褒河水庫閘門控制系統的設計與實現

王剛

1 引言

褒河水庫閘門監控系統包括十三扇閘門啟閉機，分為三種類型：固定式卷揚啟閉機、液壓啟閉機和螺桿啟閉機。閘門自動控制系統主要通過啟閉控制褒河水庫的八處十三閘門，與水情調度系統交換信息，對閘門的工作狀態及各參數進行監視[1～3]。現地控制、集中監控控制都通過控制柜面板上的旋轉開關實現，其中，控制優先級中的遠方操作低于現地操作。

安裝于各閘門閘室內的現地控制單元實時采集各閘門的開度、運行方式、運行狀態和閘前水位等數據，一方面向集中監控計算機傳送實時數據，同時接收來自集中監控計算機的控制命令，以完成閘門升、降、停等控制及參數采集；另一方面直接操作現地控制單元，完成對閘門升、降、停等控制及閘門參數采集[4,5]。

2 閘門控制系統組網方案

設置網絡結構時考慮工業電視監視系統，以對庫區及閘門運行過程等重要工位實行監視管理。通過了解褒河水庫閘門分布情況、各閘室與中心站相對位置，系統組網方式采用星型結構。在中心站，利用圖形矩陣主機光接收設備接受視頻信號，并傳輸到圖像監視器上，通過遙視監督，在控制計算機上接收控制信號，從而實現現場與上位機交換數據功能[6]。考慮到閘室和中心站距離較遠、水庫庫區屬雷電多發區、視頻信號清晰可靠等因素，選用光纜作為本系統的通信介質。

圖 1為控制系統組網結構圖。采用西門子的S7-200PLC作為現地控制單元PLC，其中， SIMATIC S7-200 系列作為小型可編程序控制器，具有極強通信功能，可應用于大型網絡控制系統中。它的編程包括梯形圖、功能塊圖、語句表3種，并有可靠性好、指令豐富、易于掌握、方便操作等特點。內置模塊包括高速計數器、高速輸出、PID控制器、RS-485通信、編程接口、PPI通信協議、MPI通信協議和自由通信方式等。I/O端子排易于拆卸，點數字量I/O最大可擴展到248，模擬量I/O為35路, 程序和、據存儲空間最多有26kB[7,8]。

圖1 閘門控制系統組網結構圖

西門子S7－200 PLC與上位PC機建立通訊，是通過直接連接 PC/PPI電纜方式完成。S7－200 PLC與MCGS通訊需開發驅動程序，以解決PPI協議（西門子公司未公開）這一問題。利用可編程自由口通信模式，在PLC上通過編程轉換為類似Mod bus的協議，建立S7－200 PLC與MCGS之間的通訊。自由端口模式用戶定義的通信協議可實現連接多種智能設備的功能。自由端口通信與否取決于 CPU所處的狀態，其中，CPU處于STOP模式將停止自由端口通信，但是通信口將被強制轉換成其它協議模式，以保證可編程控制器的編程和控制的功能可實現。CPU處于RUN模式時自由端口模式使能，通過置1SMB30或SMB130的協議位，則通信端口為自由端口模式。

用SM0.7來控制自由端口模式，設置SM0.7為1時方式開關為RUN，可以選擇自由端口模式；SM0.7設置0時方式開關為TERM，此時應選PC/PPI協議模式。自由端口模式下，通常采用主從方式以避免通信中爭用通信線的問題，主機為計算機，從機為可編程控制器。可利用 MCGS組態軟件提供的開發包作為上位機，通過定義設備的類型、類別、I/O基地址、I/O地址個數和通道個數五個屬性，可以完成S7-200 PLC和MCGS之間通信設備的驅動。

3 閘門控制系統程序設計方案

閘門控制方式包括現地手動控制和遠方自動控制兩種。過轉矩和熱繼電器保護，全開、全關和電源失壓報警貫穿閘門啟門、閉門和停止的過程。當故障發生后將會發出故障復位信號，以便重新控制閘門。

3.1 閘門繼電器控制電路

圖2為閘門繼電器控制的原理圖。閘門具有以下三方面的控制要求：1).可選用遠方自動控制或現地手動控制；2).一旦控制過程發生故障，系統必須立即停止工作；3).排除故障之后，若要重新控制閘門，則必須按故障恢復按鈕。

圖2 閘門繼電器控制原理圖

3.2 MCGS的組態軟件設計

使用 MCGS完成一個實際的應用系統，必須在MCGS的組態環境下進行系統組態生成工作，然后將系統放在MCGS的運行環境下運行。圖3為新工程的一般組態過程，水庫閘門控制系統主要完成和現場PLC進行實時數據交換，實現對閘門的監視和控制。

系統具體組態包括六個方面：實時顯示閘門高度、動態顯示水位高度、控制閘門的啟、閉、停功能、閘門控制系統警報顯示及報表輸出、顯示閘門控制系統輸出曲線、普通用戶的權限管理。

圖3 MCGS一般組態過程圖

3.3 界面組態及對象連接

用戶若在系統界面窗口中建立相應的動畫連接，主要是通過設置圖形對象的組態，來獲得反映工業控制過程的實時畫面。水庫閘門控制系統主控窗口分為狀態選擇窗口、地點選擇窗口兩個界面。

圖4為系統地點選擇窗口圖，控制地點選擇窗口實現對控制地點的選擇監控，系統共分三個地點，退出時各個地點的主控窗口可以選擇返回到控制地點選擇窗口界面。

圖4 地點控制選擇窗口圖

圖5為系統狀態選擇窗口界面圖，狀態選擇窗口包括以下四個方面的功能：閘門狀態顯示用以動態顯示閘門與實時顯示高度；基本控制功能包括閘門的啟門、閉門、停止，故障復位控制，還有高度設定和當前高度顯示等；基本數據處理的故障報警顯示、數據實時報表、實時曲線、歷史報表、歷史曲線等等功能；安全管理功能及菜單功能等。

圖5 退水監控畫面圖

3.4 對象連接方案及系統控制策略

閘門的狀態顯示主要由閘門動畫構件和百分比構件兩個部分構成。在構件庫中可添加百分比構件，同時自己制作動畫構件完成閘門動畫構件并保存于構件庫中。生成閘門動畫構件包括三個步驟：①調用MCGS中的圖元和圖符，搭建起具體的閘門模型；②設置圖元、圖符的屬性，可以在對話框中顯示按鈕動作方式、動畫運動方式等；③利用 MCGS中的組合圖符命令最終生成需要的閘門動畫構件。閘門遠程啟、閉、停和故障復位控制通過控制臺實現，遠程操作按鈕功能則通過數據對象進行操作，下位機的PLC控制方式決定相應的操作數據，其中按1為設，按0為松。調用相應的用戶策略實現上升、下降作用，因此，在屬性設置時按鈕功能需要設定為執行運行策略塊，并且，在下拉菜單中選擇對應策略。閘門控制系統應用包括以下三個方面：⑴.需要觀察、分析實時數據和歷史數據，并最終對數據描繪出變化曲線、總結規律，實時記錄、顯示故障產生的時間、地點以及消除時間等；⑵.水庫閘門控制系統在工程應用中要對來自設備中的采集數據進行存盤、統計、分析，并最終打印出數據報表，將數據報表作為閘門控制系統的最終輸出；⑶.利用閘門數據瀏覽策略完成數據存盤功能，通過在閘門數據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數據瀏覽策略來完成存盤功能。

4 結論

⑴、將本系統應用于褒河水庫，通過實際調試和運行測試，系統可以正常、穩定運行，系統運行過程表現出才好的安全性、穩定性和可靠性。

⑵、閘門控制系統在操作方面具有快速性、便捷性，保證向上級部門提供正確決策；同時，閘門控制系統運行可靠性和科學性，體現了水庫較高的現代化管理水平、較良好的工作效率。

⑶、閘門控制系統的成功應用為全國建設水利信息化系統打下了牢固的基礎，可以發揮較好的社會效益。

[1] 胡春海,張越,齊廣學.高壓電器設備在線溫度監測技術的研究[J].自動化與儀表,2006,16(1):48-50.

[2] 方正,王曉明.一種智能溫濕度控制器的設計[J].電工技術,2006, (10):66-68.

[3] 李曉鳳,劉建戈.在線監測在高壓開關柜中的應用[J].電工技術,2007, (4):3-4.

[4] 孫才新.輸變電設備狀態在線監測與診斷技術現狀和前景[J].中國電力,2005,38(2):1-7.

[5] 嚴文群.GIS中SF6氣體水分含量測試分析及應注意的問題[J].高壓電器,1998,34(1):54-57.

[6] 龐臘成.淺談城市配電網的設備—箱式變電站[J].電氣世界,2007, (6):28-30.

[7] 陳雷,楊國梁.電力變壓器溫度數據采集子系統的設計[J].自動化技術與應用,2008,27(5):117-120.

[8] 唐美斌,孫傳友.烤煙房溫濕度自動測控系統設計[J].自動化技術與應用,2007,26(2):106-107.