船闸控制系统下位机电源可靠性提升

船闸控制系统下位机电源可靠性提升

黎余

重庆大唐国际武隆水电开发有限公司  重庆市武隆  408500

摘要：本文通过分析目前银盘水电站船闸控制系统下位机可靠性，结合现场实际出现的故障问题，提出较为可行的提升方案，有效提升了船闸控制系统下位机电源可靠性，从而保证银盘水电站船闸控制系统安全稳定运行。

关键词：UPS；PLC；可靠性

1概述

银盘船闸水利枢纽工程船闸控制系统由2台集控操作员站、1台工程师站、1台通讯工作站、1套工业电视和广播指挥设备、上闸首左现地子站、上闸首右现地子站、下闸首左现地子站、下闸首右现地子站组成，其主要控制对象是：上闸首左侧人字门和输水门，上闸首右侧人字门和输水门，下闸首左侧输水门，下闸首右侧一字门、锁定装置和输水门、工业电视和广播以及船闸交通指挥设备。银盘船闸上、下闸首控制系统的控制核心选用德国西门子公司的S7-400系列PLC，中央处理器采用CPU414,具有顺控、调节、过程输入/输出、数据处理和外部通信功能。上、下闸首的左、右两侧的CPU采用双机热备方式配置其性能完全能满足控制系统要求，具有较高的性价比。船闸控制系统下位机UPS采用的山特C2KS，内置6A充电器，蓄电池需外接，额定容量2kVA/1600W，市电与电池转换时间0ms，市电与旁路转换时间小于4ms，电池组电压72VDC（12VDC*6),外接蓄电池规格型号为SEHEY12V17Ah。2022年乌江流域通航船只将由2021年40艘左右逐步增加至80-100艘，银盘船闸航运量随之不断增大，对船闸控制系统设备稳定运行面临着极大的考验，保证船闸控制系统安全稳定运行能促进乌江航运事业安全稳定发展。

2存在的缺陷

对于船闸控制系统来讲，现地PLC运行的稳定性对船闸控制系统而言尤为重要，担任着通信与控制的重要角色。因为不管是现地各传感器信号或设备状态都需传输到上位机进行监视，还是上位机下令操作，现地PLC若出现异常情况，将无法对船闸进行操作，对通航会造成严重影响，为保证银盘水电站船闸通航稳定运行，研究提升船闸控制系统下位机电源可靠性极为重要。

通过查阅统计2021年船闸控制系统故障处理，曾多次出现现地PLC程序丢失、UPS主机报警、配置丢失等相关问题，分析总结得出导致上述问题皆为PLC掉电引起，通过试验验证PLC掉电原因为：（1）、下位机UPS蓄电池容量不足（低于额定容量50%）；（2）、PLC本体电池电量过低（单节电池低于2.5V）；（3）、PLC程序存储方式为RAM存储方式，当PLC掉电后，程序会丢失。

综上述问题，银盘水电站船闸控制系统下位机电源可靠性急需提高。

3提升方案

结合现阶段出现问题和现场实际情况，在保证原有设备的情况下，主要对以下三个方面进行提升：

1. 针对下位机UPS蓄电池进行选型更换，保证UPS安全稳定运行；
2. 进行下位机PLC电池更换，保证在外部完全失电的情况下，PLC能够短时正常工作；
3. 改变PLC程序存储方式，保证在完全失电的情况下，PLC程序不存在丢失情况。

下面就介绍银盘船闸控制系统下位机电源可靠性提升具体方案。

3.1下位机UPS蓄电池更换

银盘船闸控制系统下位机UPS使用的是山特C2KS，其性能满足设备使用要求，通过试验验证UPS主机能够正常使用，在节约成本的情况下，针对UPS蓄电池进行选型更换。原UPS蓄电池使用的是SEHEY12V17Ah，通过查询现阶段理士、圣阳松下等蓄电池技术特性，结合现场实际情况，选取理士阀控式铅酸蓄电池，规格型号为DJW12-20（12V20Ah）,其外形尺寸、充放电时间参数、使用寿命等均满足现场生产需要。更换完成后，对下位机UPS主机进行测试，无报警信号，各部运行正常，蓄电池充放电数据均合格。

3.2下位机PLC电池更换

船闸控制系统使用的是德国西门子公司的S7-400系列PLC，该PLC使用的后备电池是专用的，型号为6ES7971-1AA00-0AA0。对于S7-300/400CPU来讲，后备电池主要有以下作用：（1）、备份并保存用户程序。当外部电源切断后，系统中所设置的参数，系统时钟和RAM卡中数据可以通过后备总线得以保存，当然保存的时间必须在后备电池可以提供的最长时间之内；（2）、用于保持性存储器的位存储器、计数器、定时器、系统数据以及变量数据块中的数据；（3）、提供在电源上电后的CPU重启功能。后备电池采用锂电池，为长时间存储（可存放十年）使用了钝化膜技术，当长时间不使用时会出现钝化膜，当更换后备电池时可采取以下方法去除钝化膜：（1）、在电池盒中放入备用电池或电池组；（2）、用故障信息复位按钮“FMR”按复位电源单元的所有电池故障信息；（3）、如果不能复位电池故障，等几分钟再试；（4）、如果还是不能复位电池故障，拔出电池并将他们短路1-3秒（最多3秒）；（5）、重新插入电池，并用FMR按钮再次尝试确认。电池更换完成后，结合实际情况，制定后备电池更换计划，最大后备时间取决于后备电池的容量和机架上所需的后备电流，后备电流是指电源切断后，系统所需的后备电流的总和，因为后备电池在电源模块通电的情况下会被去钝，达不到100%利用率，在实际工作中，选择容量的63%作为典型计算值计算后备时间，结合现场实际情况，确认每隔150天进行后备电池更换。

3.3改变PLC程序存储方式

查询目前下位机PLC存储方式为RAM存储，当出现断电时程序会出现丢失，在正常运行中会影响船闸控制系统的稳定运行，结合现场实际，新增Flash EPROM存储卡（FEPROM卡），即使完全失电也不会导致PLC程序丢失，参照PLC程序大小和型号，选取型号为6ES7 952-1KLOO-OAAO(2MB)，当使用FEPROM存储卡时，用户程序存储在FEPROM卡中，如果出现电源故障，即使没有后备电池，FEPROM卡里的程序也不会丢失，当PLC再次上电时，会自动从FEPROM卡中拷贝用户程序到CPU的工作存储器中。改变程序存储方式，当使用“Download”命令下载程序时只是把程序下载到CPU内置RAM区，并没有下载到FEPROM卡里，需要使用STEP7中的“PLC>Download User Program to Memory Card”指令才能将程序下到FEPROM卡里，从而实现程序备份，使用此命令下载的程序只会占用FEPROM卡中使用空间并不会占用RAM空间，且程序只能整体写入，不能单个或部分程序块写入。

综上可知，经过上述3方面对船闸控制系统进行提升，即使在外部、内部完全失电的情况下，也可保证PLC程序不会丢失，只要恢复供电，PLC便可正常运行，能够保证船闸控制系统在异常情况或检修后，能够快速投入使用，使船闸控制系统下位机电源可靠性得到大大提升。

4结语

经过模拟试验和实际的运行检验，经过此项提升，船闸控制系统未出现现地PLC程序丢失、UPS主机报警、配置丢失等相关问题，即使完全失电的情况下，PLC程序也不会丢失，在日常维护和检修工作中减少人员维护成本，大大提高了船闸控制系统下位机电源可靠性，更好的保障船闸控制系统的安全稳定运行。船闸下位机电源可靠性对整个船闸控制系统极其重要，船闸下位机UPS、PLC后备电池等的可靠运行是保证现地PLC安全稳定运行的先提条件，此次提升方案的顺利实施对银盘水电站船闸控制系统安全稳定起了关键性作用，为通航安全提供可靠的安全保障，让银盘水电站会更好的履行社会责任，为促进乌江航运事业安全稳定发展贡献一份力。

参考文献：

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