中小水電站水閘監(jiān)控系統(tǒng)的設計（下位機

1、中小水電站水閘監(jiān)控系統(tǒng)的設計下位機部分摘要隨著信息化技術在水利行業(yè)的大力推廣，作為水利信息化的重要組成部分的水閘監(jiān)控系統(tǒng)日益受到重視。如今在水閘監(jiān)控系統(tǒng)的設計中，人們可以利用計算機網(wǎng)絡技術、自動控制技術、通信技術和傳感器技術，提高系統(tǒng)的自動化的水平，對水利的發(fā)展具有重要意義。本文首先對系統(tǒng)總體方案進行了研究與設計，分析了系統(tǒng)的功能，確定了以集散控制系統(tǒng)作為整個控制系統(tǒng)的結構，并對系統(tǒng)的軟、硬件予以了介紹。隨后，本系統(tǒng)選定了具有起重量大、負載剛性大、自動化程度高、安全可靠性好等特點的液壓啟閉機控制閘門升降。同時對液壓啟閉過程中同步策略進行了研究，給出了基于電磁換向閥控制回路的解決方案。同時，通過

2、研究電機軟啟動原理，設計了軟啟動控制電氣原理圖，并詳細介紹了電機軟啟動的工作流程，實現(xiàn)了對電機的軟啟動控制、運行監(jiān)視和保護。最后設計了PLC與閘門開度儀、液位變送器等傳感器的連接，制定了閘門控制系統(tǒng)的具體流程，確定了PLC的型號，并繪制出了相應的梯形圖程序。關鍵詞：集散控制系統(tǒng) 液壓啟閉 軟啟動 可編程控制器 梯形圖 The Design of Medium and SmallHydroelectric Power Stations Sluice Monitoring SystemPLC SectionABSTRACTAlong with the spread of information t

3、echnology in water resource industry, the sluice monitoring system, which is the important part of water resource industry, is concerned by more and more people.Nowadays, people can use some high technology means in the design of sluice monitoring system, such as computer network technology, automat

4、ic control technology, communications technology and sensor technology. These means can be used to improve the level of automation, and be profound for the development of water resource.Firstly, the paper studied and designed the overall programof the system, analyzed the function of the system, det

5、ermined the distributed control system as thestructure of the sluice monitoring system, and introduced the software and hardware of the system. Secondly, the system used hydraulic hoist which had characteristics of small volume, big lifting weight and rigid load, a high degree of automation, securit

6、y, reliability and so on to control gates movements. And the paper studied the synchronized strategy of hydraulic hoist, designed a solution which is based on the control circuit of electromagnetic directional valve. Moreover, the paper studied the principle of the soft-starter, designed the electri

7、cal schematics of the soft-starting, introduced the work progress of the soft-starting in detail, and achieved the control, surveillance and protection of the motor.Finally, we maked the PLC and the sensor, such as photoelectric encoder and pressure transmitter connection, established the process of

8、 the sluice monitoring system, determined the type of PLC, and designed the ladder diagram program.Key Words: DCS Hydraulic Hoist Soft-starting PLC Diagram Program目 錄第一章 緒論 1 1.1 課題研究的目的與意義11.2 我國水電發(fā)展歷程及其展望11.3 本論文研究的內(nèi)容2第二章 水閘控制系統(tǒng)的總體設計方案32.1 水閘控制系統(tǒng)的研究背景32.2 系統(tǒng)設計的基本要求32.3 系統(tǒng)的設計原則32.4 系統(tǒng)功能分析4 2.4.1 中央

9、控制單元功能分析42.4.2 現(xiàn)地控制單元功能分析42.5 系統(tǒng)總體方案的確定52.5.1 系統(tǒng)組成結構的確定52.5.2 系統(tǒng)通信方式的確定52.5.3 系統(tǒng)硬件組成62.5.4 系統(tǒng)軟件組成72.6 小結8第三章 閘門的液壓啟閉控制9 3.1 概述93.2 液壓控制回路及液壓元件簡介103.3 液壓系統(tǒng)工作原理113.4 閘門的液壓啟閉控制11 3.4.1 閘門的升降控制11 3.4.2 啟閉機空載卸荷和過載保護11 3.4.3 自動防下滑功能123.5 液壓啟閉機同步方案與策略研究12 3.5.1 開、閉環(huán)控制系統(tǒng)的介紹123.5.2 同步控制策略的研究123.5.3 糾偏原理與控制流程

10、研究133.6 小結15第四章 電機軟啟動控制164.1 軟啟動器簡介164.1.1 軟啟動器的基本概念164.1.2 軟啟動器的基本原理.164.2 軟啟動與傳統(tǒng)啟動的比較16 4.2.1 直接啟動164.2.2 Y-啟動164.3 軟啟動器起停控制模式研究174.3.1 電壓斜坡啟動模式174.3.2 電流限幅啟動模式184.3.3 突跳+限流或突跳+電壓啟動模式184.3.4 電流斜坡啟動模式194.3.5 軟停車模式194.4 軟啟動器應用分析194.5 軟啟動器電氣原理圖的設計204.5.1電機軟啟動的電氣控制原理214.5.2電機軟啟動的控制流程圖224.6 小結22第五章 PLC

11、的軟、硬件設計235.1 PLC的基本結構235.2 PLC的硬件設計235.2.1 總體控制要求的分析235.2.2 PLC與液位變送器的連接245.2.3 PLC與閘門開度儀的連接245.2.4 PLC的選型265.3 PLC的軟件設計265.3.1 輸入量、輸出量的介紹275.3.2 PLC控制系統(tǒng)的要求275.3.3 PLC的梯形圖設計295.4 小結40第六章 總結與展望416.1 總結416.2 展望41參考文獻42致謝43第一章 緒論1.1課題研究的目的與意義從總體上來講，我國雖然可以稱得上是一個地大物博、資源豐富的國家，但是由于我國的人口基數(shù)大，以至于我國的人均資源占有量非常有

12、限，水資源更是如此。實際上，我國是一個水資源相對短缺的國家，不但飲用水不足，而且洪澇災害頻發(fā)。因此，如何提高水資源的利用率，如何有效預防洪澇災害，是我國亟待解決的問題。本論文致力于閘門監(jiān)控系統(tǒng)的研究，通過提高控制系統(tǒng)的精度，來提高水資源利用率以及防洪抗旱能力。閘門監(jiān)控系統(tǒng)的建立，將大大提高信息采集的準確性及傳輸?shù)臅r效性，能夠對災情的發(fā)展趨勢做出及時、準確的預測。一方面，閘門監(jiān)控系統(tǒng)可以隨著自動化水平地提高而迅速發(fā)展，并且其控制水平日益完善?，F(xiàn)在閘門的啟閉操作不僅可以通過控制柜實現(xiàn)閘門的手動控制，而且可以在距現(xiàn)場一定距離的控制中心進行遠程控制，這樣即遠離了惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，又提高了控制精度，可謂一

13、舉多得。另一方面，閘門監(jiān)控系統(tǒng)的建立是水利工程歷史性的一個轉變。水利工程要從過去重點對水資源的開發(fā)、利用和治理，轉變?yōu)楦幼⒅貙λY源的配置、節(jié)約和保護；要從過去重視水利工程建設，轉變?yōu)樽⒅胤撬こ檀胧┑慕ㄔO；要從過去對水量、水質、水能的分別管理和對水的供、用、排、回收再利用過程的多家管理，轉變?yōu)閷λY源的統(tǒng)一配置、統(tǒng)一調度、統(tǒng)一管理。 總之，閘門監(jiān)控系統(tǒng)作為水利系統(tǒng)最基層的工程之一，在防洪抗災中扮演了重要角色。除了滿足水利部門的用水需求外，在防洪、保護工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)安全以及環(huán)境保護等諸多方面都發(fā)揮了巨大的積極作用。1.2我國水電發(fā)展歷程及其展望新中國成立后，水電發(fā)展翻開了新的一頁

14、。解放初期，我國工業(yè)基礎極其薄弱，一切從頭開始，艱難起步。隨著社會主義建設事業(yè)進一步推進，水電建設逐漸提上日程?！耙晃濉逼陂g，在甘肅永靖縣境內(nèi)的黃河上游，我國第一座百萬千瓦級的水電站-劉家峽開工建設，同時，下游的鹽鍋峽和八盤峽兩個梯級電站也開始興建。1975年，劉家峽水電站建成，此后中國又陸續(xù)建設了一批百萬千瓦級的水電站。截至1978年底，中國水電裝機容量已達1867萬千瓦，年發(fā)電量496億千瓦時，人均裝機和發(fā)電量為0.02千瓦、51.5千瓦時。改革開放后，我國水電進入快速發(fā)展期，水電建設腳步明顯加快。進入上世紀90年代后，中國水電開發(fā)又迎來了一個小高潮：五強溪、李家峽、天荒坪抽水蓄能電站開工

15、建設并投產(chǎn)發(fā)電。世紀之交，更有萬家寨、二灘、小浪底、天生橋一二級、大朝山等一大批水電站建成投產(chǎn)。到2000年，中國水電裝機容量達7700萬千瓦，超過加拿大，位居世界第二。這個時期我們開工建設了世界上最大的水電站-三峽水電站。三峽工程不僅是世界一流的水電工程，而且是中華民族偉大復興的標志性工程。截至1999年底，中國水電裝機容量已達7739萬千瓦，年發(fā)電量2219億千瓦時，人均裝機和發(fā)電量為0.06千瓦、176.4千瓦時。進入新世紀，特別是電力體制改革的推進，調動了全社會參與水電開發(fā)建設的積極性，我國水電進入加速發(fā)展時期。2004年，以公伯峽1號機組投產(chǎn)為標志，中國水電裝機容量突破1億千瓦，超過

16、美國成為世界水電第一大國。溪洛渡、向家壩、小灣、拉西瓦等一大批巨型水電站相繼開工建設，三峽水電站也將全面竣工。截至2010年，以小灣4號機組投產(chǎn)為標志，我國水電裝機已突破2億千瓦。目前，中國是世界水電裝機第一大國，并且已逐步成為世界水電創(chuàng)新的中心。1.3本論文研究的內(nèi)容本文主要是利用計算機網(wǎng)絡通訊技術、自動控制技術以及傳感器技術對水閘監(jiān)控系統(tǒng)進行設計與研究，制定了系統(tǒng)的總體框架結構，對系統(tǒng)進行了軟、硬件設計?？偟膩碚f，本文分別研究了上位機與下位機的通信方式、液壓啟閉的基本原理、液壓泵軟啟動的控制以及如何用PLC實現(xiàn)閘門的啟閉控制。具體來說，本文在第二章中主要介紹了系統(tǒng)總體框架，本控制系統(tǒng)采用集

17、中控制+分散控制的控制方式，上位機采用集中控制方式，由一臺PC機控制多臺PLC的運行，并對閘門的狀況進行實時監(jiān)控。第三章主要介紹了液壓系統(tǒng)的啟閉原理，液壓系統(tǒng)的各種基本回路以及同步糾偏的各種方案，確定了糾偏的具體流程。第四章主要介紹了油泵電機的軟啟動控制，包括了軟啟動的原理、與傳統(tǒng)啟動的比較、軟啟動的幾種模式以及軟啟動電氣原理圖的繪制。第五章是全文的重點章節(jié)，主要介紹了如何用PLC實現(xiàn)系統(tǒng)軟、硬件的設計，并給出了具體的控制流程，編出了一套PLC梯形圖來實現(xiàn)對系統(tǒng)的各種控制功能。第二章 水閘控制系統(tǒng)的總體設計方案2.1水閘控制系統(tǒng)的研究背景目前水閘自動監(jiān)控系統(tǒng)在全國水庫上的應用還比較少，應用水平

18、也參次不齊。各水閘所使用的控制裝置也沒有統(tǒng)一的規(guī)格，現(xiàn)在應用比較廣泛的是單片機、可編程序控制器裝置（PLC）。絕大多數(shù)水電站的現(xiàn)地控制單元所采用的硬件系統(tǒng)是PLC，其優(yōu)點為有靠性高、組態(tài)靈活、編程簡單實用。操作站和管理計算機一般使用PC機，有的采用工控機。此外，在閘門監(jiān)控系統(tǒng)中還應用了一些先進的技術，如集散控制系統(tǒng)DCS、分布式技術、現(xiàn)場總線技術、以太網(wǎng)技術等，總之我國水閘監(jiān)控系統(tǒng)在總體上還有很大的提升空間。2.2系統(tǒng)設計的基本要求（1）設置一個上位機工作站,可供操作人員遠程監(jiān)控、操作。（2）工作站具有清晰、完整的人機界面，組態(tài)軟件功能齊全、設置合理、簡單易懂。（3）各個閘門分別設置一個以PL

19、C為核心的現(xiàn)地控制單元(LCU)。（4）閘門的位移測量采用絕對值光電編碼器,直接輸出數(shù)字量。2.3系統(tǒng)的設計原則這是我們設計時要考慮的總體原則，它必需滿足設計目標中的要求，遵循系統(tǒng)整體性、先進性和可擴充性原則，設計出合理的方案，下面我們分別逐個進行討論：（1）先進性原則 采用當今國內(nèi)、國際上最先進和成熟的計算機軟硬件技術，使新建立的系統(tǒng)能夠最大限度地適應今后技術發(fā)展變化和業(yè)務發(fā)展變化的需要，以防由于跟不上時代而被歷史所淘汰。（2）實用性原則 實用性就是能夠最大限度地滿足實際工作要求，是水閘監(jiān)控系統(tǒng)在建設過程中所必須考慮的原則，它是自動化系統(tǒng)對用戶最基本的承諾。所以，從實際應用的角度來看，這個性

20、能更加重要。（3）可擴充、可維護性原則 根據(jù)軟件工程的理論，系統(tǒng)維護在整個軟件的生命周期中所占比重是最大的，因此，提高系統(tǒng)的可擴充性和可維護性是水閘監(jiān)控系統(tǒng)的必備手段。（4）可靠性原則 一個中小型計算機系統(tǒng)每天處理數(shù)據(jù)量一般都較大，系統(tǒng)每個時刻都要采集大量的數(shù)據(jù)，并要進行處理。因此，任意時刻的系統(tǒng)故障都有可能給用戶帶來不可估量的損失，這就要求系統(tǒng)具有高度的可靠性。（5）安全保密原則 一個用戶的數(shù)據(jù)是該用戶的用戶秘密，尤其是政府部門的一些機密文件、絕密文件等，是絕對重要的數(shù)據(jù)。因此安全保密性對辦公自動化系統(tǒng)顯得尤其重要，系統(tǒng)的總體設計必須充分考慮到這一點。（6）經(jīng)濟性原則 在滿足系統(tǒng)需求的前提下

21、，應盡可能選用價格便宜的設備，以便節(jié)省投資，即選用性價比高的設備?？傊?，整個控制系統(tǒng)要以最低的成本來完成對計算機網(wǎng)絡的建設。2.4系統(tǒng)功能分析整個控制系統(tǒng)包括現(xiàn)地控制和中央控制兩個單元，現(xiàn)地控制單元簡單來講就是設置在水閘附近的單元，主要接收上位機的指令并執(zhí)行；中央控制單元負責進行遠程控制及監(jiān)控?，F(xiàn)地與中央控制單元的具體結構及作用將會在下面章節(jié)中進行更加具體的介紹。2.4.1中央控制單元功能分析在整個閘門控制系統(tǒng)中，中央控制單元的控制系統(tǒng)是日常操作使用最為頻繁的部分，同時也是整個控制系統(tǒng)的控制核心。其主要功能有如下幾個：（1）采集現(xiàn)場設備運行的實時數(shù)據(jù)，如水位、閘門開度以及運行狀態(tài)等。（2）動態(tài)

22、圖形顯示閘門操作過程及實時參數(shù)。（3）根據(jù)上下游水位的變化，自動控制閘門開啟高度，監(jiān)視開啟速度，限制閘門運動速度在安全范圍內(nèi)。（4）保留系統(tǒng)原手動操作功能，手動操作與自動操作相互屏蔽。（5）建立實時數(shù)據(jù)庫及歷史數(shù)據(jù)庫。（6）具有查詢以及報警功能。（7）具有良好的中文人機界面，易于操作。2.4.2現(xiàn)地控制單元功能分析現(xiàn)地控制單元(LCU)直接面向生產(chǎn)過程，負責對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和處理，能夠獨立或按主控機的命令完成對所有被控對象的監(jiān)視和控制。其主要功能有：（1）接收上位機運行指令，并向上位機發(fā)送現(xiàn)場采集的各類設備運行實時參數(shù)與狀態(tài)信號。（2）根據(jù)上位機指令可對各臺閘門自動控制。（3）閘門控制范圍根據(jù)

23、實際情況而定。（4）現(xiàn)地控制單元根據(jù)上位機指令進行單門操作。2.5系統(tǒng)總體方案的確定2.5.1系統(tǒng)組成結構的確定水閘監(jiān)控系統(tǒng)按照拓撲結構可分為分布式監(jiān)控系統(tǒng)和集中式監(jiān)控系統(tǒng)，下面依次進行介紹。（1）分布式監(jiān)控系統(tǒng) 現(xiàn)今，分布式控制系統(tǒng)在工業(yè)上的典型應用就是集散控制系統(tǒng)(DCS)，具體可以應用到現(xiàn)場總線技術、以太網(wǎng)技術、PLC技術等。集散控制系統(tǒng)是以微處理器為基礎的集中分散型控制系統(tǒng)的簡稱。由于它在發(fā)展初期是以分散控制為主要特征的，因此國外一般稱其為分散控制系統(tǒng)(Distributed Control System)即DCS，在國內(nèi)習慣上稱之為集散控制系統(tǒng)。也有人稱其為分布式控制系統(tǒng)。集散控制系

24、統(tǒng)綜合了計算機技術、通信技術、圖形顯示技術(CRT)和過程控制技術，采用了多層次分級的結構形式，以適應現(xiàn)代生產(chǎn)控制與管理的需要。它繼承和發(fā)展了常規(guī)儀表控制系統(tǒng)和計算機集中控制系統(tǒng)的優(yōu)點，同時也彌補了各自的不足。這種系統(tǒng)的組成是分層的，結構是模塊化的，根據(jù)實際應用對象可靈活選擇。集散控制系統(tǒng)的出現(xiàn)是工業(yè)過程控制發(fā)展史上的一個里程碑。從世界范圍看，它已成為過程控制系統(tǒng)發(fā)展的主流。所以推廣與應用集散控制系統(tǒng)，研究與開發(fā)更先進的集散控制系統(tǒng)，已成為整個工業(yè)控制界的重要任務。（2）集中式監(jiān)控系統(tǒng) 集中式水閘自動化監(jiān)控系統(tǒng)應用比較早，在我國的小型水閘的自動化控制中應用比較廣泛。這種控制系統(tǒng)往往用一臺PLC

25、來控制多個現(xiàn)場設備，連接方便且成本低廉。 通過以上的介紹可知分布式閘門監(jiān)控系統(tǒng)是水閘自動化的發(fā)展方向，在大中型水閘上已有所應用，取得了很好的效果。由于采用了DCS結構，可靠性高，一個LCU出現(xiàn)故障不影響其他LCU的正常工作。但是因為所使用的PLC較多，布線較為復雜，造成工程成本偏高。集中式閘門監(jiān)控系統(tǒng)由于采用了集中控制，可靠性相對較低，一個PLC出現(xiàn)故障就會導致整個系統(tǒng)的癱瘓，并且能控制的閘門數(shù)也是有限的。但是其成本低廉，結構簡單，適用于一些經(jīng)濟相對落后的地區(qū)。綜上，由于本論文僅限于理論上的研究，不考慮成本上的問題，因此本控制系統(tǒng)的組成結構采用集散控制系統(tǒng)，以便于對下面一些問題的研究與討論。2

26、.5.2系統(tǒng)通信方式的確定目前常用的幾種通信方式分別為通過多點接口（MPI）協(xié)議的數(shù)據(jù)通信、現(xiàn)場總線通信、工業(yè)以太網(wǎng)通信、點對點連接通信以及通過AS-I的過程通信。工業(yè)現(xiàn)場總線PROFIBUS是用于車間級監(jiān)控和現(xiàn)場層的通信系統(tǒng)，具有開放性。S7-300型PLC可以通過通信處理器或集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口連接到PROFIBUS-DP的網(wǎng)絡上。PROFIBUS的物理層是RS-485，最高傳輸速率為12MB/S，使用光纖作為通信介質，通信距離可達90KM。工業(yè)以太網(wǎng)是用于工廠管理和單元層的通信系統(tǒng)，符合IEEE802.3國際標準，用于對時間要求不太嚴格、需要傳送大量數(shù)據(jù)的通信場合，

27、可以通過網(wǎng)關來連接遠程網(wǎng)絡。如果PROFIBUS網(wǎng)絡采用FMS協(xié)議，工業(yè)以太網(wǎng)采用TCP/IP或ISO協(xié)議，則可以實現(xiàn)不同公司設備之間的數(shù)據(jù)交換。 AS-I的全稱為執(zhí)行器/傳感器接口，是位于自動控制系統(tǒng)最底層的網(wǎng)絡，用來連接有AS-I接口的現(xiàn)場設備，只能傳送少量的數(shù)據(jù)。綜上所述，在本控制系統(tǒng)中總體結構采用DCS結構，其中上位機之間的通信方式采用工業(yè)以太網(wǎng)通信方式，現(xiàn)場PC與PLC采用PROFIBUS-DP總線相連，通信接口為RS-232。下位機與現(xiàn)場設備之間則采用PROFIBUS-DP通信方式和AS-I通信方式，具體連接方式如圖2.1所示。因此在選擇設備的過程中，要選擇帶有相應接口的設備，從而

28、實現(xiàn)本套控制方案。圖2.1 系統(tǒng)總體結構Fig.2.1 Integral structure of the system2.5.3系統(tǒng)硬件組成1.現(xiàn)地控制單元（1）可編程控制器（PLC） PLC是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微型計算機技術使之功能不斷增強，從最初的邏輯控制、順序控制，發(fā)展到成為具有邏輯判斷、定時、計數(shù)、記憶和算術運算、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信及PID回路調節(jié)等功能的現(xiàn)代PLC，逐漸適合復雜的控制任務。本控制系統(tǒng)將采用西門子公司生產(chǎn)的S7-300型PLC，其具體結構與功能將會在第五章予以介紹，這里不再贅述。（2）人機操作界面 人機操作界面是通過觸摸顯示屏來實現(xiàn)的?？筛?/p>

29、據(jù)系統(tǒng)的控制要求并綜合考慮人機界面的操作特點，編制各個操作界面?，F(xiàn)場操作人員可根據(jù)屏幕上的中文提示，直接輕觸屏幕上的按鈕來控制閘門的啟閉，同時又可在屏幕上觀察到油泵電機工作電壓、電流和液壓系統(tǒng)壓力，閘位和水位的實時數(shù)據(jù)，各種故障信息等，具有顯示直觀，操作簡便等特點。（3）軟啟動器 軟啟動器主要用于電機的啟停操作過程中改善電機啟動特性，減少對用電系統(tǒng)的沖擊，對啟動過程及運轉過程中的電機實施保護及參數(shù)監(jiān)測。軟啟動器由三相反并聯(lián)晶閘管組成，可控制三相異步電機的起動和停止。同時軟啟動器可以與PLC相連接，通過執(zhí)行PLC的相關程序實現(xiàn)軟啟動的自動控制。（4）液壓啟閉系統(tǒng) 液壓啟閉系統(tǒng)包括油泵電動機組、液

30、壓控制設備和輔助設備等。液壓控制設備包括換向閥、流量控制閥、壓力閥、單向閥等。輔助設備主要包括油箱、濾油器、傳感器等。2.中央控制單元（1）主控級計算機兼操作員工作站 通常情況下配置一臺主計算機兼操作員工作站，特殊情況可采用雙機冗余配置熱備用工作方式。正常情況一臺工作，一臺備用，主計算機故障，則由備用計算機接替，自動完成雙機無擾動切換。（2）時鐘系統(tǒng) 系統(tǒng)提供一套高精度的GPS時鐘系統(tǒng)，時鐘誤差為二十四小時不超過0.2MS。時鐘系統(tǒng)能與衛(wèi)星的標準時間同步。時鐘系統(tǒng)中衛(wèi)星同步時鐘能接收衛(wèi)星時鐘信息，并使主控級和LCU時鐘與衛(wèi)星時鐘同步。 （3）打印機 系統(tǒng)配置漢字激光打印機作各種信息及報表打印用

31、，根據(jù)運行經(jīng)驗，推薦以召喚打印為主、定時打印為輔的方法。（4）不間斷電源（UPS） 當電網(wǎng)突然掉電，而計算機不能停止工作或者需要一個充足的時間保護重要數(shù)據(jù)時，就要用到UPS。隨著技術的進步，目前的UPS除了不間斷供電之外，還具備過壓、欠壓保護功能，軟件監(jiān)控功能等等。其中在線式的UPS還具備與電網(wǎng)隔離、強抗干擾特性，是高可靠性控制系統(tǒng)的最佳選擇。2.5.4系統(tǒng)的軟件組成1中央控制單元在本控制系統(tǒng)中，中央控制單元上位機（PC）的組態(tài)軟件采用組態(tài)王系列軟件，組態(tài)王軟件經(jīng)過七年開發(fā)，五年的各種突發(fā)環(huán)境的真實考驗，九千例工程的現(xiàn)場運行，現(xiàn)已成為國內(nèi)組態(tài)軟件的客戶首選，并且作為首家國內(nèi)組態(tài)軟件應用于國防，

32、航空航天等重大領域。2現(xiàn)地控制單元下位機由于使用了PLC作為硬件設備，因此就要選擇與PLC相應的一款編程軟件，本系統(tǒng)采用與西門子公司的S7-300型PLC相配套的step7編程軟件。Step7是一款功能非常強大的軟件，即可編程，也可仿真，且操作簡單、易學，是工業(yè)控制領域中的重要組成部分。2.6 小結本章節(jié)主要從系統(tǒng)總體結構入手，首先介紹了整個系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能以及設計的一些原則，然后開始確定整個控制系統(tǒng)的總體結構以及通信方式，即上位機之間采用工業(yè)以太網(wǎng)來實現(xiàn)通信，上位機與下位機之間采用RS-232串口通信，下位機與傳感器及其它輸入設備之間采用AS-I及PROFIBUS-DP通信方式。最后本章介

33、紹了控制系統(tǒng)的軟、硬件組成，提前對系統(tǒng)的軟、硬件予以簡單的介紹。第三章 閘門的液壓啟閉控制31概述在水電站的發(fā)電過程中，舉足輕重的一步即是水流的勢能轉變?yōu)殡娔艿倪^程。而在這個過程當中，閘門的啟閉起到了決定性的作用。閘門的啟閉控制是多年來的一個話題。由于閘門所處的環(huán)境惡劣，因此需要一種控制系統(tǒng)，既要滿足一定的控制精度，也要克服惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，液壓控制系統(tǒng)同時具備上述控制要求，它是多數(shù)水電站的最佳選擇。液壓系統(tǒng)有它自己的特點，下面分別論述。（1）液壓系統(tǒng)的優(yōu)點：1、液壓元件的功率-慣量比大。一般液壓泵的重量是同功率電動機的10%20%，尺寸約為電動機的12%13%，功率-重量比為同容量電機的10倍

34、，因此液壓元件可以組成結構緊湊、體積小、重量輕、加速性能好的伺服系統(tǒng)，對于像本閘門開閉控制系統(tǒng)，由于在野外工作，因此更應采用液壓啟閉控制。2、易獲得較大的力和力矩，工作比較平穩(wěn)，反應快，沖擊小，可在負載下直接換向或啟動，快速性能好，系統(tǒng)響應快。3、容易實現(xiàn)復雜的動作、集中操作或遠距離控制，而且省力。操作簡便、易于實現(xiàn)自動控制和遙控。4、易于實現(xiàn)過載保護。由于液壓元件中的油液介質對每個部件進行潤滑作用，使得零部件磨損減輕、使用壽命長。5、液壓系統(tǒng)元件實現(xiàn)了系列化、標準化、通用化，所以容易設計、推廣使用。整個系統(tǒng)的設計也有很大的靈活性。（2）液壓系統(tǒng)的不足之處：1、精密的液壓控制元件如電液伺服閥抗

35、污能力較差，對工作液的清潔度要求較高。2、液壓元件出現(xiàn)密封不嚴時容易產(chǎn)生泄露，對環(huán)境造成污染。3、液壓控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時不易追查原因，維修困難。因此，在進行液壓控制系統(tǒng)的設計時，我們應該盡可能的去利用其優(yōu)點，避開其缺點，最大限度的減少損失。1、過濾器 2、液壓泵 3、單向閥 4、先導溢流閥 5、二位二通電磁閥 6、三位四通電磁閥 7、調速閥 8、三位三通電磁閥 9、液壓鎖 10、節(jié)流閥 11、液壓缸圖3.1 液壓啟閉原理圖Fig.3.1 Schematic diagram of the hydraulic hoist3.2液壓控制回路及液壓元件簡介（1）液壓泵 用以提供整個液壓系統(tǒng)的動力。（2

36、）單向閥 單向導通，反向截止。（3）壓力控制回路 如圖3.1，由二位二通電磁閥5.1和先導溢流閥4組成。通過用PLC程序控制1DT的得電來使系統(tǒng)建壓，控制1DT失電使系統(tǒng)降壓。（4）方向控制回路 由電磁換向閥組成。當換向閥不得電時，工作在中位。當換向閥左位或者右位得電時，換向閥則工作在左位或右位。（5）速度控制回路 由調速閥組成，通過控制油液流量的大小借以控制活塞的推進速度。（6）液壓鎖定回路 圖3.1中共有2組，即9.1與9.2為一組，9.3與9.4為一組。每組由2個單向閥組成，主要作用為使閘門能停在任意位置上。具體過程為，當油液經(jīng)調速閥流向單向閥9.3時，其另一端流向9.4，使9.4反向導

37、通，閘門上升；當液壓泵停止工作時，9.3與9.4都被反向截止，閘門停止運動。（7）同步控制回路 由二位二通換向閥5.2和5.3、節(jié)流閥10.1和10.2、三位三通換向閥8組成。根據(jù)液壓缸行程檢測偏差信號，實現(xiàn)閉環(huán)糾偏環(huán)節(jié)，以達到同步的目的。3.3液壓系統(tǒng)工作原理整個系統(tǒng)是通過電磁換向閥的得、失電來實現(xiàn)不同的控制要求，控制閘門的啟閉、同步糾偏以及其他各種功能?？刂茊卧纯删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC），通過讀取PLC的梯形圖程序，使得相應的電磁換向閥得、失電，實現(xiàn)對閘門的控制。3.4閘門的液壓啟閉控制3.4.1閘門的升降控制在閘門開啟的過程中，液壓泵首先要經(jīng)過一個軟啟動的過程，軟啟動過程結束后，電磁換

38、向閥5.1的電磁鐵1DT得電，通過先導溢流閥4使系統(tǒng)的壓力調至工作壓力，即系統(tǒng)建壓。然后電磁換向閥6的電磁鐵2DT得電，油液通過調速閥7.1、7.3（7.2、7.4），流至液壓鎖9.2（9.3），同時使9.1（9.4）反向導通，最后油液流到液壓缸的下腔（有桿腔），推動活塞向上運動，而液壓缸上腔（無桿腔）的油液則經(jīng)過9.1（9.4）流回油箱，活塞桿縮回，閘門開啟。在閘門下降的過程中，電磁換向閥6的電磁鐵3DT得電，油液經(jīng)過液壓鎖9.1（9.4），直接流向液壓缸的上腔，推動活塞向下，同時液壓缸下腔的油液經(jīng)過9.2（9.3）和調速閥流回油箱，活塞桿拉伸，閘門閉合。3.4.2 啟閉機空載卸荷和過載保護

39、1空載卸荷在整個水閘控制系統(tǒng)的運行過程中，需要根據(jù)實際情況頻繁的對閘門進行調整，這就需要頻繁的對液壓泵進行開關動作。但是，由于電機啟停的瞬間電壓、電流都會很大，即使有軟啟動器，也無法完全避免電機瞬時過熱，瞬間功率過大等缺陷，頻繁的啟動電機最終會導致電能的損耗以及縮短液壓泵的壽命，這對于水電站的發(fā)展、建設是非常不利的。因此要避免頻繁的啟動電機，延長其使用壽命。所以液壓系統(tǒng)在短時間停止工作時，一般讓液壓泵卸荷運轉，就是讓泵以很小的輸出功率或以很低的壓力運轉，這樣可以節(jié)省功率消耗，減少液壓系統(tǒng)發(fā)熱。2過載保護當閘門開度控制失靈時，或閘門到達極限位置液壓泵仍在執(zhí)行啟、閉閘門動作時，會引起液壓系統(tǒng)中的壓

40、力急劇上升從而破壞液壓系統(tǒng)，甚至會釀成事故。因此要在液壓泵的旁邊并上一個降壓回路，這樣可以減小液壓泵的壓力，實現(xiàn)過載保護。3空載卸荷與過載保護的具體過程本系統(tǒng)中的卸荷、過載保護回路如圖3.1所示，先導溢流閥4與二位二通電磁換向閥5.1組成此回路，其中先導溢流閥的遠程控制口K通過換向閥接回油箱。當1TD失電時，系統(tǒng)卸荷；當1TD得電時，液壓系統(tǒng)在溢流閥的調定壓力下正常工作，當閘門由于意外造成系統(tǒng)壓力急劇上升時，溢流閥開始溢流，系統(tǒng)過載保護。3.4.3自動防下滑功能閘門因自身重力的作用以及油液的泄露，會導致閘門產(chǎn)生不同程度上的下滑，使閘門開度與預先的設定值有所偏差，影響閘門啟閉的精度。當PLC檢測

41、到下滑位移大于設定值時，首先發(fā)出下滑報警信號，同時啟動PLC程序自動提升閘門，直到回到原來位置。3.5 液壓啟閉機同步方案與策略研究在一泵多缸的系統(tǒng)中，盡管液壓缸的有效工作面積相等，但是由于運動中所受負載不均衡，摩擦阻力也不相等以及制造上的誤差等，不能使液壓缸同步動作。同步回路的作用就是為了克服這些影響，補償他們在流量上所造成的變化。3.5.1開、閉環(huán)控制系統(tǒng)的介紹使兩個或兩個以上的液壓缸，在運動中保持相同位移或相同速度的回路稱為同步回路。同步控制分為開環(huán)控制與閉環(huán)控制兩種。由自動控制原理可知，開環(huán)系統(tǒng)的結構簡單，但是輸出與輸入之間不存在反饋，開環(huán)系統(tǒng)的控制精度主要取決于液壓系統(tǒng)中液壓元件的精

42、度，因此在要求系統(tǒng)精度較高的環(huán)境中不宜采用開環(huán)控制。閉環(huán)同步控制通過對輸出量進行檢測、反饋，從而構成反饋閉環(huán)控制，在很大程度上消除或抑制不良因素的影響，從而獲得高精度的同步驅動。綜上，本系統(tǒng)采用的是閉環(huán)控制，即從液壓缸的上腔引出一條回路至油箱。3.5.2同步控制策略的研究 同步回路分為流量同步、容積同步、伺服同步。下面對這三種同步回路予以簡單的介紹。1.容積同步回路容積同步回路又稱為串聯(lián)同步回路，如圖3.2所示，圖中第一個液壓缸回油腔排出的油液，被送入第二個液壓缸的進油腔。即圖中1缸的右腔排出的油液被送入到2缸的左腔中去。為了達到同步，缸1右腔的面積必須與缸2左腔的面積相等。這種回路的優(yōu)點是結

43、構簡單。但是一般不用在水利工程中。因為水利工程中采用的液壓啟閉機往往都是大容量，活塞桿行程長，若采用此回路，對液壓缸的面積要求精度高，也難以控制。 圖3.2 容積同步回路 圖3.3 流量同步回路Fig.3.2 Synchronized circuit of volume Fig.3.3 Synchronized circuit of flow2流量控制式同步回路流量控制式同步回路大體上可分為調速閥控制同步回路、電液比例調速閥控制同步回路以及電磁換向閥控制同步回路。（1）調速閥控制的同步回路 如圖3.3所示為兩個并聯(lián)的液壓缸分別用調速閥控制的同步回路。兩個調速閥分別調節(jié)兩缸活塞的運動速度，當兩缸

44、運動同步時，則流量也調整的相同；若兩缸不同步，則改變調速閥的流量便能使雙缸同步。此法同樣結構簡單，并且可以調速，但是由于受到油溫變化以及調速閥性能差異等影響，同步精度較低，一般在5%7%左右。（2）電液比例調速閥控制回路 此回路中使用了一個普通調速閥和一個比例調速閥，由4個單向閥組成的橋式回路包圍著，它們分別控制兩個液壓缸的運動。當兩缸不同步時，檢測裝置就會發(fā)出信號，調節(jié)比例調速閥的開度，使雙缸同步。這種回路的同步精度高，位置精度可達0.5MM，能夠滿足大多數(shù)工作部件所要求的同步精度。（3）電磁換向閥控制同步回路 本液壓系統(tǒng)的同步控制方案采用此種同步回路，同步回路由圖3.1中二位二通電磁閥5.

45、2、5.3，節(jié)流閥10.1、10.2，以及三位三通電磁閥8組成。當雙缸運動出現(xiàn)不同步時，根據(jù)實際的運動情況，控制三位三通換向閥8的電磁鐵4DT、5DT的得失電，從而改變液壓缸中的油量，達到同步控制目的。此方法控制簡單，耐油液污染能力強，成本較低，并且可實施較高精度的連續(xù)調節(jié)，但其控制精度不如伺服同步控制。3.伺服同步回路液壓伺服系統(tǒng)通常采用電液伺服閥，且多為閉環(huán)控制，以傳遞信息為主，傳遞動力為輔，追求控制特性的完善。伺服同步控制能形成精確的控制系統(tǒng)，其控制質量受工作條件變化的影響較小。但是精密的液壓控制元件抗污能力差，對工作液的清潔度要求高。并且液壓傳動裝置對油溫和負載變化都比較敏感，不適宜在

46、低溫及高溫下工作。3.5.3糾偏原理與控制流程研究1.糾偏原理上文已經(jīng)提出了雙缸運行不同步的原因及其解決方案，實際上解決雙缸運行不同步的過程便是糾偏的過程。本系統(tǒng)采用電磁換向閥控制同步回路，其與PLC的連接如圖3.4所示。兩個液壓缸分別接上閘門開度儀，以檢測閘門兩端的開度。閘門開度儀再把檢測出來的閘門開度送入到PLC中，經(jīng)過比較后，通過用戶編制的PLC梯形圖程序，來控制三位三通電磁換向閥中電磁鐵的得失電，從而實現(xiàn)了閘門左右的糾偏。閘門糾偏有左超糾偏與右超糾偏之分。左超表示在閘門啟閉運行過程中，閘門左端開度高于閘門右端開度；右超表示在閘門啟閉運行過程中，閘門右端開度高于閘門左端開度。當閘門左超時

47、，電磁鐵4DT得電（相對于圖3.1），右缸中活塞下降，推動閘門右端下降，最終使閘門左右開度相等；同理，當閘門右超時，電磁鐵5DT得電，左缸中的活塞下降，推動閘門左端下降，最終使閘門左右開度相等。 圖3.4 閘門開度儀與PLC的連接Fig.3.4 Connecting of the photoelectric encoder and PLC2.糾偏控制流程圖 根據(jù)上文對糾偏控制原理的敘述，可知首先要讓閘門左右開度相比較，得到閘門開度的差值，如果比較結果為零，則直接跳出糾偏程序進入其它控制流程；當閘門左邊開度大于右邊開度時，PLC進行左超糾偏，讓4DT得電；當閘門右邊開度大于左邊開度時，PLC進行

48、右超糾偏，讓5DT得電。糾偏以后再比較一次，如果左右開度仍不相等，則跳回重新糾偏；如果左右開度相等，則糾偏結束。糾偏控制流程圖如圖3.5所示。圖3.5 糾偏流程圖Fig.3.5The flow diagram web guiding system3.6 小結在本章節(jié)，首先對液壓啟閉機的基本工作原理予以詳細的介紹，并介紹了液壓控制系統(tǒng)每個回路的作用，包括調壓回路、調速回路、同步回路等。然后介紹了液壓控制系統(tǒng)所具備的一些功能，解釋了如何用PLC去實現(xiàn)這些功能。最后則詳細研究了雙缸同步運行的問題，設計了一個比較完善的糾偏方案，并給出了具體的控制流程。第四章 電機的軟啟動控制4.1軟啟動器簡介4.1.

49、1軟啟動器的基本概念軟啟動器是一種控制三相異步電機啟動與停止過程的新設備，主要由串接于電源與異步電機之間的三相反并聯(lián)晶閘管組成，通過對內(nèi)部的單片機調整來改變觸發(fā)脈沖的觸發(fā)時間，繼而改變晶閘管的導通角。軟啟動器屬于電力電子控制電路，屬于新興領域，電力電子技術是弱電與強電相結合、直流電與交流電相結合的學科，具有很大的發(fā)展前途，因此重視對軟啟動器的研究，對未來電氣及自動化領域的發(fā)展有很大的幫助。4.1.2軟啟動器的基本原理軟啟動器采用晶閘管三相交流調壓電路，利用晶閘管進行調壓，其輸出電壓值的大小由晶閘管導通角決定，導通角由單片機控制，通過調節(jié)晶閘管的導通角來改變加到定子繞組的三相電壓。當異步電機軟啟

50、動時，晶閘管的導通角從零開始上升，電機的端電壓也從零開始上升直到滿足起動轉矩的要求，從而保證啟動成功。又因為晶閘管的導通角與觸發(fā)角有關，因此只需在電動機啟動過程中控制晶閘管觸發(fā)角的大小，就可以使異步電機的定子端電壓和啟動電流根據(jù)控制要求來進行變化。這樣，異步電機的啟動電壓和啟動電流即可調整和設置成理想狀態(tài)。4.2軟啟動與傳統(tǒng)啟動的比較4.2.1直接啟動啟動時通過一些直接啟動設備，將全部電源電壓直接加到異步電機的定子繞組上，使電動機在額定電壓下啟動，如圖4.1所示。直接啟動的線路是最簡單的，但這種啟動方法有很多不足，對于需要頻繁啟動的電動機，如液壓啟閉控制系統(tǒng)，過大的啟動電流將造成異步電機的發(fā)熱

51、，會影響電機的壽命，使電機更加容易損壞。4.2.2 Y-啟動Y-啟動是一種降壓啟動方法，啟動時將異步電動機三相定子繞組接成星型，等啟動完成以后，再接成三角形，如圖4.2所示。啟動時，先接通開關，然后使接觸器KM1 、KM3得電，將異步電動機接成Y 形啟動。當電機轉速達到預定值時，使KM3斷電，并使KM2得電，則異步電機運行于三角形連接。Y-啟動適于電機的輕載啟動，并且局限于正常運轉時為三角形接法的異步電機。 圖4.1 直接啟動 圖4.2 Y-啟動Fig.4.1 Direct starting Fig.4.2 Y- starting三相異步電機在啟動時一般都要采用降壓啟動的手段。采用傳統(tǒng)的降壓啟動裝置一對一地對大功率電機進行啟動，控制電路復雜，故障點多，且占用空間大，投資多；而采用軟啟動器實現(xiàn)電機的軟啟、軟停，可以使控制電路簡化，同時電機的軟啟、軟停減小了對電機本身的損害，有助于延長電機的使用壽命，且可掛帶多臺電機，既節(jié)省空間又降低成本，是一種非常理想的啟、停電機的方式。4.3軟啟動器啟?？刂颇Ｊ降难芯?.3.1電壓斜坡啟動模式電壓斜坡啟動方式是軟啟動器最基本的啟動方式，圖4.3所示為電壓斜坡啟動方式輸出電壓曲線。起始電壓和啟動時間是決定電動機啟