水利自動化工程DCS系統(tǒng)的研發(fā)

趙丹瑞，尹 飛，文西芹＊，朱文亮，于 飛

（1.江蘇海洋大學，江蘇 連云港 222005；2.連云港水利局，江蘇 連云港 222005）

水資源短缺是影響我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要問題之一。我國人均水資源僅有2 200 m3，是世界平均水平的1/4左右，而我國農(nóng)業(yè)用水占總用水量的3/4左右，其中農(nóng)田灌溉用水占3/5左右。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，需要切實提高水資源的利用率，采取應用于水利自動化工程的分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）降低農(nóng)田灌溉用水總量，保證我國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。本系統(tǒng)有效應用了農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術，從而提高水資源利用率，并且使得糧食產(chǎn)量顯著增加，是推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要保障[1]。

1 系統(tǒng)總體設計方案

文章設計并實現(xiàn)的DCS系統(tǒng)包括了水位采集、閘位采集、閘門控制、流量計算功能。水位及閘位采集單元包括水位傳感器、閘門開度傳感器、昆侖通態(tài)觸摸屏、運動控制器、集成電路分析（Integrated Circuit Analysis，ICAN）模塊、基于組態(tài)王的PC機。閘門控制單元使用MSO-MC3運動控制器，與中間繼電器、交流接觸器互相配合，控制閘門升降動作采用的是KEIL-MDK5編程軟件C語言。閘孔出流流量是水利自動化工程的一個重要影響參數(shù)。但考慮系統(tǒng)的成本，根據(jù)閘孔出流流量計算公式，需要上游水深、下游水深、閘門開度等參數(shù)，通過傳感器對水位、閘門開度進行測量[2]，傳輸ICAN模塊與MSO-MC3運動控制器相結合，從而提高對閘孔出流流量精確的計算，實時對流量進行計算和監(jiān)控，合理調(diào)配水資源，為增加糧食產(chǎn)量奠定良好基礎。

水文對于水利自動化工程DCS系統(tǒng)所控制一個閘門的結構如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)硬件主要由核M S O - M C 3 運動控制器、基于組態(tài)王的P C 機、監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（Monitor and Control Generated System，MCGS）觸摸屏、ICAN模塊、交換機、傳感器和閘門控制單元組成，本系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

圖1 總體設計結構

圖2 系統(tǒng)硬件結構

2.1 MSO-MC3多軸運動控制器

自主研發(fā)的MSO-MC3運動控制器是應用于水利自動化工程的DCS系統(tǒng)的核心，如圖3所示，對運動控制器的軟硬件進行研究，開發(fā)低成本的嵌入式運動控制器[3-4]。根據(jù)模塊化設計思想，運動控制器處理器用意法半導體公司推出的高性能Cortex-M4內(nèi)核微控制器 STM32F4[5]，輸入信號X、輸出信號Y滿足控制系統(tǒng)的需求，通信模塊有RS485，RS232，CANOPEN，Earthnet等，外圍電路精簡，高效地降低了成本。運動控制器的軟件系統(tǒng)采用層次化設計，軟件系統(tǒng)的編寫采用是通用的C編程語言，方便使用、升級功能[6-7]。

高端數(shù)控裝備多軸運動控制系統(tǒng)以最新32位ARM為控制核心（替代單片機），其核心產(chǎn)品創(chuàng)新是多功能性，把多種工控產(chǎn)品的優(yōu)勢融為一體，集成了觸摸屏顯示，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）邏輯控制、多軸運動控制等功能。系統(tǒng)最多可實現(xiàn)32軸伺服電機驅動，實現(xiàn)不同運動控制功能，性價比高[8]。

2.2 閘門控制模塊

應用于水利自動化工程的DCS系統(tǒng)的閘門控制部分主要由運動控制器、控制回路、數(shù)據(jù)采集3部分組成。核心控制單元采用MSO-MC3多軸運動控制器，PC機與運動控制器以標準ModbusTCP通信協(xié)議作為遠程控制的通信方式，昆侖通態(tài)觸摸屏與運動控制器采用的是RS232作為現(xiàn)自控制模式通信方式，來控制閘門的上升和下降；控制回路使用的器件主要有施耐德交流接觸器、德力西繼電器、施耐德斷路器、指示燈和熱繼電器保護等；ICAN模塊和運動控制器采用的是控制器局域網(wǎng)絡（Controller Area Network，CAN）通信方式，數(shù)據(jù)采集包括閘門開度儀傳感器和水位傳感器的接入，兩個傳感器實時將采集到的信號傳輸?shù)絀CAN模塊，再傳輸?shù)竭\動控制器，從而時刻監(jiān)測閘門的數(shù)據(jù)。為保證控制過程的安全性，設置了兩個限位保護，第一個是在閘門開度儀設置了最高和最低開度，第二個使用的是限位開關，當超出設定的高度，系統(tǒng)工作中斷，報警信息傳入PC機，在消除報警和復位后，重新對閘門控制，安全性極高。將運動控制器、ICAN模塊、電路主板及電器元件合理安裝在電氣控制柜中，將觸摸屏、按鈕、閘門開度儀等合理布置在電氣控制柜面板上，保證元器件不影響互相工作，使得本系統(tǒng)適合用于不同惡劣條件。

3 軟件設計

本系統(tǒng)基于MSO-MC3運動控制系統(tǒng)進行二次開發(fā)，基于C編程語言對軟件進行開發(fā)[9]。控制器中的X1，X2為閘門上升和閘門下降輸入信號；X3為閘門故障報警輸入信號；X4，X5為閘門上升到位和閘門下降到位輸入信號；X6，X7，X8為手動信號、現(xiàn)自信號、遠控信號。控制器通過ICAN數(shù)據(jù)采集模塊對傳感器采集來的數(shù)據(jù)進行處理，傳送給昆侖通態(tài)觸摸屏和PC機，ICAN總線輸入輸出高速采集模塊，可以實現(xiàn)低成本閘位開度和水位狀態(tài)的在線監(jiān)測，是一種實用性的一體化模塊，能夠實時監(jiān)測各個測試點的閘門開度、水位并計算出各個閘門水流量情況，并保存和顯示結果。當農(nóng)田需要灌溉，可以遠程控制閘門啟閉，實時采集庫區(qū)流量，提高水資源利用率。

3.1 昆侖通態(tài)觸摸屏程序設計

昆侖通態(tài)觸摸屏與運動控制器采用Modbus RTU通信方式。接收端串口采用RS-232通信模式[10-11]，通信參數(shù)和控制器發(fā)送端必須與接收端保持一致，控制器主控芯片STM32F407也必須通過RS-232總線發(fā)送命令來控制啟閉機上升、下降、停止、觸碰限位開關停止等動作。昆侖通態(tài)觸摸屏主要由主控窗口界面，將控制柜上的旋鈕調(diào)到“現(xiàn)自”控制狀態(tài)，即可使用觸摸屏控制。本系統(tǒng)設計了閘門操控指令、閘門故障報警、閘門位置顯示[12]。

3.2 DCS系統(tǒng)組態(tài)

DCS的組態(tài)任務主要包括PC機組態(tài)王組態(tài)和MSOMC3的程序設計。

3.2.1 PC機組態(tài)王組態(tài)

采用傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol ，TCP）通信方式，總線連接PC機RJ45端口和交換機，使用多個標號光纖連接至相對應現(xiàn)地控制單元（Local Control Unit，LCU）柜中的光纖收發(fā)器，另一端采用6類屏蔽網(wǎng)線連接運動控制器EARTHNET接口，可以消除強電流對通信方式的干擾，在連接過程中，應盡可能縮短6類屏蔽網(wǎng)線的距離，以保證通信的穩(wěn)定。運用組態(tài)王軟件通過PC端進行組態(tài)工作，先進行網(wǎng)絡組態(tài)，配置通信PC機的屬性，設定PC機的IP地址及相關參數(shù)，建立Ethernet網(wǎng)絡，并設定PC機的IP地址，以多個運動控制器做從站。PC機通過以太網(wǎng)運行。

3.2.2 控制器配置

設置網(wǎng)絡的控制器從站參數(shù)：調(diào)整地址設置好控制器的地址，該地址與PC機組態(tài)時地址一致。設置從站：在控制器的配置軟件中添加ModbusTCP從站節(jié)點及其IP地址，用于連接MSO-MC3運動控制器。設置控制器與通信用的串口參數(shù)和IP地址，編寫控制程序。

3.3 流量計算

根據(jù)有關資料可知，閘孔自由出流流量的水力計算公式如下：

閘孔淹沒出流流量的水力計算公式為：

式中，H為上游水深（m）；b為閘門寬度（m）；g為重力加速度取9.81 m/s2；e為閘門開度（m）；σs為淹沒系數(shù)；Q為過閘流量（m3/s）[13-14]。

計算多孔閘門時，在誤差范圍之內(nèi)，可以認為多孔閘門出流的總流量Q就是該閘門各個閘孔所需的流量之和，即：

式中，Q1，Q2，…，Qn分別為各單孔出流量。

4 試驗結果

根據(jù)試驗結果可知，經(jīng)過100次試驗，本系統(tǒng)基于流量和閘門開度、水深之間的關系如表1所示，精確計算出流量，當預估灌區(qū)對水資源的需求量時，開閘放水，提高了水資源利用率，增加了農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，對增加糧食種植者收入有重要意義[15]。

表1 單孔試驗結果

5 結語

文章設計的應用于水利自動化工程的DCS系統(tǒng)充分利用了MSO-MC3運動控制器安全性高，產(chǎn)品成本是國外進口的1/2，具有實際的創(chuàng)新性和推廣我國自主研發(fā)產(chǎn)品的應用性，響應國家萬眾創(chuàng)新的號召。本系統(tǒng)可實時遠程遙控閘門啟停，閘門位置控制精準，實現(xiàn)水情自動化監(jiān)測與調(diào)度，可實時采集庫區(qū)水位、閘位、閘孔出流流量。應用水利工程的DCS系統(tǒng)有效提高了我國農(nóng)田灌溉水平，對提高國家糧食產(chǎn)量具有重要意義。