基于PLC的全自動化在灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)的應用研究

趙志軍，王雯

（1.太原優(yōu)易科技有限公司，山西 太原 030000；2.太原工業(yè)學院，山西 太原 030000）

自動化、信息化技術是合理調度灌區(qū)用水、有效執(zhí)行用水計劃、提高用水效率以及節(jié)能降耗的重要技術手段。當前，我國正處于十四五規(guī)劃背景下，建設一套集中調度、遠程控制、無人值守、自動運行的灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)是建設現(xiàn)代化灌區(qū)的必由之路。

1 灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)整體結構

灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)的整體結構是按照分層控制的思想設計和建立的，根據(jù)灌區(qū)運作的實際需求，將系統(tǒng)分為具體的三層：現(xiàn)地控制層、集中控制層以及指揮調度中心。指揮調度中心按照用水調度計劃下發(fā)調度指令，位于集中控制層的數(shù)據(jù)中心接受調度指令，依據(jù)調度模型及調度算法將調度指令轉化為操作指令，并最終將操作指令下發(fā)給現(xiàn)地控制層的可編程控制器（PLC）。位于現(xiàn)場的PLC采集現(xiàn)場水位、閘位、閘門荷重、電壓電流及視頻圖像信息等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給集中控制層及指揮調度中心，供調度平臺及調度人員進行數(shù)據(jù)分析。

灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)采用工業(yè)互聯(lián)網與大數(shù)據(jù)分析技術，實時監(jiān)控異地閘控設備運行狀態(tài)，為設備運行提供定制化的響應式服務，包括設備的智能分析診斷、預測性維護、節(jié)能管理、空中在線升級調試和遠程作業(yè)指導等，減少因設備意外停車引起的生產停滯，提高設備利用率，為設備健康與安全高效生產保駕護航。

除此之外，還能夠實時監(jiān)控閘門的狀態(tài)，預測感知閘門健康情況變化，提前預警。大數(shù)據(jù)分析設備運轉情況、能耗情況與報警信息，建立設備的對標管理，為提高設備利用率與節(jié)能提供策略與解決方案。

（1）現(xiàn)地控制層?，F(xiàn)地控制層實現(xiàn)了閘門的啟閉的控制功能，并對現(xiàn)場閘門運行數(shù)據(jù)、水情數(shù)據(jù)、雨情數(shù)據(jù)、水質數(shù)據(jù)等實時數(shù)據(jù)進行采集。同時，為了實現(xiàn)現(xiàn)地控制站的無人值守、安全運行，現(xiàn)低控制層還集成了視頻監(jiān)控、周界報警設備。現(xiàn)地控制層設備控制具有最高優(yōu)先級。數(shù)據(jù)通訊設備采用工業(yè)以太網協(xié)議，保證了數(shù)據(jù)實時可靠傳輸。在部分偏遠地區(qū)，無法建設專網或者4G信號較弱的地區(qū)，數(shù)據(jù)通訊采用消息隊列遙測傳輸協(xié)議（MQTT），數(shù)據(jù)輕量，支持斷點續(xù)傳，從而保證了數(shù)據(jù)完整性。

（2）集中控制層。一般情況下，灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)中的集中控制層位于二級閘所數(shù)據(jù)分中心。集中控制層接收來自指揮調度中心的相關決策和調度指令，并將調度指令轉換為控制指令來控制閘門，實現(xiàn)用水調度。集中控制層對數(shù)據(jù)進行收集并進行大數(shù)據(jù)分析，為調度中心進行指揮調度提供決策依據(jù)。集中控制層實現(xiàn)了人機交互功能，控制優(yōu)先級僅低于現(xiàn)地控制層。在某些特定情況下，集中控制層可脫離調度指令對現(xiàn)地閘門進行遠程控制。

（3）指揮調度中心。灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)中的指揮調度中心一般位于管理中心的決策機構中，在灌區(qū)實際的運作過程中，調度中心接收來自集中控制層（閘所數(shù)據(jù)分中心）的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和運行信息，并對這些數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析，以此為基礎，利用調度模型、專家系統(tǒng)，進行水資源的統(tǒng)籌和規(guī)劃工作，實現(xiàn)閘群的聯(lián)合調度。指揮調度中心具有的控制優(yōu)先級最低。

2 灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

（1）系統(tǒng)的實現(xiàn)方式。小型閘站采用西門子Smart200系列PLC進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及控制，中型閘站及泵站采用西門子1500系列PLC進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及控制，大型閘站及泵站或可靠性要求極高的中小型閘泵站可采用西門子410H系列硬冗余PLC進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及控制。條件較好的網絡可達地區(qū)，控制網絡采用西門子Profinet協(xié)議，部分網絡信號不好的偏遠地區(qū)需增加4G網關，采用MQTT協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。集中控制層采用西門子Wincc組態(tài)軟件，數(shù)據(jù)共享及存儲使用SQL Server2014，集中控制層集成視頻監(jiān)控，實現(xiàn)了轄區(qū)閘門的可視化監(jiān)控。

圖1 可視化集中監(jiān)控案例

基于PLC的現(xiàn)地控制柜以單孔閘門為核心構成智能控制單元，PLC核心CPU模塊集成Profinet接口，單孔閘門可實現(xiàn)遙控啟閉閘門，按照設定閘位啟閉閘門，或是根據(jù)上下游水位構成閉環(huán)控制系統(tǒng)自動啟動閘門。系統(tǒng)可以設定閘門位置高限、低限，具有高低限位保護功能；設定載荷高限，具有荷載保護功能；配合空氣斷路器分勵，具有緊急斷電保護功能。

（2）Profinet概述。Profinet是新一代基于工業(yè)以太網技術的自動化總線標準，可以完全兼容現(xiàn)有現(xiàn)場總線（Profibus）技術和工業(yè)以太網技術，其在實時以太網、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網絡安全等領域都有典型應用。Profinet定義了三種通訊協(xié)議等級，TCP/IP是針對PROFINET CBA及工廠調試用，其反應時間約為100ms；RT（實時）通訊協(xié)定是針對PROFINET CBA及PROFINET IO的應用，其反應時間小于10ms；IRT（等時實時）通訊協(xié)定是針對驅動系統(tǒng)的PROFINET IO通訊，其反應時間小于1ms。基于Profinet技術的灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)具有開放、靈活和高效的特點，數(shù)據(jù)交換快速安全，構架靈活易于擴展，系統(tǒng)的實施較為方便、高效、經濟。

（3）MQTT概 述。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議），是一種基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的“輕量級”通訊協(xié)議，該協(xié)議構建于TCP/IP協(xié)議上。MQTT最大優(yōu)點在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用。對于網絡信號不好的偏遠地區(qū)，采用MQTT協(xié)議，可實現(xiàn)斷點續(xù)傳，數(shù)據(jù)的完整性和有效性得到了保證。同時，由于MQTT是一種低開銷、低帶寬的協(xié)議，基于MQTT的灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)以最高效的方式傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省流量開銷，提高傳輸效率。

（4）系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采用雷達水位計測量閘門上下游水位，雷達水位計為6～30V直流電壓供電，485總線傳輸數(shù)據(jù)，水位測量精度為±3mm；閘位位置信號采用16位絕對式編碼器，系統(tǒng)供電為6～30V直流電壓，輸出為485總線數(shù)據(jù)；載荷傳感器采用4～20mA電流信號輸出。傳感器供電多采用6～30V范圍直流供電，在偏遠地區(qū)需采用太陽能系統(tǒng)供電的場合也較為適用。

3 軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)采用TIA全集成自動化軟件進行開發(fā)，模塊化編程，上位機軟件采用組態(tài)方式，集成視頻OCX控件，界面分區(qū)規(guī)劃，簡潔友好，便于交互。設定分級控制權限，具有操作記錄、報警記錄、歷史數(shù)據(jù)查詢功能。

系統(tǒng)可定制開發(fā)物聯(lián)網技術方案，采用邊緣計算器將數(shù)據(jù)上傳云平臺服務器，利用云平臺的大數(shù)據(jù)智能分析服務將各種數(shù)據(jù)進行存儲、整理、分析，通過微信開發(fā)者工具開發(fā)微信小程序，實現(xiàn)實時在線監(jiān)控、記錄、查詢、統(tǒng)計、分析、修改、報警等操作，實現(xiàn)閘群設備的遠程智能化管理，提升灌區(qū)的智能化管理水平。

4 結語

本文對基于PLC的灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)的應用進行了相關分析和研究，該系統(tǒng)實現(xiàn)了灌區(qū)閘群的全自動化控制，利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)對灌區(qū)用水的有效調度，提升灌區(qū)的管理水平。