基于PLC的全自動(dòng)化在灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

趙志軍，王雯

（1.太原優(yōu)易科技有限公司，山西 太原 030000；2.太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030000）

自動(dòng)化、信息化技術(shù)是合理調(diào)度灌區(qū)用水、有效執(zhí)行用水計(jì)劃、提高用水效率以及節(jié)能降耗的重要技術(shù)手段。當(dāng)前，我國正處于十四五規(guī)劃背景下，建設(shè)一套集中調(diào)度、遠(yuǎn)程控制、無人值守、自動(dòng)運(yùn)行的灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)是建設(shè)現(xiàn)代化灌區(qū)的必由之路。

1 灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)是按照分層控制的思想設(shè)計(jì)和建立的，根據(jù)灌區(qū)運(yùn)作的實(shí)際需求，將系統(tǒng)分為具體的三層：現(xiàn)地控制層、集中控制層以及指揮調(diào)度中心。指揮調(diào)度中心按照用水調(diào)度計(jì)劃下發(fā)調(diào)度指令，位于集中控制層的數(shù)據(jù)中心接受調(diào)度指令，依據(jù)調(diào)度模型及調(diào)度算法將調(diào)度指令轉(zhuǎn)化為操作指令，并最終將操作指令下發(fā)給現(xiàn)地控制層的可編程控制器（PLC）。位于現(xiàn)場的PLC采集現(xiàn)場水位、閘位、閘門荷重、電壓電流及視頻圖像信息等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給集中控制層及指揮調(diào)度中心，供調(diào)度平臺(tái)及調(diào)度人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控異地閘控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，為設(shè)備運(yùn)行提供定制化的響應(yīng)式服務(wù)，包括設(shè)備的智能分析診斷、預(yù)測性維護(hù)、節(jié)能管理、空中在線升級(jí)調(diào)試和遠(yuǎn)程作業(yè)指導(dǎo)等，減少因設(shè)備意外停車引起的生產(chǎn)停滯，提高設(shè)備利用率，為設(shè)備健康與安全高效生產(chǎn)保駕護(hù)航。

除此之外，還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控閘門的狀態(tài)，預(yù)測感知閘門健康情況變化，提前預(yù)警。大數(shù)據(jù)分析設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況、能耗情況與報(bào)警信息，建立設(shè)備的對標(biāo)管理，為提高設(shè)備利用率與節(jié)能提供策略與解決方案。

（1）現(xiàn)地控制層。現(xiàn)地控制層實(shí)現(xiàn)了閘門的啟閉的控制功能，并對現(xiàn)場閘門運(yùn)行數(shù)據(jù)、水情數(shù)據(jù)、雨情數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地控制站的無人值守、安全運(yùn)行，現(xiàn)低控制層還集成了視頻監(jiān)控、周界報(bào)警設(shè)備。現(xiàn)地控制層設(shè)備控制具有最高優(yōu)先級(jí)。數(shù)據(jù)通訊設(shè)備采用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，保證了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠傳輸。在部分偏遠(yuǎn)地區(qū)，無法建設(shè)專網(wǎng)或者4G信號(hào)較弱的地區(qū)，數(shù)據(jù)通訊采用消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議（MQTT），數(shù)據(jù)輕量，支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳，從而保證了數(shù)據(jù)完整性。

（2）集中控制層。一般情況下，灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)中的集中控制層位于二級(jí)閘所數(shù)據(jù)分中心。集中控制層接收來自指揮調(diào)度中心的相關(guān)決策和調(diào)度指令，并將調(diào)度指令轉(zhuǎn)換為控制指令來控制閘門，實(shí)現(xiàn)用水調(diào)度。集中控制層對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，為調(diào)度中心進(jìn)行指揮調(diào)度提供決策依據(jù)。集中控制層實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互功能，控制優(yōu)先級(jí)僅低于現(xiàn)地控制層。在某些特定情況下，集中控制層可脫離調(diào)度指令對現(xiàn)地閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

（3）指揮調(diào)度中心。灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)中的指揮調(diào)度中心一般位于管理中心的決策機(jī)構(gòu)中，在灌區(qū)實(shí)際的運(yùn)作過程中，調(diào)度中心接收來自集中控制層（閘所數(shù)據(jù)分中心）的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和運(yùn)行信息，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，以此為基礎(chǔ)，利用調(diào)度模型、專家系統(tǒng)，進(jìn)行水資源的統(tǒng)籌和規(guī)劃工作，實(shí)現(xiàn)閘群的聯(lián)合調(diào)度。指揮調(diào)度中心具有的控制優(yōu)先級(jí)最低。

2 灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

（1）系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式。小型閘站采用西門子Smart200系列PLC進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及控制，中型閘站及泵站采用西門子1500系列PLC進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及控制，大型閘站及泵站或可靠性要求極高的中小型閘泵站可采用西門子410H系列硬冗余PLC進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及控制。條件較好的網(wǎng)絡(luò)可達(dá)地區(qū)，控制網(wǎng)絡(luò)采用西門子Profinet協(xié)議，部分網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好的偏遠(yuǎn)地區(qū)需增加4G網(wǎng)關(guān)，采用MQTT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。集中控制層采用西門子Wincc組態(tài)軟件，數(shù)據(jù)共享及存儲(chǔ)使用SQL Server2014，集中控制層集成視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了轄區(qū)閘門的可視化監(jiān)控。

圖1 可視化集中監(jiān)控案例

基于PLC的現(xiàn)地控制柜以單孔閘門為核心構(gòu)成智能控制單元，PLC核心CPU模塊集成Profinet接口，單孔閘門可實(shí)現(xiàn)遙控啟閉閘門，按照設(shè)定閘位啟閉閘門，或是根據(jù)上下游水位構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)閘門。系統(tǒng)可以設(shè)定閘門位置高限、低限，具有高低限位保護(hù)功能；設(shè)定載荷高限，具有荷載保護(hù)功能；配合空氣斷路器分勵(lì)，具有緊急斷電保護(hù)功能。

（2）Profinet概述。Profinet是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)，可以完全兼容現(xiàn)有現(xiàn)場總線（Profibus）技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，其在實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等領(lǐng)域都有典型應(yīng)用。Profinet定義了三種通訊協(xié)議等級(jí)，TCP/IP是針對PROFINET CBA及工廠調(diào)試用，其反應(yīng)時(shí)間約為100ms；RT（實(shí)時(shí)）通訊協(xié)定是針對PROFINET CBA及PROFINET IO的應(yīng)用，其反應(yīng)時(shí)間小于10ms；IRT（等時(shí)實(shí)時(shí)）通訊協(xié)定是針對驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PROFINET IO通訊，其反應(yīng)時(shí)間小于1ms?；赑rofinet技術(shù)的灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)具有開放、靈活和高效的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)交換快速安全，構(gòu)架靈活易于擴(kuò)展，系統(tǒng)的實(shí)施較為方便、高效、經(jīng)濟(jì)。

（3）MQTT概 述。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議），是一種基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的“輕量級(jí)”通訊協(xié)議，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上。MQTT最大優(yōu)點(diǎn)在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時(shí)通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用。對于網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好的偏遠(yuǎn)地區(qū)，采用MQTT協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)傳，數(shù)據(jù)的完整性和有效性得到了保證。同時(shí)，由于MQTT是一種低開銷、低帶寬的協(xié)議，基于MQTT的灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)以最高效的方式傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省流量開銷，提高傳輸效率。

（4）系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采用雷達(dá)水位計(jì)測量閘門上下游水位，雷達(dá)水位計(jì)為6～30V直流電壓供電，485總線傳輸數(shù)據(jù)，水位測量精度為±3mm；閘位位置信號(hào)采用16位絕對式編碼器，系統(tǒng)供電為6～30V直流電壓，輸出為485總線數(shù)據(jù)；載荷傳感器采用4～20mA電流信號(hào)輸出。傳感器供電多采用6～30V范圍直流供電，在偏遠(yuǎn)地區(qū)需采用太陽能系統(tǒng)供電的場合也較為適用。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用TIA全集成自動(dòng)化軟件進(jìn)行開發(fā)，模塊化編程，上位機(jī)軟件采用組態(tài)方式，集成視頻OCX控件，界面分區(qū)規(guī)劃，簡潔友好，便于交互。設(shè)定分級(jí)控制權(quán)限，具有操作記錄、報(bào)警記錄、歷史數(shù)據(jù)查詢功能。

系統(tǒng)可定制開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案，采用邊緣計(jì)算器將數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)服務(wù)器，利用云平臺(tái)的大數(shù)據(jù)智能分析服務(wù)將各種數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、整理、分析，通過微信開發(fā)者工具開發(fā)微信小程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控、記錄、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析、修改、報(bào)警等操作，實(shí)現(xiàn)閘群設(shè)備的遠(yuǎn)程智能化管理，提升灌區(qū)的智能化管理水平。

4 結(jié)語

本文對基于PLC的灌區(qū)閘群控制系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)分析和研究，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)閘群的全自動(dòng)化控制，利用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對灌區(qū)用水的有效調(diào)度，提升灌區(qū)的管理水平。