基于PLC的橡膠壩遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要：根據(jù)某橡膠壩的地理位置分散的特點和控制要求，本文設(shè)計了基于MCGS、工業(yè)以太網(wǎng)和PLC的橡膠壩遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對七座橡膠壩的自動化控制；詳細闡述了該系統(tǒng)的組成、硬件和軟件設(shè)計；該系統(tǒng)集中現(xiàn)場控制和遠程監(jiān)控于一體，具有可靠性高、實時性好、通信速度快等特點；經(jīng)實踐證明，能滿足監(jiān)控和管理調(diào)度的要求。

關(guān)鍵詞：MCGS； 觸摸屏； PLC； 橡膠壩

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-3315（2012）07-125-001

為妥善解決日常蓄水與汛期行洪之間的矛盾，改善生態(tài)環(huán)境，某市于2009年實施攔河蓄水工程，在十五公里河道范圍內(nèi)新建七座梯級橡膠壩，形成七個梯級蓄水湖面。七座橡膠壩的建成需要很多工作人員值守，同時也需要管理人員巡視，這給水利部門管理處帶來了不小的麻煩，因此，研究和設(shè)計橡膠壩的遠程監(jiān)控系統(tǒng)就顯得尤為重要。

與此同時，隨著信息化在水利方面的大力推廣，遠程監(jiān)控系統(tǒng)也日益受到重視。運用先進的自動控制技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)與通信技術(shù)來建立橡膠壩遠程監(jiān)控系統(tǒng)，不但能夠在網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上提高信息采集的準(zhǔn)確性、靈活性和快速性，而且可以加強其運行的可靠性和安全性，供有關(guān)部門監(jiān)督和統(tǒng)計，為上級領(lǐng)導(dǎo)部門做出決策提供科學(xué)的依據(jù)。

一、系統(tǒng)組成

1.系統(tǒng)的基本構(gòu)成

本文以七座橡膠壩為研究對象，主要任務(wù)是控制系統(tǒng)排水。系統(tǒng)的設(shè)計方案以“無人值班、少人值守”為原則，以可編程控制器（PLC）為核心，采用分層、分布的方式組網(wǎng)，并且綜合運用了先進的傳感器技術(shù)自動采集現(xiàn)場的狀況，通過工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)信息上傳至遠程監(jiān)控室，以便上位機監(jiān)視現(xiàn)場情況，從而實現(xiàn)了橡膠壩的遠程監(jiān)控。

2.系統(tǒng)逐級控制

此系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)分為三個等級，分別為現(xiàn)地級、監(jiān)控級和管理級。

2.1現(xiàn)地級：處于網(wǎng)絡(luò)的最底層。PLC以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的方式掛靠在工業(yè)以太網(wǎng)上。液位儀的數(shù)據(jù)、水泵、閥門和空壓機的狀態(tài)都由PLC的模塊采集，然后這些數(shù)據(jù)送入觸摸屏中顯示出來，同時通過工業(yè)以太網(wǎng)送入上層網(wǎng)絡(luò)。

2.2監(jiān)控級：主要包含局域網(wǎng)內(nèi)的監(jiān)控主機、服務(wù)器等。通過以太網(wǎng)交換機將PLC、操作員站和工程師站聯(lián)系起來，使用光纖作為傳輸介質(zhì)，傳輸速率為10/100Mbps，抗干擾能力較強，采用星型結(jié)構(gòu)，優(yōu)點是任何一個節(jié)點發(fā)生故障，對其他工作的節(jié)點不產(chǎn)生影響。

2.3管理級：也稱遠程監(jiān)控層。此局域網(wǎng)與管理處的內(nèi)網(wǎng)相連通，用瀏覽器的方式即可觀察橡膠壩的設(shè)備和周圍環(huán)境的信息，真正實現(xiàn)監(jiān)、控、管、調(diào)一體化。

二、硬件設(shè)計

此監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要由以下幾部分組成：現(xiàn)場控制單元、PLC控制單元、上位機控制單元、傳感器單元、視頻設(shè)備單元等。

1.現(xiàn)場控制單元

主要由主回路和控制回路組成。使用的器件主要有斷路器、接觸器、熔斷器、繼電器、指示燈和按鈕等。

2.PLC控制單元

本系統(tǒng)選用了施耐德莫迪康系列Micro PLC作為主控制器，選用一個電源模塊、一個CPU模塊TSX3721、三個數(shù)字量輸入模塊DEZ32D2，兩個數(shù)字量輸出模塊DSZ08R5和兩個模擬量輸入模塊AEZ802。電源模塊用于給PLC各個模塊供電，CPU模塊用于存儲信息、運算數(shù)據(jù)和控制命令，數(shù)字量輸入模塊用于采集開關(guān)量的信息，數(shù)字量輸出模塊用于直接控制電氣回路，模擬量輸入模塊用于采集傳感器信息、電參數(shù)模塊信息。

3.上位機控制單元

包括觸摸屏和工控機兩部分。觸摸屏選用的是北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司生產(chǎn)的TPC1063E，該產(chǎn)品是一套以嵌入式低功耗CPU為核心（主頻400MHz）的高性能嵌入式一體化工控機，采用了10.4英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率640×480），四線電阻式觸摸屏（分辨率1024×1024）。通過RJ45以太網(wǎng)接口與工業(yè)以太網(wǎng)交換機連在一起，接收PLC傳送過來的數(shù)據(jù)同時顯示出來。工控機選用的是研華IPC-610/AIMB-763VG/E5300 2.6G/1G/160G作為主機，另外配置19寸液晶顯示器、UPS電源、打印機等。工控機和觸摸屏中都裝有昆侖通態(tài)公司生產(chǎn)的MCGS軟件。

4.傳感器單元

此監(jiān)控系統(tǒng)用到的傳感器主要包括壓力變送器和水位傳感器。壓力變送器選用的是HM20通用型壓力變送器，用于采集橡膠壩袋的水壓力，輸出4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流。水位傳感器選用的是HM21投入式液位變送器，用于采集深水井、集水井和壩袋高度的水位，輸出也是4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流。它們都是把信號傳送到PLC的模擬量輸入模塊中，經(jīng)過PLC內(nèi)部程序處理后在觸摸屏和上位機組態(tài)軟件中顯示出來。

5.視頻設(shè)備單元

視頻設(shè)備單元包括3臺攝像機和1臺硬盤錄像機。攝像機分別拍攝泵房、控制室內(nèi)和控制室外三個部分；1臺硬盤錄像機負責(zé)記錄采集到的信息。視頻攝像機采集到現(xiàn)場畫面后存入硬盤錄像機，同時通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機和百兆單模光纖將此信息傳送到管理處，管理處可以實時監(jiān)測每個壩周圍的情況，提高了安全性。

三、系統(tǒng)上位機設(shè)計

此系統(tǒng)的上位機軟件設(shè)計包括上位機組態(tài)軟件設(shè)計和觸摸屏軟件設(shè)計。由于上位機組態(tài)軟件設(shè)計與觸摸屏類似，所以這里僅介紹上位機軟件設(shè)計。

1.上位機組態(tài)

根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，本系統(tǒng)采用了C/S（Client/Server客戶端/服務(wù)器）和B/S（Browser/Server瀏覽器/服務(wù)器）的集成的方式。工程師和操作員站通過每一個獨立的IP地址來采集各個PLC的信息，并存儲于服務(wù)器中。在網(wǎng)絡(luò)發(fā)布時，使用B/S的方式將有用的信息發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，管理處可以通過瀏覽網(wǎng)頁的方式監(jiān)視運行狀況。

四、結(jié)論

本設(shè)計是基于工業(yè)以太網(wǎng)、組態(tài)軟件和PLC的橡膠壩遠程監(jiān)控系統(tǒng)，利用了組態(tài)軟件強大的數(shù)據(jù)處理能力、畫面動態(tài)顯示及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，同時也利用了光纖和PLC的抗干擾能力強等特點，融合了先進的自動化技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機控制技術(shù)、通信技術(shù)等，具有可操作性強、易維護等特點，解決了管理人員不能實時監(jiān)測橡膠壩狀況的問題。該系統(tǒng)還有效地減輕了工作人員的勞動強度，為實現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)進行了有益的探索，具有很好的推廣和使用價值。