南昌昌北閘門(mén)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉建雄，劉萍先，李志彪

南昌昌北閘門(mén)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉建雄，劉萍先，李志彪

（南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，南昌 330099）

南昌市昌北閘門(mén)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)南昌市整個(gè)昌北地區(qū)的防洪排澇任務(wù)，以其中的前湖電排站為例，詳細(xì)介紹了基于工業(yè)以太網(wǎng)的閘門(mén)群組控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)控制所用的PLC選型依據(jù)，結(jié)合程序流程圖給出了現(xiàn)場(chǎng)控制程序的編制原則和部分程序?qū)嵗?，介紹了基于工業(yè)以太網(wǎng)的WinCC組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)方法，給出了部分控制界面。根據(jù)“數(shù)字昌北”的擴(kuò)展性要求，系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上具有良好的延展性，采取軟硬件結(jié)合的方式保證其響應(yīng)速度，投入運(yùn)行以來(lái)工作穩(wěn)定可靠，降低了人工操作的危險(xiǎn)性和不準(zhǔn)確性，減輕了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)，得到了用戶的高度肯定。

閘門(mén)群組控制；PLC；WinCC；以太網(wǎng)

1 研究背景

南昌市紅谷灘新區(qū)匯集了眾多政府部門(mén)和高校，包括機(jī)場(chǎng)公路、高速公路、國(guó)道和多條市區(qū)主干道穿過(guò)。隨著常住人口的急劇增加，該片區(qū)的防洪排澇壓力也在同步增長(zhǎng)，原有控制系統(tǒng)難以滿足當(dāng)前的要求，為此南昌市昌北防洪排澇管理處專門(mén)前往水利部太湖流域管理局、珠江水利委員會(huì)等處調(diào)研，在參考當(dāng)前國(guó)內(nèi)眾多先進(jìn)可靠技術(shù)和工程實(shí)例的基礎(chǔ)上［1－3］，確定了系統(tǒng)改造的總體方案：以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)、工業(yè)計(jì)算機(jī)為監(jiān)控設(shè)備、可編程控制器為現(xiàn)場(chǎng)控制單元的分層的網(wǎng)絡(luò)化集中控制系統(tǒng)。

本文主要分成以下3個(gè)部分：首先介紹了工業(yè)以太網(wǎng)的拓樸結(jié)構(gòu)、硬件構(gòu)成及設(shè)置細(xì)節(jié)；然后以南昌市昌北管理處所轄電排站之一的前湖電排站為例，詳細(xì)介紹了現(xiàn)場(chǎng)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；最后介紹了基于WinCC組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程。通過(guò)以上3個(gè)方面的闡述，系統(tǒng)全面地給出了整套系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法和過(guò)程，希望對(duì)同行能起到拋磚引玉的作用。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及以太網(wǎng)設(shè)計(jì)

前湖電排站是管理處較大的一個(gè)站，管理著4個(gè)閘門(mén)群組：進(jìn)水閘、截制閘、防洪閘和前湖大壩閘。其中較遠(yuǎn)的前湖大壩距控制中心約12 000 m，前期的閘門(mén)控制系統(tǒng)由不同的單位設(shè)計(jì)，控制設(shè)備與智能檢測(cè)設(shè)備種類多，設(shè)備間協(xié)議不統(tǒng)一，設(shè)備兼容性差、運(yùn)行不穩(wěn)定，使得系統(tǒng)維護(hù)很困難。由于以前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)落后，不但有較大的操作延時(shí)，而且在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)PLC與上位機(jī)通信中斷的現(xiàn)象，對(duì)安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。

在綜合國(guó)內(nèi)外主流控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的前提下［4－9］，提出了以下設(shè)計(jì)方案：將整套控制系統(tǒng)按被控制對(duì)象層、PLC控制器層、網(wǎng)絡(luò)通訊層、組態(tài)監(jiān)控層4層架構(gòu)設(shè)計(jì)，分別定義各層的功能和相互之間的硬件及邏輯接口。其中工業(yè)以太網(wǎng)作為紐帶，在邏輯上將各層聯(lián)系在一起，要求有符合實(shí)時(shí)響應(yīng)的通信速率和對(duì)工頻干擾、雷擊瞬間高壓干擾的有效抵制；PLC控制層完成對(duì)被控對(duì)象的控制功能，支持現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程控制方式的切換，程序設(shè)計(jì)按模塊化方法進(jìn)行，要求結(jié)構(gòu)清晰且能接收上位機(jī)的指令，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)上傳給組態(tài)軟件；組態(tài)監(jiān)控軟件作為人機(jī)操作界面，要求畫(huà)面直觀友好，操作簡(jiǎn)單并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸檔和報(bào)表生成?；谝陨系娜蝿?wù)分解，設(shè)計(jì)了圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

由圖1可知，整個(gè)系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)為支撐，底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)交換機(jī)與分站點(diǎn)的主機(jī)相連，各分站點(diǎn)再通過(guò)有線或無(wú)線的路由器與分信息中心相連，分信息中心負(fù)責(zé)將各站點(diǎn)的信息傳往主信息中心。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)不但技術(shù)成熟，可靠性高，速度快，而且擴(kuò)展性好，只要確保后續(xù)的站點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)所用的IP地址與上位機(jī)所在的網(wǎng)段一致且不與已有設(shè)備的IP地址沖突，理論上在一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)增添253臺(tái)設(shè)備；光端機(jī)包括光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)，對(duì)于視頻信號(hào)，它的傳送是單向的，僅按前端設(shè)備——交換機(jī)——光發(fā)射機(jī)——光接收機(jī)的方向傳輸，又稱正向傳輸；而對(duì)攝像機(jī)云臺(tái)的控制，上位機(jī)與PLC之間的通信是雙向的，一對(duì)光端機(jī)可以實(shí)現(xiàn)8路正向視頻信號(hào)和2路高速異步數(shù)據(jù)信號(hào)，由于采用工業(yè)級(jí)SMT工藝，不但傳輸速率快，而且可達(dá)到演播級(jí)傳輸質(zhì)量，線路上亦不再受到外部電波干擾的影響。

圖1 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the control system

組網(wǎng)中各電排站與分信息中心之間的路由器還采用了VPN技術(shù)構(gòu)建通信隧道，即通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的IPSec VPN構(gòu)建私有專網(wǎng)，不但可以保證通信速度，而且可以提高通信的安全，工程中選用H3C ER3100企業(yè)級(jí)VPN寬帶路由器建立電排站與分信息中心之間的透明傳輸。各電排站內(nèi)一般采用有線網(wǎng)絡(luò)連接方式，如前湖站內(nèi)根據(jù)進(jìn)水閘、節(jié)制閘、防洪閘等與分控制中心距離的不同，分別采用網(wǎng)線、光纖及光端機(jī)的硬件接線方式，其中網(wǎng)線采用交叉接法而不用平行線，以提高數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)能力。光端機(jī)采用HTB－1100S高速轉(zhuǎn)換器，連接上位機(jī)與分支設(shè)備的中心交換機(jī)采用深圳Tenda公司的具有平行／交叉線自動(dòng)識(shí)別、MAC地址自動(dòng)學(xué)習(xí)的百兆級(jí)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)S108，計(jì)算機(jī)中也采用百兆級(jí)網(wǎng)卡，如此配置后整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通訊速率主要受限于PLC。

西門(mén)子S7－300系列PLC可以擴(kuò)展速率達(dá)10／100 Mbps的工業(yè)以太網(wǎng)模塊CP343－1，它支持TCP／IP協(xié)議，并通過(guò)背板總路線與PLC主機(jī)進(jìn)行高速通信，故經(jīng)過(guò)比較，決定采用西門(mén)子S7－300系列PLC和成套的WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)的構(gòu)建［10］。具體的PLC機(jī)型包括CPU314IFM，CPU315和CPU313C，通過(guò)對(duì)以太網(wǎng)模塊MAC地址和IP地址的設(shè)置，就可將對(duì)應(yīng)的PLC接入控制網(wǎng)絡(luò)。

3 現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)，它必須完成控制方式的切換、閘門(mén)的上升、下降與和停止、閘位的計(jì)算和故障判斷、與上位機(jī)的通訊等功能，出現(xiàn)軟硬件異常時(shí)能夠立即停機(jī)報(bào)警［11－12］。結(jié)合進(jìn)水口6扇閘門(mén)的控制進(jìn)行如下說(shuō)明。

3.1 PLC的硬件設(shè)計(jì)

對(duì)PLC而言，每扇閘門(mén)的輸入開(kāi)關(guān)量包括上升、下降、停止?fàn)顟B(tài)、緊急停機(jī)、切換開(kāi)關(guān)的手動(dòng)及自動(dòng)、過(guò)流保護(hù)、上下限位共計(jì)8點(diǎn)；輸出開(kāi)關(guān)量包括上升、下降、停止命令共計(jì)3點(diǎn)；模擬量為閘位計(jì)開(kāi)度儀的4－20 mA直流輸出，選用了昆侖公司的拉繩式位移傳感器，它將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成可計(jì)量的、成線性比例的電信號(hào)，其量程為10 m，線性精度最大0.01%，分辨率達(dá)1 mm，能夠在戶外直接使用。表1是進(jìn)水口所需開(kāi)關(guān)量和模擬量的匯總。

表1 開(kāi)關(guān)量及模擬量表Table 1 Input／output and analog variables

綜合表1所示需求，在此選用西門(mén)子S314 IFM型高速CPU。它的性能指標(biāo)為32 KB工作內(nèi)存、0.3 ms／1 000條指令、20路DI和16路DO并集成有4路AI。訂貨號(hào)為6ES7314－5AE03－0AB0。在此基礎(chǔ)上再擴(kuò)展2塊16路的DI模塊6ES7 321－1BH01－0AA0，1塊8路12位的AD采樣模塊6ES7 331－7KF02－0AB0以及1塊CP343－1工業(yè)以太網(wǎng)模塊6GK7 343－1EX00－OXE0。將各模塊插入到專用的背板后再通過(guò)SIMATIC軟件進(jìn)行硬件組態(tài)就可使用。

3.2 PLC的軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，首先需要確定資源分配，除PLC的內(nèi)存資源外，最主要的是輸入／輸出量及模擬量的分配，只有確定了對(duì)應(yīng)關(guān)系后才能將外部設(shè)備與控制器進(jìn)行連接。表2是PLC的部分資源分配表。

表2 部分PLC資源分配表Table 2 A llocation of PLC resources

其次是進(jìn)行程序的總體規(guī)劃，應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。因?yàn)镻LC是采用循環(huán)掃描方式進(jìn)行工作的，所以在主控程序OB1中按需要調(diào)用所需的功能子程序，此方式不但可以加快控制速度，而且可以方便程序的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。圖2、圖3給出了基于模塊化設(shè)計(jì)方法的OB1流程圖和進(jìn)行閘門(mén)運(yùn)行狀態(tài)故障檢測(cè)的FC7的流程圖。

最后將功能模塊封裝為FC塊或FB塊。圖4為FC4編程的自動(dòng)范圍檢測(cè)框圖。當(dāng)控制方式為預(yù)設(shè)啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)地將當(dāng)前閘門(mén)的實(shí)際位置與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，到達(dá)設(shè)定位置時(shí)自動(dòng)停止，在調(diào)用之前只需將各閘門(mén)對(duì)應(yīng)的上限位開(kāi)度、下限位開(kāi)度及當(dāng)前閘位值對(duì)應(yīng)的單元輸入即可完成各閘門(mén)的自動(dòng)判斷。

圖2 OB1主控流程圖Fig.2 Procedures of OB1 master control program

4 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

WinCC是由西門(mén)子公司與微軟公司共同開(kāi)發(fā)的基于Windows操作系統(tǒng)的HMI系統(tǒng)，可與屬于SIMATIC產(chǎn)品家族的自動(dòng)化系統(tǒng)十分協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作，其主要特點(diǎn)為：

（1）通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口，WinCC可與其它IT解決方案交換數(shù)據(jù)，例如MES和ERP應(yīng)用程序，或諸如Microsoft Excel以及SQL Server等程序。

（2）開(kāi)放的WinCC編程接口允許用戶連接自己的程序，從而能夠控制過(guò)程和過(guò)程數(shù)據(jù)。

（3）可以優(yōu)化定制WinCC，以滿足過(guò)程的需要。支持大范圍的組態(tài)可能性，從單用戶系統(tǒng)和客戶機(jī)－服務(wù)器系統(tǒng)一直到具有多臺(tái)服務(wù)器的冗余分布式系統(tǒng)。且組態(tài)方式在完成后也可隨時(shí)修改。

圖3 FC7閘門(mén)1故障處理流程圖Fig.3 Flow chart of fault treatment for FC7 gate 1＃

圖4 基于FC4編程的自動(dòng)范圍檢測(cè)框圖Fig.4 Automatic range checking based on FC4 programm ing

（4）WinCC是一種與Internet兼容的HMI系統(tǒng)，這種系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)基于Web的客戶機(jī)解決方案以及瘦客戶機(jī)解決方案。

為使用WinCC，首先安裝TCP／IP協(xié)議集，并在此協(xié)議下建立與各站點(diǎn)CP343的連接，成功之后再根據(jù)相應(yīng)站點(diǎn)中PLC資源分配情況定義所用的全部變量，然后進(jìn)行畫(huà)面設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖5。主要包括：導(dǎo)航畫(huà)面、各閘門(mén)群組的顯示界面和操作界面、報(bào)表和打印界面。為了系統(tǒng)的安全起見(jiàn)，還要對(duì)用戶進(jìn)行管理，主要包括：用戶名和對(duì)應(yīng)的登錄密碼。為此還要有用戶管理界面，為使WinCC在使用中更加人性化，借助VBScript-Editor，C-Editor對(duì)于報(bào)警畫(huà)面、警示畫(huà)面進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)用和顯示，并和SQLSevere2005進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的功能和人機(jī)交互的友好性。

圖5 操作畫(huà)面設(shè)計(jì)Fig.5 Screenshots of the configuration of PLC，data query，and sluice gate operation

5 結(jié) 論

利用光纖作為傳輸介質(zhì)構(gòu)建了高速工業(yè)以太網(wǎng)，基于西門(mén)子公司的S7－300 CPU 314IFM PLC、擴(kuò)展模塊和WinCC組態(tài)軟件，完成了南昌市昌北前湖電排站的集中控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用“自頂向下”的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行規(guī)劃，具有擴(kuò)展性好、響應(yīng)速度快、調(diào)試及檢修方便等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)投入運(yùn)行以來(lái)工作穩(wěn)定可靠，不但減少了運(yùn)行和維護(hù)的工作量，而且顯著減輕了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了人工誤操作的可能性，得到了用戶的肯定。

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（編輯：姜小蘭）

Design of Control System for Sluice Gates in Changbei，Nanchang

YE Jian-xiong，LIU Ping-xian，LIZhi-biao
（Department of Mechanical＆Electrical Engineering，Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330099，China）

The control system of sluice gates in Changbei ismainly responsible for the flood control and drainage in the Changbeidistrictof Nanchang city.Taking the Qianhu Electric Drainage Station as a case study，we present the structure of the control system which is based on industrial Ethernet and is in linewith the criteria for choosing PLC（Programmable Logic Controller）.The principle of local control program and some of the program examples are also stated according to the programming flowchart.What’smore，we introduce the design method of the industrial-Ethernet-based WinCC configuration software，and give examples of the control interfaces.In linewith the requirements for developing“Digital Changbei”，the system iswell extensible.The combination of software and hardware ensures the response speed of the system.Since its operation，the system has been working reliably.Italso reduces the perils and inaccuracy of human operation and lessens human labor.This system accomplishes its goals and wins high reputation among clients.

sluice gates control；PLC；WinCC；Ethernet

TP183

A

1001－5485（2012）12－0109－04

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.022 2012，29（12）：109－112，118

2012－08－16

江西省教育廳科技項(xiàng)目（GJJ12627）；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2010GZC0144）；中國(guó)博士后科學(xué)基金（20080441085）

葉建雄（1969－），男，江西樂(lè)平人，副教授，研究方向?yàn)樗詣?dòng)化及控制工程，（電話）13870065016（電子信箱）xlpyjx＠163.com。