水位測(cè)控裝置是水電廠的重要測(cè)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(cè)控裝置需滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。目前的水電廠水位測(cè)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(zhǎng)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(gòu)困難。因此開發(fā)基于通用硬件設(shè)備的水位測(cè)控裝置意義重大。

　　根據(jù)水電廠水位測(cè)控具體要求，我們自主設(shè)計(jì)了基于PLC的水位測(cè)控系統(tǒng)，具有高可靠性、配置靈活、安裝維護(hù)簡(jiǎn)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(cè)量井，配置浮子式水位測(cè)量裝置，采用絕對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)量裝置

　　該裝置安裝在測(cè)井口上方，當(dāng)液位變化時(shí)，浮子隨之上升或下降，測(cè)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(duì)值編碼器就輸出與液位對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)(見圖2)。裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理，可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠長(zhǎng)期用于液位測(cè)量。

圖2 浮子式水位測(cè)量裝置

　　3.2 編碼器

　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，編碼器選用現(xiàn)場(chǎng)總線型輸出的多圈絕對(duì)值編碼器。

　　絕對(duì)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(duì)值編碼器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測(cè)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(cè)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(jiǎn)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(jiǎn)單但不適合長(zhǎng)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(chǎng)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(duì)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(cè)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(chǎng)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(chǎng)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