水庫(kù)閘門集中控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造分析

范靖

〔三門峽黃河明珠（集團(tuán)）有限公司，河南 三門峽 472000〕

1 引言

傳統(tǒng)閘門啟閉控制器，通常采取繼電器—接觸器方法，因?yàn)橛薪狱c(diǎn)的受控設(shè)備，動(dòng)作狀態(tài)簡(jiǎn)單直觀，便于故障發(fā)現(xiàn)與消除。因?yàn)檫@種傳統(tǒng)的測(cè)控方法構(gòu)造簡(jiǎn)易、廉價(jià)，所以在相當(dāng)范圍內(nèi)也適應(yīng)了對(duì)簡(jiǎn)單自動(dòng)控制的要求。但是隨著測(cè)控科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這種傳統(tǒng)的測(cè)控方法在安全性、靈敏度和排除故障等方面的不足正在日益明顯，目前正逐漸遭到淘汰。此外，在閘門的自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制體系中也逐漸使用了一系列更現(xiàn)代化的信息技術(shù)，如集散管理、分布式網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、以太網(wǎng)信息技術(shù)、可編程控制器等。

2 閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)集成

系統(tǒng)集成是從滿足用戶的實(shí)際使用需要以及所投放流動(dòng)資金的一定數(shù)量規(guī)模為基本出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)綜合運(yùn)用各類電腦與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的有關(guān)科學(xué)技術(shù)，并合理地選用各類軟硬件設(shè)施，進(jìn)行對(duì)有關(guān)人員和設(shè)備的綜合工程設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)調(diào)試和使用研究等專業(yè)性管理工作，以及有關(guān)的信息管理性和設(shè)備管理工作。整套系統(tǒng)要確保整合后的信息系統(tǒng)能夠適應(yīng)實(shí)際需求，不僅具有良好的性價(jià)比，也要可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)科學(xué)化建設(shè)和實(shí)際操作性。而信息系統(tǒng)整合則涉及了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件、硬件、操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)與管理系統(tǒng)工藝技術(shù)、通信工藝技術(shù)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。實(shí)際上，這類集控系統(tǒng)和各種技術(shù)都是由各個(gè)不同的廠家來(lái)提供的，所使用的也是各種不同的協(xié)議和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并且是面對(duì)著各種不同的使用單位具體設(shè)計(jì)的，所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整合的過(guò)程中不但要把各個(gè)廠商所提供的各種產(chǎn)品都整合到了一起，而且還要使它們之間可以互相互連、互操作、不產(chǎn)生矛盾。而更為重要的是，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能最優(yōu)化，即各種元件和成分合在一起后不但可以管理工作，并且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還是廉價(jià)的、高效的、系統(tǒng)性能勻稱的、可擴(kuò)展的和可保護(hù)的。

2.2 整體方案設(shè)計(jì)

在閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，首先綜合考察了閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，再根據(jù)自身工作和管理的實(shí)際狀況，最后判斷成本?？刂葡到y(tǒng)的方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持以下準(zhǔn)則：前瞻性、成熟性、可靠性、可利用率、實(shí)時(shí)性、安全性、開放性、合理性、與環(huán)境的相容性、便利性和經(jīng)濟(jì)效益。

2.2.1 系統(tǒng)的技術(shù)先進(jìn)性與成熟性

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要加強(qiáng)了前瞻性和成熟性的融合，結(jié)合已應(yīng)用案例，運(yùn)用成熟的自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、安全保護(hù)科技和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)技術(shù)，并緊緊追蹤國(guó)外的前沿科技，力圖設(shè)計(jì)出科技領(lǐng)先的閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)，以做到設(shè)計(jì)上到達(dá)全球或發(fā)達(dá)國(guó)家的一流水準(zhǔn)，且方案具備確實(shí)可行性并易于實(shí)施。遵守國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以及與國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)的更新發(fā)展潮流。

2.2.2 系統(tǒng)的可靠性

在整個(gè)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)考慮了兩個(gè)層次：一是整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和安全，采取較高可靠度的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，還包括選用合理的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)施；二是系統(tǒng)裝置的安全與可靠程度，重點(diǎn)是通過(guò)選擇高可靠性的電子感應(yīng)器、控制裝置等，通過(guò)設(shè)置系統(tǒng)的用戶表等級(jí)和口令控制等手段實(shí)現(xiàn)管理水平技術(shù)化提升。同時(shí)保證閘門自動(dòng)集控系統(tǒng)具備高度抗干擾的能力，能長(zhǎng)時(shí)間安全可靠地正常工作。

2.2.3 系統(tǒng)的開放性、合理性

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了開放式的網(wǎng)絡(luò)體系、規(guī)范的消息收集和管理系統(tǒng)等，以便于系統(tǒng)后期的更新、擴(kuò)充與互聯(lián)。同時(shí)，在選用系統(tǒng)裝置、信息處理、數(shù)據(jù)傳輸裝置等時(shí)，注重于企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)支持的規(guī)范發(fā)展，所選用的系統(tǒng)裝置充分考慮了易更新?lián)Q代性，同時(shí)在企業(yè)產(chǎn)品更新時(shí)能夠最大限度地保證自身的硬件設(shè)施提升與軟件升級(jí)投資降低。控制系統(tǒng)采用了高速的工業(yè)控制器，而工業(yè)控制系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)選擇少，調(diào)整少，智能水平程度高，應(yīng)用簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單，合理應(yīng)用，極大地提高了工業(yè)控制系統(tǒng)輸入、輸出速率。其CPU負(fù)載率在一般狀況下不大于25%，即使在主裝置發(fā)生重大事故時(shí)也不大于50%。

2.2.4 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性

綜合考慮系統(tǒng)的特性和價(jià)值，其性能價(jià)格比在同等系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和要求下達(dá)到最佳；經(jīng)濟(jì)性因素主要應(yīng)包含以下幾個(gè)方面：系統(tǒng)本身的價(jià)格（包括系統(tǒng)軟硬件、技術(shù)服務(wù)和培訓(xùn)）；系統(tǒng)運(yùn)行后經(jīng)濟(jì)效應(yīng)估計(jì)的最大可能收益；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的特定條件改造及專利技術(shù)所需要的經(jīng)費(fèi)；對(duì)系統(tǒng)集成所需要的相關(guān)軟件和硬件等的后期升級(jí)和研究費(fèi)用。

3 控制單元硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 控制單元功能設(shè)計(jì)

閘門集中自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)必須能夠及時(shí)、精確、高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)所有受控對(duì)象的安全監(jiān)測(cè)與控制管理，并且能夠?qū)λ貦C(jī)電設(shè)備的工作狀況實(shí)施全方位監(jiān)控。為了可靠實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉動(dòng)作，閘門集中自動(dòng)測(cè)控控制應(yīng)具有下列功能。

3.1.1 閘門控制功能

閘門控制系統(tǒng)功能包含調(diào)節(jié)閘門的打開或關(guān)閉，到設(shè)定開高（包含單孔啟閉與群控啟閉）、在事故狀況下的緊急停車以及自動(dòng)報(bào)警。

3.1.2 閘門運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)信息的采集與處理

一是水位水情信息的采集與處理，控制系統(tǒng)中應(yīng)該可以收集壩前和壩后進(jìn)出庫(kù)流量、水位、入庫(kù)流速等的數(shù)值。二是閘門狀態(tài)信息采集與管理控制器中，也應(yīng)可以收集到閘門的實(shí)際開高和荷重?cái)?shù)據(jù)、運(yùn)行設(shè)備電壓電流等數(shù)值，并可以準(zhǔn)確地在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與上位機(jī)之間或遠(yuǎn)控平臺(tái)上顯示，以便于讓運(yùn)行人員、管理者和上級(jí)的調(diào)節(jié)機(jī)關(guān)進(jìn)行管理與決策。

3.1.3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備異常狀態(tài)的采集和處理

現(xiàn)地采集單元應(yīng)可以正確收集到現(xiàn)場(chǎng)裝置的所有告警狀況，包括上升設(shè)備故障、啟閉之間的卡滯等，并經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)快速傳送至現(xiàn)地控制和上位機(jī)系統(tǒng)，及時(shí)提示運(yùn)行人員和管理者進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幹?，減少事故擴(kuò)大化。

3.1.4 方便的人機(jī)交互

控制器應(yīng)當(dāng)具有豐富的人機(jī)交互系統(tǒng)功用。閘門上位機(jī)集中控制系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)具有各類信息系統(tǒng)的屏幕顯示功用、報(bào)告自動(dòng)打印功用和數(shù)據(jù)信息錄入功用。人機(jī)界面系統(tǒng)包括了單孔操控畫面、群控操縱畫面、單位級(jí)作業(yè)畫面、告警圖像畫面和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備信息指示圖像畫面等?？刂迫藛T能夠利用這些圖像畫面，來(lái)掌握閘門的工作狀況信息，并利用這些圖像畫面，通過(guò)按鍵或鼠標(biāo)等輸入的方法完成對(duì)所有閘門的管理?？刂葡到y(tǒng)還應(yīng)具有完整的工作報(bào)告制作和打印功能，可以形成一個(gè)完備的資料信息數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，以方便運(yùn)行人員和管理者隨時(shí)檢索和制作打印技術(shù)報(bào)告。

3.2 開高與荷重測(cè)控裝置選型

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外眾多產(chǎn)品閘門荷重和開度儀表的廠家的產(chǎn)品咨詢、對(duì)比，我們選用了適應(yīng)現(xiàn)地設(shè)備設(shè)施改造的高度荷重綜合監(jiān)測(cè)控制儀，用以進(jìn)行閘位和荷重監(jiān)測(cè)。

該儀器具有如下特點(diǎn)：每個(gè)閘門集中監(jiān)測(cè)閘門開高程度、荷重于一身，數(shù)值表示直接、清晰。儀器通過(guò)微機(jī)集成處理系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的安全性、強(qiáng)抗干擾技術(shù)能力和可維護(hù)性。儀器操控方式簡(jiǎn)單。只需要利用控制面板上的按鍵設(shè)定好開度、荷重90%、110%、偏移和欠載告警等技術(shù)參數(shù)后，系統(tǒng)即可進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)。儀器標(biāo)定操作也十分簡(jiǎn)便，既無(wú)須外接編程設(shè)備也無(wú)須調(diào)節(jié)所有元件，僅須通過(guò)控制面板上的按鍵設(shè)定，即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)標(biāo)定。且任何設(shè)置及標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)參數(shù)，均具備停電后永久性記憶功能。控制功能強(qiáng)，可設(shè)置多組繼電器操作接點(diǎn)，并可依據(jù)要求添加控制接點(diǎn)。

3.3 可編程控制器硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)完成的PLC控制系統(tǒng)必須要將PLC功能充分發(fā)揮出來(lái)，以最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求，進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和簡(jiǎn)便性，為后續(xù)維護(hù)工作提供便利。設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)可編程控制器硬件時(shí)，要對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)，全面發(fā)展生產(chǎn)，在選擇可編程控制器型號(hào)、I/O點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量等內(nèi)容的時(shí)候，要按照實(shí)際情況適當(dāng)性地留有容量，為調(diào)整和擴(kuò)充系統(tǒng)提供方便。硬件配置既確定了模塊系統(tǒng)的運(yùn)行的主要特點(diǎn)，同時(shí)也形成了各模塊系統(tǒng)所需要的程序基準(zhǔn)表。VersaMax CPU模塊同時(shí)支持手動(dòng)設(shè)置和從編程器中來(lái)選擇的兩種方法。

3.3.1 自編程器向PLC存儲(chǔ)配置

編程程序器也可以使用CPU的通訊口向PLC內(nèi)存儲(chǔ)配置，而內(nèi)存的設(shè)置則無(wú)法為手動(dòng)分配模式。當(dāng)程序器清除了PLC內(nèi)部的設(shè)置后，將生成一個(gè)手動(dòng)設(shè)置獨(dú)立運(yùn)行。此自動(dòng)配置狀況始終生效，直到從編程器中保存新的分配狀況到PLC后方才變化。

3.3.2 自動(dòng)配置

如果操作系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置有效而無(wú)先前的自動(dòng)設(shè)置狀態(tài)存在，那么當(dāng)上了電源之后，CPU就將自動(dòng)讀取操作系統(tǒng)中安裝的I/O模塊的設(shè)置，從而提供了一種完美的操作系統(tǒng)組態(tài)。若控制系統(tǒng)在上電后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中有一條缺省設(shè)置的存在，則控制系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行配置部分診斷，并進(jìn)行檢查工作。若模塊在手動(dòng)設(shè)置狀況下，其軟件組態(tài)的特性也將用于缺省設(shè)定。

3.3.3 槽位

每一I/O模組以及可選模組都將占據(jù)操作系統(tǒng)的一塊槽位，緊挨CPU的模組則為一槽。而輔助供電模組則不占據(jù)槽位。操作系統(tǒng)上電后，CPU將由槽位一啟動(dòng)，并按照每個(gè)模板的物理地址自動(dòng)產(chǎn)生一種缺省狀態(tài)分配。該缺省配置過(guò)程中如出現(xiàn)了第一個(gè)空槽，或識(shí)別有錯(cuò)誤的模板之后將中斷。

當(dāng)所有硬件系統(tǒng)模組都合理地分配在同一機(jī)架上后，上電后CPU就將自行讀出系統(tǒng)中設(shè)置的所有I/O模組的分配，從而提供了一個(gè)完美的系統(tǒng)組態(tài)。既然這樣的設(shè)置已滿足了我們的需求，我們就完全不必再進(jìn)行設(shè)置了。不過(guò)若想完成整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理功能，為使上位機(jī)可以找到這些PLC就不得不給現(xiàn)場(chǎng)上的多套PLC分配IP地址，這就要求人力的手動(dòng)控制操作設(shè)置分配。

4 控制單元軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 編程軟件選擇

隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)達(dá)以及微軟Windows桌面圖形化技術(shù)的越來(lái)越流行，許多使用者在選擇使用時(shí)也更加偏向于選用一些頁(yè)面直觀清晰、使用簡(jiǎn)單、易學(xué)易用的應(yīng)用系統(tǒng)軟件。如VersaPro程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，便是一款能夠在Windows繪圖頁(yè)面下正常工作的應(yīng)用。它是GE Fanuc公司為了配合新型控制產(chǎn)品VersaMax PLC的推廣而研制的最新產(chǎn)品。除了VersaMax PLC之外，在GE Fanuc系列所有機(jī)型的PLC也都能夠使用VersaPro來(lái)實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)功能與組態(tài)。正是出于上述考慮，課題研究選用了VersaPro作為程序設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件。

4.2 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)主程序的流程順序，以下分別說(shuō)明了閘門控制系統(tǒng)主程序的具體編制細(xì)節(jié)。由于作為開高和荷重的測(cè)量數(shù)據(jù)，開高荷重測(cè)控設(shè)備所進(jìn)行的是格雷碼傳遞，因此，為了確保上位機(jī)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確接收，就需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)備實(shí)現(xiàn)格雷碼和二進(jìn)制數(shù)據(jù)之間的切換。

格雷碼，是用來(lái)克服傳統(tǒng)二進(jìn)制數(shù)的不足，而形成的二進(jìn)制代碼方式。在二進(jìn)制數(shù)據(jù)中，在從某一個(gè)數(shù)到下一個(gè)數(shù)變化時(shí)，很可能會(huì)有兩個(gè)以上的數(shù)據(jù)位變化，而因?yàn)樵谧x取時(shí)間上的不同，也很有可能導(dǎo)致讀出出錯(cuò)。為克服這一問(wèn)題，人們專門設(shè)計(jì)了這么一種代碼，在其從任一數(shù)到其下某個(gè)數(shù)發(fā)生變化時(shí)，有一種數(shù)據(jù)位就會(huì)改變，以最大化的效果防止讀取時(shí)出錯(cuò)，這便是格雷碼。采用格雷碼編碼的測(cè)控設(shè)備時(shí)，可按下述方式完成格雷碼和二進(jìn)制數(shù)的切換運(yùn)算。

控制系統(tǒng)使用兩個(gè)工業(yè)監(jiān)控計(jì)算機(jī)和一個(gè)服務(wù)器作為上位機(jī)系統(tǒng)，兩個(gè)工業(yè)監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相互熱備份。二臺(tái)工業(yè)監(jiān)控電腦上均配置有組態(tài)化管理軟件InTouch 8.0和通信接口I/O Server，并利用光纖環(huán)網(wǎng)完成與現(xiàn)場(chǎng)PLC系統(tǒng)的通信，工業(yè)監(jiān)控電腦可以圖像和動(dòng)畫形式表示控制系統(tǒng)工作狀況，發(fā)出控制指令并完成錄入、保存和打印等消息處理?，F(xiàn)地控制單元通過(guò)PLC向上位機(jī)傳送設(shè)備的真實(shí)狀況，并接受和運(yùn)行上位機(jī)的實(shí)時(shí)控制命令。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著中國(guó)水利工程現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)展，近幾年閘門自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)也被廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在普遍采用的可程序化控制器，具有安全性高、組態(tài)靈活等優(yōu)點(diǎn)。而操作站和管理電腦有的采用普通微機(jī)，有的則使用工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)處理水平優(yōu)化升級(jí)。未來(lái)將逐步向無(wú)人值守全自動(dòng)化遠(yuǎn)程集中控制方向發(fā)展。