1 引言
水位測控裝置是水電廠的重要測控設(shè)備，水電廠的上下游水位是防汛安全的重要數(shù)據(jù)，攔污柵壓差影響機(jī)組出力、水工建筑安全，水頭值影響調(diào)速器協(xié)聯(lián)曲線，進(jìn)而影響機(jī)組效率甚至安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此水位測控裝置需滿足長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。目前的水電廠水位測控裝置普遍采用定制儀表采集前端水位傳感器的格雷碼值，換算柵差、水頭等，輸出開關(guān)信號(hào)報(bào)警，輸出4~20ma信號(hào)至監(jiān)控、遠(yuǎn)動(dòng)、調(diào)速器。在運(yùn)行維護(hù)中存在以下問題：采用電纜長距離輸送格雷碼信號(hào)，防雷、抗干擾能力差，儀表、傳感器易損壞；4個(gè)24位格雷碼傳感器需100芯電纜維護(hù)困難；定制的儀表擴(kuò)展性差，輸入、輸出校準(zhǔn)，參數(shù)整定操作復(fù)雜；價(jià)格高，備品備件采購困難。因此開發(fā)基于通用硬件設(shè)備的水位測控裝置意義重大。
根據(jù)水電廠水位測控具體要求，我們自主設(shè)計(jì)了基于plc的水位測控系統(tǒng)，具有高可靠性、配置靈活、安裝維護(hù)簡單方便特點(diǎn)。
2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)
水東水電站裝設(shè)有上游、#1攔污柵后、#2攔污柵后、下游四個(gè)水位測量井，配置浮子式水位測量裝置，采用絕對值光電編碼器將水位信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。壩上傳感器距離中控室500m，下游傳感器距離中控室30m，為提高系統(tǒng)的防雷、抗干擾能力，壩上傳感器通信采用光纖傳輸。水位測控裝置plc通過rs485串行口采集編碼器水位數(shù)據(jù)，經(jīng)過換算處理模擬量輸出模塊輸出4～20ma的上游、下游海拔值信號(hào)至遠(yuǎn)動(dòng)rtu裝置，輸出4～20ma的水頭信號(hào)至機(jī)組調(diào)速器電氣調(diào)節(jié)裝置。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接水位測控裝置plc，采集所有水位信息，故障報(bào)警信號(hào)等，并可遠(yuǎn)程設(shè)置相關(guān)參數(shù)、定值，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖
3 實(shí)現(xiàn)原理
3.1 浮子式水位測量裝置
該裝置安裝在測井口上方，當(dāng)液位變化時(shí)，浮子隨之上升或下降，測繩帶動(dòng)線輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與線輪同軸連接的多圈絕對值編碼器就輸出與液位對應(yīng)的數(shù)字信號(hào)(見圖2)。裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、合理，可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠長期用于液位測量。
圖2 浮子式水位測量裝置
3.2 編碼器
根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求，編碼器選用現(xiàn)場總線型輸出的多圈絕對值編碼器。
絕對值編碼器由機(jī)械位置確定編碼，每個(gè)編碼唯一不重復(fù)，它不受停電、干擾的影響，無需記憶，無需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取，這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。多圈絕對值編碼器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測量范圍大，實(shí)際使用往往富余較多，這樣在安裝調(diào)試時(shí)不必費(fèi)勁找零點(diǎn)，將在測量范圍內(nèi)的某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了，從而大大簡化了安裝調(diào)試難度。
編碼器信號(hào)輸出主要有并行格雷碼輸出、串行ssi輸出、總線型輸出、模擬量4~20ma輸出。并行格雷碼和模擬量輸出信號(hào)讀取簡單但不適合長距離傳輸，串行ssi輸出大部分是與西門子plc的ssi模塊配套成本較高?，F(xiàn)場總線型編碼器用通訊方式傳輸信號(hào)，信號(hào)遵循rs485的物理格式，連接線少，傳輸距離遠(yuǎn)，對于編碼器的保護(hù)和可靠性就提高了。信號(hào)的接收設(shè)備只需一個(gè)接口，就可以讀多個(gè)編碼器信號(hào)，多個(gè)編碼器集中控制的情況下可以大大節(jié)省成本。
3.3 水位測控裝置plc
plc選用m340模塊化plc，它是施耐德公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比很高的可編程控制器，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。cpu模塊選用高性能、大內(nèi)存的bmx p34 2020，帶一個(gè)100m以太網(wǎng)、一個(gè)485串行口；輸入、輸出模塊可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求靈活配置。
4 軟件設(shè)計(jì)
4.1 編程步驟
plc的硬件配置、控制程序采用施奈德的編程軟件包unity pro完成，pc通過網(wǎng)絡(luò)或usb與m340 plc進(jìn)行程序傳送。首先進(jìn)行plc硬件組態(tài)，含底版、電源、cpu、輸入輸出模塊等。通過電源模塊屬性可查看電源使用情況，應(yīng)保留一定余量，否則需更換容量更大的電源模塊；在cpu模塊的serialport口配置串行鏈路參數(shù)如：485 modbus主站、波特率9600、幀延時(shí)4ms、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位、偶校驗(yàn)；創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)鏈路ethernet1并配置ip地址等網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)，將cpu模塊的ethernet口鏈接到網(wǎng)絡(luò)鏈路ethernet1；根據(jù)現(xiàn)場模擬量信號(hào)要求配置模擬量輸出模塊參數(shù)；定義相關(guān)變量等。
4.2 plc程序設(shè)計(jì)
(1)程序結(jié)構(gòu)。程序采用模塊化設(shè)計(jì)，具有較高可讀性、可維護(hù)性其程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 程序結(jié)構(gòu)圖
(2)程序注釋。plc上電首次掃描執(zhí)行初始化init()子程序，初始化通信參數(shù)，上、下游海拔預(yù)置值，各個(gè)傳感器調(diào)零值，攔污柵壓差整定值等。
傳感器通信comm()子程序，分時(shí)讀取傳感器水位值，通信故障時(shí)水位保持原值。
計(jì)算calc()子程序，計(jì)算出上、下游，攔污柵后的實(shí)際海拔值，攔污柵壓差、各機(jī)組有效水頭等。
信號(hào)輸出out()子程序，攔污柵壓差過大報(bào)警、通信故障報(bào)警、裝置故障報(bào)警、4～20ma模擬量輸出等。
數(shù)據(jù)上送sent()子程序，根據(jù)監(jiān)控上位機(jī)通信規(guī)約，組織上送數(shù)據(jù)信文，含各實(shí)際海拔值、有效水頭、詳細(xì)故障信息、攔污柵壓差報(bào)警定值等。
4.3 水位信號(hào)讀取
m340 plc和編碼器串行rs485通信采用modbus rtu通信規(guī)約，這個(gè)通訊協(xié)議已廣泛被國內(nèi)外各行業(yè)作為系統(tǒng)集成的一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，有利于系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)展。plc為主站，編碼器為從站。
查編碼器技術(shù)手冊，水位測值的modbus地址是4x0000，根據(jù)modbus通信規(guī)約信息幀結(jié)構(gòu)讀取地址 1 傳感器的水位測量值，應(yīng)發(fā)送以下通信碼：m340 plc讀取水位信息主要用read_var功能模塊：
01 03 0000 0001 840a
站地址 功能碼 首地址 個(gè)數(shù) crc校驗(yàn)碼
功能模塊說明［1］
adr
通信地址：語法為 addm (`r.m.c.node`機(jī)架號(hào).模塊號(hào).通道號(hào).站地址) 類型。
obj 要讀取的對象類型
’%m’：內(nèi)部位
’%mw’：內(nèi)部字
’%s’：系統(tǒng)位
’%sw’：系統(tǒng)字
num 讀取的第一個(gè)對象的索引。
nb 要讀取的對象的數(shù)量。
recp輸出參數(shù)包含所讀取對象的值的字表。
gest交換管理表：4個(gè)字的數(shù)組。
表1 交換管理表
圖4 read_var功能模塊
圖4中read_var功能模塊實(shí)現(xiàn)將地址1傳感器水位值送入%mw1，交換管理表置于%mw400：4，%mw401==0，說明通信成功，非零值記錄故障代碼。通信過程需占用一定時(shí)間，保證通信可靠，防止通信阻塞，4個(gè)傳感器通信分時(shí)進(jìn)行，用上升沿觸發(fā)。讀取交換管理表確認(rèn)通信是否成功，通信失敗應(yīng)將故障代碼上送上位機(jī)并報(bào)警，將水位值保持為上一次正確通信時(shí)讀取的值。
4.4 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)系統(tǒng)與plc之間通過以太網(wǎng)連接，水東電廠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用南瑞集團(tuán)公司的nc2000系統(tǒng)。nari nc2000計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是南瑞集團(tuán)面向水利水電領(lǐng)域的新一代計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件［2］。nc2000具有良好的人機(jī)界面和網(wǎng)絡(luò)功能，與施耐德plc網(wǎng)絡(luò)通信采用tcp/ip modbus規(guī)約。在組態(tài)環(huán)境下，設(shè)計(jì)人員對plc進(jìn)行驅(qū)動(dòng)配置，運(yùn)行環(huán)境以圖形畫面形式的人機(jī)界面監(jiān)控水位信息、故障報(bào)警，對有關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)歷史庫，生成報(bào)表，同時(shí)利用web功能使系統(tǒng)具有在線監(jiān)控功能，即在授權(quán)的情況下在任何一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上用標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器可遠(yuǎn)程監(jiān)控。限于篇幅，上位機(jī)程序不再詳述。
5 結(jié)束語
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，采用多圈絕對值編碼器采集水位，以可編程控制器為控制核心，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；硬件、軟件模塊化設(shè)計(jì)具有良好的擴(kuò)展性和靈活性，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求更改系統(tǒng)的配置規(guī)模。該系統(tǒng)在福建水東電站現(xiàn)場運(yùn)行表明工作穩(wěn)定，在監(jiān)視報(bào)警、綜合計(jì)算、信號(hào)輸出等各方面滿足電站的運(yùn)行要求，取得了很好的效果，有較高的推廣價(jià)值。