西门子模块6SL3120-1TE21-8AA4技术参数

作为通用工业控制计算机, 可编程控制器近40年来从无到有,其功能从弱到强,其应用领域从小到大。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备,在世界各地发挥着越来越大的作用。本文基于大型拦河坝闸门控制的具体情况，提出一个基于PLC和现场总线控制的整体设计方案。

该拦河坝由17孔启闭式闸门组成。其跨度约为300m，闸门的较大开度可达1.7m。闸门控制房距离大坝迎水面40m。由于地理跨度较大，本闸门控制系统采用总线分布式分级控制方式进行设计。

2系统组成 

系统采用总线分布式的控制方式，分为现场控制和集中控制两级。总线采用OMRON公司的CompoBus／S现场总线协议，见图1。

图1 系统总体示意图

现场级是由在每个闸门现场都安装的闸门控制柜(CPU采用OMRON公司的CP1H系列PLC)组成，共17台。其功能是实现在现场对闸门的手动控制，对水位、闸门开度、闸门运行状态和错误信息的现场与监视，并且完成与集中控制级的实时通信，包括：接收控制信息，完成闸门控制动作，发送用于远程监控的闸门运行状态、错误信息到主站。

集中控制级是由设置于闸门控制房内的一个控制柜(CPU采用OMRON公司的CJ1G 系列PLC)。其主要功能是：通过CompoBus／S与下级系统进行通信，处理相关数据，向监控主机发送闸门的运行状态、错误等信息以及接收监控主机的指令后向下转发。

监控主机通过软件(本系统采用的是组态王)接收并显示闸门开度、状态等信息，对错误信息进行报警，并且可以发出指令，控制闸门的运行，同时生成报表。UPS电源用来在停电时为两级控制系统供电，保证系统不间断工作。

3系统配置及硬件接线 

现场级单个闸门控制柜的输入输出点个数为：DI=16，DO=6，AI=2(**孔)。本系统现场控制级CPU采用具有40个输入输出点的OMRON公司的CP1H系列PLC。由于一号控制柜将进行水位的采集，所以采用自带有模拟输入输出模块的CP1H—XA40D，此型号的PLC有4点的模拟量输入，2点的模拟量输出，其功能对于水位采集已经够用。其余控制柜采用不带模入／模出模块的CP1H—X40D。通信是通过CP1H扩展的一块通讯从单元SRT21完成，此通讯从单元节点号为O。根据PLC地址分配规则，输入地址为ClO2，输出为ClO102。

集中控制级的控制柜CPU采用了CJ1G 系列PLC扩展两块SRM21主站单元组成，其单元号分别为0和2。根据CJ1G的地址分配规则，其地址分别为CfO2O00与CfO202O。两块主站单元分别与下边的8个和9个从站单元进行数据交换，并与监控主机进行通信。监控主机与CJ1G通过RS232线缆连接。两级系统之间的通信采用的OMRON的现场总线协议CompoBus／S完成。

CompoBus／S通信模式可分为远距离通信和高速通信两种。当工作模式为远距离通信模式时，传输速率为83．75Kbps，传输距离可达500m； 当为高速通信模式时，传输速率为750Kbps，传输距离为100m。通信模式通过I／O连接单元的DIP开关设定。本系统选择远距离通信模式。

由于集中控制级的实现比较简单，这里只是介绍现场级控制柜PLC(**孔)的接线图与软件实现。现场级控制柜的接线原理图如图2。

PLC 由UPS电源提供220VC 电源。PLC的0CH和1CH为输入通道，100CH和101CH为输出通道。其0CH通道的低8位I：0.00～I：0.07接旋转编码器，进行闸门开度状态的采集。0CH通道高4位进行现场闸门控制操作以及系统其他一些状态的采集。在1CH(输入)通道中I：1.08进行现场／集中控制的选择。I：1.09是为了错误报警位设立，当错误排出后，对I：1.09的输入使得错误信息复位，系统可以运行。1CH后两位提供了闸门运行的一种保护。

输出通道100CH的输出为闸门的控制信号以及提示、报警信息。图中的IN1+、IN1一为模拟量输入通道。它与水位仪连接。由于CP1H系列PLC提供了一个24VDC的电源输出，所以可以直接作为水位仪的电源。

图2 PLC现场接线原理图

4软件设计 

现场一号控制柜的软件编写如下：系统的自动控制功能可分为现场级控制、集中开／闭环控制。其控制的程序流程图如图3。现场控制级具有较高的**级，这是由于对闸门的控制要求有较高的安全性和可靠性。当选择现场级控制后，集中开／闭环控制都被屏蔽。PLC采集现场控制柜的升、降、停控制输入状态，对闸门进行升降停操作。此时闸门的开度信息、运行状态可以在现地控制柜上的文本显示屏进行显示输出，并同时上传到监控主机显示。如发生错误，则发出报警并停止闸门运行。

图3系统软件控制流程图

当W2．05复位时，进行集中开环控制。远程开环控制可以在监控主机上点击操作界面(本系统采用的是组态王)上的升、降、停按钮，完成对闸门的远程控制。当升、降、停按钮被点击时，主机会置位集中控制级PLC 的存储位，并通过CompoBus／S总线将置位信息传送给分散控制级PLC，其内存地址为W2.00、W2.01、W2.02。CP1H根据此三个开关量的状态进行闸门操作。考虑到升、降、停的快速切换可能会导致出错，所以要全都采用了互锁。当有错误发生时不管闸门的运行在何种状态都必须马上停止闸门，并发出报警，直到错误排出后，通过CP1H的故障复位按钮(CIO1.09)故障报警，并重新运行。

闸位的采集通过8位增量式旋转编码器输入得到。其输入通道为CIO0.00～CIO0.07。由于编码器输入的是格雷码，所以需要采用格雷码转换指令(GRY)将其转化为BIN(-进制化16进制)数据(存储与D20)。由于编码器的位数仅8位，因此还要对编码器所转过的圈数(D70)进行软件的计算。最后根据编码器的圈数D70和此时编码器的值D20计算闸门的运行距离(D250)。其计算公式为：D250=D70*单圈高度+D20。其流程图如图4。

图4闸门开度采集子程序

系统水位采集时采用的水位传感器是压力式水位变送器，输出信号是4～20mA电流信号。由于PLC 自带有模拟信号输入通道，使得标准电流信号可直接输入PLC(本系统采用CIO200、CIO201分别为闸前、闸后水位输入通道)，不需要再扩展A／D模块。模拟信号在PLC模拟输入通道中自动完成A／D变换。这里的A／D变换全部采用的是线性变换，分辨率为1／6000或者1／12000，分辨率的选择通过PLC设定。闸门运行时的错误信息主要包括：闸门卡滞，闸门运行失速， 以及闸门开度过大引起的上升越限和下降过度引起的下越陷等。这些错误信息的比较简单，这里就不详细介绍。

5 总结

系统自投运以来，取得了显著的效益，体现在以下几个方面：

（1）提高了设备的使用效率。本方案通过对闸门控制的综合自动化，排除以往靠人工观察和经验进行操作，实现河坝闸门的优化运行，降低了主体设备的损坏率，延长其使用寿命和维护周期，每年节省备件消耗可达百万元同时本方案采用了实时负荷控制，提高设备的利用率，减少了设备的空转率，实现节能3%~5%。

（2）增强了可靠性和安全性。本设计方案实现了主体设备的联锁控制和异常报警和及时关停。工程师站设立授权以对有关参数进行修改，主控站以授权方式操作，避免了人为误操作等可能造成的设备损坏，增强了系统运行的安全性、可靠性。

（3）减轻了职工的劳动强度。本设计方案实现室的远程监视并相应进行相应操作即可，现场只需不定期巡视，减少了职工的所需数量和劳动强度，达到减员增效的目的。

随着炼铁、炼钢生产规模的不断扩大，循环水的用量明显增加，必须建造大型生产用水处理厂；大量的水处理设备需要高性能、高可靠性、体积小、价格低、具有强大的运算功能、易于实现复杂控制功能等优点的计算机控制系统来实现，生产线采用计算机控制后可以大幅度提高水处理的产量、质量，提高设备使用寿命，节约能源，降低工人劳动强度，改善操作环境。

2.系统组成

2.1 调水处理厂工艺概述

莱钢调水处理厂生产线共有两个大型水池，主要控制6台循环泵、18台通风机、2台回用水潜污泵、2台立时渣浆泵、5台电磁阀、5台止回阀、2台减压阀、4台加氯机、6台吸泥泵；设计生产总用水量30987m3/h,生产水循环利用率92.63%。通过加氯机和吸泥泵实现供水的过滤和净化。每个水池设有3台给水泵供水，两用一备，正常两台给水泵供水运行，当水位降到低水位或运行水泵故障时，自动启动一台备用给水泵，当水位到达高水位时，停止备用水泵；单击手动启停给水泵时，通过现场按启泵、停泵按钮，实现给水泵的启动/停止控制。

2.2 系统组成

调水处理厂自动控制系统采用欧姆龙CP1L-M系列PLC硬件组成基础自动化系统。采用CX-Designer软件，编程软件采用CX-Programmer，采用bbbbbbS XP作为系统平台界面，组成计算机化的操作系统，实现人机通讯。控制器与上位机之间采用串口进行通讯。系统增加了两块CP1W-40EDR扩展单元，增强了控制系统的控制能力。

3.主要控制功能

3.1 循环泵逻辑控制

水处理控制2个水池、2个清水池、2个回用水池、2个加氯间、3个加矾间等水容器的进、出水循环泵，每个水池有3个给水泵供水。实现整个生产循环水供应。循环水泵电机控制原理相同，仅以1#循环泵为例介绍。

1#循环泵有水泵电机4－1、水泵电机4－2、水泵电机4－3共有三台水泵。

操作模式为机旁操作、集中操作。

机旁操作:操作员在现场操作箱上直接进行操作，通过启动、停止按钮实现单个电机的启动运行、停止。

集中操作:通过上位机监控画面进行操作,又分为手动和自动两种模式。

手动方式： 操作员通过监控画面操作相应水泵，当水泵投用时，操作员可在画面上启停该水泵。当水泵备用时，水泵不能通过画面启停。

自动方式： 两台工作泵4-1和4-2同时运行,当工作泵发生故障时,备用泵4-3自动投入运行,同时将故障信号送入操作室。吸水井达到较低水位时（-3.8m）水泵自动停泵,并发出报警信号。

#1水池实现液位LT101高、低液位报警。

3.2过程控制和监控

实现了重要水流量、液位、温度的过程单回路控制，使控制参数稳定在生产要求的控制范围内。以加氯流量控制为例，采用单回路控制，。

使用监控画面实现对循环水系统运行状态进行监视，强制动作，及动态画面显示，趋势画面显示，报警/历史记录等功能。

4.应用效果

系统自2004年5月投入在线运行以来，取得良好的控制效果：参数控制精度在99%以上，全自动运行率在95%以上，有效的节约了电能和水资源，减少了环境污染，保护了环境。具有较好的经济效益和推广价值。

5.对欧姆龙的建议

欧姆龙PLC控制系统侧重于小型系统，**度低，应用量较少，应加强宣传力度。欧姆龙继电器应用较多，所应用的继电器几乎全部是欧姆龙的，性能稳定可靠，价格合理。