CN114415544A - 一种水电厂机组进水口闸门plc安全逻辑控制仿真系统 - Google Patents

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金璐
龚钢军
雷强
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Abstract

本发明公开一种水电厂机组进水口闸门PLC安全逻辑控制仿真系统，包括，仿真设置及监控模块、PLC仿真模块、机组仿真模块；仿真设置及监控模块用于对水电厂进水口闸门的PLC仿真模块进行参数设置、控制及监视；PLC仿真模块用于机组进水口闸门逻辑仿真，仿真输入PLC开关量及PLC模拟量，根据输入PLC开关量及PLC模拟量，通过PLC控制逻辑及PLC逻辑运算进行不同工作行为的仿真，根据仿真结果，输出第二PLC开关量及第二PLC模拟量；所述机组仿真模块用于输入或者输出PLC仿真模块内的相关数据。通过上述技术方案，本发明能够为健全水电厂半实物仿真平台提供支撑基础。

Description

一种水电厂机组进水口闸门PLC安全逻辑控制仿真系统
技术领域
本发明涉及逻辑仿真技术领域，特别涉及一种水电厂机组进水口闸门PLC安全逻辑控制仿真系统。
背景技术
近年来，我国建成了一系列大、中型水电站。随着计算机技术的持续发展，工业化技术、信息化技术也在加速发展并加速深度融合，水电厂的生产过程、生产监视及生产控制等活动也不但的向智能化方向跨越，水电厂的生产活动在各方面受到的威胁也相应的在加大，不再只是遭受工业环境的影响，还会可能遭受来自网络方面的威胁和影响，而且后一种威胁和影响可能更大、更频繁。
由于水电厂对发电生产运行的连续性和可靠性等有很高的要求，所以水电厂(特别是大型水电厂)的生产活动不能随意被中断，造成水电厂在生产运行过程中即使是最为简单或相对安全的安全测试验证项目也不能进行，而对于部分针对水电厂急需安全检测验证的项目，即便是在相关系统和设备停运的状态下，也不能随意进行，因为不知道这些项目是否对水电厂设备和系统造成损害和隐患，从而影响水电厂设备和系统的安全稳定运行。这就形成了即使能确定水电厂相关设备和系统存在安全隐患的情况，但是却无人敢动。因而就需要寻找有效的方法来解决这一难题。搭建与之相同或相似的仿真平台就是其中的有效方法之一。
水电厂仿真平台除了可以有效完成水电厂设备和项目的安全检测和验证外，还可以模拟水电厂的全部生产运行过程，实现与实际水电站相同或相似的虚拟操作环境，并在该环境中完成水电站各种工况下的仿真运行测试和虚拟操作，以分析评估水电生产的安全和效率，辅助决策；仿真平台还可以对学员进行培训和进行各种正常工况或事故工况下的操作训练等。
水电厂机组进水口闸门PLC安全逻辑控制半实物仿真平台是水电厂半实物仿真平台的一个组成部分。现在的水电厂仿真平台主要是虚拟的仿真平台，对员工进行培训工作和对工控系统信息网络进行安全测试和验证有较好的效果，但对真实的工控系统和设备进行测试验证有较大难度。
发明内容
为解决上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种水电厂机组进水口闸门PLC安全逻辑控制仿真系统，能够为健全水电厂半实物仿真平台提供支撑基础。
为了实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：包括，仿真设置及监控模块、PLC仿真模块、机组仿真模块；
所述PLC仿真模块分别与所述仿真设置及监控模块、机组仿真模块连接；
所述仿真设置及监控模块用于对水电厂进水口闸门的PLC仿真模块进行参数设置、控制及监视；
所述PLC仿真模块用于机组进水口闸门逻辑仿真，仿真输入第一PLC开关量及第一PLC模拟量，根据第一PLC开关量、第一PLC模拟量，通过PLC控制逻辑进行闸门设备状态仿真，并通过PLC逻辑运算进行闸门系统故障状态仿真、闸门开度行程仿真，根据仿真结果，输出第二PLC开关量及第二PLC模拟量；
所述机组仿真模块用于输入或者输出PLC仿真模块内的相关数据，其中相关数据用于根据机组LCU仿真进行进水口闸门仿真。
优选的，所述第一PLC开关量包括仿真设置监控模块输入的DC24VI段电源消失、DC24VII段电源消失、电源监视、现地手动控制、远方自动控制、现地手动提门、现地手动停止、现地手动落门、故障复归、闸门故障、闸门电机故障、启闭机机械过负载、闸门全开、闸门全关、闸门90％自降提升、闸门充水开度、闸门充水后全开、蜗壳平压、现地快速闸门；机组仿真模块输入的远方开闸门、远方落闸门、远方停闸门、远方紧急落快速闸门。
优选的，所述第二PLC开关量包括对机组仿真模块进行输出的电源故障、PLC电源故障、闸门故障、远方自动控制、现地手动控制、电机运行、闸门全开、闸门全关，对实物设备进行输出的提闸门、落闸门、松抱闸、紧急落闸门，其中实物设备包括继电器。
优选的，所述第一PLC模拟量包括电源电压、闸门电动机电流、启闭机机械负载及闸门开度的输入模拟量。
优选的，所述第二PLC模拟量包括电源电压，闸门电动机电流、启闭机机械负荷及闸门开度的输出模拟量。
优选的，所述闸门PLC控制逻辑包括进水口闸门提升流程、进水口闸门关闭工作流程；
其中，所述进水口闸门提升包括接收提升闸门的工作指令，若进水口闸门提升条件满足，闸门提升至蜗壳充水开度，然后进行蜗壳平压，蜗壳平压后自动提升至闸门全开；
所述进水口闸门关闭工作流程包括接收关闭闸门工作指令，若进水口闸门落闸条件满足、下落至闸门全关。
优选的，所述闸门PLC控制逻辑还包括进水口闸门紧急落闸工作流程；其中所述进水口闸门紧急落闸工作流程包括接收紧急落闸指令，落进水口快速闸门，下落至闸门全关。
优选的，所述闸门PLC控制逻辑还包括进水口闸门自降提升工作流程；其中所述进水口闸门自降提升工作流程包括进水口工作闸门提升流程结束后，在无操作指令的情况下，闸门自降至90％开度以下，闸门启动自降提升程序至闸门全开。
优选的，所述闸门设备状态仿真包括通过PLC逻辑运算对交流电源的电源电压输出模拟量进行电源判断，若电源判断结果小于电源设定值，则输出交流电源故障信号，若电源判断结果大于电源设定值，则投入装置交流电源并监视交流电源的电源电压输出模拟量，进水口闸门仿真系统DC24VI段开关电源由装置交流电源提供，装置交流电源投入后投入DC24VI段开关电源并对DC24VI段开关电源进行监视；同时当电源判断结果大于电源设定值时装置直流电源投入，进水口闸门仿真系统DC24VII段开关电源由装置直流电源提供，装置直流电源投入后投入DC24VII段开关电源并对DC24VII段开关电源进行监视；DC24VI段开关电源和DC24VII段开关电源互为备用电源；若DC24VI段开关电源和DC24VII段开关电源都无电压时，则输出PLC电源故障。
所述闸门设备状态仿真还包括根据闸门运行状态，通过PLC逻辑运算对电机电流进行电流判断，若电流判断结果为大于电流设定值，则为电机故障，否则对电机电流继续监视；
所述闸门设备状态仿真还包括根据闸门运行状态，通过PLC逻辑运算对启闭机机械负荷进行判断，若负荷判断结果为大于负荷设定值，则为启闭机机械过负荷，否则对启闭机机械负荷继续监视。
优选的，所述闸门开度行程仿真包括当仿真PLC接收到提闸门开出指令时，PLC仿真启动逻辑加运算；当仿真PLC接收到落闸指令或启动快速闸门指令时，PLC仿真启动逻辑减运算；通过PLC逻辑运算对运算结果或是实物仿真结果进行输入选择，选取各闸门开度时的逻辑值，其中各闸门开度时的逻辑值为进水口闸门PLC逻辑控制时的数据，其中，闸门开度包括闸门全关，蜗壳平压开度，自降提升开度、闸门全开，闸门开度超限。
本发明具有如下技术效果：
本发明依照计算机网络、工控安全、虚拟化与半实物仿真等技术，搭建一种基于SCADA系统软件、真实PLC、PLC仿真输入/输出数据及仿真被控设备等的水电厂进水口闸门安全逻辑控制半实物仿真平台，为健全水电厂半实物仿真平台提供支撑基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的水电厂机组进水口闸门仿真系统结构图；
图2为本发明实施例提供的水电厂机组进水口闸门半实物仿真结构图；
图3为本发明实施例提供的机组进水口闸门仿真设置/控制界面图；
图4为本发明实施例提供的机组进水口闸门仿真监视界面图；
图5为本发明实施例提供的机组进水口闸门仿真PLC开关量输入图；
图6为本发明实施例提供的机组进水口闸门仿真PLC开关量输出图；
图7为本发明实施例提供的机组进水口闸门仿真PLC模拟量输入图；
图8为本发明实施例提供的机组进水口闸门仿真PLC模拟量输出图；
图9为本发明实施例提供的进水口闸门提升工作流程图；
图10为本发明实施例提供的进水口闸门关闭工作流程图；
图11为本发明实施例提供的进水口闸门紧急落闸工作流程图；
图12为本发明实施例提供的进水口闸门自降提升工作流程图；
图13为本发明实施例提供的机组进水口闸门设备及运行参数仿真图；
图14为本发明实施例提供的机组进水口闸门开度模拟仿真图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决在现有技术中存在的问题，本发明提供了如下方案：
如图1所示，本发明提供一种水电厂机组进水口闸门PLC安全逻辑控制仿真系统，包括：仿真设置及监控模块、PLC仿真模块、机组仿真模块；所述PLC仿真模块分别与所述仿真设置及监控模块、所述机组仿真模块连接；所述仿真设置监控模块用于对水电厂进水口闸门的PLC仿真模块进行参数设置、控制及监视；
所述PLC仿真模块用于仿真输入第一PLC开关量及第一PLC模拟量，根据输入PLC开关量、输入PLC模拟量，通过PLC控制逻辑进行闸门设备状态仿真，并通过PLC逻辑运算进行闸门系统故障状态仿真、闸门开度行程仿真，根据仿真结果，输出第二PLC开关量及第二PLC模拟量；
所述机组仿真模块用于输入或者输出PLC仿真模块内的相关数据即机组仿真模块I/O相关数据，机组仿真模块I/O相关数据用于根据机组LCU仿真的要求进行的进水口闸门仿真。此I/O仿真数据是机组LCU仿真逻辑单元要求的与进水口闸门相关的输入/输出数据。
优选的，所述第一PLC开关量包括仿真设置监控模块输入的DC24VI段电源消失、DC24VII段电源消失、电源监视、现地手动控制、远方自动控制、现地手动提门、现地手动停止、现地手动落门、故障复归、闸门故障、闸门电机故障、启闭机机械过负载、闸门全开、闸门全关、闸门90％自降提升、闸门充水开度、闸门充水后全开、蜗壳平压、现地快速闸门，机组仿真模块输入的远方开闸门、远方落闸门、远方停闸门、远方紧急落快速闸门。
优选的，所述第二PLC开关量包括对机组仿真模块进行输出的电源故障、PLC电源故障、闸门故障、远方自动控制、现地手动控制、电机运行、闸门全开、闸门全关，对实物设备进行输出的提闸门、落闸门、松抱闸、紧急落闸门，其中实物设备包括继电器。
优选的，所述第一PLC模拟量包括电源电压、闸门电动机电流、启闭机机械负载及闸门开度的输入模拟量。
优选的，所述第二PLC模拟量包括电源电压，闸门电动机电流、启闭机机械负荷及闸门开度的输出模拟量。
优选的，所述闸门PLC控制逻辑包括进水口闸门提升流程、进水口闸门关闭工作流程；
其中，所述进水口闸门提升包括接收提升闸门的工作指令(1、现地提闸门；2、远方开进水口闸门)，若进水口闸门提升条件满足，闸门提升至蜗壳充水开度，然后进行蜗壳平压，蜗壳平压后自动提升至闸门全开；所述进水口闸门关闭工作流程包括接收关闭闸门工作指令(1、现地落闸门；2、远方关进水口闸门)，若进水口闸门落闸条件满足、下落至闸门全关。
优选的，所述闸门PLC控制逻辑还包括进水口闸门紧急落闸工作流程；其中所述进水口闸门紧急落闸工作流程包括接收紧急落闸指令(远方紧急落进水口闸门)，落进水口快速闸门，下落至闸门全关。
优选的，所述闸门PLC控制逻辑还包括进水口闸门自降提升工作流程；其中所述进水口闸门自降提升工作流程包括进水口工作闸门提升流程结束后，在无操作指令的情况下，闸门自降至90％开度以下，闸门启动自降提升程序、闸门全开。
优选的，所述闸门设备状态仿真包括通过PLC逻辑运算对交流电源的输出模拟量进行电源判断，若电源判断结果小于电源设定值，则输出交流电源故障信号，若电源判断结果大于电源设定值，则投入装置交流电源并监视交流电源的值，投入仿真系统DC24VI段开关电源并进行监视。投入装置直流电源，投入仿真系统DC24VII段开关电源并进行监视。DC24VI段开关电源和DC24VII段开关电源互为备用电源。若DC24VI段开关电源和DC24VII段电源都无电压(开关电源判断逻辑值为“0”)时，则标识PLC电源故障；所述闸门设备状态仿真还包括根据闸门运行状态，通过PLC逻辑运算对电机电流进行电流判断，若电流判断结果为大于电流设定值，则为电机故障，否则对电机电流继续监视；所述闸门设备状态仿真还包括根据闸门运行状态，通过PLC逻辑运算对启闭机机械负荷进行判断，若负荷判断结果为大于负荷设定值，则为启闭机机械过负荷，否则对启闭机机械负荷继续监视。
优选的，所述闸门开度行程仿真包括接收提闸门指令，将提闸门指令做为启动“加”输入，当仿真PLC接收到提闸门开出指令(开出为“1”)时，PLC仿真启动逻辑“加”运算；当仿真PLC接收到落闸指令(开出为“1”)或接收到启动快速闸门(1、现地落快速闸门；2、远方紧急落进水口闸门)指令(开出为“1”)时，PLC仿真启动逻辑“减”运算。通过PLC逻辑运算对运算结果或是实物仿真结果进行输入选择，进而选取各闸门开度时的逻辑值(“0”或“1”)，用于进水口闸门PLC仿真逻辑控制时的数据，其中，闸门开度包括闸门全关，蜗壳平压开度，自降提升开度、闸门全开，闸门开度超限。
本发明在对上述系统进行构建中，提供水电厂机组进水口闸门PLC安全逻辑控制仿真方法依据工控系统网络化设计、虚拟化、半实物仿真等技术，搭建一种基于真实PLC的水电厂机组进水口闸门安全逻辑控制半实物仿真平台，其平台搭建方法与上述的系统内容相对应。
(1)选择一种典型的水电厂机组进水口闸门的真实案例，参照其层次结构，根据我们仿真的要求，构建合理的仿真结构模型，其仿真结构图见图2。
(2)应用SCADA系统软件模拟仿真机组进水口闸门的现场控制、监视场景。控制模拟仿真(在接入现场真实被控设备时)应达到与实际操作控制相同的效果，在仿真环境时，能真实模仿现实场景的控制行为。模拟仿真控制界面还应配备有在模拟仿真的情况下设置初始状态和参数的功能(如电源电压、控制方式等)，在接入实物时，则表现为设备的真实参数和状态。机组进水口闸门仿真设置/控制见图3。仿真监视按真实案例确定，无能是在真实环境还是在仿真环境，其监视功能都与实际监视环境功能相同。机组进水口闸门仿真监视见图4。
(3)水电厂机组进水口闸门仿真PLC的输入/输出在接有实物的环境下可以通过输入/输出模块实现。而在仿真的环境下，可以采用PLC自身的逻辑运算功能对水电厂进水口闸门的输入、输出数据进行模拟仿真。仿真PLC开关量输入见图5，仿真PLC开关量输出见图6，仿真PLC模拟量输入见图7，仿真PLC模拟量输出见图8。
(4)水电厂机组进水口闸门仿真PLC的闸门控制逻辑采用真实PLC实物仿真，工作控制流程参照典型的水电厂机组进水口闸门的真实案例。进水口闸门提升工作流程见图9，进水口闸门关闭工作流程见图10，进水口闸门紧急落闸工作流程见图11，进水口闸门自降提升工作流程见图12。
(5)水电厂机组进水口闸门仿真PLC的各种状态和数据可采用实物数据或虚拟仿真数据。虚拟仿真数据的仿真采用PLC自身的逻辑运算功能，对闸门系统故障状态、闸门行程开度、闸门各实控设备状态及闸门系统运行数据等进行模拟仿真。机组进水口闸门设备及参数仿真见图13，闸门行程开度模拟仿真见图14。实物数据与仿真数据的选择由控制界面预先设置。
水电厂机组进水口闸门PLC安全逻辑控制仿真平台可以根据实际要求修改逻辑流程和实控设备状态及运行数据模拟仿真设计，以达到最佳仿真效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种水电厂机组进水口闸门PLC安全逻辑控制仿真系统，其特征在于，包括：
仿真设置及监控模块、PLC仿真模块、机组仿真模块；
所述PLC仿真模块分别与所述仿真设置及监控模块、机组仿真模块连接；
所述仿真设置及监控模块用于对水电厂进水口闸门的PLC仿真模块进行参数设置、控制及监视；
所述PLC仿真模块用于机组进水口闸门逻辑仿真，仿真输入第一PLC开关量及第一PLC模拟量，根据第一PLC开关量、第一PLC模拟量，通过PLC控制逻辑进行闸门设备状态仿真，并通过PLC逻辑运算进行闸门系统故障状态仿真、闸门开度行程仿真，根据仿真结果，输出第二PLC开关量及第二PLC模拟量；
所述机组仿真模块用于输入或者输出PLC仿真模块内的相关数据，其中相关数据用于根据机组LCU仿真进行进水口闸门仿真。
2.根据权利要求1所述水电厂机组进水口闸门PLC安全逻辑控制仿真系统，其特征在于：
所述第一PLC开关量包括仿真设置监控模块输入的DC24VI段电源消失、DC24VII段电源消失、电源监视、现地手动控制、远方自动控制、现地手动提门、现地手动停止、现地手动落门、故障复归、闸门故障、闸门电机故障、启闭机机械过负载、闸门全开、闸门全关、闸门90％自降提升、闸门充水开度、闸门充水后全开、蜗壳平压、现地快速闸门；机组仿真模块输入的远方开闸门、远方落闸门、远方停闸门、远方紧急落快速闸门。
3.根据权利要求1所述水电厂机组进水口闸门PLC安全逻辑控制仿真系统，其特征在于：
所述第二PLC开关量包括对机组仿真模块进行输出的电源故障、PLC电源故障、闸门故障、远方自动控制、现地手动控制、电机运行、闸门全开、闸门全关，对实物设备进行输出的提闸门、落闸门、松抱闸、紧急落闸门，其中实物设备包括继电器。
4.根据权利要求1所述水电厂机组进水口闸门PLC安全逻辑控制仿真系统，其特征在于：
所述第一PLC模拟量包括电源电压、闸门电动机电流、启闭机机械负载及闸门开度的输入模拟量。
5.根据权利要求1所述水电厂机组进水口闸门PLC安全逻辑控制仿真系统，其特征在于：
所述第二PLC模拟量包括电源电压，闸门电动机电流、启闭机机械负荷及闸门开度的输出模拟量。
6.根据权利要求1所述水电厂机组进水口闸门PLC安全逻辑控制仿真系统，其特征在于：
所述闸门PLC控制逻辑包括进水口闸门提升流程、进水口闸门关闭工作流程；
其中，所述进水口闸门提升包括接收提升闸门的工作指令，若进水口闸门提升条件满足，闸门提升至蜗壳充水开度，然后进行蜗壳平压，蜗壳平压后自动提升至闸门全开；
所述进水口闸门关闭工作流程包括接收关闭闸门工作指令，若进水口闸门落闸条件满足、下落至闸门全关。
7.根据权利要求1所述水电厂机组进水口闸门PLC安全逻辑控制仿真系统，其特征在于：
所述闸门PLC控制逻辑还包括进水口闸门紧急落闸工作流程；其中所述进水口闸门紧急落闸工作流程包括接收紧急落闸指令，落进水口快速闸门，下落至闸门全关。
8.根据权利要求6所述水电厂机组进水口闸门PLC安全逻辑控制仿真系统，其特征在于：
所述闸门PLC控制逻辑还包括进水口闸门自降提升工作流程；其中所述进水口闸门自降提升工作流程包括进水口工作闸门提升流程结束后，在无操作指令的情况下，闸门自降至90％开度以下，闸门启动自降提升程序至闸门全开。
9.根据权利要求8所述水电厂机组进水口闸门PLC安全逻辑控制仿真系统，其特征在于：
所述闸门设备状态仿真包括通过PLC逻辑运算对交流电源的电源电压输出模拟量进行电源判断，若电源判断结果小于电源设定值，则输出交流电源故障信号，若电源判断结果大于电源设定值，则投入装置交流电源并监视交流电源的电源电压输出模拟量，进水口闸门仿真系统DC24VI段开关电源由装置交流电源提供，装置交流电源投入后投入DC24VI段开关电源并对DC24VI段开关电源进行监视；同时当电源判断结果大于电源设定值时装置直流电源投入，进水口闸门仿真系统DC24VII段开关电源由装置直流电源提供，装置直流电源投入后投入DC24VII段开关电源并对DC24VII段开关电源进行监视；DC24VI段开关电源和DC24VII段开关电源互为备用电源；若DC24VI段开关电源和DC24VII段开关电源都无电压时，则输出PLC电源故障；
所述闸门设备状态仿真还包括根据闸门运行状态，通过PLC逻辑运算对电机电流进行电流判断，若电流判断结果为大于电流设定值，则为电机故障，否则对电机电流继续监视；
所述闸门设备状态仿真还包括根据闸门运行状态，通过PLC逻辑运算对启闭机机械负荷进行判断，若负荷判断结果为大于负荷设定值，则为启闭机机械过负荷，否则对启闭机机械负荷继续监视。
10.根据权利要求8所述水电厂机组进水口闸门PLC安全逻辑控制仿真系统，其特征在于：
所述闸门开度行程仿真包括当仿真PLC接收到提闸门开出指令时，PLC仿真启动逻辑加运算；当仿真PLC接收到落闸指令或启动快速闸门指令时，PLC仿真启动逻辑减运算；通过PLC逻辑运算对运算结果或是实物仿真结果进行输入选择，选取各闸门开度时的逻辑值，其中各闸门开度时的逻辑值为进水口闸门PLC逻辑控制时的数据，其中，闸门开度包括闸门全关，蜗壳平压开度，自降提升开度、闸门全开，闸门开度超限。
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