2015年大赛-闸门启闭机智能监控系统研发_方案设计书

2015年全国高等院校工程应用技术教师大赛项目方案设计书年月日内容提要FXPLC实验组件：配置三菱FX3U-48MT/ES-A PLC，内置数字量I/O（24路数字量输入/24路晶体管输出）；FX0N-3A模拟量模块（2路模拟量输入/1路模拟量输出）；FX3U-485-BD 通信模块；FX2N-32CCL CC-Link通信模块；将PLC输入输出端子外接安全插孔，在输入端配有钮子开关、输出端配有透明继电器，配套SC-09编程电缆。

变频器模块：配置FR-D720S-0.4kW变频器，功率0.4kW，AC220V供电，带有RS485通信接口及基本操作面板, 将变频器所以输入输出端子外接安全插孔。

开关量控制模块：十字路口交通灯、自动售货机、四层电梯温度、光电控制模块：温度控制：由驱动模块、电加热器、温度变送器、温度传感器、温度表及测温触发按钮等组成。

光电控制：由调光触发控制电路、色标传感器、多种颜色板、直流电机驱动电路、移动滑轨等组成。

触摸屏模块：7英寸彩色触摸屏TPC7062KXPLC编程GX Works V ersion 1.77F 三菱HMI设计MCGS嵌入版7.2 昆仑通态上位机监控设计MCGS 6.2 昆仑通态一、项目立意及可行性分析1.1 项目立意（包括工程应用系统或教学实验系统的项目价值、项目需求分析、项目可行性分析、项目效益分析等。

然而可以不全包括，也可不仅限于此）我国拥有959.69 万平方公里的国土面积，不仅地域及其广阔，而且山川河流众多致使地形也非常复杂，地处北温带，气候为亚热带季风，这些地理条件致使我国是一个洪灾多发的国家，每年的大小洪灾直接威胁着人民的生命安全并带来了巨大的财产损失。

1975 年发生在驻马店的水库溃坝事件，致使被淹耕地高达1100 万亩，受到此事件影响的人达1100 万人，2.6 多万人死亡，造成近100 亿元的经济损失，该事件成为了全世界最大的垮坝惨剧。

像这些给我国人民和财产带来巨大损失的洪灾事件还有很多，比如发生在1989 年的辽河水灾、1991 年华东地区的洪涝灾害以及1998 年长江、松花江以及嫩江流域特大洪水。

由于多年来我国政府对防洪减灾工程建设的高度重视，兴建了许多水利工程用来预防洪涝灾害。

然而，一直以来,泄洪闸闸门控制系统存在如下问题：（1）闸门启闭速度固定，不能及时缓解汛情。

泄洪闸闸门的开启和关闭,大部分都由电动机驱动,工作过程完全由人工操作控制,工作效率低,可靠性不高;且闸门的开关速度固定不变,在流量、水位发生变化的情况下,无法根据实际情况自动调节开关闸门的速度,易发生危险;尤其在流量突发短时增大的情况下,不能及时把门打开,无法有效地完成泄洪任务。

在这种控制方式下，如果遇到紧急汛情时会面临闸门启闭不及时的情况，导致不能及时缓解汛情。

（2）采用继电器控制方式，故障率很高。

传统泄洪闸常采用继电器电路系统,依靠触点的机械动作实现控制。

这种方法使用了大量的中间继电器、时间继电器,由于触点接触不良,容易出现故障,并且工作效率低,机械触点的抖动现象也可能会造成逻辑错误，致使整个系统的效率低能耗大,故障率很高.。

为了更好地解决上述问题,在原有的泄洪闸闸门启闭机控制系统的基础上,提出利用可编程逻辑控制器(PLC)、触摸屏及变频调速技术对闸门启闭机实时监控与故障报警,并结合水位开关信号对泄洪闸门启闭机的启闭速度进行自动控制。

该方案利用现代电子技术和自动控制技术取代传统的机械结构,有效地提高了系统的工作可靠性及自动化程度,扩大了闸门启闭机自动控制系统的工作环境适应性,并且操作简单方便。

项目的教学价值:1.2 项目可行性分析（1）PLC是一种先进而又成熟的技术。

可编程控制器是在继电器控制和计算机技术的基础上开发出来，并逐渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通讯技术于一体的一种新型工业控制装置。

它是一种面向生产过程控制的数字电子装置。

不仅可以取代传统的继电器控制系统，还可构成复杂的工业过程控制网络。

作为一种先进而又成熟的技术，目前PLC被广泛地应用到机械、冶金、化工、电力、轻纺等各个领域，产品遍及世界各地。

这种新型的电控装置极大地提高了劳动生产率和自动化程度。

可编程控制器将传统继电器控制技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来，成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制设备，并已跃居工业生产自动化三大支柱(即PLC，机器人和计算机辅助设计／制造CAD/CAM)的首位。

随着工业自动化的快速发展，可编程控制器(PLC)得到了广泛的应用，可靠性高、运行稳定、适合户外使用、联网功能强大等特点都促使PLC 成为现代生产工艺过程的新宠。

（2）由PLC、变频器和电机组成的控制系统来实现对电机的无极调速控制现今已经成为一种应用成熟的技术。

变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域。

由PLC、变频器和电机组成的控制系统来实现对电机的无极调速控制现今已经成为一种应用成熟的技术。

（3）竞赛平台提供了项目研究所需的软、硬件条件竞赛平台提供了PLC、变频器、电机和触摸屏等项目所需硬件，被控对象可通过基于组态软件的触摸屏进行模拟。

（4）本项目具有坚实的研发基础和条件。

参寒选手长期从事机电控制技术的教学与科研工作。

主持或参与国家863计划项目、国家科技支撑计划项目、浙江省自然科学基金、浙江省公益技术应用研究项目等十余项省部级课题。

在期刊上发表相关高水平SCI/EI期刊研究论文10余篇。

获得发明专利授权1项、实审5项，实用新型专利授权10余项，软件获得著作权登记8项。

这些均为本项目的顺利实施奠定了坚实的基础。

参寒选手在针对设备状态监测、PLC智能控制系统研发、组态监控、故障诊断等方面已开展了一系列的研究工作。

与协助单位合作完成了国家863重大专项“工程机械远程维护及监控系统”子课题“起重车安全监控及预警系统研制”，实现了对起重车的在线监控与故障诊断，项目成果获得软件著作权登记1项、发明专利实审2项，实用新型专利授权6项，受到了国家863验收专家组的高度评价，该项目实现了起重车各子系统的远程在线监测与故障预警。

此外，还与协作单位合作完成了国家科技支撑重大项目子课题“连续墙抓斗电控系统和抓斗结构优化”，开发了拥有多项自主知识产权（电液系统监测与故障预警、卷盘自由快放浮动控制、油管爆裂安全保护、双卷扬同步控制、前后纠偏自动控制）的连续墙抓斗电控系统（图1），整机综合性能达到国内领先，国际先进水平，打破了欧美对我国桩工基础施工设备的技术和市场垄断，受到了课题验收专家组的一致好评。

图1 连续墙抓斗状态监控与故障报警人机交互界面（主界面部分）参寒选手还与地方产业结合在一些关键技术上获得了产业化突破，特别是在状态监控与故障报警、自动化检测、高精度控制与CAD系统研发等方面，与浙江省**企业一起主持承担国家重大科技支撑子课题“节能空气能热水器智能控制关键技术集成与工程示范”，完成空气能-太阳能集成供热工程的运行监控与故障报警（图2）。

这些都为本项目的顺利开展积累了实践经验。

图2 空气能-太阳能热泵热水系统运行状态监控与故障报警界面总之，本项目是在已有相关研究工作基础上，结合企业需求而提出的研究课题，具有坚实的研发基础和条件。

二、项目系统设计（包括项目工程工艺流程、系统结构、系统组成、系统功能、系统软件功能等。

然而可以不全包括，也可不仅限于此）2.1 系统功能需求分析随着科学技术和经济的高速发展，对水库现场设备的控制不断的提出新要求，如何保证水库处于安全稳定运行的状态对防洪减灾起着至关重要的作用。

因此，如何及时准确的获得水文实时数据并根据实时数据对水库现场进行相应的控制，使水库各项数据维持在标准水平，对于水库的安全运行尤为重要。

PLC-变频器-电机工作系统是一种具有控制灵活高、节能效果好、效率高的一种成熟性技术手段。

将交流变频调速技术引入水库闸门控制系统中，一方面可以实现闸门控制电机的软启动功能，解决了以往电机因启动电流过大而导致的接触器或过电流继电器因过流保护而断开主回路和对电网冲击污染较大等问题，另一方面可以根据汛情的不同实现对闸门的快速开启与快速控制，达到及时缓解险情使水库处于安全运行状态，另外，变频调速技术的节能功能，也符合我国的能源政策。

本项目所设计水库监控系统主要任务有两个，第一个任务是监测水库闸门的开度、水库的水位信息、闸门控制电机的转速以及变频器的运行状态等，实现实时监测和报警处理。

第二个任务是在水库闸门控制子系统中通过PLC-变频器-电机控制技术的引入，使现地控制系统摆脱以往只能以同一频率对闸门进行启闭的单一控制方法，并通过变频器的软启动功能降低启动电流过大引起的种种弊端。

基于满足以上功能需求，系统设计要求达到以下功能：（一）闸门控制与保护功能；在水库现场中的现地控制系统中可以通过水库现场安装的触摸屏来实现本地现场闸门的启动与关闭控制，而且可以控制闸门的开度，使水库闸门可以上升或者下降到指定的高度，电机的启动方式采用平稳可靠的变频启动方式，大大降低启动电流，同时，在遇到紧急汛情时，可采用不同的频率来完成对水库闸门的开启与关闭，及时调节水库水文，缓解险情。

为了提高系统的可靠性、稳定性和安全性，系统在水库现场现地控制系统设计中有手动控制和自动控制两种模式，可以根据水库实际需求进行选择，在系统运行出现异常时，系统会紧急抱闸刹车停机并进行报警提示。

（二）数据采集与处理功能；1.水库水位信息采集与处理：通过在水库现场安装的检测水位信息的传感器实现对水库的水位实时数据进行自动采集，在进行必要的数据处理后上传至触摸屏中，经触摸屏以友好界面显示出来。

2.闸门开度的数据采集与处理：可完成对闸门的位移量的采集，同时可以获得闸门的状态是上升开启状态还是下降关闭状态，闸门是否超越上下限为的相关数据。

3.闸门控制电机状态数据的采集与处理：可完成对闸门控制电机的运行速度和运行电流的采集，从而实现对闸门电机运行状态的监控，在遇电机运行异常时可进行报警。

4.变频器运行状态数据的采集与处理：对变频器的运行状态（正反转、频率）以及是否出现故障的数据采集。

（三）人机交互功能水库监控系统可以通过安装在水库现场的数据采集设备完成对水库现场的各种水文实时数据的采集，这些数据通过模拟量输入模块传送到 PLC（可编程控制器）内部指定的寄存器中，PLC 再将这些数据进行运算处理后传送至现地控制系统的触摸屏或上位机中，完成对水库水文信息的实时数据的显示、记录、存储、处理、打印和分析。

工作人员可以直接通过安装的组态软件获取水库现象的各种水文信息，并可以对水库现场 PLC 发出相应的控制命令。

2.2系统方案设计根据监控系统的功能需求，该子系统为现地控制系统，主要由触摸屏、PLC、变频器等设备组成。