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，進而影響機組效率甚至安全穩(wěn)定運行，因此水位測控裝置需滿足長期穩(wěn)定可靠運行。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)信號報警，輸出4~20ma信號至監(jiān)控、遠動、調(diào)速器。在運行維護中存在以下問題：采用電纜長距離輸送格雷碼信號，防雷、抗干擾能力差，儀表、傳感器易損壞；4個24位格雷碼傳感器需100芯電纜維護困難；定制的儀表擴展性差，輸入、輸出校準，參數(shù)整定操作復(fù)雜；價格高，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、安裝維護簡單方便特點。

　　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。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、下游海拔值信號至遠動rtu裝置，輸出4～20ma的水頭信號至機組調(diào)速器電氣調(diào)節(jié)裝置。計算機監(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，故障報警信號等，并可遠程設(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，浮子隨之上升或下降，測繩帶動線輪做旋轉(zhuǎn)運動，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(見圖2)。裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、合理，可靠性高、適應(yīng)性強等優(yōu)點，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。

　　絕對值編碼器由機械位置確定編碼，每個編碼唯一不重復(fù)，它不受停電、干擾的影響，無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數(shù)，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取，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優(yōu)點是由于測量范圍大，實際使用往往富余較多，這樣在安裝調(diào)試時不必費勁找零點，將在測量范圍內(nèi)的某一中間位置作為起始點就可以了，從而大大簡化了安裝調(diào)試難度。

　　編碼器信號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，信號遵循rs485的物理格式，連接線少，傳輸距離遠，對于編碼器的保護和可靠性就提高了。信號的接收設(shè)備只需一個接口，就可以讀多個編碼器信號，多個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)控制的各個領(lǐng)域。cpu模塊選用高性能、大內(nèi)存的bmx p34 2020，帶一個100m以太網(wǎng)、一個485串行口；輸入、輸出模塊可根據(jù)現(xiàn)場實際需求靈活配置。

　　4 軟件設(shè)計

　　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進行程序傳送。首先進行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4ms、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位、偶校驗；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

　　(1)程序結(jié)構(gòu)。程序采用模塊化設(shè)計，具有較高可讀性、可維護性其程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 程序結(jié)構(gòu)圖