全渠道一體化測控閘門智能調控系統在引黃灌區的應用*

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控系統概述

該系統應用了包括灌溉管理層、現場控制層和局域監控層的現場總線控制系統的三級網絡構造，對應中央控制系統、現場控制系統、現場控制設備和儀器儀表三個層面，三者間通過信息網絡和控制網絡連接，實現了引黃灌區用水的智能化高效調度與控制[4-5]。借助S7-1200PLC 創建可編程邏輯控制系統，該系統能夠實現對用水調度控制流程中各子系統的智能化控制，并且能高效、高質量收集系統設備的運行情況和各項參數，監控一體化測控閘門智能調控系統的整體工作狀態[6]。在系統工作狀態出現異常時，可以及時報警反饋，使設備檢修人員可以在第一時間抵達工作現場，及時排除故障，恢復正常工作狀態。根據歸納整理收集到的設備信息，也可以在日常工作中隨時分析設備的工作情況，防患于未然，提前做好設備維護，避免突發的異常問題發生。

2 全渠道一體化測控閥門智能調控系統設計

2.1 自動控制系統的下位機設計

在測控閥門智能調控系統設計中，下位機主要負責兩個方面的工作。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備信息，并通過歸納整理上傳至系統處理器。在現場總線的控制系統中，下位機是保持系統穩定性與可靠性的基礎。所以，對于下位機的程序設計、安裝都有很高的要求，若下位機的工作狀態出現某些異常，將給處理工作帶來較高的難度。

2.1.1 閘門測控系統總體設計

本設計以西門子PROFIBUS 的現場總線控制系統為基礎。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的一系列工作，無論是監測還是控制，在此系統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的，并在主控系統上加裝了各種傳感器、變頻器。下位機可以實現對現場設備的有效控制，采集閥門工作過程中的設備信息、工作信號，經過系統歸納整理后反饋到信息系統中。上位機配置了LENOVO 啟天M4350 的臺式機，用主機上的網卡與可編程邏輯控制器中的以太網通信模塊連接。并未選用工業控制計算機，是因為在灌溉渠閘門現場，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，周邊環境中不存在程度較大的電磁干擾和機械振動，現場實際的設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，使用網線連接就可以正常工作。

設計使用了一個可編程邏輯控制主站并配置多個分站，確保系統正常運行。系統最上方是由操作人員負責的，人員監控整個處理系統時，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、易淤積而導致的測量精度低的問題，實現了對系統整體功能的控制作用，不僅讓設備的數據采集功能更有效地發揮出來，也有利于設備管理人員及時做好設備的故障處理工作。

傳感器的應用可以起到以下幾方面作用：1）實時數據監測。處理器需要定期檢查傳感器節點有無信息上報，并檢測閘門智能調控系統的工作情況，獲取有效數據信息，將信息存儲起來。在工作后期，這些在處理器中儲存的數據，可以作為對環境數據處理和分析的有效參考依據。2）系統參數設定。處理器在判定傳感器節點上傳的信息的過程中，對于時間和環境數據的存儲空間、用于報警的應力應變警告閾值、歷史數據查詢時間等，應提前進行相應的設定。3）系統實時報警。這部分功能要求傳感器系統可以在監測到本地監測參數時，及時有效地分析數據信息，一旦發現監測參數接近報警閾值時，可以根據工作人員提前設定好的預警方案，立即向監測中心報警。上述監測報警機制，有效地提升了監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正確接收和解析監測中心的控制命令，控制前端傳感器模塊按照指令進行操作。5）主動查詢。要求傳感器系統為用戶主動查詢的服務內容，用戶通過監控終端可以向處理器發送指令，在接收到指令后處理器可以快速反應，并依據之前設定好的工作程序采集數據信息傳回用戶終端。主動查詢功能為用戶隨時隨地監測施工實時數據提供了便利條件，具體結構框圖如圖1 所示。

圖1 全渠道一體化測控閥門智能調控系統總體結構圖

該全渠道一體化測控閥門智能調控系統，主要下分了多個子系統，分別是閘門自控子系統、大壩安全監測子系統、電站監測子系統、水雨情監測子系統、水質數據監測子系統、“三防”遙測子系統、實時視頻數碼監測子系統、離線管理子系統、服務器網管子系統、防雷避雷子系統、綜合電源保障子系統等[7-8]。其中，閘門控制子系統、大壩安全子系統、油泵控制子系統、雨情監測子系統、水情監測子系統屬于在線監控系統，可以控制干渠灌溉流量，控制上游水位，監控大壩安全情況，采集、監控電站數據和水雨情數據[9]，在線監控系統構成如圖2所示。

圖2 全渠道一體化測控閥門智能調控系統的遠程監控子系統構成圖

水質監測子系統用于分析水溫、pH 值、濁度等數據，并將收集到的數據資料通過端口傳輸至離線服務器，由離線服務器完成接下來的數據分析、處理、存儲工作。在視頻數碼監測子系統中，攝像頭用于觀察情況，視頻采集系統用于信號的轉換，可將視頻信號轉換為數字信號，并將其傳輸至實時視頻數碼監測計算設備中。離線管理子系統可以處理閘位數據和水質數據，并提供閘門智能調控系統的歷史數據查詢與報表生成功能，可以隨時備份數據，既可自動備份也可手動備份，為閘門智能調控工作提供了更精準有效的數據支持[4]。可編程邏輯控制主控系統又包含了S7-300 控制器、輸入輸出模塊、操作員站、觸摸屏、以太網接口、終端監控軟件等，能夠實時采集各傳感器參數，操作人員只需提前設定好控制策略，主控系統在實際工作中就可以自動發出控制信號，實現對流量、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終端，都可以實時監測系統的參數、運行狀態，也可以便捷地控制電閥開度，遠程調整系統的工作情況，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能夠讓閘門智能調控系統在失去電力支持后，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成與基本工作原理

可編程邏輯控制的軟件構成：1）系統監控程序。在系統內部的整體結構中，其屬于底層的程序，主要負責的是比較基本和輔助性較強的功能。2）用戶程序。這部分內容是要由用戶自己開發與編寫完成的，用戶根據自己的實際需求，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出顯著的周期性循環掃描特征，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，將單次循環掃描時間記為一個掃描周期，而CPU在實際工作中是先執行每個程序的第一條指令，然后按順序逐條執行，在程序中未出現跳轉、中斷或者結束等指令的條件下，程序會一直周而復始循環下去。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 上位機應用管理軟件

上位機主要實現監控功能，是總線控制系人機交互方面重要的一環，完成人機交流的工作。上位機通過通信連接實現對下位機以及現場設備的監控，軟件基于.NET Framework、C＃程序設計語言和SQL 數據庫，以B/S 模型為主，部分是通過C/S 模型程序輔助的開發方案。

2.3 網絡通信的設計

本系統是一個典型的現場總線控制系統（FCS），共采用了三種通信方式：PROFIBUS、MPI、工業以太網。控制系統的網絡通信設計下位機PLC 與現場設備采用PROFIBUS-DP 進行連接，PROFIBUSDP 網絡通信方式為主站和分站的設計模式。硬件組態是在西門子的編程以及硬件組態Step7 環境中進行的，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 開發環境中新建一個項目，插入一個S7-300 主站，和一條PROFIBUS-DP 網絡，一條MPI 網絡，一條Ethernet網絡，然后分別組態各個主站、分站、觸摸屏、上位機的網絡地址。主站C P U 與各分站之間通過PROFIBUS 網絡通信，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 結語

綜上可知，全渠道一體化測控閘門智能調控系統的設計與應用，有助于遠程自動控制灌區閘門水位、閘位及流量等。以往引黃灌區手動閘門存在的監控精度低、實時性差、灌溉水利用系數低、調配不均衡等問題，很大程度上是因為人工監測、手工計算所導致的。在智能調控系統應用后，引黃灌區憑借對全方位信息化技術的應用，用水調控工作質量得到了全方位提升。