全渠道一體化測控閘門智能調(diào)控系統(tǒng)在引黃灌區(qū)的應(yīng)用*

蘇貴平 ，劉 斌

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

1 全渠道一體化測控閥門智能調(diào)控系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)應(yīng)用了包括灌溉管理層、現(xiàn)場控制層和局域監(jiān)控層的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的三級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，對應(yīng)中央控制系統(tǒng)、現(xiàn)場控制系統(tǒng)、現(xiàn)場控制設(shè)備和儀器儀表三個層面，三者間通過信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)了引黃灌區(qū)用水的智能化高效調(diào)度與控制[4-5]。借助S7-1200PLC 創(chuàng)建可編程邏輯控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對用水調(diào)度控制流程中各子系統(tǒng)的智能化控制，并且能高效、高質(zhì)量收集系統(tǒng)設(shè)備的運行情況和各項參數(shù)，監(jiān)控一體化測控閘門智能調(diào)控系統(tǒng)的整體工作狀態(tài)[6]。在系統(tǒng)工作狀態(tài)出現(xiàn)異常時，可以及時報警反饋，使設(shè)備檢修人員可以在第一時間抵達工作現(xiàn)場，及時排除故障，恢復(fù)正常工作狀態(tài)。根據(jù)歸納整理收集到的設(shè)備信息，也可以在日常工作中隨時分析設(shè)備的工作情況，防患于未然，提前做好設(shè)備維護，避免突發(fā)的異常問題發(fā)生。

2 全渠道一體化測控閥門智能調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 自動控制系統(tǒng)的下位機設(shè)計

在測控閥門智能調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計中，下位機主要負責(zé)兩個方面的工作。第一是為測控閥門提供遠程控制指令，第二是采集測控閥門工作過程中的設(shè)備信息，并通過歸納整理上傳至系統(tǒng)處理器。在現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)中，下位機是保持系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性的基礎(chǔ)。所以，對于下位機的程序設(shè)計、安裝都有很高的要求，若下位機的工作狀態(tài)出現(xiàn)某些異常，將給處理工作帶來較高的難度。

2.1.1 閘門測控系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計以西門子PROFIBUS 的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)。操作員處于主站的上位機處，就可以整體把握全渠道一體化測控閥門系統(tǒng)的一系列工作，無論是監(jiān)測還是控制，在此系統(tǒng)功能的支持下都得到了效率上的有效改進。下位機的功能是基于西門子S7-300 的可編程邏輯控制實現(xiàn)的，并在主控系統(tǒng)上加裝了各種傳感器、變頻器。下位機可以實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的有效控制，采集閥門工作過程中的設(shè)備信息、工作信號，經(jīng)過系統(tǒng)歸納整理后反饋到信息系統(tǒng)中。上位機配置了LENOVO 啟天M4350 的臺式機，用主機上的網(wǎng)卡與可編程邏輯控制器中的以太網(wǎng)通信模塊連接。并未選用工業(yè)控制計算機，是因為在灌溉渠閘門現(xiàn)場，位置偏僻，點多面廣，并沒有配置大功率的電源，處理工作依靠一臺低壓配電柜完成，周邊環(huán)境中不存在程度較大的電磁干擾和機械振動，現(xiàn)場實際的設(shè)備通信狀況不會因此受到較大程度的影響。因此，通常情況下實際工作選用一般計算機，使用網(wǎng)線連接就可以正常工作。

設(shè)計使用了一個可編程邏輯控制主站并配置多個分站，確保系統(tǒng)正常運行。系統(tǒng)最上方是由操作人員負責(zé)的，人員監(jiān)控整個處理系統(tǒng)時，借助的是上位機以及配套的WinCC與觸摸屏。在下方配備了可編程邏輯控制器，其在整體控制系統(tǒng)中起到了核心的控制作用。再輔助加裝傳感器，外圍配以閘門運行電路、通信接口閘門減速機、啟閉機及閘位傳感器等，形成測控一體閘門。解決了因渠道水含沙量高、易淤積而導(dǎo)致的測量精度低的問題，實現(xiàn)了對系統(tǒng)整體功能的控制作用，不僅讓設(shè)備的數(shù)據(jù)采集功能更有效地發(fā)揮出來，也有利于設(shè)備管理人員及時做好設(shè)備的故障處理工作。

傳感器的應(yīng)用可以起到以下幾方面作用：1）實時數(shù)據(jù)監(jiān)測。處理器需要定期檢查傳感器節(jié)點有無信息上報，并檢測閘門智能調(diào)控系統(tǒng)的工作情況，獲取有效數(shù)據(jù)信息，將信息存儲起來。在工作后期，這些在處理器中儲存的數(shù)據(jù)，可以作為對環(huán)境數(shù)據(jù)處理和分析的有效參考依據(jù)。2）系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定。處理器在判定傳感器節(jié)點上傳的信息的過程中，對于時間和環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲空間、用于報警的應(yīng)力應(yīng)變警告閾值、歷史數(shù)據(jù)查詢時間等，應(yīng)提前進行相應(yīng)的設(shè)定。3）系統(tǒng)實時報警。這部分功能要求傳感器系統(tǒng)可以在監(jiān)測到本地監(jiān)測參數(shù)時，及時有效地分析數(shù)據(jù)信息，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測參數(shù)接近報警閾值時，可以根據(jù)工作人員提前設(shè)定好的預(yù)警方案，立即向監(jiān)測中心報警。上述監(jiān)測報警機制，有效地提升了監(jiān)控中心遇到緊急狀況時處理問題的速度和能力。4）實時控制。實時控制功能要求傳感器系統(tǒng)正確接收和解析監(jiān)測中心的控制命令，控制前端傳感器模塊按照指令進行操作。5）主動查詢。要求傳感器系統(tǒng)為用戶主動查詢的服務(wù)內(nèi)容，用戶通過監(jiān)控終端可以向處理器發(fā)送指令，在接收到指令后處理器可以快速反應(yīng)，并依據(jù)之前設(shè)定好的工作程序采集數(shù)據(jù)信息傳回用戶終端。主動查詢功能為用戶隨時隨地監(jiān)測施工實時數(shù)據(jù)提供了便利條件，具體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 全渠道一體化測控閥門智能調(diào)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

該全渠道一體化測控閥門智能調(diào)控系統(tǒng)，主要下分了多個子系統(tǒng)，分別是閘門自控子系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測子系統(tǒng)、電站監(jiān)測子系統(tǒng)、水雨情監(jiān)測子系統(tǒng)、水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測子系統(tǒng)、“三防”遙測子系統(tǒng)、實時視頻數(shù)碼監(jiān)測子系統(tǒng)、離線管理子系統(tǒng)、服務(wù)器網(wǎng)管子系統(tǒng)、防雷避雷子系統(tǒng)、綜合電源保障子系統(tǒng)等[7-8]。其中，閘門控制子系統(tǒng)、大壩安全子系統(tǒng)、油泵控制子系統(tǒng)、雨情監(jiān)測子系統(tǒng)、水情監(jiān)測子系統(tǒng)屬于在線監(jiān)控系統(tǒng)，可以控制干渠灌溉流量，控制上游水位，監(jiān)控大壩安全情況，采集、監(jiān)控電站數(shù)據(jù)和水雨情數(shù)據(jù)[9]，在線監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 全渠道一體化測控閥門智能調(diào)控系統(tǒng)的遠程監(jiān)控子系統(tǒng)構(gòu)成圖

水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)用于分析水溫、pH 值、濁度等數(shù)據(jù)，并將收集到的數(shù)據(jù)資料通過端口傳輸至離線服務(wù)器，由離線服務(wù)器完成接下來的數(shù)據(jù)分析、處理、存儲工作。在視頻數(shù)碼監(jiān)測子系統(tǒng)中，攝像頭用于觀察情況，視頻采集系統(tǒng)用于信號的轉(zhuǎn)換，可將視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將其傳輸至實時視頻數(shù)碼監(jiān)測計算設(shè)備中。離線管理子系統(tǒng)可以處理閘位數(shù)據(jù)和水質(zhì)數(shù)據(jù)，并提供閘門智能調(diào)控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)查詢與報表生成功能，可以隨時備份數(shù)據(jù)，既可自動備份也可手動備份，為閘門智能調(diào)控工作提供了更精準(zhǔn)有效的數(shù)據(jù)支持[4]?？删幊踢壿嬁刂浦骺叵到y(tǒng)又包含了S7-300 控制器、輸入輸出模塊、操作員站、觸摸屏、以太網(wǎng)接口、終端監(jiān)控軟件等，能夠?qū)崟r采集各傳感器參數(shù)，操作人員只需提前設(shè)定好控制策略，主控系統(tǒng)在實際工作中就可以自動發(fā)出控制信號，實現(xiàn)對流量、水位、閘位等的自動化控制。工作人員通過觀察上位機觸摸屏或是授權(quán)終端，都可以實時監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)、運行狀態(tài)，也可以便捷地控制電閥開度，遠程調(diào)整系統(tǒng)的工作情況，切實提升了灌溉水合理配置的自動化效果[10]。而綜合電源保障子系統(tǒng)能夠讓閘門智能調(diào)控系統(tǒng)在失去電力支持后，也能維持一段時間的部分主要功能。

2.1.2 可編程邏輯控制的軟件構(gòu)成與基本工作原理

可編程邏輯控制的軟件構(gòu)成：1）系統(tǒng)監(jiān)控程序。在系統(tǒng)內(nèi)部的整體結(jié)構(gòu)中，其屬于底層的程序，主要負責(zé)的是比較基本和輔助性較強的功能。2）用戶程序。這部分內(nèi)容是要由用戶自己開發(fā)與編寫完成的，用戶根據(jù)自己的實際需求，在用戶程序中自主、自助完成想要做的工作。

可編程邏輯控制的基本工作原理：可編程邏輯控制的工作方式體現(xiàn)出顯著的周期性循環(huán)掃描特征，也就是說，可編程邏輯控制可以對每個程序逐個進行掃描，然后一次性輸出。在可編程邏輯控制的工作方式下，將單次循環(huán)掃描時間記為一個掃描周期，而CPU在實際工作中是先執(zhí)行每個程序的第一條指令，然后按順序逐條執(zhí)行，在程序中未出現(xiàn)跳轉(zhuǎn)、中斷或者結(jié)束等指令的條件下，程序會一直周而復(fù)始循環(huán)下去。CPU 的一個掃描周期中，不僅要完成用戶所編譯的指令，還要完成其他的工作。

2.2 上位機應(yīng)用管理軟件

上位機主要實現(xiàn)監(jiān)控功能，是總線控制系人機交互方面重要的一環(huán)，完成人機交流的工作。上位機通過通信連接實現(xiàn)對下位機以及現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控，軟件基于.NET Framework、C＃程序設(shè)計語言和SQL 數(shù)據(jù)庫，以B/S 模型為主，部分是通過C/S 模型程序輔助的開發(fā)方案。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計

本系統(tǒng)是一個典型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS），共采用了三種通信方式：PROFIBUS、MPI、工業(yè)以太網(wǎng)?？刂葡到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計下位機PLC 與現(xiàn)場設(shè)備采用PROFIBUS-DP 進行連接，PROFIBUSDP 網(wǎng)絡(luò)通信方式為主站和分站的設(shè)計模式。硬件組態(tài)是在西門子的編程以及硬件組態(tài)Step7 環(huán)境中進行的，硬件配置主要是對主站的CPU 以及輸入輸出模塊進行配置。具體步驟為：首先在Step7 開發(fā)環(huán)境中新建一個項目，插入一個S7-300 主站，和一條PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)，一條MPI 網(wǎng)絡(luò)，一條Ethernet網(wǎng)絡(luò)，然后分別組態(tài)各個主站、分站、觸摸屏、上位機的網(wǎng)絡(luò)地址。主站C P U 與各分站之間通過PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)通信，主站與上位機和觸摸屏之間可以通過MPI通信，也可以通過Ethernet通信。

3 結(jié)語

綜上可知，全渠道一體化測控閘門智能調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，有助于遠程自動控制灌區(qū)閘門水位、閘位及流量等。以往引黃灌區(qū)手動閘門存在的監(jiān)控精度低、實時性差、灌溉水利用系數(shù)低、調(diào)配不均衡等問題，很大程度上是因為人工監(jiān)測、手工計算所導(dǎo)致的。在智能調(diào)控系統(tǒng)應(yīng)用后，引黃灌區(qū)憑借對全方位信息化技術(shù)的應(yīng)用，用水調(diào)控工作質(zhì)量得到了全方位提升。