王培坤,呂 睦,閆 浩,宋彥兵
(南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局天津分局,天津300393)
南水北調(diào)中線工程自通水以來,為京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施、受水區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級、社會和諧穩(wěn)定提供了重要的水源支撐。南水北調(diào)中線工程干渠在河北省保定市徐水區(qū)西黑山管理處分水口分為兩支,其中一支由西向東流向天津,進(jìn)入津城的千家萬戶,成為津城的供水生命線。西黑山分水閘擔(dān)負(fù)著中線總干渠向天津干線分水的重要功能,也是天津干線唯一一座調(diào)節(jié)流量的節(jié)制閘。為確保冰期輸水安全,在西黑山分水閘上游50 m處設(shè)置了西黑山排冰閘,發(fā)生冰凍災(zāi)害時可及時將浮冰排入排冰池內(nèi),保證西黑山分水閘的安全運(yùn)行。本文就西黑山排冰閘自控系統(tǒng)在南水北調(diào)工程中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹,并針對應(yīng)用中出現(xiàn)的問題提出改進(jìn)措施,以期為類似工程的管理及運(yùn)行提供參考。
西黑山排冰閘為單孔閘門,采用一扇平板工作門,雙缸啟閉。啟閉機(jī)配套2臺4 kW電機(jī),工作電源380 VAC。供電電源接南水北調(diào)中線干線35 kV線路,配設(shè)500 kW主變,另配1臺250 kW柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。設(shè)置1臺啟閉機(jī)控制柜,核心元件包括1套Schneider M340 PLC,2套Rexroth VT-VRPA1-150比例放大板,2臺上海精浦機(jī)電GP1312 RL開度儀等??刂乒褚袁F(xiàn)地控制為主,預(yù)留遠(yuǎn)程控制接口。
閘門啟閉機(jī)控制柜電氣回路由主回路和控制回路組成,主回路設(shè)備主要包括:電源防雷保護(hù)器(F1,F(xiàn)2)、斷路器(QF11,QF12)、電壓傳感器(PV1,PV2)、接觸器(KM11,KM12)、電流傳感器(PA1,PA2)、電機(jī)保護(hù)斷路器(QF1,QF2)、接觸器(KM1,KM2)、泵站加熱器(EH1,EH2)。油泵1回路和油泵2回路通過KM11、KM12形成互鎖。主回路電氣原理[1]如下頁圖1所示。
控制回路主要設(shè)備包括:PLC控制器、開度儀、比例放大板、24 VDC開關(guān)電源、溫濕度控制器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕、繼電器及狀態(tài)指示燈等。
2.2.1 PLC控制器
PLC(Programmable Logic Controller)是專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng),由電源、中央處理單元、存儲器、輸入/輸出接口電路和編程器組成。PLC的工作周期可分為自診斷、采樣輸入、執(zhí)行用戶程序、輸出刷新和通信5個階段[2]。PLC可以實(shí)現(xiàn)邏輯、順序、過程、定時/計時控制,還可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理。南水北調(diào)中線西黑山排冰閘根據(jù)設(shè)計需求、點(diǎn)位,各型號PLC性能比較,選用施耐德M340型PLC。M340型PLC是施耐德公司中型PLC,采用模塊化設(shè)計,機(jī)架式安裝,可根據(jù)工程需要靈活配置模塊。
圖1 主回路電氣原理
CPU模塊選用BMX P34 2020高性能處理器,電源模塊選用BMX CPS 2000標(biāo)準(zhǔn)電源,數(shù)字量輸入DI模塊選用BMX DDI 1602 16通道數(shù)字量模塊,數(shù)字量輸出DO模塊選用BMX DDO 1602 16通道數(shù)字量輸出模塊,模擬量輸入AI模塊選用BMX AMI 0410 4通道模擬量模塊,模擬量輸出AO模塊選用BMX AMO 0210 2通道模擬量輸出模塊,背板選用BMX XBP 1200 12插槽背板。PLC架構(gòu)如圖2所示。
圖2 PLC架構(gòu)圖
2.2.2 開度傳感器
閘門開度的準(zhǔn)確測量是一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。排冰閘開度傳感器選用YQX-Ⅱ型內(nèi)置式閘門開度傳感裝置,通過將油缸活塞桿伸縮運(yùn)動轉(zhuǎn)換成編碼器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,達(dá)到測量線性或非線性位移的目的[3]。YQX-Ⅱ開度傳感器的核心是絕對量旋轉(zhuǎn)編碼器,配置2個用于調(diào)節(jié)全開、全關(guān)位的限位開關(guān)。YQX-Ⅱ傳感器工作電源24 VDC,工作行程6 m,測量精度±0.5 mm,工作壓力0~10 MPa,輸出SSI信號。開度傳感器與開度儀接線如圖3所示。
圖3 開度傳感器與開度儀接線
2.2.3 比例放大板
比例糾偏控制是雙缸液壓閘門自動控制的核心,比例流量閥是雙缸同步控制的核心被控元件。比例流量閥配套的比例放大板型號為Rexroth VTVRPA1-150,工作電源 24 VDC,輸入信號 0~10 V,可接收接閥芯位移傳感器作為反饋信號。根據(jù)放大版輸入信號類型,PLC AO模塊輸出通道范圍選擇±10 V,左缸比例放大板接線如下頁圖4所示。
2.3.1 控制流程
圖4 左缸比例放大板接線圖
閘門控制方式主要分為手動控制和自動控制。(1)手動控制時,由操作人員通過控制柜面板按鈕使閘門提升或下降,閘門運(yùn)行速度通過液壓回路左右調(diào)節(jié)手動調(diào)速閥;(2)自動控制時,操作人員通過HMI輸入目標(biāo)開度,PLC計算左右缸位移的平均值,與目標(biāo)開度進(jìn)行比較,根據(jù)比較結(jié)果控制閘門提升或下降,當(dāng)左右缸位移均值與目標(biāo)開度差達(dá)到1 mm時,閘門停止運(yùn)行。在運(yùn)行過程中PLC不斷比較左右缸位移,根據(jù)左右缸位移差,實(shí)時控制左右比例流量閥開度,對閘門左右缸開度進(jìn)行糾偏,達(dá)到雙缸同步控制的目的。閘門控制流程如圖5所示。
2.3.2 比例糾偏控制原理
當(dāng)閘門處于自動控制模式時,PLC通過控制左右比例流量閥開度調(diào)節(jié)閘門的運(yùn)行速度,開度越大,閘門的運(yùn)行速度越快,反之越慢。根據(jù)閘門實(shí)際運(yùn)行情況,為保證閘門平穩(wěn)運(yùn)行,比例流量閥最大開度設(shè)置為50%,即比例流量閥開度在0~50%之間調(diào)節(jié)。
在閘門提升或者下降過程中,程序?qū)﹂l門左右缸位移進(jìn)行實(shí)時比較,如果閘門左右缸位移差不超過3 mm,左右比例流量閥開度均為50%,閘門勻速上升或者下降。當(dāng)左右缸位移差超過3 mm時,程序通過左右缸位移大小的判斷對比例流量閥開度進(jìn)行調(diào)整。(1)閘門提升時,左缸位移大于右缸位移,左糾偏;閘門關(guān)閉時,左缸位移小于右缸位移,左糾偏。(2)閘門提升時,右缸位移大于左缸位移,右糾偏;閘門關(guān)閉時,右缸位移小于左缸位移,右糾偏。在糾偏過程中,運(yùn)動慢的一側(cè)比例流量閥開度保持不變,運(yùn)動塊的一側(cè)比例流量閥開度由50%周期性減少,每100 ms減小2%,直至減小為0。在糾偏過程中,左右缸位移差超過20 mm,PLC判定糾偏失敗,超差報警。
圖5 閘門控制流程
3.1.1 PLC模塊調(diào)整
西黑山排冰閘系統(tǒng)現(xiàn)有模擬量輸出AO點(diǎn)2點(diǎn),AO模塊為BMX AMO 0210 2通道模擬量輸出模塊,為保證具有足夠的余量,在通道故障時可及時更換,將BMX AMO 0210 2通道模擬量輸出模塊更換為BMX AMO 0410 4通道模擬量輸出模塊。改進(jìn)后的PLC架構(gòu)如圖6所示。
3.1.2 HMI目標(biāo)開度輸入調(diào)整
為防止閘門自動控制時,操作人員輸入目標(biāo)開度有誤,對HMI目標(biāo)開度輸入進(jìn)行限制,當(dāng)輸入目標(biāo)開度大于2 400 mm時,程序默認(rèn)為2 400 mm。
3.1.3 開度數(shù)據(jù)采集方式調(diào)整
在西黑山排冰閘投入運(yùn)行以來,運(yùn)行管理人員發(fā)現(xiàn)3種問題:(1)閘門處于自動控閘模式時,控制精度不夠精準(zhǔn),閘門執(zhí)行不到位;(2)左右缸不能及時糾偏,閘門傾斜存在卡死隱患;(3)HMI顯示開度與開度儀顯示開度不一致(如開度儀顯示閘門開度已到0,但HMI顯示開度不歸0)。針對此問題,對液壓控制回路和電氣控制路進(jìn)行了分析,開度傳感器的SSI信號傳給開度儀,開度儀經(jīng)計算后將左右缸位移數(shù)據(jù)以4~20 mA電流信號送給PLC模擬量模塊。在長期運(yùn)行中,模擬量信號易受干擾,且存在零漂,導(dǎo)致PLC采集到的開度數(shù)據(jù)與開度儀計算開度數(shù)據(jù)一致,造成閘門控制產(chǎn)生偏差。
為解決以上問題,將模擬量采集開度改為數(shù)字通信采集。RS485通信接口是現(xiàn)在工業(yè)控制、電力通信、智能儀表等領(lǐng)域常用的通信方式,數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式,可有效解決共模干擾問題。由于原有的開度儀無數(shù)字量通信接口,將原有的開度儀更換為帶模擬量輸出點(diǎn)和RS485通信接口的淮海電子ZWY-4 I型開度儀。M340系列PLC用于支持RS485通信的模塊為型號BMX NOM0200,由于原PLC的CPU模塊為2.1版本,無法添加該通信模塊。為解決此問題,將 CPU(BMXCPU2020-2.1)更換為CPU(BMXCPU2020-2.7)。在PLC機(jī)架上增加1個RS485通信接口模塊,型號BMX NOM0200,該模塊帶兩個通信接口,其中0口為RS485通信接口,1口為RS232/RS485可選接口。為保證通信的穩(wěn)定性和及時性,采用一對一方式,將2口勾選為RS485通信接口,每個接口單獨(dú)與一個開度儀通信。端口參數(shù)按照開度儀配置對應(yīng):波特率為9 600,無校驗(yàn)位,數(shù)據(jù)位8,停止位1,采用MODBUS RTU協(xié)議。
圖6 改進(jìn)后的PLC架構(gòu)
為保證通信傳輸?shù)臅r效性和數(shù)據(jù)完整性,在程序中設(shè)置周期讀取段,左右兩缸開度同時讀取,每次數(shù)據(jù)讀取時間為150 ms,每次讀取完成后,間隔5 ms再進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)讀取,可避免開度儀死機(jī)的問題。
通過改進(jìn),達(dá)到了以下效果:(1)HMI顯示左右開度與開度儀顯示一致;(2)閘門左右缸糾偏效果良好,未再出現(xiàn)閘門傾斜現(xiàn)象;(3)控閘精度有了較大提高,閘門控制偏差值由不大于±15 mm提高到不大于±4 mm。
(1)當(dāng)閘門處于手動控制時,操作人員需要不斷調(diào)整左右手動調(diào)速閥使閘門左右缸同步,實(shí)際操作過程中人為操作時效性差,不能很好地保持雙缸同步。在下一步改進(jìn)中,手動、自動操作時,閘門均通過比例流量閥來糾偏,手動調(diào)速閥僅在比例流量閥故障時做備用。
(2)現(xiàn)有程序中,具體操作按鈕以閘門執(zhí)行到位作為全開、全關(guān),同時點(diǎn)亮全開、全關(guān)指示燈,建議改為開到位、關(guān)到位。
(3)現(xiàn)有的工作模式為開度傳感器SSI信號進(jìn)開度儀,由開度儀對編碼器信號計算后再傳輸至PLC。為減少中間環(huán)節(jié),確保數(shù)據(jù)實(shí)時性,可考慮在PLC中增加SSI信號采集模塊,直接由PLC對開度進(jìn)行計算。
(4)為進(jìn)一步提高控制閘門的準(zhǔn)確性,可考慮采用逐漸逼近調(diào)節(jié)方式,在閘門運(yùn)行將要到達(dá)目標(biāo)開度時,分2~3次微調(diào),可有效避免閘門超調(diào)情況的發(fā)生。
(5)Ethernet所具有的低成本、全開放、傳輸速率高及應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn),使它在工業(yè)控制系統(tǒng)中擁有無可比擬的優(yōu)勢。下一步升級改造中,可將PCL、HMI、開度儀之間的通信由工業(yè)RS485串行通信方式,更換為工業(yè)以太網(wǎng)方式。在控制柜內(nèi)增加一臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī),所有設(shè)備均通過交換機(jī)通信,使系統(tǒng)的操控更加方便快捷。