、關(guān)；上閘首閘門的開、關(guān)；下閘手閥門的開、關(guān)；下閘首閘門的開、關(guān)，這些動作都將作為PLC的輸入。為了防止閘、閥門開、關(guān)的超時，特別設(shè)置了超時報警，這也將作為PLC的輸入，上、下游液與閘室的水位感應(yīng)裝置也將作為PLC的輸入。輸出信號的確定通過軟件對輸入控制信號進(jìn)行處理后，由輸出接口發(fā)出控制信號與各種指示信號。在船閘開始運行時，對上、下閘首的閘閥門各設(shè)置了一

11、個繼電器，以此來控制電機的正轉(zhuǎn)（開閘、閥門）和反轉(zhuǎn)（關(guān)閘、閥門）；在閘室的兩端都會有相應(yīng)的通行指示燈（以控制船的通行），以與報警指示燈，這些都作為船閘的輸出 I/O地址分配輸入地址分配 I1 上閘首閥門開門按紐 I2 上閘首閥門關(guān)門按紐I3 上閘首閘門開門按紐 I4 上閘首閘門關(guān)門按紐I5 下閘首閥們開門按紐 I6 下閘首閥門關(guān)門按紐I7 下閘首閘門開門按紐 I8 下閘首閘門關(guān)門按紐I9 上游水位感應(yīng)器 I10 閘室水位感應(yīng)器I11 下游水位感應(yīng)器 I12 開關(guān)門超時報警輸出地址分配Q1 報警指示燈 Q7 上行時的通行指示燈Q2 下行時的通行指示燈 Q8 上閘首閥門開門繼電器Q3 上閘首閥門關(guān)

12、門繼電器 Q9 上閘首閘門開門繼電器Q4 上閘首閘門關(guān)門繼電器 Q10 下閘首閥門開門繼電器Q5 下閘首閥門關(guān)門繼電器 Q11 下閘首閘門開門繼電器Q6 下閘首閘門關(guān)門繼電器 定時器的分配T0 上閘首閘門開門30秒后到位，若閘門還未停止運行，則報警燈亮。T1 下閘首閘門開門30秒后到位，若閘門還未停止運行，則報警燈亮。 2.5.5 其它配置為了通訊的需要，配置了1個通訊轉(zhuǎn)換器D-01CV它將RS-232C標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換成RS-422標(biāo)準(zhǔn)信號增強了通訊能力，使信號傳輸距離達(dá)到1公里6。S-01PEX編程器1個，讀寫存儲器CMOSRAM G一03M 2個，OMGl4M 3個。PLC與上位機的串行通訊

13、硬件配置如圖3所示。上位機采用AST 徽機使用COM1口地址3FSH，初始化為：通訊速率96kb/s,8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，奇校驗,PLC主機箱中插人通訊控制模塊I0 CCM ,使用Port1口.2.6 船閘控制程序設(shè)計PLC系統(tǒng)在硬件上分為三個控制單元它們是上閘首臨時工作門控制單元；上閘首永久閘閥門控制單元；下閘首閘閥門控制單元針對每個控制單元分別編制了上閘首臨時工作門控制程序，上閘首永久閘閥門控制程序；下閘首閘閥門控制程序。2.6.1 上閘首臨時工作門控制程序臨時工作門運行，只有單項操作，沒有程序控制操作運行控制單元沒有與網(wǎng)絡(luò)相連，它只與下閘首控制單元有硬件的閉鎖關(guān)聯(lián)。程序控制系指船舶通

14、過船閘時工作閘門輸水閘門按預(yù)定的程序自動控制運行；單項控制是指對同類功能的單項機械分別進(jìn)行控制。臨時工作門的工作過程為：(1)上行：臨時工作門處于關(guān)閉狀態(tài),船只已進(jìn)入閘室完畢，下閘首閘、閥門確認(rèn)已全關(guān)，此時開啟上閘首臨時工作門，輸水平壓后，繼續(xù)開啟至全開位，船只上行駛出閘室，之后，下一個閘次若仍為上行就對臨時工作門實施關(guān)閘門操作。(2)下行：臨時工作門處于開啟狀態(tài)確認(rèn)下閘首閘閥門已全關(guān)，關(guān)閉上閘首臨時工作門之后為下閘首PLC控制單元的操作運行。以上操作過程通過充水、上升、下降等按鈕向上閘首PLC控制單元發(fā)出命令并由其完成相應(yīng)的驅(qū)動閘門過程。對該程序的編制采用梯形圖編程方法。特點是結(jié)構(gòu)清晰，簡單

15、明了，執(zhí)行速度快增強可讀性，便于現(xiàn)場運行人員的熟悉其主要程序結(jié)構(gòu)如圖4 圖42.6.2 上閘首永久閘、閥門的控制程序上閘首永久閘閥門的運行過程，分為單項關(guān)閘門、單項開閘門、單項關(guān)閥門、單項開閥門等單項操作運行，與下行準(zhǔn)備、下行程序、上行程序等程序控制操運行。(1)船只下行時，如果上閘首工作閘門處于開啟狀態(tài)，下閘首工作閘門處關(guān)閉狀態(tài)；船只進(jìn)入閘室完畢后通過指令使上閘首工作閘、閥門關(guān)閉(上閘首永久閘閥PLC控制單元完成的動作)；下閘首PLC控制單元完成以下控制打開下閘首輸水遭閥門，待泄水平壓后，打開下閘首閘門，之后關(guān)閉下閘首輸水門如果上閘首工作閘處于關(guān)閉狀態(tài)，上閘首永久閘閥門PLC控制單元確認(rèn)下閘

16、首閘閥門已關(guān)，上游水位與閘室水位平直接開啟上閘首工作閘門，水位不平，先開上閘首輸水閥門，待水位平后，再開啟上閘首工作閘門關(guān)閉上閘首輸水閥門。發(fā)出允許通航信號后，船只即可進(jìn)入閘室。(2)船只上行時，上閘首閘閥門處于關(guān)閉狀態(tài)下閘首處于開啟狀態(tài)(如果關(guān)閉，由下閘首PLC制單元完成開啟)，上行船只完全進(jìn)入閘室后下閘首閘閥門已全關(guān)(下閘首PLC制單元完成)上閘首PL制單元按到上行程序命令后開上閘首輸水門，充水下壓后打開上閘首工作閘之后關(guān)閉輸水門，船只上行駛出。該控制程序完全采用梯形圖語言編程，并采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計方法。在程序設(shè)計中用主程序進(jìn)行操作命令的判斷、數(shù)據(jù)傳送用子程序進(jìn)行動作的執(zhí)行。這樣縮短

17、了程序使程序結(jié)構(gòu)清晰易讀。在子程序的使用中增加了程序嵌套。其中上一級子程序包括：下行程序準(zhǔn)備子程序；下行程序子程序；上行程序子程序；單項開閘門子程序；單項關(guān)閘門子程序；單項開閥門子程序；單項關(guān)閥門子程序下一級子程序包括開閘門動作子程序；關(guān)閘門動作子程序；開閥門動作子程序；關(guān)閥門動作子程序。其程序結(jié)構(gòu)見下閘首程序框圖(圖5)圖5上閘首閘、閥門控制程序如圖6上進(jìn)紅燈開關(guān)上進(jìn)通行綠燈 上進(jìn)紅燈亮燈信號OUT0 上進(jìn)紅燈信號上閥按紐 上閥限位開關(guān) 上水位開度 下閘按紐 下閥按紐 上伐按紐 上閥開門繼電器OUT1 上閥開門繼電器上游水位開度儀上進(jìn)通行綠燈 水位開度信號OUT2 水位開度信號上閘按紐 水位

18、開度信號 上水位開度 下閘按紐 下閥按紐 上進(jìn)綠燈 上閘開門繼電器OUT3上閘開門繼電器上進(jìn)綠燈開關(guān)上進(jìn)禁行紅燈信號 上進(jìn)通行綠燈信號OUT4 上進(jìn)通行綠燈信號圖62.6.3 下閘首閘、閥門的控制程序下閘首的程序結(jié)構(gòu)與上閘首永久閘閥門的控制程序相似的，其運行過程為如下：（1)船只上行時如果下閘首閘門沒有全開且閘首閘閥門已全關(guān)，閘室水位與下游水位平時直接進(jìn)行開閘門操作，水位不平，則先打開下閘首閥門待泄水平壓后再進(jìn)行開下閘首閘門閘門全開后關(guān)閉下閘首泄水閥門發(fā)出下游允許通航信號船只可駛?cè)腴l室，完畢后，下閘首PLC控制單元接收到上行程序命令后關(guān)閉下閘首閘門。(2)船只下行時，設(shè)船只已駛?cè)腴l室，確認(rèn)上閘

19、首閘閥門已全關(guān)如果閘室水位與下游水位平，則直接開啟下閘首閘門，水位不平則打開下閘首閥門，待泄水平壓后，再打開下閘首閘門全開后，關(guān)閉泄水閥門船只即可駛出閘室在下閘室的控制程序中,上一級子程序有；上行準(zhǔn)備子程序；上行程序子程序；下行程序子程序；單項開閘門子程序；單項關(guān)閘門子程序；單項開閥門子程序；單項關(guān)閥門子程序。下一級子程序有開閘門動作子程序；關(guān)閘門動作子程序開閥門動作子程序；關(guān)閥門動作子程序其程序結(jié)構(gòu)與控制程序參見上閘首永久閘閥門控制程序結(jié)構(gòu)與程序。3、故障報警與查詢系統(tǒng)3.1 船閘電機故障分析 船閘運行故障多數(shù)是運行時突然停機或者是運行完一個動作無法完成下一個動作。依托PLC自動檢查出故障原

20、因并將此信息鎖存，在查詢時將信息讀出，提示進(jìn)行維修，因此設(shè)計中就是依據(jù)這個思路進(jìn)行。3.2 故障查詢的實現(xiàn)原理根據(jù)故障對運行的影響程度不同分為三類級故障：這類故障對運行影響最大，將不能進(jìn)行自動和半自動操作，對于這類故障，檢測程序時刻對要求檢測的部位進(jìn)行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)故障應(yīng)立即停機報警。比如PLC的電池失效，主機錯誤，選擇檔位錯誤等。級故障：這類故障對船閘運行的影響較大，部分流程將不能執(zhí)行，對于這類故障，只在某流程運行時檢測，例如：開下閘門時，要求上閘首的閘門閥門均要求關(guān)到位。閘室水位與下游水位齊平，電機正常等等。將這些需要滿足的條件以程序方式存放在存儲器中，在執(zhí)行某一流程時，將現(xiàn)場采集的信息與

21、存儲器中容器進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)不同，立即報警。級故障：著類故障基本不影響運行，比如閘門、閥門的開和關(guān)到位均采用兩套行程開關(guān)，互為備份，當(dāng)兩套中僅有的一套出現(xiàn)故障時，這并不影響船閘的運行。但如果不與時排除，當(dāng)行程開關(guān)的工作參數(shù)都輸入PLC，與運行要求進(jìn)行比較，如果任意一套出現(xiàn)故障即報警，而船閘運行正常。這樣，維修人員可安排時間維修，不必影響運行。3.3 硬件要求PLC設(shè)備故障診斷專用儀器，故障顯示器，打印機，設(shè)備故障診斷儀器與PLC采用專用電纜連接，故障顯示器與打印機嵌在中央控制臺面上，便于觀察和操作。3.4 軟件要求 利用與前面同樣的梯形圖編程軟件與SSS編程支持軟件編制故障自動報警與查詢程序。3

22、.5 編碼與可查詢的故障故障編碼有三位是進(jìn)制數(shù)字表示：個位、十位為故障編碼，百位為故障種類，包括：閘門、閥門到位開關(guān)；水位計與門頭開關(guān)；動水關(guān)閥、現(xiàn)場轉(zhuǎn)換開關(guān)；電機故障；PLC部故障。4、總結(jié)與展望通過本此畢業(yè)設(shè)計，基本完成船閘的PLC控制設(shè)計和局部模擬的實現(xiàn)。經(jīng)過對系統(tǒng)的模擬運行調(diào)試，實現(xiàn)了船閘的上、下行運行過程的控制、臨時工作門的控制，并實現(xiàn)行間上閘首閘、閥門與下閘首閘、閥門的互鎖。由于條件和作者水平有限，關(guān)于PLC的故障報警查詢系統(tǒng)沒有進(jìn)行深入研究，監(jiān)控平臺的人機界面也未做過多的考慮，這些方面有待進(jìn)一步的探索和完善，同時也將是作者今后在工作中的研究任務(wù)。通過用PLC對船閘系統(tǒng)的控制作者認(rèn)

23、識到傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制方式已經(jīng)不能適應(yīng)高可靠性，高自動化的要求。PLC具有配置靈活，控制方式修改方便，動作準(zhǔn)確可靠并完全適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境等優(yōu)點今后船閘監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC控制技術(shù)是一種必然趨勢。5、致時間匆匆，2個多月的設(shè)計過程很快過去，我的PLC知識得到了加強，許多書本上學(xué)不到的知識。但最重要得一點就是從老師那里學(xué)到了學(xué)習(xí)的方法和分析問題的方法。對于我來說，學(xué)習(xí)知識是次要的，學(xué)習(xí)方法才是立身之本。本次設(shè)計能夠順利的完成，首先應(yīng)該衷心感勉老師和振常老師耐心指導(dǎo)。雖然我PLC基本知識學(xué)得不很扎實，還有時對PLC感到畏懼，有所退縮，但老師常常鼓勵我，教我學(xué)習(xí)的方法，最終使我的設(shè)計得以完成。參考文獻(xiàn)1 郭宗仁等，可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)