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1、l1 1 绪论绪论 随着科学技术的不断发展对船闸自动化水平的要求越来越高，PLC 技术的迅猛发展让自动化控制又多了一个新的亮点，而船闸的 PLC 监控越来越广泛地被投入使用，它能使管理人员有效地对船闸的运行工况进行自动检测、优化控制和集成管理，从而达到安全、高效、满足社会需求的目标。随着自动化技术的发展，这种研究将得到越来越广泛地应用，而且这种研究具有重要的实用价值，它对于保障河道通道的畅通，及人民的生产和生活具有十分重要的意义，顺应时代发展的要求。1.11.1 课题背景及意义课题背景及意义我国在船闸的建设控制系统等理论和应用方面已经处于世界先进水平，尤其是在对三峡船闸的建设上，使世界船闸建设
2、技术都能实现了一个大跨越，在解决三峡船闸一系列关键性技术难题，高品质、高水平地建成当今世界上规模和设计最大、技术难度最高的三峡双线五级船闸，促进长江三角洲地区和沿岸经济全面进步的同时，在船闸技术中的诸多方面取得了很多突破和创新，为我国乃至世界对船闸技术创造和积累了丰富的经验，极大丰富了世界高坝通航船闸设计和建设技术的理论和实践。而且船闸在改善通航条件，提高通航能力、灌溉、防洪，等方面都起到着重要的作用。通过用PLC对船闸系统的控制我认识到传统的继电器逻辑控制方式已经不能适应高可靠性，高自动化的要求。PLC具有配置灵活，控制方式修改方便，动作准确可靠并完全适应恶劣工业环境等优点今后船闸监控系统采
3、用PLC控制技术是一种必然趋势。之所以这么说因为PLC对元器件、电源、输入输出接口、结构设计等采取了严格措施；在软件上，采用循环扫描、程序语法检查、故障检测与诊断及出错报警、保护数据、封锁输出及自动恢复等措施，使PLC的平均无故障时间达到了10万小时以上1，非常适合于船闸的实际应用环境，因此在对船闸的控制器件上选择PLC控制。这也使管理人员有效地对船闸的运行工况进行自动检测、优化控制和集成管理，从而达到安全、高效、满足社会需求的目标。随着自动化技术的发展，这种研究将得到越来越广泛地应用，而且这种研究具有重要的实用价值，它对于保障河道通道的畅通，及人民的生产和生活具有十分重要的意义，顺应时代发展
4、的要求。1.21.2 可编程逻辑控制器的产生和发展可编程逻辑控制器的产生和发展随着制造业和过程工业的发展，越来越多的现场监控和处理工作，将需要自动l化程度更高的控制系统来进行完成。1969 年美国数字设备公司(DEC)研制出第一台控制器，创造性的引入了程序控制功能，使其控制系统较继电-接触器控制系统更精确、可靠与稳定。如今，许多大中型控制系统都采取 PLC 控制系统与硬件系统相结合的方法应用在工业生产上3。本设计采用 PLC 对船闸进行控制，因其有高可靠性、抗干扰能力强；编程简单，使用方便；体积小，能耗低等优点，使船闸控制过程更稳定可靠。1.31.3 传感器传感器所有具有信息的感知、采集、转换
5、、传输和处理功能的器件都属于传感器或智能传感器，其已成为各应用领域中不可或缺的技术工具。例如，在各种工业现场生产设备的自动控制中都需要用到传感器来进行液位，距离等的监控。因此，可以毫不夸张地说：传感器及其技术是现代科学技术迅速发展的保证。本设计控制系统中需用到液位，红外线传感器，来进行对船闸的水位，船的运动进行监测与控制，从而使船闸在防洪和通航模式中能进退有余。1.41.4 KingKing ViewView 组态软件组态软件我在这个船闸控制系统中采用组态王开发编制应用程序主要考虑以下三个方面: (1) 图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的船闸控制现场和相应的工控设备。 (2) 数据,就是创建
6、一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述船闸对象的各种属性,比如水位、流量等。 (3) 连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场船闸的运行,以及怎样让操作者输入控制船闸的指令。之所以我在船闸控制系统中采用组态王监控软件主要有 2 点原因：(1) 实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。 (2) 该系统是属于中文界面,它具有人机界面友好、结果可视化等优点。对我们用户而言,操作简单易学而且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,
7、这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。1.51.5 本章小结本章小结l通过对课题设计涉及的课题背景及意义、可编程逻辑控制器的产生和发展、传感器、King View 组态软件等做了简要阐明，方便的为下面进行设计。l2 2 船闸控制系统设计船闸控制系统设计本章主要介绍了船闸的主体结构，控制的两种模式和船闸在通航模式和防洪模式下的控制基本流程。通航模式时，按照普通船闸正常的控制方式，采用上下游闭锁控制，同一时间内只充许对一扇闸门进行操作。解除闸门之间的闭锁，两座闸门单独控制，相互之间的操作不受对方的影响。要求闸门可提升至任意位。2.12.1 船闸的主体结构船闸的主体结构船闸
8、在物理建筑上我将她分为闸室，临时工作闸门，上闸首工作闸门，上闸首输水阀门，下闸首工作闸门，下闸首输水阀门。其主体的结构平面图如图 2-1。图 2-1 船闸主体结构平面图根据任务书的要求需将把对船闸的控制分成 2 个不同的模式。(1) 防洪输水模式：防洪输水模式主要用于汛期的防洪，此时解除闸门之间的闭锁，两座闸门单独控制，相互之间的操作不受对方的影响。要求闸门可提升至任意位，并能在任意时刻及时关闭。(2) 通航模式：通航模式时，按照普通船闸正常的控制方式，采用上下游闭锁控制，同一时间内只充许对一扇闸门进行操作。开上闸门锁定上闸门船进出闸解锁上闸门关上闸门开下闸门锁定下闸门船进出闸解锁下闸门关下闸
9、门 2.22.2 船闸控制系统的过程船闸控制系统的过程l(1) 通航模式下船闸控制的基本流程船闸的通航模式主要分为两个过程：上行过程和下行过程。上行过程：当下游水位与闸室的水位一致时，下闸首的通行指示灯自动亮，下游闸门打开，船只进入闸室，当船只全部进入闸室后，关闭下游闸门，打开上游阀门，此时闸室处于充水状态，等闸室水位与上游水位一致后，上闸首的通行指示灯自动亮，上游闸门打开，关上游阀门，船只离开闸室。下行过程：当上游水位与闸室的水位一致后，上闸首的通行指示灯自动亮，上游闸门打开，船只进入闸室，当船只全部进入闸室后，关闭上游闸门，打开下游阀门，此时闸室处于充水状态，等闸室水位与下游水位一致后，下
10、闸首的通行指示灯自动亮，下游闸门打开，关下游阀门，船只离开闸室。临时通行时的流程与上面流程基本一致。(2) 防洪模式下船闸控制的基本流程防洪输水模式主要是用在汛期的防洪，如果水位高于一定的高度此时解除闸门之间的闭锁，两座闸门单独控制，相互之间的操作不受对方的影响。使闸门可提升至任意位，让闸室外的水能流入闸室来减轻水位压力。2.32.3 本章小结本章小结本章主要对基于PLC单级船闸控制系统的要求和主要的控制过程有个大概的介绍。船闸的控制分成2个不同的模式，一种是通航模式一种是防洪模式，在通航模式中采用上下游闭锁控制，同一时间内只充许对一扇闸门进行操作。在防洪模式中，当水位高于要求，此时解除闸门之
11、间的闭锁，两座闸门单独控制，相互之间的操作不受对方的影响。l3 3 基于基于 PLCPLC 的船闸控制系统的硬件设计分析的船闸控制系统的硬件设计分析本章主要介绍了船闸控制系统的硬件设计，首先对船闸控制系统的硬件组成进行描述，将本次设计中用到的 PLC 类型，用到的传感器进行介绍，并且讲诉了它们工作原理，优点和安装方面的要求。3.13.1 船闸控制系统硬件组成船闸控制系统硬件组成硬件部分我可以将它详细地分为：控制部分、电动部分、传感器部分和电源部分这 4 个部分。控制部分采用 S7200 型 PLC 进行控制；电动部分主要有排水阀，继电器等组成；传感器主要由水位传感器，闸门开度仪，电源部分中 P
12、LC 控制采用24 伏直流稳压电源。传感器：水位超声波、闸门开度仪，通过电缆线接入监控室内控制器。排水阀：当船闸要经过闸室前必须通过水位传感器检测闸室和外部的水位，如果水位不平那么必须先开排水阀放水，当闸室的水位与外部水平后开闸让船通过。闸门开度仪：闸门开度仪采用嵌入式微电脑控制技术，具有测量值和设定值数码显示，4-20mA 标准模拟量输出，RS485 串行接口等，48 个开关量信号输出。可设为上限、下限、中间控制 1、中间控制 2，中间控制 3 中间控制 4，极限停机1，极限停机 2。预置开关点由仪表面板的按键完成，继电器动作时相应的指示灯亮/熄灭。该仪表通过设定可方便地选择编码器的旋转方向
13、、圈长系数、4-20mA 对应满量程调整等。并具有相对零点置位功能，用户可轻松地查看和设置以及闸门开度非线性修正等功能。3.23.2 水位传感器的工作原理和选择水位传感器的工作原理和选择原理：超声波水位传感器通过声波从传感器表面到水面的时间来测量水位。通过超声波在空中的传播时间 t 来计算超声传感器与被测物之间的距离 s 。由于声波在空中传播的速度 c 是一定的，则根据：s=ct / 2 可计算出 s 测量范围：可以定制。输出：一般选择输出信号为 420mA。这里我选择的超声波传感器的型号是 YDU。它具有测量精度高,运行稳定，具有温度补偿功能。可自动功率调整、增益控制、温度补偿。采用新型的波
14、形计算技术，提高仪表的测量精度。具有干扰回波的抑止功能，保证测量数据的真实。16 位D/A 转换，提高电流输出的精度和分辩率。l3.33.3 水位数据处理水位数据处理水位传感器输出信号范围为 420mA，必须通过一定的转换，将其转换为实际水位假设：(1) 传感器量程为 100 米；(2) AD 转换后 0 米水位对应数字 A；(3) AD 转换后 100 米水位对应数字 B；(4) 当前测量的数字为 X，计算水位 H；水位计算公式：H=（XA）（1000）(BA)3.43.4 水位传感器安装要求水位传感器安装要求(1) 传感器引线不易太长，安装时注意不能折弯引线。注意本能使引线承受过大的拉力；
15、(2) 任何时候都不能堵塞传感器引线中的空气管，否则无法测量数据；(3) 引线如果太长，必须进行防雷处理，如引线从铁管中传出；(4) 传感器不能投入到泥沙中，否则会造成传感器测压孔堵塞，从而无法测量数据；并且定期清理传感器测压孔，注意不能用尖锐物体插入测压孔；(5) 传感器不能安装在动水中，应该安装在测压井或通过管道安装在水中；3.53.5 闸门开度仪在船闸控制系统中的选择和应用闸门开度仪在船闸控制系统中的选择和应用闸门开度仪采用嵌入式微电脑控制技术，具有测量值和设定值数码显示，4-20mA 标准模拟量输出，RS485 串行接口等，48 个开关量信号输出。可设为上限、下限， 、中间控制 1、中
16、间控制 2，中间控制 3 中间控制 4，极限停机 1，极限停机 2。预置开关点由仪表面板的按键完成，继电器动作时相应的指示灯亮/熄灭。该仪表通过设定可方便地选择编码器的旋转方向、圈长系数、4-20mA 对应满量程调整等。并具有相对零点置位功能，用户可轻松地查看和设置以及闸门开度非线性修正等功能。广泛应用于各种平板门、弧形门、人字门、液压闸门、门机、吊车、船闸、水闸等开度的测量与控制。在这次闸门控制系统中我选用了闸门开度仪DHXSM900，下面我介绍下闸门开度仪 DHXSM900。(1) 铝合金防水密封外壳；l(2) 防雷击，抗干扰。闸门开度仪在设计上采用抗干扰和防浪涌设计，内部采用光电隔离，防雷击；(3) 闸门开度仪现场调试安装简单、快速、方便。只需用界面操作键，设定起点值、终点值、量程即可；(4) 多圈绝对位移测量， “直观方便”，具有掉电记忆功能，各种预置数据在停机后再加电开机无需作任何调整即可投入使用；(5) 采用高
