南水北调兴隆水利枢纽船闸控制系统改进方案及实施

摘 要：该文对某公司系列PLC在湖北省汉江兴隆水利枢纽兴隆船闸电气系统中的改进方案做出详细描述。主要的描述内容包括：概况，电气控制系统结构，系统改进前存在的问题，改进内容，改进现地主、从站PLC的程序过程，改进完成后效果等。此方案已用于湖北省汉江兴隆水利枢纽兴隆船闸电气系统。

关键词：兴隆船闸 电气控制 PLC

中图分类号：U641.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）10（a）-0038-02

汉江兴隆水利枢纽船闸位于汉江下游湖北省潜江、天门市境内，上距丹江口枢纽378.3 km，下距河口273.7 km，兴隆船闸航道等级为III级，主体段由上闸首、闸室、下闸首下游消能段组成，总长268 m，闸室平面有效尺寸为180 m×23 m×3.5 m（长×宽×最小槛上水深）。汉江兴隆水利枢纽工程船闸电控系统由2套上位操作员站、上闸首左现地子站、上闸首右现地子站、下闸首左现地子站、下闸首右现地子站组成。上位操作员站主要设备为2台工作站，其他4个子站以Quantum PLC为核心。该电控系统采用开放式、分层分布式网络结构，上位操作员站与上闸首左现地子站、下闸首左现地子站之间通过10 Mbps/100 Mbps以太网，上闸首左现地子站与上闸首右现地子站间通过热备光纤及同轴电缆相联，下闸首左现地子站与下闸首右现地子站间通过热备光纤及同轴电缆相联。各闸首现地子站主PLC与从站PLC之间为RS485协议进行通讯，该系统总体运行可靠、稳定。但随着运行年限的增长，该系统的薄弱性凸显出来。为提高整个电控系统的可靠性、安全性，对该系统进行局部改进是相当必要的。

1 电气控制系统结构

兴隆船闸电控系统采用开放式、分层分布式网络结构， 主要有远程RIO控制网络、Modbus 485现场总线网络、工业以太网络。

1.1 网络结构

兴隆船闸通过以太网交换机系统把视频监控上位机、网络打印机、热备冗余的PLC控制器、现地控制柜内HMI人机界面等联系在一起组成一个统一的通信系统。兴隆船闸选择带有热备冗余功能的PLC控制器，是因为热备冗余技术在现代工业控制领域应用广泛也很成熟，采用热备冗余技术后在其中一台PLC控制器出现间断或故障时，另外一台PLC控制器可以无间隙地完全接管全部工作，从而使系统运行不受影响。

兴隆船闸整个网络系统主体采用现代工业以太网，以光缆作为主通讯介质，各单元柜内采用电缆作为通讯介质，组成整个网络通讯系统，提高了系统通讯的快速性、准确性和抗干扰性能。在每个通讯单元内设置一个光电转换机作为链接分支器，实现通讯单元至通讯网络的链入。整个系统网络采用环形工业以太网，以确保系统通讯的可靠性。

1.2 现地子站PLC控制说明

兴隆船闸现地控制单元采用Quantum系列双机热备PLC+RIO的模式，完成对所管辖的受控设备的监控。兴隆船闸Quantum系列双机热备PLC选用型号为Quantum CPU-67160，它是目前法国施耐德公司生产的较高端的PLC控制器，该控制器数据接口丰富，它具有一个Modbus （RS232）、一个Modbus Plus（RS485）、一个USB接口、一个以太网接口等接口。它具有两个内存扩展插槽可以根据所需容量插入内存卡的容量大小将内存容量扩展，而PLC本身自带有4 M内存，离散量地址可到65 528 kB，寄存器地址可到64 976 kB。满足同时它具有热备冗余功能，两台PLC控制器可以通过同步光纤完成数据交换，在一台出故障时，另一台可以同步接管所有工作，切换工作瞬时完成，不会对控制流程造成中断，从而对设备控制运行没有任何影响。RIO模块选择法国施耐德公司Quantum系列的配套RIO模块140-CRP-93100模块，该模块的传输速率为1.544 MB/s，很好地满足了兴隆船闸远程RIO通信运行需求。

2 系统改进前存在的问题

（1）兴隆船闸控制系统在油缸行程数据采集、传输过程中，各闸首现地子站主PLC（Quantum系列，负责主控程序运行）与从站PLC（Premium系列，负责采集油缸行程数据）的串口通讯接口长时间的连续运行容易出现元件老化，且有时行程数据采集、传输过程中不连续，导致发生数据丢包现象，出现设备停机故障，影响了通航效率。

（2）上位机监控操作界面手动操作未设活动桥顶升停止功能，工作人员需手动停止。

3 改进内容

基于兴隆船闸控制系统的组网情况，整个控制系统已经组建了光纤以太网，将各闸首现地子站主PLC与从站PLC之间的串口通讯改为以太网通讯，可有效防止数据交换时的丢包现象，也不会影响各闸首现地子站主PLC之间的双机热备功能。

该改进方案的主要工作内容如下。

（1）更换4块从站PLC（Premium系列）的处理器模块（品牌： 施耐德/SCHNEIDER处理器：TSXP571634M Unity Premium 571x4 CPU，带Ethernet口），敷设网线，将其与交换机相连。

（2）开发4套从站PLC（Premium系列）的配置程序。

（3）开发2套各闸首现地子站主PLC（Quantum系列）的控制程序，结合兴隆船闸的组网方式和其他特点，完善通讯功能、在上位监控画面中增加活动桥的提升高度值的预设定功能，配置相应的通讯点。

4 改进各启闭机室现地主、从站PLC的程序过程

PLC程序完成的主要工作有以下几个方面：对现地主站PLC的程序完善后，将开发4套从站PLC（Premium系列）的配置程序实时数据通信，PLC通过以太网与上位机进行实时通讯，PLC将程序处理好的信号例如主提升油缸位移等信号通过寄存器上送至上位机。上位机将动作指令下发至PLC。

PLC通过DI、AI等输入模块实时采集来自配电系统、控制系统、液压系统等分系统的实时信号，工作人员对采集数据不断进行监视、修改、优化，按现场实际情况完善程序模块。

完善通讯功能，在上位监控画面中增加活动桥的提升高度值的预设定功能，配置相应的通讯点，上位机发送顶升指令后，经工作人员确认，提升到预设高度位置后，系统可自动停止。

完善报警功能，PLC将采集到报警信号处理后上送至上位机和人机界面，用户通过上位机或人机界面可以查询系统中的报警信息。

5 改进完成后效果

改进前后的处理器见图1、图2。

将原来4个启闭机室内从站PLC（Premium系列）的处理器模块TSXP57104M更换4块PLC（Premium系列）的处理器模块（带以太网通讯接口）TSXP571634，可有效防止数据交换时的丢包现象，不会影响主PLC的双机热备功能。

改进前各闸首现地子站主PLCc从站PLC通讯方式为通过RS485协议进行通讯，从站通讯时传送速度为9 600位/s，瞬间延迟23 ms，通讯时具有一定的时间间隔，且有时交换数据时不连续，改进后各闸首现地子站主PLC与从站PLC通讯方式为以太网TCP/IP协议通讯，通讯时数据将更加准确，速度将更快且数据是连续的；改进前各闸首现地子站主PLC与从站PLC连接串口为Modbus端口，工作人员如果需要查看从站PLC程序必须要专用施耐德Premium系列编程电缆进行连接；改进后各闸首现地子站主PLC与从站PLC可直接用以太网端口进行在线连接，方便快捷。

6 结语

该控制系统改进方案已实现，已用于湖北省汉江兴隆水利枢纽兴隆船闸，对于其他同类型电气系统同样改进适用，具有较强的指导借鉴意义。

参考文献

[1] 范子福，李锋.南水北调中线穿黄隧洞施工供水抽水试验研究[J].人民长江，2009（11）：8-9.

[2] 马贵生，李少雄.自振法试验及对比应用研究[J].南水北调与水利科技，2008（1）：167-169.