褒河水庫(kù)閘門(mén)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王剛

1 引言

褒河水庫(kù)閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)包括十三扇閘門(mén)啟閉機(jī)，分為三種類(lèi)型：固定式卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)、液壓?jiǎn)㈤]機(jī)和螺桿啟閉機(jī)。閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要通過(guò)啟閉控制褒河水庫(kù)的八處十三閘門(mén)，與水情調(diào)度系統(tǒng)交換信息，對(duì)閘門(mén)的工作狀態(tài)及各參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視[1～3]?，F(xiàn)地控制、集中監(jiān)控控制都通過(guò)控制柜面板上的旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，其中，控制優(yōu)先級(jí)中的遠(yuǎn)方操作低于現(xiàn)地操作。

安裝于各閘門(mén)閘室內(nèi)的現(xiàn)地控制單元實(shí)時(shí)采集各閘門(mén)的開(kāi)度、運(yùn)行方式、運(yùn)行狀態(tài)和閘前水位等數(shù)據(jù)，一方面向集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)接收來(lái)自集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制命令，以完成閘門(mén)升、降、停等控制及參數(shù)采集；另一方面直接操作現(xiàn)地控制單元，完成對(duì)閘門(mén)升、降、停等控制及閘門(mén)參數(shù)采集[4,5]。

2 閘門(mén)控制系統(tǒng)組網(wǎng)方案

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)考慮工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)，以對(duì)庫(kù)區(qū)及閘門(mén)運(yùn)行過(guò)程等重要工位實(shí)行監(jiān)視管理。通過(guò)了解褒河水庫(kù)閘門(mén)分布情況、各閘室與中心站相對(duì)位置，系統(tǒng)組網(wǎng)方式采用星型結(jié)構(gòu)。在中心站，利用圖形矩陣主機(jī)光接收設(shè)備接受視頻信號(hào)，并傳輸?shù)綀D像監(jiān)視器上，通過(guò)遙視監(jiān)督，在控制計(jì)算機(jī)上接收控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)功能[6]?？紤]到閘室和中心站距離較遠(yuǎn)、水庫(kù)庫(kù)區(qū)屬雷電多發(fā)區(qū)、視頻信號(hào)清晰可靠等因素，選用光纜作為本系統(tǒng)的通信介質(zhì)。

圖 1為控制系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。采用西門(mén)子的S7-200PLC作為現(xiàn)地控制單元PLC，其中， SIMATIC S7-200 系列作為小型可編程序控制器，具有極強(qiáng)通信功能，可應(yīng)用于大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中。它的編程包括梯形圖、功能塊圖、語(yǔ)句表3種，并有可靠性好、指令豐富、易于掌握、方便操作等特點(diǎn)。內(nèi)置模塊包括高速計(jì)數(shù)器、高速輸出、PID控制器、RS-485通信、編程接口、PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由通信方式等。I/O端子排易于拆卸，點(diǎn)數(shù)字量I/O最大可擴(kuò)展到248，模擬量I/O為35路, 程序和、據(jù)存儲(chǔ)空間最多有26kB[7,8]。

圖1 閘門(mén)控制系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

西門(mén)子S7－200 PLC與上位PC機(jī)建立通訊，是通過(guò)直接連接 PC/PPI電纜方式完成。S7－200 PLC與MCGS通訊需開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，以解決PPI協(xié)議（西門(mén)子公司未公開(kāi)）這一問(wèn)題。利用可編程自由口通信模式，在PLC上通過(guò)編程轉(zhuǎn)換為類(lèi)似Mod bus的協(xié)議，建立S7－200 PLC與MCGS之間的通訊。自由端口模式用戶(hù)定義的通信協(xié)議可實(shí)現(xiàn)連接多種智能設(shè)備的功能。自由端口通信與否取決于 CPU所處的狀態(tài)，其中，CPU處于STOP模式將停止自由端口通信，但是通信口將被強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成其它協(xié)議模式，以保證可編程控制器的編程和控制的功能可實(shí)現(xiàn)。CPU處于RUN模式時(shí)自由端口模式使能，通過(guò)置1SMB30或SMB130的協(xié)議位，則通信端口為自由端口模式。

用SM0.7來(lái)控制自由端口模式，設(shè)置SM0.7為1時(shí)方式開(kāi)關(guān)為RUN，可以選擇自由端口模式；SM0.7設(shè)置0時(shí)方式開(kāi)關(guān)為T(mén)ERM，此時(shí)應(yīng)選PC/PPI協(xié)議模式。自由端口模式下，通常采用主從方式以避免通信中爭(zhēng)用通信線(xiàn)的問(wèn)題，主機(jī)為計(jì)算機(jī)，從機(jī)為可編程控制器?？衫?MCGS組態(tài)軟件提供的開(kāi)發(fā)包作為上位機(jī)，通過(guò)定義設(shè)備的類(lèi)型、類(lèi)別、I/O基地址、I/O地址個(gè)數(shù)和通道個(gè)數(shù)五個(gè)屬性，可以完成S7-200 PLC和MCGS之間通信設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。

3 閘門(mén)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方案

閘門(mén)控制方式包括現(xiàn)地手動(dòng)控制和遠(yuǎn)方自動(dòng)控制兩種。過(guò)轉(zhuǎn)矩和熱繼電器保護(hù)，全開(kāi)、全關(guān)和電源失壓報(bào)警貫穿閘門(mén)啟門(mén)、閉門(mén)和停止的過(guò)程。當(dāng)故障發(fā)生后將會(huì)發(fā)出故障復(fù)位信號(hào)，以便重新控制閘門(mén)。

3.1 閘門(mén)繼電器控制電路

圖2為閘門(mén)繼電器控制的原理圖。閘門(mén)具有以下三方面的控制要求：1).可選用遠(yuǎn)方自動(dòng)控制或現(xiàn)地手動(dòng)控制；2).一旦控制過(guò)程發(fā)生故障，系統(tǒng)必須立即停止工作；3).排除故障之后，若要重新控制閘門(mén)，則必須按故障恢復(fù)按鈕。

圖2 閘門(mén)繼電器控制原理圖

3.2 MCGS的組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

使用 MCGS完成一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)，必須在MCGS的組態(tài)環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)生成工作，然后將系統(tǒng)放在MCGS的運(yùn)行環(huán)境下運(yùn)行。圖3為新工程的一般組態(tài)過(guò)程，水庫(kù)閘門(mén)控制系統(tǒng)主要完成和現(xiàn)場(chǎng)PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門(mén)的監(jiān)視和控制。

系統(tǒng)具體組態(tài)包括六個(gè)方面：實(shí)時(shí)顯示閘門(mén)高度、動(dòng)態(tài)顯示水位高度、控制閘門(mén)的啟、閉、停功能、閘門(mén)控制系統(tǒng)警報(bào)顯示及報(bào)表輸出、顯示閘門(mén)控制系統(tǒng)輸出曲線(xiàn)、普通用戶(hù)的權(quán)限管理。

圖3 MCGS一般組態(tài)過(guò)程圖

3.3 界面組態(tài)及對(duì)象連接

用戶(hù)若在系統(tǒng)界面窗口中建立相應(yīng)的動(dòng)畫(huà)連接，主要是通過(guò)設(shè)置圖形對(duì)象的組態(tài)，來(lái)獲得反映工業(yè)控制過(guò)程的實(shí)時(shí)畫(huà)面。水庫(kù)閘門(mén)控制系統(tǒng)主控窗口分為狀態(tài)選擇窗口、地點(diǎn)選擇窗口兩個(gè)界面。

圖4為系統(tǒng)地點(diǎn)選擇窗口圖，控制地點(diǎn)選擇窗口實(shí)現(xiàn)對(duì)控制地點(diǎn)的選擇監(jiān)控，系統(tǒng)共分三個(gè)地點(diǎn)，退出時(shí)各個(gè)地點(diǎn)的主控窗口可以選擇返回到控制地點(diǎn)選擇窗口界面。

圖4 地點(diǎn)控制選擇窗口圖

圖5為系統(tǒng)狀態(tài)選擇窗口界面圖，狀態(tài)選擇窗口包括以下四個(gè)方面的功能：閘門(mén)狀態(tài)顯示用以動(dòng)態(tài)顯示閘門(mén)與實(shí)時(shí)顯示高度；基本控制功能包括閘門(mén)的啟門(mén)、閉門(mén)、停止，故障復(fù)位控制，還有高度設(shè)定和當(dāng)前高度顯示等；基本數(shù)據(jù)處理的故障報(bào)警顯示、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)報(bào)表、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、歷史報(bào)表、歷史曲線(xiàn)等等功能；安全管理功能及菜單功能等。

圖5 退水監(jiān)控畫(huà)面圖

3.4 對(duì)象連接方案及系統(tǒng)控制策略

閘門(mén)的狀態(tài)顯示主要由閘門(mén)動(dòng)畫(huà)構(gòu)件和百分比構(gòu)件兩個(gè)部分構(gòu)成。在構(gòu)件庫(kù)中可添加百分比構(gòu)件，同時(shí)自己制作動(dòng)畫(huà)構(gòu)件完成閘門(mén)動(dòng)畫(huà)構(gòu)件并保存于構(gòu)件庫(kù)中。生成閘門(mén)動(dòng)畫(huà)構(gòu)件包括三個(gè)步驟：①調(diào)用MCGS中的圖元和圖符，搭建起具體的閘門(mén)模型；②設(shè)置圖元、圖符的屬性，可以在對(duì)話(huà)框中顯示按鈕動(dòng)作方式、動(dòng)畫(huà)運(yùn)動(dòng)方式等；③利用 MCGS中的組合圖符命令最終生成需要的閘門(mén)動(dòng)畫(huà)構(gòu)件。閘門(mén)遠(yuǎn)程啟、閉、停和故障復(fù)位控制通過(guò)控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程操作按鈕功能則通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行操作，下位機(jī)的PLC控制方式?jīng)Q定相應(yīng)的操作數(shù)據(jù)，其中按1為設(shè)，按0為松。調(diào)用相應(yīng)的用戶(hù)策略實(shí)現(xiàn)上升、下降作用，因此，在屬性設(shè)置時(shí)按鈕功能需要設(shè)定為執(zhí)行運(yùn)行策略塊，并且，在下拉菜單中選擇對(duì)應(yīng)策略。閘門(mén)控制系統(tǒng)應(yīng)用包括以下三個(gè)方面：⑴.需要觀察、分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并最終對(duì)數(shù)據(jù)描繪出變化曲線(xiàn)、總結(jié)規(guī)律，實(shí)時(shí)記錄、顯示故障產(chǎn)生的時(shí)間、地點(diǎn)以及消除時(shí)間等；⑵.水庫(kù)閘門(mén)控制系統(tǒng)在工程應(yīng)用中要對(duì)來(lái)自設(shè)備中的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存盤(pán)、統(tǒng)計(jì)、分析，并最終打印出數(shù)據(jù)報(bào)表，將數(shù)據(jù)報(bào)表作為閘門(mén)控制系統(tǒng)的最終輸出；⑶.利用閘門(mén)數(shù)據(jù)瀏覽策略完成數(shù)據(jù)存盤(pán)功能，通過(guò)在閘門(mén)數(shù)據(jù)瀏覽策略窗口中添加策略行，并且在策略工具箱中添加存盤(pán)數(shù)據(jù)瀏覽策略來(lái)完成存盤(pán)功能。

4 結(jié)論

⑴、將本系統(tǒng)應(yīng)用于褒河水庫(kù)，通過(guò)實(shí)際調(diào)試和運(yùn)行測(cè)試，系統(tǒng)可以正常、穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程表現(xiàn)出才好的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

⑵、閘門(mén)控制系統(tǒng)在操作方面具有快速性、便捷性，保證向上級(jí)部門(mén)提供正確決策；同時(shí)，閘門(mén)控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和科學(xué)性，體現(xiàn)了水庫(kù)較高的現(xiàn)代化管理水平、較良好的工作效率。

⑶、閘門(mén)控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用為全國(guó)建設(shè)水利信息化系統(tǒng)打下了牢固的基礎(chǔ)，可以發(fā)揮較好的社會(huì)效益。

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